Überwachung von Solarmodulen mit Particle Photon - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Ziel des Projekts ist es, die Effizienz von Solarpaneelen zu verbessern. Das Projekt soll die solare Photovoltaik-Stromerzeugung überwachen, um die Leistung, Überwachung und Wartung der Solaranlage zu verbessern.

In diesem Projekt wird das Partikelphoton mit dem Spannungsausgangsstift des Solarpanels, dem LM-35-Temperatursensor und dem LDR-Sensor verbunden, um die Leistungsabgabe, die Temperatur bzw. die einfallende Lichtintensität zu überwachen. Ein Zeichen-LCD ist auch mit dem Partikelphoton verbunden, um die gemessenen Parameter in Echtzeit anzuzeigen. Der Photon zeigt nicht nur die gemessenen Parameter auf dem LCD-Bildschirm an, sondern sendet die gemessenen Werte auch an den Cloud-Server zur Anzeige der Echtzeitdaten.

Schritt 1: Komponente erforderlich

• Teilchenphoton $ 20
• 16x2 LCD $3
• Solarplatte $ 4
• LM-35 Temperatursensor 2
• LDR $1
• Steckbrett $4
• Überbrückungsdrähte $ 3

Die Gesamtkosten der Hardware betragen rund 40 US-Dollar.

Schritt 2: Hardware

1. Teilchenphoton

Photon ist ein beliebtes IoT-Board, das über die Particle-Plattform erhältlich ist. Das Board beherbergt einen STM32F205 120Mhz ARM Cortex M3 Mikrocontroller und verfügt über 1 MB Flash-Speicher, 128 KB RAM und 18 Mixed Signal Universal Input Output (GPIO) Pins mit fortschrittlicher Peripherie. Das Modul verfügt über einen integrierten Cypress BCM43362 Wi-Fi-Chip für Wi-Fi-Konnektivität und Single-Band 2,4 GHz IEEE 802.11b/g/n für Bluetooth. Das Board ist mit 2 SPI, einem I2S, einem I2C, einem CAN und einem USB Interface ausgestattet.

Es sollte beachtet werden, dass 3V3 ein gefilterter Ausgang ist, der für analoge Sensoren verwendet wird. Dieser Pin ist der Ausgang des Bordreglers und intern mit dem VDD des Wi-Fi-Moduls verbunden. Wenn das Photon über VIN oder den USB-Port mit Strom versorgt wird, gibt dieser Pin eine Spannung von 3,3 VDC aus. Dieser Pin kann auch verwendet werden, um das Photon direkt mit Strom zu versorgen (max. Eingang 3,3 VDC). Bei Verwendung als Ausgang beträgt die maximale Belastung von 3V3 100mA. Die PWM-Signale haben eine Auflösung von 8 Bit und laufen mit einer Frequenz von 500 Hz.

2. 16X2 Zeichen LCD

Das 16X2-LCD-Display dient zur Anzeige der Werte der gemessenen Parameter. Es wird mit dem Particle Photon verbunden, indem seine Datenpins D4 bis D7 mit den Pins D0 bis D3 der Particle Board verbunden werden. Die E- und RS-Pins des LCD sind mit den Pins D5 bzw. D6 der Particle Board verbunden. Der R/W-Pin des LCD ist geerdet.

3. LDR-Sensor (Fotowiderstand)

LDR oder lichtabhängiger Widerstand ist auch als Fotowiderstand, Fotozelle, Fotoleiter bekannt. Es ist eine Art von Widerstand, dessen Widerstand je nach der auf seine Oberfläche fallenden Lichtmenge variiert. Wenn das Licht auf den Widerstand fällt, ändert sich der Widerstand. Diese Widerstände werden oft in vielen Schaltungen verwendet, wo es erforderlich ist, das Vorhandensein von Licht zu erfassen. Diese Widerstände haben eine Vielzahl von Funktionen und Widerständen. Wenn sich der LDR beispielsweise in der Dunkelheit befindet, kann er verwendet werden, um ein Licht einzuschalten oder ein Licht auszuschalten, wenn es im Licht ist. Ein typischer lichtabhängiger Widerstand hat in der Dunkelheit einen Widerstand von 1MOhm und in der Helligkeit einen Widerstand von einigen KOhm.

