基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的光伏農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)，由光伏發(fā)電子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)自動子化系統(tǒng)、遠(yuǎn)程智能控制子系統(tǒng)組成。光伏發(fā)電子系統(tǒng)通過能量變換將光伏產(chǎn)生的電能輸送給農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)，并向蓄電池充電，多余的電能賣給電網(wǎng)公司；遠(yuǎn)程智能控制子系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控光伏發(fā)電子系統(tǒng)的信息以及光伏農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的信息并根據(jù)相應(yīng)的信息做出最優(yōu)的解決方案；遠(yuǎn)程智能控制子系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)信息的調(diào)控。本系統(tǒng)將數(shù)字信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與光伏技術(shù)進(jìn)行跨界融合，具有較高的理論研究及社會實(shí)踐價(jià)值。
【專利說明】
基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的光伏農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于控制系統(tǒng)，特別是一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的光伏農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]能源問題目前已經(jīng)位列世界10大核心問題之首。煤炭、石油、天然氣等化石能源的大量開采與消耗，給地球環(huán)境帶來了極大的破壞。太陽能等清潔能源，將作為未來的主要能源供人類使用太陽光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)明確被列為我國“十三五”科技發(fā)展的重點(diǎn)。目前，單從產(chǎn)業(yè)規(guī)模來講，我國的光熱利用和光伏發(fā)電技術(shù)這兩大產(chǎn)業(yè)已經(jīng)躋身世界第一。在國家相關(guān)利好政策的激勵下，我國分布式太陽能光伏發(fā)電呈現(xiàn)了快增長的趨勢。
[0003]目前的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)存在有一定的不足，如:整流設(shè)備和逆變設(shè)備是分開的，不能在一臺設(shè)備中完成逆變發(fā)電和整流充電兩種變換，導(dǎo)致總裝配設(shè)備體積大、質(zhì)量大;農(nóng)業(yè)自動化控制系統(tǒng)不完善，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全自動調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程智能調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:提供一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的光伏農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:它包括光伏發(fā)電子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程智能控制子系統(tǒng)，其特點(diǎn)是:
[0006]光伏發(fā)電子系統(tǒng)由光伏組件、蓄電池、MPPT控制器、逆變/充電雙向一體化機(jī)、雙向電表、電網(wǎng)組成;光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并輸出給MPPT控制器;MPPT控制器采用最大功率跟蹤算法跟蹤日照輻射強(qiáng)度，將太陽能最大限度的進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換;MPPT控制器的輸出與蓄電池兩極并聯(lián)，將太陽能轉(zhuǎn)換的電能以化學(xué)能形式存儲;MPPT控制器的輸出與蓄電池兩極并聯(lián)后，與逆變/充電雙向一體化機(jī)的A端相連;逆變/充電雙向一體化機(jī)的B端與雙向電表的A端并聯(lián)后，與農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)的供電線路相連;雙向電表的B端與電網(wǎng)相連；
[0007]農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)由農(nóng)業(yè)主控制器、C02施肥器、灌溉機(jī)、LED植物生長燈、卷簾機(jī)、風(fēng)機(jī)組成;農(nóng)業(yè)主控制器、C02施肥器、灌溉機(jī)、LED植物生長燈、卷簾機(jī)、風(fēng)機(jī)的電能由光伏發(fā)電子系統(tǒng)通過供電線路提供;農(nóng)業(yè)主控制器實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)C02濃度、濕度、溫度信息，通過無線通信接口傳輸?shù)椒?wù)器和手機(jī)客戶端，并實(shí)時(shí)通過無線通信接口接收服務(wù)器和手機(jī)客戶端發(fā)來的控制指令，通過控制繼電器組對C02施肥器、灌溉機(jī)、LED植物生長燈、卷簾機(jī)、風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制；
[0008]遠(yuǎn)程智能控制子系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、手機(jī)客戶端、服務(wù)器組成；網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備通過CAN總線與MPPT控制器、逆變/充電雙向一體化機(jī)交互信息；網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備通過無線通信接口與服務(wù)器、手機(jī)客戶端交互信息;農(nóng)業(yè)主控制器通過無線通信接口與服務(wù)器、手機(jī)客戶端交互信息。
