太阳能电池供电养鱼池加温加氧控制系统设计

， ， ， ， ， ,

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

水产养殖一般都在远离市区的偏远地区，如果选择市电供电，在电力系统不完善和电力运行不稳定的地域会给养殖带来困难。在现代生活中，太阳能是一种新能源，因技术日趋完善成本大大降低，对太阳能新能源进行开发与利用已经成为各行各业必然的趋势，并且在可再生能源中所占的比重越来越大。现今，太阳能应用于水产养殖已经拥有成功的先例，如深海抗风浪网箱太阳能电池供电系统，文中即以太阳能电池为动力，采用单片机控制设计了一套供电鱼池养殖系统。

1 控制原理

系统以太阳能电池为电源，同时对系统供电和蓄电池充电。使用STM32为主控芯片，通过光传感器采集信号，利用反相器、光电耦合器、晶闸管、太阳能上下倾角、追光电动机实现太阳能板倾斜旋转角度的调节，使太阳能板在每个时刻都能获得充足的光照转化成太阳能，克服了传统固定太阳能板在光利用率上不足的缺点。在养殖水中放入水温传感器，获得温度信号，再通过放大电路将信号放大，AD转换器将温度信号变成数字信号作用于主控器。当温度低时，控制鱼池水温加热器工作；水温高时，控制鱼池降温电动机工作，以使水温控制在适宜温度，同理可以控制水位和PH值。另外，通过无线传输模块将信号输送到室内STM32控制的接收器，使人能时刻在室内观测到各种数据的变化，充分体现了智能化，人性化的设计理念。

在太阳能板上的四个点安装光照传感器GY30，系统控制器接收四个点的光照强度，并且根据各点光照强度的值通过步进电机改变太阳能板的倾斜追光角度，使得太阳能板每次都能获得最大的光照强度。系统组成如图1所示。

图1 全系统组成框图

2 模块化设计与功能实现

该系统采用无线数据传输远程控制，根据各传感器检测和传回的数据，及时对鱼池池水参数做出调整。

1)数据采集模块设计

图2 数据采集模块组成

图3 执行模块组成

图4 通信模块组成

如图2所示，数据采集模块由传感器、电压放大器和模数转换电路A/D组成。传感器将温度、湿度、PH及水位等参数的非电信号变成电信号、电压放大器放大传感器输出的信号电压值，模数转换电路将放大器输出的模拟电压信号转换为数字信号送给控制器单片机处理。

系统控制器和通信控制器选择STM32为核心芯片。系统控制器和通信控制器连接控制NRF无线传输模块，可以实现远程通信，远程监控。

2)系统控制器

系统控制器模块由STM32F103ZET6单片机实现，它接受采集数据模块传送来的数字信号，经过处理后向执行模块发出控制信号。

3)执行模块和负载

如图3所示，系统控制器发出信号经过光电耦合器传送给晶闸管电流放大用以控制负载太阳能板倾角电动机、太阳能板追光电动机、冷却水泵电动机、鱼池加水电动机和鱼池加热器的运行，使用光电耦合器的目的是提高干扰能力。

4)通信模块设计

如图4所示，通信收发模块传送鱼塘温度、湿度、PH及水位等检测数据监控器可以根据鱼塘与监控室的距离选择有线或无线传输，这里选用的是无线通信传输。

图5 远程通信子系统

图6 能源控制系统

图7 单片机软件流程图

数据接收和发送均采用NRF24L01无线模块进行传输，其拥有2.4GHz全球开放ISM频段，自动重发功能，自动检测和重发丢失的数据包，重发时间及重发次数可软件控制。NRF24L01无线模块遵循SPI协议，STM32控制器装有SPI接口，可与NRF无线模块完成对接。

5)远程通信子系统

如图5所示，通信收发模块(右)接收到通信发收模块(左)的检测数据后，再由(通信)控制器处理送给WI-FI模块传到通信终端手机或电脑；反之，利用手机或电脑输入控制信号，经WI-FI模块、控制器处理、通信发收模块(右)传送给通信收发模块(左)，再传给系统控制器处理，系统控制器向执行模块发出控制信号，驱动电动机或加热器负载工作。

WI-FI模块ESP8266一般传输距离有100m左右，在空旷地区可以达到300m，还可以根据实际情况换用Zigbee通信等。

6)供电模块

如图6所示，当太阳光足够充足的时候，太阳能控制器既为蓄电池充电，又为系统电路供电；当太阳光能弱的时候，就由蓄电池为系统电路供电，太阳能电池只为蓄电池充电。

3 系统软件设计

系统控制装置主要分通信模块、数据采集模块、执行模块，利用STM32芯片，编写控制程序，实现系统工作，流程图见图7。

4 结 论

太阳能电池板能够随着太阳的变化，改变太阳能板的倾斜角，使得每一时刻获得的能量最大，且最大效率地利用太阳能，实现太阳能从自动化向智能化的转变。用户也可以远程监控养殖场的各个指标(PH，温度，含氧量，光照强度等)，随时了解养殖的情况，这项技术的实现使得远离市区的养殖场通过太阳能供电，与采用市电供电相比大大降低了成本。

参考文献:

[1] 季立仁，太阳能加热养育技术简介[J].农业工程技术.1991年，5期.

[2] 段晨东，张文革.单片机原理及接口技术[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3] 刘火良，杨森.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工程出版社,2017.

[4] nRF2401中文说明书.讯通科技[OL].http://www.freqchina.com.2018.3.16.