Arbeitsprinzip von LDR

Dieser Widerstand arbeitet nach dem Prinzip der Photoleitfähigkeit. Es ist nichts anderes, als wenn das Licht auf seine Oberfläche fällt, dann verringert sich die Materialleitfähigkeit und auch die Elektronen im Valenzband des Geräts werden zum Leitungsband angeregt. Diese Photonen im einfallenden Licht müssen eine Energie haben, die größer als die Bandlücke des Halbleitermaterials ist. Dadurch springen die Elektronen vom Valenzband in die Leitung. Diese Geräte sind vom Licht abhängig, wenn Licht auf den LDR fällt, nimmt der Widerstand ab. und nimmt im Dunkeln zu. Wenn ein LDR im Dunkeln aufbewahrt wird, ist sein Widerstand hoch und wenn der LDR im Licht gehalten wird, nimmt sein Widerstand ab. Der LDR-Sensor wird verwendet, um die einfallende Lichtintensität zu messen. Die Lichtintensität wird in Lux angegeben. Der Sensor wird an den A2-Pin von Particle Photon angeschlossen. Der Sensor ist in eine Potentialteilerschaltung geschaltet. Der LDR liefert eine analoge Spannung, die vom eingebauten ADC in digitale Werte umgewandelt wird.

4. LM-35 Temperatursensor

LM35 ist ein Präzisions-IC-Temperatursensor, dessen Ausgang proportional zur Temperatur (in oC) ist. Der Betriebstemperaturbereich reicht von -55 °C bis 150 °C. Die Ausgangsspannung variiert um 10 mV als Reaktion auf jeden oC Anstieg/Abfall der Umgebungstemperatur, d. h. ihr Skalierungsfaktor beträgt 0,01 V/ oC. Der Sensor hat drei Pins - VCC, Analogout und Ground. Der Aout-Pin des LM35 ist mit dem analogen Eingangspin A0 des Partikelphotons verbunden. VCC und Masse sind mit gemeinsamen VCC und Masse verbunden.

Merkmale

Kalibriert direkt in Grad Celsius (Centigrade)

Linear bei 10,0 mV/°C Skalierungsfaktor

• 0,5 °C Genauigkeit garantiert (bei 25 °C)
• Ausgelegt für den vollen Bereich von -55°C bis 150°C
• Funktioniert von 4 bis 30 Volt
• Weniger als 60 mA Stromaufnahme
• Geringe Eigenerwärmung, 0,08 °C Einblasluft
• Nichtlinearität nur 0,25°C typisch
• Niederohmiger Ausgang, 0,1Ωfür 1 mA Last

5. Solarpanel

Sonnenkollektoren sind Geräte, die Licht in Strom umwandeln. Sie haben den Namen "Solar"-Panels von dem Wort "Sol", das von Astronomen verwendet wird, um die Sonne und das Sonnenlicht zu bezeichnen. Diese werden auch Photovoltaik-Module genannt, wobei Photovoltaik „Licht-Strom“bedeutet. Das Phänomen der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet. Dieser Effekt erzeugt Spannung und Strom am Ausgang bei Einwirkung von Sonnenenergie. Im Projekt wird ein 3 Volt Solarpanel verwendet. Ein Solarpanel besteht aus mehreren Solarzellen oder Photovoltaikdioden. Diese Solarzellen sind Dioden mit P-N-Übergang und können bei Sonneneinstrahlung ein elektrisches Signal erzeugen. Bei Sonneneinstrahlung erzeugt dieses Solarpanel an seinen Klemmen eine Gleichspannung von 3,3 V. Dieses Panel kann eine maximale Ausgangsleistung von 0,72 Watt und eine minimale Ausgangsleistung von 0,6 Watt haben. Der maximale Ladestrom beträgt 220 mA und der minimale Ladestrom beträgt 200 mA. Das Panel hat zwei Anschlüsse - VCC und Masse. Der Spannungsausgang wird vom VCC-Pin gezogen. Der Spannungsausgangspin ist mit dem analogen Eingangspin A1 des Particle Photon verbunden, um die Ausgangsleistung des Solarpanels zu messen.

