Monitorování solárního panelu pomocí fotonu částic: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Cílem projektu je zlepšit účinnost solárních panelů. Projekt je navržen tak, aby dohlížel na výrobu solární fotovoltaické energie za účelem zvýšení výkonu, monitorování a údržby solární elektrárny.

V tomto projektu je foton částic propojen s kolíkem výstupního napětí solárního panelu, snímačem teploty LM-35 a snímačem LDR, aby sledoval výkon, teplotu a intenzitu dopadajícího světla. Znakový LCD je také propojen s částicovým fotonem pro zobrazení měřených parametrů v reálném čase. Photon nejenže zobrazuje naměřené parametry na LCD obrazovce, ale také odesílá naměřené hodnoty na cloudový server pro zobrazení dat v reálném čase.

Krok 1: Požadovaná součást

• Foton částic 20 $
• 16x2 LCD 3 dolary
• Solární deska 4 $
• Snímač teploty LM-35 $ 2
• LDR $ 1
• Breadboard $ 4
• Propojovací vodiče $ 3

Celkové náklady na hardware se pohybují kolem 40 dolarů.

Krok 2: Hardware

1. Foton částic

Photon je populární deska IoT dostupná z platformy Particle. Deska obsahuje STM32F205 120Mhz ARM Cortex M3 mikrokontrolér a má 1 MB flash paměti, 128 Kb RAM a 18 pinů s obecným vstupním výstupem (GPIO) se zdokonalenými periferiemi. Modul má integrovaný Wi-Fi čip Cypress BCM43362 pro připojení Wi-Fi a jednopásmový 2,4 GHz IEEE 802.11b/g/n pro Bluetooth. Deska je vybavena 2 SPI, jedním I2S, jedním I2C, jedním CAN a jedním USB rozhraním.

Je třeba poznamenat, že 3V3 je filtrovaný výstup používaný pro analogová čidla. Tento pin je výstupem palubního regulátoru a je interně připojen k VDD modulu Wi-Fi. Při napájení fotonu přes VIN nebo USB port bude z tohoto pinu vycházet napětí 3,3 V DC. Tento pin lze také použít k napájení fotonu přímo (max. Vstup 3,3 V DC). Při použití jako výstup je maximální zátěž na 3V3 100mA. Signály PWM mají rozlišení 8 bitů a běží na frekvenci 500 Hz.

2. 16X2 znakový LCD

K zobrazení hodnot naměřených parametrů slouží LCD displej 16X2. Je připojen k fotonu částic připojením jeho datových pinů D4 k D7 k pinům D0 až D3 desky částic. Piny E a RS na LCD jsou připojeny k pinům D5 a D6 na desce s částicemi. Kolík R/W LCD je uzemněn.

3. Senzor LDR (fotorezistor)

LDR nebo světelně závislý odpor je také známý jako fotoodpor, fotobuňka, fotovodič. Jedná se o jeden typ odporu, jehož odpor se liší v závislosti na množství světla dopadajícího na jeho povrch. Když světlo dopadne na odpor, odpor se změní. Tyto odpory se často používají v mnoha obvodech, kde je vyžadováno snímání přítomnosti světla. Tyto odpory mají řadu funkcí a odporů. Když je například LDR ve tmě, lze ji použít k zapnutí světla nebo k vypnutí světla, když je ve světle. Typický na světle závislý odpor má odpor ve tmě 1MOhm a v jasu odpor pár KOhm.

Pracovní princip LDR

Tento rezistor pracuje na principu fotovodivosti. Není to nic jiného, než když světlo dopadne na jeho povrch, pak se sníží vodivost materiálu a také elektrony ve valenčním pásmu zařízení jsou excitovány do vodivého pásma. Tyto fotony v dopadajícím světle musí mít energii větší než mezera v pásmu polovodičového materiálu, což způsobí, že elektrony přeskočí z valenčního pásma do vedení. Tato zařízení závisí na světle, když světlo dopadá na LDR, pak odpor klesá, Když je LDR držen na tmavém místě, jeho odpor je vysoký a když je LDR držen na světle, jeho odpor se sníží. Senzor LDR se používá k měření intenzity dopadajícího světla. Intenzita světla je vyjádřena v Luxech. Senzor je připojen k pinu A2 částicového fotonu. Čidlo je zapojeno v obvodu děliče potenciálu. LDR poskytuje analogové napětí, které je pomocí vestavěného ADC převedeno na digitální čtení.

