楊昌登，蓋新鵬，閆星源，張航，李松，任守華

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院，大慶 163319）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)隨著科技的發(fā)展在現(xiàn)代社會中得到了廣泛的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)拉近分散的信息，統(tǒng)一并加強(qiáng)了物與物的數(shù)字信息[1]。物聯(lián)網(wǎng)指的是將無處不在的末端設(shè)備和設(shè)施，通過各種無線或有線的長距離或短距離通訊網(wǎng)絡(luò)連接物聯(lián)網(wǎng)域名實現(xiàn)互聯(lián)互通，實現(xiàn)對“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮堋⒖?、營”一體化[2]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分，通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可有效實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的遠(yuǎn)程、精準(zhǔn)、高效監(jiān)控，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本起到了一定的作用。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建立有其特有的復(fù)雜性和高難度，主要包括終端傳感器、數(shù)據(jù)通信和電能的供給等問題。傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)通信方面已經(jīng)得到了較好的解決[3]，而在電能供給方面目前還存在一定的問題。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中電源可以通過近距離的架設(shè)輸電線纜來實現(xiàn)，但是在野外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，遠(yuǎn)距離架設(shè)輸電線纜帶來的電能損耗和電壓降低等問題一直無法得到有效抑制，并且在農(nóng)田中架設(shè)線纜極易被農(nóng)業(yè)機(jī)械損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作。針對以上情況，多數(shù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端的供電解決辦法是采用蓄電池或小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。蓄電池因其屬于無法進(jìn)行能量循環(huán)利用，在使用過程中需要進(jìn)行人工維護(hù)和更換，而太陽能發(fā)電系統(tǒng)因自身的可循環(huán)性和便利性，是目前較為先進(jìn)和合理的物聯(lián)網(wǎng)能源解決方案。目前，國內(nèi)外已有很多關(guān)于太陽能小型發(fā)電系統(tǒng)的研究與試驗，研制的成套設(shè)備也較為容易獲得，但針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的專用太陽能小型發(fā)電系統(tǒng)多采用民用太陽能發(fā)電裝置經(jīng)簡單改裝后進(jìn)行應(yīng)用，而面向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專用的太陽能發(fā)電裝置少有研究。因此，研制一套適合于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的低成本、高效能、模塊化、智能化的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。設(shè)計在綜合農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種具有自動逐日、防盜報警、多電壓輸出等功能的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，通過理論分析與現(xiàn)場試驗，實現(xiàn)了相應(yīng)的設(shè)計目標(biāo)。

1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)介紹

太陽能發(fā)電系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由太陽能電池板、自動逐日云臺、充電控制器、蓄電池、電源轉(zhuǎn)換模塊、電源輸出組塊、電壓監(jiān)測與顯示模塊和主控制器等部件構(gòu)成基本部分，在此基礎(chǔ)上可選擇增加按鍵輸入、振動檢測、通信模塊和報警輸出模塊等組件，并且在系統(tǒng)設(shè)計中充分利用模塊化設(shè)計思想，在太陽能電池板功率、蓄電池容量、輸出電壓選擇等方面提供不同參數(shù)的套件，實現(xiàn)根據(jù)要求靈活匹配的目的。

圖1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Functional block diagram of solar power generation system

2 系統(tǒng)功能介紹

基于太陽能發(fā)電的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能發(fā)電系統(tǒng)主要包括自動逐日追蹤系統(tǒng)、充電控制系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、防盜報警系統(tǒng)和工作識別系統(tǒng)，各部分功能及實現(xiàn)如下：

2.1 自動逐日追蹤系統(tǒng)

2.1.1 光伏板安裝角度與光伏板發(fā)電效率的關(guān)系

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，光伏板對太陽的跟蹤精度直接影響到發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率[4-7]，太陽跟蹤控制策略有被動式跟蹤[8-9]和主動跟蹤[10-11]兩大類。實驗證明，采用太陽跟蹤的方式所產(chǎn)生的發(fā)電效能較固定式太陽能發(fā)電在效率上高出35%以上[12]。被動跟蹤系統(tǒng)適合于大型太陽能發(fā)電設(shè)備，需要根據(jù)太陽運(yùn)動軌跡進(jìn)行計算，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動太陽能電池板實現(xiàn)追蹤的功能。小型太陽能發(fā)電設(shè)備多采用主動式跟蹤方式，即在光伏板設(shè)備的支撐處安裝調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并在光伏板上添加照度傳感器，根據(jù)照度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)尋找最大值，用以驅(qū)動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動，實現(xiàn)逐日的功能。地球表面物體所受的太陽輻射的主要部分是直接輻射，相對于散射輻射和反射輻射而言，直接輻射對光伏發(fā)電量的影響最大[13-17]。

