Monitorowanie paneli słonecznych za pomocą fotonu cząstek: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Celem projektu jest poprawa wydajności paneli słonecznych. Projekt ma na celu nadzorowanie wytwarzania energii słonecznej fotowoltaicznej w celu zwiększenia wydajności, monitorowania i konserwacji elektrowni słonecznej.

W tym projekcie foton cząstek jest połączony z pinem wyjściowym napięcia panelu słonecznego, czujnikiem temperatury LM-35 i czujnikiem LDR, aby monitorować odpowiednio moc wyjściową, temperaturę i natężenie padającego światła. Znakowy wyświetlacz LCD jest również połączony z fotonem cząstek w celu wyświetlania mierzonych parametrów w czasie rzeczywistym. Photon nie tylko wyświetla zmierzone parametry na ekranie LCD, ale także wysyła zmierzone wartości do serwera w chmurze w celu przeglądania danych w czasie rzeczywistym.

Krok 1: Wymagany składnik

• Cząstka Foton $ 20
• Wyświetlacz LCD 16x2 3 zł
• Płyta solarna $ 4
• Czujnik temperatury LM-35 $2
• zł 1
• Deska do krojenia chleba $4
• Przewody połączeniowe $3

Całkowity koszt sprzętu to około 40 dolarów.

Krok 2: Sprzęt

1. Cząsteczkowy foton

Photon to popularna płyta IoT dostępna na platformie Particle. Na płytce znajduje się mikrokontroler STM32F205 120Mhz ARM Cortex M3, 1 MB pamięci flash, 128 Kb pamięci RAM i 18 pinów wyjścia sygnału mieszanego ogólnego przeznaczenia (GPIO) z zaawansowanymi urządzeniami peryferyjnymi. Moduł posiada wbudowany układ Wi-Fi Cypress BCM43362 do łączności Wi-Fi oraz jednopasmowy 2.4GHz IEEE 802.11b/g/n dla Bluetooth. Płytka jest wyposażona w 2 interfejsy SPI, jeden I2S, jeden I2C, jeden CAN i jeden USB.

Należy zauważyć, że 3V3 jest wyjściem filtrowanym używanym dla czujników analogowych. Ten pin jest wyjściem wbudowanego regulatora i jest wewnętrznie podłączony do VDD modułu Wi-Fi. Podczas zasilania Photona przez VIN lub port USB, ten pin będzie wyprowadzał napięcie 3,3VDC. Ten pin może być również użyty do bezpośredniego zasilania Photona (maksymalne wejście 3,3 VDC). W przypadku użycia jako wyjście, maksymalne obciążenie na 3V3 wynosi 100mA. Sygnały PWM mają rozdzielczość 8-bitów i działają na częstotliwości 500 Hz.

2. Wyświetlacz LCD 16X2

Wyświetlacz LCD 16X2 służy do wyświetlania wartości mierzonych parametrów. Jest on podłączony do fotonu cząstek poprzez podłączenie jego pinów danych D4 do D7 do pinów D0 do D3 na płycie cząstek. Piny E i RS wyświetlacza LCD są podłączone odpowiednio do pinów D5 i D6 płyty wiórowej. Styk R/W wyświetlacza LCD jest uziemiony.

3. Czujnik LDR (fotorezystor)

LDR lub rezystor zależny od światła jest również znany jako fotorezystor, fotokomórka, fotoprzewodnik. Jest to jeden rodzaj rezystora, którego rezystancja zmienia się w zależności od ilości światła padającego na jego powierzchnię. Kiedy światło pada na rezystor, zmienia się rezystancja. Rezystory te są często używane w wielu obwodach, w których wymagane jest wykrywanie obecności światła. Rezystory te mają różnorodne funkcje i rezystancję. Na przykład, gdy LDR jest w ciemności, można go użyć do włączenia światła lub wyłączenia światła, gdy jest w świetle. Typowy opornik światłoczuły ma rezystancję w ciemności 1 MOhm, aw jasności rezystancję kilku kiloomów.