4. Snímač teploty LM-35

LM35 je přesný teplotní senzor IC s výstupem úměrným teplotě (v oC). Rozsah provozních teplot je od -55 ° C do 150 ° C. Výstupní napětí se mění o 10 mV v reakci na každý oC nárůst/ pokles teploty okolí, tj. Jeho faktor měřítka je 0,01 V/ oC. Senzor má tři piny - VCC, Analogout a Ground. Aout pin LM35 je připojen k analogovému vstupnímu pinu A0 částicového fotonu. VCC a uzemnění jsou spojeny se společným VCC a zemí.

Funkce

Kalibrováno přímo ve stupních Celsia (Celsia)

Lineární při faktoru měřítka 10,0 mV/° C

• Garance přesnosti 0,5 ° C (při a25 ° C)
• Určeno pro plný rozsah -55 ° C až 150 ° C
• Funguje od 4 do 30 voltů
• Odběr proudu menší než 60 mA
• Nízké samozahřívání, 0,08 ° C vnáší vzduch
• Nelinearita typická pouze 0,25 ° C
• Výstup s nízkou impedancí, 0,1Ω pro 1 mA zátěž

5. Solární panel

Solární panely jsou zařízení, která přeměňují světlo na elektřinu. Pojmenovali „solární“panely podle slova „Sol“, které astronomové používali k označení slunce a slunečního světla. Říká se jim také fotovoltaické panely, kde fotovoltaika znamená „lehká elektřina“. Fenomén přeměny sluneční energie na elektrickou energii se nazývá fotovoltaický efekt. Tento efekt generuje napětí a proud na výstupu při vystavení sluneční energii. V projektu je použit 3voltový solární panel. Solární panel se skládá z několika solárních článků nebo fotovoltaických diod. Tyto solární články jsou spojovací diodou P-N a mohou za přítomnosti slunečního světla generovat elektrický signál. Při vystavení slunečnímu záření generuje tento solární panel na svých svorkách výstup stejnosměrného napětí 3,3 V. Tento panel může mít maximální výstupní výkon 0,72 W a minimální výstupní výkon 0,6 W. Jeho maximální nabíjecí proud je 220 mA a minimální nabíjecí proud je 200 mA. Panel má dva terminály - VCC a Ground. Výstup napětí je odebírán z kolíku VCC. Napěťový výstupní kolík je připojen k analogovému vstupnímu kolíku A1 fotonu částic pro měření výstupního výkonu ze solárního panelu.

Krok 3: Software

Částicový web IDE

Aby mohl vývojář napsat kód programu pro jakýkoli Photon, musí si vytvořit účet na webu Particle a zaregistrovat desku Photon se svým uživatelským účtem. Programový kód pak může být zapsán na Web IDE na webových stránkách Particle a přenesen do registrovaného fotonu přes internet. Pokud je vybraná deska částic, zde Photon, zapnuta a připojena ke cloudové službě částice, kód je vypálen na vybranou desku bezdrátově prostřednictvím internetového připojení a deska začne fungovat podle přeneseného kódu. Pro ovládání desky přes internet je navržena webová stránka, která pomocí Ajaxu a Jquery odesílá data na desku pomocí metody HTTP POST. Webová stránka identifikuje desku pomocí ID zařízení a připojuje se ke cloudové službě Particle prostřednictvím přístupového tokenu.

Jak propojit foton s internetem

1. Zapněte zařízení

• Zapojte kabel USB do zdroje napájení.
• Jakmile je zařízení zapojeno, LED dioda RGB na vašem zařízení by měla začít blikat modře. Pokud vaše zařízení nebliká modře, podržte tlačítko SETUP. Pokud vaše zařízení nebliká vůbec nebo LED dioda svítí matně oranžová barva, nemusí mít dostatečný výkon. Zkuste změnit zdroj napájení nebo kabel USB.