[0009]上述逆變/充電雙向一體化機(jī)工作在光伏發(fā)電狀態(tài)下，輸入端為A端，輸出端為B端，逆變/充電雙向一體化機(jī)將MPPT控制器與蓄電池并聯(lián)輸出的直流電逆變?yōu)榻涣麟姾?，給農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)供電，多余電能經(jīng)過雙向電表與電網(wǎng)并網(wǎng)，售電給電網(wǎng)公司；當(dāng)太陽光照強(qiáng)度較弱且蓄電池萬■電時(shí)，逆變/充電雙向一體化機(jī)工作在充電狀態(tài)，輸入端為B端，輸出端為A端，農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)由電網(wǎng)供電，并且電網(wǎng)電能經(jīng)過逆變/充電雙向一體化機(jī)將交流電整流成直流電，逆變/充電雙向一體化機(jī)采用有源功率因素校正算法給蓄電池進(jìn)行智能電流型充電；逆變/充電雙向一體化機(jī)的逆變發(fā)電與整流充電兩種工作狀態(tài)采取同一個(gè)全橋主電路架構(gòu)。
[0010]上述網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備通過CAN總線采集MPPT控制器的輸出功率信息，間接得到光照強(qiáng)度信息，通過CAN總線采集逆變/充電雙向一體化機(jī)的發(fā)電量信息；網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備將光照強(qiáng)度信息與發(fā)電量信息通過無線通信接口傳輸?shù)椒?wù)器和手機(jī)客戶端;農(nóng)業(yè)主控制器實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)C02濃度、濕度、溫度信息，通過無線通信接口傳輸?shù)椒?wù)器和手機(jī)客戶端；服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備發(fā)來的光照強(qiáng)度信息、發(fā)電量信息，和農(nóng)業(yè)主控制器發(fā)來的C02濃度、濕度、溫度信息，作為輸入量進(jìn)行最佳農(nóng)業(yè)控制運(yùn)算，得出控制指令，并通過無線通信接口將指令發(fā)送給農(nóng)業(yè)主控制器;農(nóng)業(yè)主控制器通過無線通信接口接收到控制指令后，通過控制繼電器組對C02施肥器、灌溉機(jī)、LED植物生長燈、卷簾機(jī)、風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，自動調(diào)整農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的C02濃度、濕度、光照強(qiáng)度、溫度參數(shù)，達(dá)到農(nóng)作物最佳生長環(huán)境；用戶也可以使用手機(jī)客戶端通過無線通信接口對MPPT控制器、逆變/充電一體化機(jī)、農(nóng)業(yè)主控制器進(jìn)行獨(dú)立的手動控制。
[0011]本發(fā)明將整流設(shè)備和逆變設(shè)備合并為逆變/充電雙向一體化機(jī)，減小了設(shè)備的體積，減輕了設(shè)備的重量;完善了農(nóng)業(yè)自動化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的全自動調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程智能調(diào)節(jié)。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
[0013]圖2為本發(fā)明的光伏發(fā)電子系統(tǒng)中逆變/充電雙向一體化機(jī)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖3為本發(fā)明的光伏發(fā)電子系統(tǒng)中MPPT控制器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。’
[0015]圖4為本發(fā)明的遠(yuǎn)程智能控制子系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。
[0016]圖5為本發(fā)明的農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)主控制器的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0018]本發(fā)明為一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的光伏農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)，它包括光伏發(fā)電子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程智能控制子系統(tǒng)(圖1)。
[0019]本發(fā)明光伏發(fā)電子系統(tǒng)包括光伏組件、蓄電池、MPPT控制器、逆變/充電雙向一體化機(jī)以及雙向電表，雙向電表用于連接供電電網(wǎng)。
[0020]本發(fā)明光伏組件由21塊光伏電池板7串再3并組成，每塊光伏電池板的開路電壓為40V，功率為260胃。7塊光伏電池板串聯(lián)作為一個(gè)支路，3個(gè)支路并聯(lián)組成整套光伏組件。整套光伏組件的輸出功率為5460W，開路電壓為280V，最大功率點(diǎn)電壓約在80%開路電壓即224V處。
[0021]蓄電池由額定電壓2V、20Ah的單片蓄電池串聯(lián)200片組成，額定輸出電壓為400V。每單片蓄電池的實(shí)際電壓為1.8V?2.2V，則蓄電池實(shí)際輸出總電壓為360V?440V。
[0022]逆變器與充電器被整合成逆變/充電雙向一體化機(jī)。即可工作在DC/AC逆變狀態(tài)，將直流電逆變?yōu)榻涣麟姾?，給農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)供電，多余電能經(jīng)過雙向電表與供電電網(wǎng)并網(wǎng)，售電給電網(wǎng)公司；也可以工作在AC/DC整流狀態(tài)，將供電電網(wǎng)交流電整流成直流電，通過有源功率因素校正算法，給蓄電池進(jìn)行智能電流型充電。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用全橋架構(gòu)(圖 2)。