Zasada działania LDR

Rezystor ten działa na zasadzie fotoprzewodnictwa. To nic innego, jak gdy światło pada na jego powierzchnię, wówczas przewodność materiału zmniejsza się, a elektrony w paśmie walencyjnym urządzenia są wzbudzane do pasma przewodnictwa. Te fotony w świetle padającym muszą mieć energię większą niż pasmo zabronione materiału półprzewodnikowego. To powoduje, że elektrony przeskakują z pasma walencyjnego do przewodzenia. i wzrasta w ciemności. Kiedy LDR jest trzymany w ciemnym miejscu, jego odporność jest wysoka, a gdy LDR jest trzymany w świetle, jego odporność spada. Czujnik LDR służy do pomiaru natężenia światła padającego. Intensywność światła wyrażana jest w luksach. Czujnik jest podłączony do pinu A2 Particle Photon. Czujnik jest podłączony w obwodzie dzielnika potencjału. LDR dostarcza napięcie analogowe, które jest konwertowane na odczyt cyfrowy przez wbudowany ADC.

4. Czujnik temperatury LM-35

LM35 to precyzyjny IC czujnik temperatury o mocy wyjściowej proporcjonalnej do temperatury (w oC). Zakres temperatur pracy wynosi od -55°C do 150°C. Napięcie wyjściowe zmienia się o 10mV w odpowiedzi na każdy wzrost/spadek temperatury otoczenia o C, tj. jego współczynnik skali wynosi 0,01V/oC. Czujnik posiada trzy piny - VCC, Analogout i Ground. Pin Aout LM35 jest podłączony do pinu wejścia analogowego A0 fotonu cząstek. VCC i uziemienie są połączone ze wspólnym VCC i uziemieniem.

Cechy

Kalibrowany bezpośrednio w stopniach Celsjusza (Celsjusza)

Liniowa przy współczynniku skali 10,0 mV/°C

• Gwarantowana dokładność 0,5°C (przy a25°C)
• Przystosowane do pełnego zakresu od -55°C do 150°C
• Działa od 4 do 30 woltów
• Pobór prądu poniżej 60 mA
• Niskie samonagrzewanie, 0,08°C wkrapla powietrze
• Nieliniowość typowo tylko 0,25°C
• Wyjście o niskiej impedancji, 0,1 Ω dla obciążenia 1 mA

5. Panel słoneczny

Panele słoneczne to urządzenia, które zamieniają światło na energię elektryczną. Otrzymali nazwę „panele słoneczne” od słowa „Sol” używanego przez astronomów w odniesieniu do słońca i światła słonecznego. Są one również nazywane panelami fotowoltaicznymi, gdzie fotowoltaika oznacza „światło-elektryczność”. Zjawisko zamiany energii słonecznej na energię elektryczną nazywamy efektem fotowoltaicznym. Efekt ten generuje napięcie i prąd na wyjściu przy ekspozycji energii słonecznej. W projekcie zastosowano panel słoneczny o napięciu 3 V. Panel słoneczny składa się z kilku ogniw słonecznych lub diod fotowoltaicznych. Te ogniwa słoneczne są diodą złącza P-N i mogą generować sygnał elektryczny w obecności światła słonecznego. Pod wpływem światła słonecznego ten panel słoneczny generuje na swoich zaciskach napięcie wyjściowe prądu stałego o wartości 3,3 V. Ten panel może mieć maksymalną moc wyjściową 0,72 wata i minimalną moc wyjściową 0,6 wata. Jego maksymalny prąd ładowania to 220 mA, a minimalny prąd ładowania to 200 mA. Panel posiada dwa zaciski - VCC i Ground. Wyjście napięciowe jest pobierane z pinu VCC. Pin wyjścia napięciowego jest podłączony do pinu wejścia analogowego A1 fotonu cząstek w celu pomiaru mocy wyjściowej z panelu słonecznego.