2. Připojte svůj Photon k internetu Existují dva způsoby, jak používat webovou aplikaci nebo mobilní aplikaci

A. Pomocí webové aplikace

• Krok 1 Přejděte na setup.particle.io
• Krok 2 Klikněte na nastavení fotonu
• Krok 3 Po kliknutí na DALŠÍ by vám měl být předložen soubor (photonsetup.html)
• Krok 4 Otevřete soubor.
• Krok 5 Po otevření souboru připojte počítač k fotonu připojením k síti s názvem PHOTON.
• Krok 6 Konfigurujte své přihlašovací údaje k Wi-Fi. Poznámka: Pokud jste zadali nesprávné přihlašovací údaje, Photon bude blikat tmavě modře nebo zeleně. Proces musíte projít znovu (obnovením stránky nebo kliknutím na část procesu opakovat)
• Krok 7 Přejmenujte své zařízení. Zobrazí se také potvrzení, zda bylo zařízení nárokováno nebo ne.

b. Pomocí smartphonu

• Otevřete aplikaci v telefonu. Přihlaste se nebo si zaregistrujte účet u Particle, pokud ho nemáte.
• Po přihlášení stiskněte ikonu plus a vyberte zařízení, které chcete přidat. Poté připojte zařízení k Wi-Fi podle pokynů na obrazovce.

Pokud se jedná o první připojení fotonu, bude při stahování aktualizací několik minut blikat purpurově. Dokončení aktualizací může v závislosti na vašem internetovém připojení trvat 6–12 minut, přičemž se foton během tohoto procesu několikrát restartuje. Během této doby nerestartujte ani neodpojujte svůj Photon. Pokud tak učiníte, budete možná muset při opravě zařízení postupovat podle této příručky.

Jakmile se vaše zařízení připojí, naučí se tuto síť. Vaše zařízení může uložit až pět sítí. Chcete -li po počátečním nastavení přidat novou síť, přepněte zařízení znovu do režimu poslechu a postupujte podle výše uvedeného postupu. Pokud máte pocit, že je ve vašem zařízení příliš mnoho sítí, můžete vymazat paměť zařízení ze všech naučených sítí Wi-Fi. Můžete to udělat tak, že podržíte tlačítko nastavení po dobu 10 sekund, dokud LED dioda RGB rychle nezačne blikat modře, což signalizuje, že byly odstraněny všechny profily.

Režimy

• Azurová, tvůj foton je připojen k internetu.
• Magenta, aktuálně načítá aplikaci nebo aktualizuje svůj firmware. Tento stav je vyvolán aktualizací firmwaru nebo blikáním kódu z Web IDE nebo Desktop IDE. Tento režim se vám může zobrazit při prvním připojení fotonu ke cloudu.
• Zelený, pokouší se připojit k internetu.
• Bílá, modul Wi-Fi je vypnutý.

Web IDEParticle Build je integrované vývojové prostředí nebo IDE, což znamená, že můžete vyvíjet software ve snadno použitelné aplikaci, která se právě spouští ve vašem webovém prohlížeči.

1. Chcete -li otevřít build, přihlaste se ke svému částicovému účtu a poté klikněte na build podle obrázku.
2. Jakmile kliknete, uvidíte konzolu takto.
3. Chcete -li vytvořit novou aplikaci pro vytváření, klikněte na vytvořit novou aplikaci.
4. Chcete -li do programu zahrnout knihovnu, přejděte do sekce knihovny, vyhledejte liquidcrystal a poté vyberte aplikaci, do které chcete knihovnu přidat. V mém případě je to monitorování solárního panelu.
5. K ověření programu. Klikněte na ověřit.
6. Chcete -li nahrát kód, klikněte na flash, ale než to uděláte, vyberte zařízení. Pokud máte více než jedno zařízení, musíte se ujistit, že jste vybrali, na které z vašich zařízení se má kód flashovat. Klikněte na ikonu „Zařízení“v levé dolní části navigačního podokna a poté, co najedete myší na název zařízení, se vlevo zobrazí hvězda. Kliknutím na něj nastavíte zařízení, které jste chtěli aktualizovat (nebude zobrazeno, pokud máte pouze jedno zařízení). Jakmile vyberete zařízení, hvězda s ním spojená zežloutne. (Pokud máte pouze jedno zařízení, není třeba jej vybírat, můžete pokračovat.

Krok 4: Jak obvod funguje

V obvodu je k propojení znakového LCD použito 6 GPIO pinů modulu a k propojení tří teplotních senzorů LM-35, solárního panelu a senzoru LDR tři analogové vstupní piny.