[0023]本發(fā)明MPPT控制器用于跟蹤太陽的光照強(qiáng)度，將太陽能最大限度的轉(zhuǎn)化為電能，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用boost升壓架構(gòu)(圖3)。
[0024]本發(fā)明遠(yuǎn)程智能控制子系統(tǒng)由手機(jī)客戶端、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備組成。
[0025]網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備收集光伏發(fā)電子系統(tǒng)的電能信息以及農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息，并通過無線通信模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端和服務(wù)器端顯示，對光伏發(fā)電子系統(tǒng)的電能信息和農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并提供方案最優(yōu)解。網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備(圖4)。
[0026]網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備主板以STM32芯片為控制核心。STM32芯片集成有CAN總線模塊，與TJA1050接收器相連可直接轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)CAN接口信號。STM32芯片通過串口連接到ESP8266模塊上。ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，內(nèi)部集成TCP\IP協(xié)議棧，可將用戶的物理設(shè)備連接到無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。STM32芯片通過SPI接口與GPRS模塊相連，實(shí)時(shí)收發(fā)GPRS遠(yuǎn)程信息。
[0027]服務(wù)器使用云服務(wù)器，在其上建立web服務(wù)器(Tomcat)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(MySQL)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與收發(fā)。作為TCP服務(wù)器端，網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的無線通信模塊有著IP地址與端口號，通過在PC上對無線路由器的設(shè)置可將其IP地址與端口號設(shè)置為固定值，這樣就等于網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備就有了唯一的“ID”，以便被其他設(shè)備訪問與管理。同時(shí)服務(wù)器也能接受來自手機(jī)客戶端的指令，將指令發(fā)送到相應(yīng)“ID”的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的無線通信模塊上。
[0028]手機(jī)客戶端APP軟件運(yùn)用Java語言編寫并基于安卓平臺開發(fā)。手機(jī)客戶端APP軟件依靠Json解析從web獲取動態(tài)數(shù)據(jù)。手機(jī)客戶端APP軟件和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的通信通過Android提供相關(guān)W1-Fi傳輸?shù)腁PI實(shí)現(xiàn)，通過API即可完成實(shí)現(xiàn)和單片機(jī)的連接。對于實(shí)現(xiàn)兩者互相收發(fā)數(shù)據(jù)。
[0029]目前網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)。C/S結(jié)構(gòu)通過客戶端和服務(wù)器端進(jìn)行合理的任務(wù)分配，將兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢充分利用，使得系統(tǒng)的通訊開銷得以降低。在這種結(jié)構(gòu)下，每一個(gè)客戶機(jī)都必須安裝并正確配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序，應(yīng)用程序也必須安裝在客戶機(jī)上，這樣應(yīng)用程序才能訪問數(shù)據(jù)庫。本專利采用C/S體系結(jié)構(gòu)，客戶端為多層體系結(jié)構(gòu)，以提供更好的靈活性和強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。
[0030]農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)由C02施肥器、灌溉機(jī)、LED植物生長燈、卷簾機(jī)與風(fēng)機(jī)農(nóng)業(yè)自動化設(shè)備和農(nóng)業(yè)主控制器組成，農(nóng)業(yè)主控制器可以根據(jù)遠(yuǎn)程智能控制子系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地自動調(diào)整農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫度、濕度、C02濃度參數(shù)以給植物提供最適宜的生長環(huán)境。農(nóng)業(yè)主控制器(圖5)。
[0031]最后，本發(fā)明的實(shí)施僅用于說明技術(shù)方案而非限制。一切根據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)進(jìn)行的修改、等效組合，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