Krok 3: Oprogramowanie

IDE sieci cząstek

Aby napisać kod programu dla dowolnego Photona, programista musi założyć konto na stronie Particle i zarejestrować tablicę Photon na swoim koncie użytkownika. Kod programu można następnie napisać w Web IDE na stronie internetowej Cząstki i przenieść do zarejestrowanego fotonu przez Internet. Jeśli wybrana płyta Cząstek, tutaj Photon, jest włączona i połączona z usługą w chmurze Cząstki, kod jest wypalany do wybranej płyty drogą radiową przez połączenie internetowe i płyta zaczyna działać zgodnie z przesłanym kodem. W celu kontrolowania karty przez Internet zaprojektowano stronę internetową, która używa Ajax i Jquery do wysyłania danych do karty przy użyciu metody HTTP POST. Strona internetowa identyfikuje tablicę za pomocą identyfikatora urządzenia i łączy się z usługą chmury Particle za pomocą tokena dostępu.

Jak połączyć foton z Internetem

1. Zasil swoje urządzenie

• Podłącz kabel USB do źródła zasilania.
• Zaraz po podłączeniu, dioda LED RGB w urządzeniu powinna zacząć migać na niebiesko. Jeśli urządzenie nie miga na niebiesko, przytrzymaj przycisk SETUP. Jeśli urządzenie w ogóle nie miga lub dioda LED świeci kolor pomarańczowy, może nie mieć wystarczającej mocy. Spróbuj zmienić źródło zasilania lub kabel USB.

2. Połącz swojego Photona z InternetemSą dwa sposoby korzystania z aplikacji internetowej lub aplikacji mobilnej

a. Korzystanie z aplikacji internetowej

• Krok 1 Przejdź do setup.particle.io
• Krok 2 Kliknij na skonfiguruj Photona
• Krok 3 Po kliknięciu na DALEJ powinieneś zobaczyć plik (photonsetup.html)
• Krok 4 Otwórz plik.
• Krok 5 Po otwarciu pliku podłącz komputer do Photona, łącząc się z siecią o nazwie PHOTON.
• Krok 6 Skonfiguruj poświadczenia Wi-Fi. Uwaga: Jeśli błędnie wpisałeś swoje dane uwierzytelniające, Photon będzie migać na ciemnoniebiesko lub zielono. Musisz ponownie przejść przez ten proces (odświeżając stronę lub klikając ponownie część procesu)
• Krok 7 Zmień nazwę urządzenia. Zobaczysz również potwierdzenie, czy urządzenie zostało odebrane, czy nie.

b. Korzystanie ze smartfona

• Otwórz aplikację na swoim telefonie. Zaloguj się lub załóż konto w Particle, jeśli go nie masz.
• Po zalogowaniu naciśnij ikonę plusa i wybierz urządzenie, które chcesz dodać. Następnie postępuj zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi na ekranie, aby połączyć urządzenie z Wi-Fi.

Jeśli jest to pierwsze połączenie Twojego Photona, przez kilka minut będzie migać na fioletowo podczas pobierania aktualizacji. Ukończenie aktualizacji może zająć 6-12 minut, w zależności od połączenia internetowego, przy czym Photon zostanie kilkakrotnie uruchomiony ponownie. W tym czasie nie uruchamiaj ponownie ani nie odłączaj Photona. Jeśli to zrobisz, być może będziesz musiał postępować zgodnie z tym przewodnikiem, aby naprawić urządzenie.