盛四清等在2014年建立了綜合考慮太陽輻射、天氣條件和光伏板擺設(shè)角度的光伏表面輻射強(qiáng)度接收模型[18-19]：

W（q）：天氣因子，代表天氣對輻射強(qiáng)度的影響

q：天氣類型變量

A（Y,G）：單位面積光伏板在陽光垂直照射方向上的投影面積

Y：光伏板位置，可用光伏板所在的平面與水平面的夾角ag和光伏板所在平面與東西方向的夾角bg表示

G：光線入射方向，用光線與水平面的夾角aτ和光線與正南方向的夾角βτ表示

表示在地球表面處，時間T時單位面積的輻射前度，地標(biāo)出位置L可由緯度φ和海拔h表示，時間T可由t1和t2表示，t1為小時變量，t2為時間變量，N=355或366

光伏板在水平方向和垂直方向上的安裝角度如圖2所示。

圖2 光伏板安裝角度示意圖Fig.2 Diagram of installation angle of photovoltaic panel

上式中投影因子A的計算在參考文獻(xiàn)[20]已有分析，直接參考分析結(jié)果可得對ag和bg的約束值如公式（2）和（3）所示：

在設(shè)計中考慮到自動逐日系統(tǒng)的便捷性，采用水平方向跟蹤的設(shè)計方法，即ag角度固定，通過云臺電機(jī)驅(qū)動光伏板移動，改變bg的數(shù)值，實現(xiàn)自動逐日功能。

2.1.2 太陽能板安裝角度與光伏利用率實驗

設(shè)計實驗尋求ag在不同角度下光伏板的轉(zhuǎn)換效能并加以計量，尋找到光伏板適合的安裝角度。以北緯46.59°為例，在4月上旬進(jìn)行實驗。實驗中以當(dāng)?shù)厮矫鏋榛鶞?zhǔn)0°角，光伏板安裝角度從水平0°至垂直90°，以10°為步長，共設(shè)計10組實驗，光伏板標(biāo)定功率為30 W，采用自行研發(fā)的太陽能充電控制器對7 AH的12 V蓄電池進(jìn)行充電，通過DY2015A型全保護(hù)智能蓄電池檢測儀對蓄電池進(jìn)行測量，每次實驗前將蓄電池放電至SOC（State of Charge電池荷電狀態(tài)，也稱為剩余電量）至0，每次實驗從上午7時至下午5時，記錄蓄電池充電量并對光伏板安裝傾角進(jìn)行計量。測量數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 光伏板安裝傾角與發(fā)電效率實驗Table 1 Inclination of photovoltaic plate installation and experiments of power generation efficiency

在表1的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分析并建立光伏板安裝角度與發(fā)電效率之間的擬合方程，如圖3所示。

圖3 光伏板安裝角度與發(fā)電效率實驗數(shù)據(jù)分析圖Fig.3 Analysis of experimental data of installation angle and power generation efficiency of photovoltaic panels

圖中可見數(shù)據(jù)整體呈拋物線形狀，建立其二次擬合方程：

對擬合方程的判定系數(shù)R2進(jìn)行計算后得R2=0.990 4，可認(rèn)為二次擬合曲線較為接近真實狀態(tài)下的數(shù)據(jù)變化規(guī)律。另二次擬合方程的一階導(dǎo)數(shù)為0：

求出發(fā)電效率最高的光伏板安裝角度為x=56.9°，該條件下最大發(fā)電效率為y=84.37%。同時在文獻(xiàn)[21]推薦光伏板傾角應(yīng)在當(dāng)?shù)鼐暥鹊幕A(chǔ)上再增加10°～20°，設(shè)計中計算所得光伏板夾角與該地區(qū)緯度之間差值為10.31°計算結(jié)果符合設(shè)計要求。

2.1.3 自動逐日功能

自動逐日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由太陽能電池板、光接收器外殼、光敏元件、光伏板支架、可調(diào)節(jié)接頭、水平方向驅(qū)動機(jī)構(gòu)等部分組成。

根據(jù)2.1.2節(jié)介紹，自動逐日系統(tǒng)中光伏板支架與驅(qū)動機(jī)構(gòu)立軸之間呈固定的56.9°，驅(qū)動機(jī)構(gòu)在水平方向上從0～180°旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)逐日的功能。光敏元件安裝在光接收器外殼內(nèi)部，并垂直安裝于光伏板表面，用以感知陽光所在位置，當(dāng)光敏元件接收到太陽光照時，驅(qū)動機(jī)構(gòu)靜止不動，隨著地球移動，當(dāng)光敏元件無法接收太陽光照時，向控制器發(fā)出信號，控制器根據(jù)預(yù)定軌跡自東向西轉(zhuǎn)過一定角度，直至光敏元件重新接收到太陽光照射，系統(tǒng)實現(xiàn)自動逐日的功能。