Schritt 3: Software

Partikel-Web-IDE

Um den Programmcode für Photon zu schreiben, muss der Entwickler ein Konto auf der Particle-Website erstellen und das Photon-Board mit seinem Benutzerkonto registrieren. Der Programmcode kann dann auf der Web-IDE auf der Particle-Website geschrieben und über das Internet auf ein registriertes Photon übertragen werden. Wenn das ausgewählte Particle Board, hier Photon, eingeschaltet und mit dem Cloud-Dienst des Particle verbunden ist, wird der Code per Internetverbindung auf das ausgewählte Board gebrannt und das Board beginnt mit dem übertragenen Code. Für die Steuerung des Boards über das Internet wurde eine Webseite entwickelt, die Ajax und Jquery verwendet, um Daten mit der HTTP POST-Methode an das Board zu senden. Die Webseite identifiziert das Board anhand einer Geräte-ID und verbindet sich über ein Zugriffstoken mit dem Cloud-Dienst von Particle.

So verbinden Sie Photon mit dem Internet

1. Schalten Sie Ihr Gerät ein

• Stecken Sie das USB-Kabel in Ihre Stromquelle.
• Sobald es eingesteckt ist, sollte die RGB-LED Ihres Geräts blau blinken. Wenn Ihr Gerät nicht blau blinkt, halten Sie die SETUP-Taste gedrückt. Wenn Ihr Gerät überhaupt nicht blinkt oder die LED matt leuchtet orange Farbe, kann es sein, dass es nicht genug Strom bekommt. Versuchen Sie, Ihre Stromquelle oder Ihr USB-Kabel zu wechseln.

2. Verbinden Sie Ihr Photon mit dem InternetEs gibt zwei Möglichkeiten, die Webanwendung oder die mobile App zu verwenden

A. Verwenden der Webanwendung

• Schritt 1 Gehen Sie zu setup.particle.io
• Schritt 2 Klicken Sie auf Einrichten eines Photons
• Schritt 3 Nachdem Sie auf WEITER geklickt haben, sollte Ihnen eine Datei (photonsetup.html) angezeigt werden.
• Schritt 4 Öffnen Sie die Datei.
• Schritt 5 Nachdem Sie die Datei geöffnet haben, verbinden Sie Ihren PC mit dem Photon, indem Sie sich mit dem Netzwerk namens PHOTON verbinden.
• Schritt 6 Konfigurieren Sie Ihre Wi-Fi-Anmeldeinformationen. Hinweis: Wenn Sie sich bei Ihren Anmeldeinformationen vertippt haben, blinkt das Photon dunkelblau oder grün. Sie müssen den Vorgang erneut durchlaufen (indem Sie die Seite aktualisieren oder auf den Teil des Vorgangs wiederholen klicken)
• Schritt 7 Benennen Sie Ihr Gerät um. Sie sehen auch eine Bestätigung, ob das Gerät beansprucht wurde oder nicht.

B. Smartphone verwenden

• Öffnen Sie die App auf Ihrem Telefon. Melden Sie sich bei Particle an oder erstellen Sie ein Konto, wenn Sie noch kein Konto haben.
• Drücken Sie nach der Anmeldung auf das Plus-Symbol und wählen Sie das Gerät aus, das Sie hinzufügen möchten. Folgen Sie dann den Anweisungen auf dem Bildschirm, um Ihr Gerät mit dem WLAN zu verbinden.

Wenn dies das erste Mal ist, dass Ihr Photon eine Verbindung herstellt, blinkt es einige Minuten lang lila, während es Updates herunterlädt. Abhängig von Ihrer Internetverbindung kann es 6-12 Minuten dauern, bis die Updates abgeschlossen sind, wobei der Photon dabei einige Male neu gestartet wird. Starten Sie Ihr Photon während dieser Zeit nicht neu und ziehen Sie es nicht vom Netz. Wenn Sie dies tun, müssen Sie möglicherweise dieser Anleitung folgen, um Ihr Gerät zu reparieren.