Po podłączeniu urządzenia nauczyło się tej sieci. Twoje urządzenie może przechowywać do pięciu sieci. Aby dodać nową sieć po wstępnej konfiguracji, należy ponownie przełączyć urządzenie w tryb słuchania i postępować jak powyżej. Jeśli uważasz, że na urządzeniu jest za dużo sieci, możesz wyczyścić pamięć urządzenia ze wszystkich wyuczonych sieci Wi-Fi. Możesz to zrobić, przytrzymując przycisk konfiguracji przez 10 sekund, aż dioda LED RGB zacznie szybko migać na niebiesko, sygnalizując, że wszystkie profile zostały usunięte.

Tryby

• Cyjan, Twój Photon jest podłączony do Internetu.
• Magenta, aktualnie ładuje aplikację lub aktualizuje oprogramowanie układowe. Ten stan jest wyzwalany przez aktualizację oprogramowania układowego lub przez flashowanie kodu z Web IDE lub Desktop IDE. Możesz zobaczyć ten tryb, gdy po raz pierwszy połączysz Photona z chmurą.
• Zielony, próbuje połączyć się z internetem.
• Biały, moduł Wi-Fi jest wyłączony.

Web IDEParticle Build to zintegrowane środowisko programistyczne lub IDE, które oznacza, że możesz tworzyć oprogramowanie w łatwej w użyciu aplikacji, która akurat działa w przeglądarce internetowej.

1. Aby otworzyć build, zaloguj się do swojego konta cząsteczkowego, a następnie kliknij build, jak pokazano na obrazku.
2. Po kliknięciu zobaczysz taką konsolę.
3. Aby utworzyć nową aplikację do tworzenia, kliknij Utwórz nową aplikację.
4. Aby dołączyć bibliotekę do programu, przejdź do sekcji biblioteki, wyszukaj ciekłokrystaliczny. Następnie wybierz aplikację, w której chcesz dodać bibliotekę. W moim przypadku jest to monitoring paneli słonecznych.
5. Aby zweryfikować program. Kliknij weryfikuj.
6. Aby przesłać kod, kliknij flash, ale zanim to zrobisz, wybierz urządzenie. Jeśli masz więcej niż jedno urządzenie, musisz upewnić się, że wybrałeś, do którego z urządzeń chcesz użyć kodu flash. Kliknij ikonę „Urządzenia” w lewym dolnym rogu panelu nawigacyjnego, a po najechaniu kursorem na nazwę urządzenia po lewej stronie pojawi się gwiazdka. Kliknij go, aby ustawić urządzenie, które chciałeś zaktualizować (nie będzie widoczne, jeśli masz tylko jedno urządzenie). Po wybraniu urządzenia powiązana z nim gwiazdka zmieni kolor na żółty. (Jeśli masz tylko jedno urządzenie, nie musisz go wybierać, możesz kontynuować.

Krok 4: Jak działa obwód

W obwodzie 6 pinów GPIO modułu służy do interfejsu znakowego wyświetlacza LCD, a trzy piny wejścia analogowego służą do interfejsu czujnika temperatury LM-35, panelu słonecznego i czujnika LDR.

Po złożeniu obwodu jest on gotowy do wdrożenia wraz z panelem słonecznym. Podczas gdy panel słoneczny generuje prąd, podłączony do urządzenia. Urządzenie jest zasilane z sieci zasilającej, która zarządza również innymi urządzeniami poprawiającymi wydajność. Gdy urządzenie jest włączone, na jego wyświetlaczu LCD pojawiają się pierwsze komunikaty wskazujące zamiar zastosowania. Moc wyjściowa panelu, temperatura i natężenie światła padającego są mierzone odpowiednio przez pin wyjściowy napięcia panelu słonecznego, czujnik temperatury LM-35 i czujnik LDR. Pin wyjścia napięcia panelu słonecznego, czujnik temperatury LM-35 i czujnik LDR są podłączone do pinów wejścia analogowego A1, A0 i A2 Particle Photon.