圖4 自動逐日系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Composition diagram of automatic day-to-day system

2.2 充電控制系統(tǒng)

為使太陽能較好地符合充電要求，DC-DC變換電路選用F3205型N溝道場效應(yīng)管作為主控制開關(guān)，F(xiàn)3205芯片耐壓值50 V，最大過電流90 A，最大耗散功率200 W，導(dǎo)通電阻8 mΩ，工作溫度在-55℃至+175℃之間。在充電系統(tǒng)工作時，主控制器采集太陽能電池板輸入電壓和F3205輸出電壓，通過PWM控制器發(fā)出脈沖信號控制F3205輸出電壓為13.7 V，用于鉛酸蓄電池充電。

2.3 電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

針對現(xiàn)有多數(shù)傳感器和移動式工作系統(tǒng)對電源的要求，系統(tǒng)可提供直流12 V、直流5 V和交流220 V供電電壓，具體參數(shù)如表2所示：

表2 太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出參數(shù)表Table 2 Output parameter table of solar power generation system

2.4 防盜報警系統(tǒng)

設(shè)計屬可移動式安裝，實際工作過程中應(yīng)包括防盜、防震、防破壞等功能。系統(tǒng)采用SW-18015P型震動傳感器作為非正常狀態(tài)檢測開關(guān)，其外觀如圖5所示。

圖5 SW-18015P型震動傳感器Fig.5 Vibration sensor of SW-18015P

SW-18015P型震動傳感器工作電壓3.3～5 V，采用數(shù)字開關(guān)量輸出。使用時將DO輸出端口接于單片機(jī)檢測端口，接通Vcc和GND，初始狀態(tài)下電源指示燈點亮，調(diào)節(jié)傳感器上藍(lán)色電位器，直至板上開關(guān)指示燈點亮后，反方向微調(diào)電位器，讓板上開關(guān)指示燈熄滅，通過外力震動傳感器模塊，此時開關(guān)指示燈會繼續(xù)點亮，同時在DO端發(fā)出高電平信號，用于檢測太陽能發(fā)電系統(tǒng)是否受到外力的移動。主控制器在系統(tǒng)啟動后隨時監(jiān)聽震動傳感器的檢測信號，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有震動信號后，驅(qū)動專用的輸出端口發(fā)出聲光報警信號。

2.5 工作識別系統(tǒng)

工作識別系統(tǒng)是指為防止非操作人員誤操作而設(shè)置的保護(hù)性裝置。在主控制器端口中增加紅外接口，負(fù)責(zé)接收小型紅外鍵盤發(fā)出的信號，當(dāng)接收到的信息符合預(yù)設(shè)值時，工作指示燈點亮，主控制器發(fā)出信號驅(qū)動輸出繼電器吸合，此時太陽能發(fā)電裝置輸出接口通電。圖6為紅外接收電路原理圖，主接收模塊采用HL-A838K光電二極管，工作電壓2.7～5.5 V，有效接收距離≤22 m。

圖6 紅外接收電路Fig.6 Circuit of infrared receiving

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

主控制器電路如圖7所示。主控制器選用STC12C5A60S2單片機(jī)，設(shè)計功能主要包括①輸出電壓檢測、控制；②振動檢測；③ 太陽跟蹤；④紅外接收；⑤系統(tǒng)日期時間控制；⑥顯示輸出；⑦報警輸出；⑧數(shù)據(jù)通信等功能，具體引腳分配及功能設(shè)定如表3所示。

圖7 主控制器電路圖Fig.7 Circuit diagram of main controller

表3 系統(tǒng)功能分配表Table 3 Table of system function allocation

3.2 軟件設(shè)計

圖8 主控制器軟件流程圖Fig.8 Flow chart of main controller software

主控制器軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。系統(tǒng)初始化包括AD輸入端口初始化、定時器初始化、中斷源初始化等內(nèi)容，初始化完成后檢測光伏板板輸出電壓值，當(dāng)光伏板電壓在15～18 V之間時，系統(tǒng)啟動充電功能，向蓄電池充電。下一步檢測光傳感器是否有輸出，由于光傳感器的功能是使光伏板面向太陽，在沒有輸出的情況下需要啟動云臺控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，使光伏板旋轉(zhuǎn)一定的角度，直到光伏板面對太陽位置。系統(tǒng)中需要時刻監(jiān)測震動傳感器輸出情況，如在工作時發(fā)生震動，一般認(rèn)為可能存在異常情況，通過報警器輸出報警信號。在系統(tǒng)正常工作條件下，等待鍵盤輸入信號，輸入信號包含工作密碼、輸出類型設(shè)定、更改密碼等功能。在對輸入信號解讀后，系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)的操作，并返回到光傳感器和震動傳感器的狀態(tài)檢測上。

