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(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

水產(chǎn)養(yǎng)殖一般都在遠離市區(qū)的偏遠地區(qū)，如果選擇市電供電，在電力系統(tǒng)不完善和電力運行不穩(wěn)定的地域會給養(yǎng)殖帶來困難。在現(xiàn)代生活中，太陽能是一種新能源，因技術(shù)日趨完善成本大大降低，對太陽能新能源進行開發(fā)與利用已經(jīng)成為各行各業(yè)必然的趨勢，并且在可再生能源中所占的比重越來越大?，F(xiàn)今，太陽能應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖已經(jīng)擁有成功的先例，如深?？癸L(fēng)浪網(wǎng)箱太陽能電池供電系統(tǒng)，文中即以太陽能電池為動力，采用單片機控制設(shè)計了一套供電魚池養(yǎng)殖系統(tǒng)。

1 控制原理

系統(tǒng)以太陽能電池為電源，同時對系統(tǒng)供電和蓄電池充電。使用STM32為主控芯片，通過光傳感器采集信號，利用反相器、光電耦合器、晶閘管、太陽能上下傾角、追光電動機實現(xiàn)太陽能板傾斜旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)，使太陽能板在每個時刻都能獲得充足的光照轉(zhuǎn)化成太陽能，克服了傳統(tǒng)固定太陽能板在光利用率上不足的缺點。在養(yǎng)殖水中放入水溫傳感器，獲得溫度信號，再通過放大電路將信號放大，AD轉(zhuǎn)換器將溫度信號變成數(shù)字信號作用于主控器。當溫度低時，控制魚池水溫加熱器工作；水溫高時，控制魚池降溫電動機工作，以使水溫控制在適宜溫度，同理可以控制水位和PH值。另外，通過無線傳輸模塊將信號輸送到室內(nèi)STM32控制的接收器，使人能時刻在室內(nèi)觀測到各種數(shù)據(jù)的變化，充分體現(xiàn)了智能化，人性化的設(shè)計理念。

在太陽能板上的四個點安裝光照傳感器GY30，系統(tǒng)控制器接收四個點的光照強度，并且根據(jù)各點光照強度的值通過步進電機改變太陽能板的傾斜追光角度，使得太陽能板每次都能獲得最大的光照強度。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 全系統(tǒng)組成框圖

2 模塊化設(shè)計與功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸遠程控制，根據(jù)各傳感器檢測和傳回的數(shù)據(jù)，及時對魚池池水參數(shù)做出調(diào)整。

1)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊組成

圖3 執(zhí)行模塊組成

圖4 通信模塊組成

如圖2所示，數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器、電壓放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D組成。傳感器將溫度、濕度、PH及水位等參數(shù)的非電信號變成電信號、電壓放大器放大傳感器輸出的信號電壓值，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將放大器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給控制器單片機處理。

系統(tǒng)控制器和通信控制器選擇STM32為核心芯片。系統(tǒng)控制器和通信控制器連接控制NRF無線傳輸模塊，可以實現(xiàn)遠程通信，遠程監(jiān)控。

2)系統(tǒng)控制器

系統(tǒng)控制器模塊由STM32F103ZET6單片機實現(xiàn)，它接受采集數(shù)據(jù)模塊傳送來的數(shù)字信號，經(jīng)過處理后向執(zhí)行模塊發(fā)出控制信號。

3)執(zhí)行模塊和負載

如圖3所示，系統(tǒng)控制器發(fā)出信號經(jīng)過光電耦合器傳送給晶閘管電流放大用以控制負載太陽能板傾角電動機、太陽能板追光電動機、冷卻水泵電動機、魚池加水電動機和魚池加熱器的運行，使用光電耦合器的目的是提高干擾能力。

4)通信模塊設(shè)計

如圖4所示，通信收發(fā)模塊傳送魚塘溫度、濕度、PH及水位等檢測數(shù)據(jù)監(jiān)控器可以根據(jù)魚塘與監(jiān)控室的距離選擇有線或無線傳輸，這里選用的是無線通信傳輸。

圖5 遠程通信子系統(tǒng)

圖6 能源控制系統(tǒng)

圖7 單片機軟件流程圖

數(shù)據(jù)接收和發(fā)送均采用NRF24L01無線模塊進行傳輸，其擁有2.4GHz全球開放ISM頻段，自動重發(fā)功能，自動檢測和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，重發(fā)時間及重發(fā)次數(shù)可軟件控制。NRF24L01無線模塊遵循SPI協(xié)議，STM32控制器裝有SPI接口，可與NRF無線模塊完成對接。

5)遠程通信子系統(tǒng)

如圖5所示，通信收發(fā)模塊(右)接收到通信發(fā)收模塊(左)的檢測數(shù)據(jù)后，再由(通信)控制器處理送給WI-FI模塊傳到通信終端手機或電腦；反之，利用手機或電腦輸入控制信號，經(jīng)WI-FI模塊、控制器處理、通信發(fā)收模塊(右)傳送給通信收發(fā)模塊(左)，再傳給系統(tǒng)控制器處理，系統(tǒng)控制器向執(zhí)行模塊發(fā)出控制信號，驅(qū)動電動機或加熱器負載工作。

WI-FI模塊ESP8266一般傳輸距離有100m左右，在空曠地區(qū)可以達到300m，還可以根據(jù)實際情況換用Zigbee通信等。

6)供電模塊

如圖6所示，當太陽光足夠充足的時候，太陽能控制器既為蓄電池充電，又為系統(tǒng)電路供電；當太陽光能弱的時候，就由蓄電池為系統(tǒng)電路供電，太陽能電池只為蓄電池充電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制裝置主要分通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行模塊，利用STM32芯片，編寫控制程序，實現(xiàn)系統(tǒng)工作，流程圖見圖7。

4 結(jié) 論

太陽能電池板能夠隨著太陽的變化，改變太陽能板的傾斜角，使得每一時刻獲得的能量最大，且最大效率地利用太陽能，實現(xiàn)太陽能從自動化向智能化的轉(zhuǎn)變。用戶也可以遠程監(jiān)控養(yǎng)殖場的各個指標(PH，溫度，含氧量，光照強度等)，隨時了解養(yǎng)殖的情況，這項技術(shù)的實現(xiàn)使得遠離市區(qū)的養(yǎng)殖場通過太陽能供電，與采用市電供電相比大大降低了成本。

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