Jakmile je obvod sestaven, je připraven k nasazení společně se solárním panelem. Zatímco solární panel stále vyrábí elektřinu, připojený k zařízení. Zařízení je napájeno ze sítě, která spravuje i další zařízení zvyšující výkon. Jakmile je zařízení zapnuto, na jeho LCD displeji blikají některé počáteční zprávy indikující záměr aplikace. Výkon panelu, teplota a intenzita dopadajícího světla se měří kolíkem výstupního napětí solárního panelu, teplotním snímačem LM-35 a snímačem LDR. Kolík výstupního napětí solárního panelu, teplotní senzor LM-35 a snímač LDR jsou připojeny k analogovým vstupním pinům A1, A0 a A2 fotonu částic.

Příslušné parametry se měří snímáním analogového napětí na příslušných pinech. Analogové napětí snímané na příslušných pinech je převedeno na digitální hodnoty pomocí vestavěných kanálů ADC. Foton částic má 12bitové kanály ADC. Digitalizované hodnoty se tedy mohou pohybovat od 0 do 4095. Zde se předpokládá, že odporový snímač LDR propojující síťové rozhraní s kolíkem ovladače je kalibrován pro indikaci intenzity světla přímou úměrností.

LM-35 IC nevyžaduje žádnou externí kalibraci nebo ořezávání, aby poskytoval typické přesnosti ± 0,25 ° C při pokojové teplotě a ± 0,75 ° C v teplotním rozsahu od −55 ° C do 150 ° C. Za normálních podmínek teplota naměřená senzorem nepřekročí ani nesníží provozní rozsah senzoru. Ořezáváním a kalibrací na úrovni oplatky je tak zajištěno použití snímače za nižší cenu. Díky nízké výstupní impedanci, lineárnímu výstupu a přesné vlastní kalibraci LM-35 je propojení senzoru s řídicím obvodem snadné. Protože zařízení LM-35 odebírá ze zdroje pouze 60 uA, má velmi nízké samovolné zahřívání na méně než 0,1 ° C v nehybném vzduchu. Typicky v teplotním rozsahu od -55 ° C do 150 ° C se napěťový výstup senzoru zvyšuje o 10 mV na stupeň Celsia. Napěťový výstup snímače je dán následujícím vzorcem

Vout = 10 mV/° C*T

kde Vout = napěťový výstup snímače

T = teplota ve stupních Celsia Takže, T (ve ° C) = Vout/10 mV

T (v ° C) = Vout (ve V)*100

Pokud se předpokládá, že VDD je 3,3 V, analogový údaj souvisí se snímaným napětím v 12bitovém rozsahu podle následujícího vzorce

Vout = (3,3/4095)*Analogové čtení

Teplota ve stupních Celsia může být dána následujícím vzorcem

T (v ° C) = Vout (ve V)*100

T (v ° C) = (3,3/4095) *Analogové čtení *100

Teplotu lze tedy měřit přímo snímáním výstupu analogového napětí ze snímače. Funkce analogRead () se používá ke čtení analogového napětí na pinu ovladače. Napěťový výstup solárního panelu by měl být typicky 3 V, který může být přímo snímán fotonem částic. Foton částic může přímo snímat napětí až 3,3 V. Pro digitalizaci snímaného analogového napětí je opět interně odkazován na VDD. Digitalizovaná hodnota napětí je škálována v rozsahu 12 bitů, tj. 0 až 4095. Takže

Vout = (3,3/4095)*Analogové čtení

Načtená data ze senzoru se nejprve zobrazí na LCD displeji a poté se přes Wi-Fi připojení přenesou do cloudu částic. Uživatel se musí přihlásit k registrovanému účtu Particle, aby mohl zobrazit hodnoty snímače načtené. Platforma umožňuje připojení k desce z registrovaného účtu. Uživatel může monitorovat přijatá data ze senzorů v reálném čase a může také zaznamenávat data.

Krok 5: Připojení a schéma zapojení

Foton ==> LCD

D6 ==> RS

D5 ==> Povolit

D3 ==> DB4

D2 ==> DB5

D1 ==> DB6

D0 ==> DB7

Foton ==> LM-35

A0 ==> Aout

Foton ==> LDR

A2 ==> Vcc

Foton ==> Sluneční deska

A1 ==> Vcc

Krok 6: Výsledek