[0032]本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的光伏農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)，其特征在于，包括: 光伏發(fā)電子系統(tǒng):由光伏組件、蓄電池、MPPT控制器、逆變/充電雙向一體化機(jī)以及雙向電表組成、所述雙向電表用于連接供電電網(wǎng);所述光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并輸出給MPPT控制器;MPPT控制器采用最大功率跟蹤算法跟蹤日照輻射強(qiáng)度，將太陽能最大限度的進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換;MPPT控制器的輸出與蓄電池兩極并聯(lián)，將太陽能轉(zhuǎn)換的電能以化學(xué)能形式存儲;MPPT控制器的輸出與蓄電池兩極并聯(lián)后，與逆變/充電雙向一體化機(jī)的A端相連;逆變/充電雙向一體化機(jī)的B端與雙向電表的A端并聯(lián)后，與農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)的供電線路相連;雙向電表的B端與供電電網(wǎng)相連； 農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng):由農(nóng)業(yè)主控制器、C02施肥器、灌溉機(jī)、LED植物生長燈、卷簾機(jī)以及風(fēng)機(jī)組成，農(nóng)業(yè)主控制器、C02施肥器、灌溉機(jī)、LED植物生長燈、卷簾機(jī)以及風(fēng)機(jī)的電能由所述光伏發(fā)電子系統(tǒng)通過供電線路提供;農(nóng)業(yè)主控制器實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)C02濃度、濕度、溫度信息，通過無線通信接口傳輸?shù)椒?wù)器和手機(jī)客戶端，并實(shí)時(shí)通過無線通信接口接收服務(wù)器和手機(jī)客戶端發(fā)來的控制指令，通過控制繼電器組對C02施肥器、灌溉機(jī)、LED植物生長燈、卷簾機(jī)以及風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制； 遠(yuǎn)程智能控制子系統(tǒng):由網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、手機(jī)客戶端以及服務(wù)器組成；網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備通過CAN總線與MPPT控制器、逆變/充電雙向一體化機(jī)交互信息；網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備通過無線通信接口與服務(wù)器、手機(jī)客戶端交互信息;農(nóng)業(yè)主控制器通過無線通信接口與服務(wù)器、手機(jī)客戶端交互信息。2.如權(quán)利要求1所述的基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的光伏農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)，其特征在于:所述逆變/充電雙向一體化機(jī)工作在光伏發(fā)電狀態(tài)下，輸入端為A端，輸出端為B端，逆變/充電雙向一體化機(jī)將MPPT控制器與蓄電池并聯(lián)輸出的直流電逆變?yōu)榻涣麟姾?，給農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)供電，多余電能經(jīng)過雙向電表與供電電網(wǎng)并網(wǎng)，售電給電網(wǎng)公司；當(dāng)太陽光照強(qiáng)度較弱且蓄電池萬■電時(shí)，逆變/充電雙向一體化機(jī)工作在充電狀態(tài)，輸入端為B端，輸出端為A端，農(nóng)業(yè)自動化子系統(tǒng)由供電電網(wǎng)供電，并且供電電網(wǎng)電能經(jīng)過逆變/充電雙向一體化機(jī)將交流電整流成直流電，逆變/充電雙向一體化機(jī)采用有源功率因素校正算法給蓄電池進(jìn)行智能電流型充電；逆變/充電雙向一體化機(jī)的逆變發(fā)電與整流充電兩種工作狀態(tài)米取同一個(gè)全橋主電路架構(gòu)。3.如權(quán)利要求1所述的基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的光伏農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)，其特征在于:所述網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備通過CAN總線采集MPPT控制器的輸出功率信息，間接得到光照強(qiáng)度信息，通過CAN總線采集逆變/充電雙向一體化機(jī)的發(fā)電量信息；網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備將光照強(qiáng)度信息與發(fā)電量信息通過無線通信接口傳輸?shù)椒?wù)器和手機(jī)客戶端;農(nóng)業(yè)主控制器實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)C02濃度、濕度以及溫度信息，通過無線通信接口傳輸?shù)椒?wù)器和手機(jī)客戶端;服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備發(fā)來的光照強(qiáng)度信息、發(fā)電量信息，和農(nóng)業(yè)主控制器發(fā)來的C02濃度、濕度、溫度信息，作為輸入量進(jìn)行最佳農(nóng)業(yè)控制運(yùn)算，得出控制指令，并通過無線通信接口將指令發(fā)送給農(nóng)業(yè)主控制器;農(nóng)業(yè)主控制器通過無線通信接口接收到控制指令后，通過控制繼電器組對C02施肥器、灌溉機(jī)、LED植物生長燈、卷簾機(jī)、風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，自動調(diào)整農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的⑶2濃度、濕度、光照強(qiáng)度、溫度參數(shù)，達(dá)到農(nóng)作物最佳生長環(huán)境;用戶也可以使用手機(jī)客戶端通過無線通信接口對MPPT控制器、逆變/充電一體化機(jī)、農(nóng)業(yè)主控制器進(jìn)行獨(dú)立的手動控制。
【文檔編號】G08C17/02GK106054841SQ201610503998
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】黃亮, 陳文文, 董超宏, 鄭如強(qiáng), 盧葉
【申請人】武漢理工大學(xué)