Odpowiednie parametry są mierzone przez wykrywanie napięcia analogowego na odpowiednich pinach. Napięcie analogowe wykrywane na odpowiednich pinach jest konwertowane na wartości cyfrowe za pomocą wbudowanych kanałów ADC. Particle Photon ma 12-bitowe kanały ADC. Tak więc zdigitalizowane wartości mogą mieścić się w zakresie od 0 do 4095. Tutaj zakłada się, że rezystancyjny sieciowy czujnik LDR współpracujący z pinem kontrolera jest skalibrowany tak, aby wskazywał natężenie światła przez bezpośrednią proporcjonalność.

Układ scalony LM-35 nie wymaga żadnej zewnętrznej kalibracji ani dostrajania, aby zapewnić typową dokładność ±0,25 °C w temperaturze pokojowej i ±0,75 °C w zakresie temperatur od −55 °C do 150 °C. W normalnych warunkach temperatura mierzona przez czujnik nie przekroczy ani nie spadnie w zakresie roboczym czujnika. Przycinanie i kalibracja na poziomie wafla zapewnia tym samym użycie czujnika po niższych kosztach. Ze względu na niską impedancję wyjściową, wyjście liniowe i precyzyjną wewnętrzną kalibrację LM-35, połączenie czujnika z obwodem sterującym jest łatwe. Ponieważ urządzenie LM-35 pobiera tylko 60 uA z zasilania, posiada bardzo niskie samonagrzewanie, poniżej 0,1°C w nieruchomym powietrzu. Zazwyczaj w zakresie temperatur od -55°C do 150°C napięcie wyjściowe czujnika wzrasta o 10 mV na stopień Celsjusza. Wyjście napięciowe czujnika jest określone następującymi wzorami

Vout = 10 mV/°C*T

gdzie, Vout = wyjście napięciowe czujnika

T = Temperatura w stopniach Celsjusza

T (w °C) = Vout/10 mV

T (w °C) = Vout (w V)*100

Jeśli założymy, że VDD wynosi 3,3 V, odczyt analogowy jest powiązany z mierzonym napięciem w zakresie 12-bitowym według następującego wzoru

Vout = (3.3/4095)*Odczyt analogowy

Tak więc temperaturę w stopniach Celsjusza można podać za pomocą następujących wzorów

T (w °C) = Vout (w V)*100

T (w °C) = (3.3/4095)*Odczyt analogowy *100

Tak więc temperaturę można mierzyć bezpośrednio, mierząc analogowe napięcie wyjściowe z czujnika. Funkcja analogRead() służy do odczytu napięcia analogowego na pinie sterownika. Napięcie wyjściowe panelu słonecznego powinno wynosić zwykle 3 V, co może być bezpośrednio wykryte przez foton cząstek. Foton cząstek może bezpośrednio wykrywać napięcie do 3,3 V. W celu digitalizacji wykrytego napięcia analogowego jest on ponownie wewnętrznie odnoszony do VDD. Cyfrowe odczyty napięcia są skalowane w zakresie 12-bitowym, tj. od 0 do 4095. So

Vout = (3.3/4095)*Odczyt analogowy

Odczytane dane z czujnika są najpierw wyświetlane na wyświetlaczu LCD, a następnie przesyłane do chmury cząstek za pośrednictwem połączenia Wi-Fi. Użytkownik musi zalogować się do zarejestrowanego konta Cząstki, aby zobaczyć odczytane wartości czujnika. Platforma umożliwia połączenie się z tablicą z zarejestrowanego konta. Użytkownik może monitorować otrzymane dane z czujników w czasie rzeczywistym, a także rejestrować dane.

Krok 5: Połączenia i schemat obwodów

Foton ==> LCD

D6 ==> RS

D5 ==> Włącz

D3 ==> DB4

D2 ==> DB5

D1 ==> DB6

D0 ==> DB7

Foton ==> LM-35

A0 ==> Awy

Foton ==> LDR

A2 ==> Vcc

Foton ==> Płyta słoneczna

A1 ==> Vcc

Krok 6: Wynik