4 現(xiàn)場試驗

設(shè)備安裝調(diào)試后進(jìn)行現(xiàn)場試驗，具體試驗參數(shù)如下：

試驗時間：在2019年5月2日至5月10日

試驗地點：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院農(nóng)業(yè)信息化試驗大棚

試驗對象：BYND-2型建三江種業(yè)公司水稻育秧棚信息化控制設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)供電電壓直流12 V，工作電流0.3 A（待機(jī)）～8.5 A（瞬時最大），控制箱所包含設(shè)備和數(shù)量如表4所示。

表4 BYND-2型水稻育秧棚信息化控制設(shè)備參數(shù)表Table 4 Parameters table of BYND-2 rice seedling-raising shed information control equipment

試驗方案：設(shè)計兩項實驗方案，一是通過光伏板和控制器對蓄電池進(jìn)行充電試驗，二是在外接負(fù)載條件下進(jìn)行放電試驗。

方案一：將12 V 7 AH鉛酸蓄電池放電至儲電量為20%，在日照充足條件下，通過遮擋光伏板表面方式，測量在不同條件下太陽能發(fā)電系統(tǒng)的充電速度。外接30 W太陽能電池板，調(diào)整光伏板角度為56.9°，試驗期間每天上午7時至下午18時每隔1 h用DY12型全保護(hù)智能蓄電池檢測儀對電池儲電量進(jìn)行測量，記錄電池剩余電量，試驗結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可見，光伏板在被遮擋時其發(fā)電效能受到較大影響，遮擋面積與光伏板發(fā)電效率和充電速度之間呈反比關(guān)系，遮擋面積越大，充電速度越慢，試驗中選擇最高遮擋光伏板70%表面積，經(jīng)過1 d時間充電后，蓄電池儲電量達(dá)到89%，基本滿足設(shè)計要求。

圖9 光伏板在不同遮擋條件下對蓄電池的充電速度Fig.9 Charging speed of photovoltaic battery under different occlusion conditions

試驗二：測試系統(tǒng)的放電性能。試驗設(shè)備和現(xiàn)場如圖10所示。試驗時采用太陽能發(fā)電裝置對負(fù)載進(jìn)行不間斷供電，測試其供電效果。試驗前將12 V 7 AH蓄電池的儲電量充至100%，負(fù)載工作電壓12 V，工作電流0.3 A（待機(jī)）～8.5 A（瞬時最大），平均工作電流3 A，在1 d 24 h中每間隔1 h對蓄電池儲電量進(jìn)行檢測并記錄，數(shù)據(jù)如圖11所示。

試驗期間，監(jiān)測的日出時間為4：30，日落時間為19：40。由圖11可見，在直流12 V輸出電壓、3 A輸出電流條件下，采用30 W光伏板作為電源，輔以12 V 7 AH蓄電池條件下，系統(tǒng)最低儲電量出現(xiàn)在日出前5：00左右，最低儲電量為36%，14：00時蓄電池儲電量達(dá)到100%。圖11中蓄電池儲電量在日出前到達(dá)最低值，隨后儲電量逐漸增加，正午過后達(dá)到峰值，隨著午后陽光輻射量降低，由光伏板供電已不能滿足負(fù)載需求，電能從蓄電池向負(fù)載移動，蓄電池儲電量呈下降趨勢?？梢酝茢?，夏季時，圖11曲線隨著太陽輻射的升高會整體上移，而冬季時整體曲線會整體下移，所以在冬季需要使用供電系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)實際需求適當(dāng)選擇容量較大的蓄電池。

圖10 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用Fig.10 Application of solar power generation system

圖11 恒定負(fù)載下發(fā)電系統(tǒng)儲電量變化曲線Fig.11 Electricity storage curve of power generation system under constant load

5 結(jié)論

根據(jù)農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)的需求設(shè)計了一種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)太陽能供電系統(tǒng)，利用太陽能電池板進(jìn)行光能發(fā)電，并將電能存儲在蓄電池中，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器提供便捷、高效的供電電源，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)單元的獨(dú)立供電。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶的不同需求快速進(jìn)行產(chǎn)品定制。裝置可以通過云臺實時尋蹤太陽高度，自動轉(zhuǎn)換太陽能電池板角度。能夠最大程度的利用太陽能，減少能源損耗，起到綠色環(huán)保節(jié)能的作用。設(shè)計的主要功能是為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行單點供電，下一步可在原有設(shè)計基礎(chǔ)上開發(fā)遠(yuǎn)信模塊和軟件，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。