Sobald Sie Ihr Gerät verbunden haben, hat es dieses Netzwerk gelernt. Ihr Gerät kann bis zu fünf Netzwerke speichern. Um nach der Ersteinrichtung ein neues Netzwerk hinzuzufügen, versetzen Sie Ihr Gerät erneut in den Hörmodus und fahren Sie wie oben beschrieben fort. Wenn Sie das Gefühl haben, dass zu viele Netzwerke auf Ihrem Gerät vorhanden sind, können Sie den Speicher Ihres Geräts von allen gelernten Wi-Fi-Netzwerken löschen. Sie können dies tun, indem Sie die Setup-Taste 10 Sekunden lang gedrückt halten, bis die RGB-LED schnell blau blinkt und signalisiert, dass alle Profile gelöscht wurden.

Modi

• Cyan, Ihr Photon ist mit dem Internet verbunden.
• Magenta, es lädt gerade eine App oder aktualisiert seine Firmware. Dieser Zustand wird durch ein Firmware-Update oder durch Blinken von Code von der Web-IDE oder Desktop-IDE ausgelöst. Dieser Modus wird möglicherweise angezeigt, wenn Sie Ihr Photon zum ersten Mal mit der Cloud verbinden.
• Grün, es versucht, eine Verbindung zum Internet herzustellen.
• Weiß, das WLAN-Modul ist ausgeschaltet.

Web IDEParticle Build ist eine integrierte Entwicklungsumgebung oder IDE, die bedeutet, dass Sie Softwareentwicklung in einer benutzerfreundlichen Anwendung durchführen können, die zufällig in Ihrem Webbrowser ausgeführt wird.

1. Um Build zu öffnen, melden Sie sich bei Ihrem Partikelkonto an und klicken Sie dann auf Build, wie in der Abbildung gezeigt.
2. Sobald Sie darauf geklickt haben, sehen Sie eine Konsole wie diese.
3. Um eine neue App zu erstellen, klicken Sie auf Neue App erstellen.
4. Um eine Bibliothek in das Programm aufzunehmen, gehen Sie zum Abschnitt Bibliotheken, suchen Sie nach liquidcrystal. Wählen Sie dann eine App aus, in der Sie eine Bibliothek hinzufügen möchten. In meinem Fall ist es Solarpanelmonitoring.
5. Um das Programm zu überprüfen. Klicken Sie auf Verifizieren.
6. Um den Code hochzuladen, klicken Sie auf Flash, aber wählen Sie vorher ein Gerät aus. Wenn Sie mehr als ein Gerät haben, müssen Sie sicherstellen, dass Sie ausgewählt haben, auf welches Ihrer Geräte der Flash-Code erfolgen soll. Klicken Sie auf das Symbol "Geräte" unten links im Navigationsbereich. Wenn Sie mit der Maus über den Gerätenamen fahren, wird der Stern auf der linken Seite angezeigt. Klicken Sie darauf, um das Gerät festzulegen, das Sie aktualisieren möchten (es wird nicht angezeigt, wenn Sie nur ein Gerät haben). Sobald Sie ein Gerät ausgewählt haben, wird der dazugehörige Stern gelb. (Wenn Sie nur ein Gerät haben, müssen Sie es nicht auswählen, Sie können fortfahren.

Schritt 4: So funktioniert die Schaltung

In der Schaltung werden 6 GPIO-Pins des Moduls verwendet, um das Zeichen-LCD anzuschließen, und drei analoge Eingangspins werden verwendet, um den LM-35-Temperatursensor, das Solarpanel und den LDR-Sensor anzuschließen.

Sobald die Schaltung zusammengebaut ist, kann sie zusammen mit dem Solarpanel eingesetzt werden. Während das Solarpanel weiterhin Strom erzeugt, wird das an das Gerät angeschlossen. Das Gerät wird über das Stromnetz mit Strom versorgt, das auch die anderen leistungssteigernden Geräte verwaltet. Sobald das Gerät eingeschaltet ist, blinken einige anfängliche Meldungen auf dem LCD-Display auf, die die Absicht der Anwendung angeben. Die Ausgangsleistung des Panels, die Temperatur und die einfallende Lichtintensität werden vom Spannungsausgangspin des Solarpanels, dem LM-35-Temperatursensor bzw. dem LDR-Sensor gemessen. Der Spannungsausgangspin des Solarpanels, der LM-35-Temperatursensor und der LDR-Sensor sind mit den analogen Eingangspins A1, A0 und A2 des Particle Photon verbunden.

Die jeweiligen Parameter werden durch Erfassen der analogen Spannung an den jeweiligen Pins gemessen. Die an den jeweiligen Pins erfasste analoge Spannung wird über eingebaute ADC-Kanäle in digitale Werte umgewandelt. Das Particle Photon hat 12-Bit-ADC-Kanäle. Die digitalisierten Werte können also von 0 bis 4095 reichen. Hier wird davon ausgegangen, dass der LDR-Sensor des Widerstandsnetzwerks mit dem Controller-Pin kalibriert ist, um die Lichtintensität durch direkte Proportionalität anzuzeigen.

Der LM-35 IC erfordert keine externe Kalibrierung oder Trimmung, um typische Genauigkeiten von ±0,25 °C bei Raumtemperatur und ±0,75 °C über einen Temperaturbereich von −55 °C bis 150 °C zu liefern. Unter normalen Bedingungen wird die vom Sensor gemessene Temperatur den Betriebsbereich des Sensors nicht überschreiten oder unterschreiten. Durch das Trimmen und Kalibrieren auf Waferebene wird dadurch der Einsatz des Sensors zu geringeren Kosten sichergestellt. Aufgrund der niedrigen Ausgangsimpedanz, des linearen Ausgangs und der präzisen inhärenten Kalibrierung des LM-35 ist die Anbindung des Sensors an eine Steuerschaltung einfach. Da das LM-35-Gerät nur 60 µA aus dem Netz zieht, weist es eine sehr geringe Eigenerwärmung von weniger als 0,1 °C in ruhender Luft auf. Typischerweise steigt im Temperaturbereich von −55 °C bis 150 °C die Ausgangsspannung des Sensors um 10 mV pro Grad Celsius. Die Spannungsausgabe des Sensors ergibt sich aus den folgenden Formeln

Vout = 10 mV/°C*T

wobei Vout = Spannungsausgang des Sensors

T = Temperatur in Grad Celsius Also, T (in °C) = Vout/10 mV

T (in °C) = Vout(in V)*100

Wenn angenommen wird, dass VDD 3,3 V beträgt, bezieht sich der analoge Messwert auf die erfasste Spannung über den 12-Bit-Bereich durch die folgende Formel

Vout = (3,3/4095)*Analog-Lesen

Die Temperatur in Grad Celsius kann also durch die folgenden Formeln angegeben werden:

T (in °C) = Vout(in V)*100

T (in °C) = (3,3/4095)*Analog-Messwert *100

So kann die Temperatur direkt gemessen werden, indem der analoge Spannungsausgang des Sensors erfasst wird. Die Funktion analogRead() wird verwendet, um die analoge Spannung am Controller-Pin zu lesen. Die Ausgangsspannung des Solarpanels sollte typischerweise 3 V betragen, die direkt vom Particle Photon erfasst werden kann. Das Particle Photon kann Spannungen bis zu 3,3 V direkt erfassen. Zur Digitalisierung der erfassten analogen Spannung wird diese wiederum intern auf VDD referenziert. Der digitalisierte Spannungswert wird über den 12-Bit-Bereich skaliert, d. h. 0 bis 4095. So

Vout = (3,3/4095)*Analog-Lesen

Die ausgelesenen Sensordaten werden zunächst auf dem LCD-Display angezeigt und dann per WLAN-Verbindung an die Particle Cloud weitergegeben. Der Benutzer muss sich beim registrierten Konto des Partikels anmelden, um die gelesenen Sensorwerte anzuzeigen. Die Plattform ermöglicht es, sich vom registrierten Konto aus mit einem Board zu verbinden. Der Benutzer kann empfangene Sensordaten in Echtzeit überwachen und auch Daten protokollieren.

Schritt 5: Anschlüsse und Schaltplan

Photon ==> LCD

D6 ==> RS

D5 ==> Aktivieren

D3 ==> DB4

D2 ==> DB5

D1 ==> DB6

D0 ==> DB7

Photon ==> LM-35

A0 ==> Aout

Photon ==> LDR

A2 ==> Vcc

Photon ==> Sonnenplatte

A1 ==> Vcc

Schritt 6: Ergebnis