CN106054944A - 基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统，包括上位机、主控单元和多个光伏跟踪支架驱动子单元；主控单元包括第一单片机、第一人工/自动切换开关、第一无线通信模块、第一手控模块、风速传感器和时钟模块；光伏跟踪支架驱动子单元包括第二单片机、第二人工/自动切换开关、第二无线通信模块、第二手控模块、倾角传感器和电机驱动模块；上位机与第一单片机双向连接，第一无线通信模块与第二无线通信模块通过无线通讯连接。本发明基于Zigbee的无线mesh网络技术，实现一个主控单元无线控制多台跟踪支架的目的，对光伏跟踪支架组进行角度跟踪控制，降低了控制系统成本，也大大降低了安装调试成本。
Description
技术领域
本发明属于光伏太阳能技术领域，具体涉及一种基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统及控制方法。
背景技术
在全球资源日益匮乏的今天，太阳能的利用备受人们的青睐。太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，其收集和利用的要求较高。太阳能接受组件的效能因为阳光倾斜照射产生的余弦效应而没有充分发挥，为太阳能接受组件安装跟踪太阳的装置，使太阳光线垂直地照射在太阳能接受组件上，是解决因余弦效应导致发电效率低下的有效办法。
与光伏固定支架相比，视日跟踪支架可以让光伏组件摆放角度随着太阳位置的变化而变化，太阳能量的采集会大大增加，能量的转化率会明显增大，提高光伏组件发电效率。其理论分析表明：对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，太阳能设备能量的接收率相差37.7％。精确的跟踪太阳可使太阳能设备的能量利用率大大提高，拓宽了太阳能的利用领域。但目前已有的各种不同类型的跟踪支架组的控制系统主要采用有线通讯方式进行数据传输，安装难度高，成本较高，施工工期较长，且要求安装工人具有一定的技术能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统，以克服现有的光伏跟踪支架通过有线通讯方式传输数据，安装难度高、成本高的问题。
本发明的另一个目的是提供上述控制系统控制多台跟踪支架的方法。
本发明所采用的技术方案是，
基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统，其特征在于：包括上位机、主控单元和多个光伏跟踪支架驱动子单元；
主控单元包括第一单片机、第一人工/自动切换开关、第一无线通信模块、第一手控模块、风速传感器和时钟模块；第一人工/自动切换开关的输出端与第一单片机的输入端连接，第一无线通信模块与第一单片机双向连接，第一手控模块的输出端与第一单片机的输入端连接，风速传感器的输出端与第一单片机的输入端连接，时钟模块的输出端与第一单片机的输入端连接；
光伏跟踪支架驱动子单元包括第二单片机、第二人工/自动切换开关、第二无线通信模块、第二手控模块、倾角传感器和电机驱动模块；第二人工/自动切换开关的输出端与第二单片机的输入端连接，第二无线通信模块与第二单片机双向连接，第二手控模块的输出端与第二单片机的输入端连接，倾角传感器的输出端与第二单片机的输入端连接，电机驱动模块的输入端与第二单片机的输出端连接；
上位机与第一单片机双向连接，第一无线通信模块与第二无线通信模块通过无线通讯连接。
主控单元还包括第一显示模块，第一显示模块的输入端与第一单片机的输出端连接。
光伏跟踪支架驱动子单元还包括第二显示模块，第二显示模块的输入端与第二单片机的输出端连接。
光伏跟踪支架驱动子单元还包括限位开关，限位开关的输出端与第二单片机的输入端连接。
第一无线通信模块与所有的第二无线通信模块之间通过基于Zigbee的无线mesh网络技术进行通讯的。
其中，第一单片机的型号为c8051F，第二单片机的型号为c8051F。
上述基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统控制多台跟踪支架的方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
系统上电后，第一单片机通过采集第一人工/自动切换开关的点位值，判断主控单元的工作模式；如果主控单元在自动工作模式下，第一单片机接收上位机控制指令，定时从时钟模块读取当前时间，定时从风速传感器读取当前风速值，定时向上位机发送各跟踪支架的倾角；
第一单片机通过风速传感器定时采集风速后，将判断当前风速值是否小于等于设定值；当风速值小于等于设定值时，第一单片机通过第一无线通讯模块采用广播方式向所有光伏跟踪支架驱动子单元发出当前时间信息；当风速值大于设定值时，第一单片机通过第一无线通讯模块采用广播方式向所有光伏跟踪支架驱动子单元发出跟踪支架放平指令；
第二单片机通过采集第二人工/自动切换开关的点位值，判断光伏跟踪支架驱动子单元的工作模式；光伏跟踪支架驱动子单元在自动工作模式下，如果第二单片机通过第二无线通讯模块接收到的信息是当前时间值，通过分析计算，获得跟踪支架的理论倾角值；另外，第二单片机通过倾角传感器还将采集跟踪支架的当前实际倾角值，计算跟踪支架的理论倾角值和实际倾角值之间的相减差值Ф；根据Ф值的正负，确定电机的转动方向，如果Ф值是正的，电机顺时针转动，如果Ф值是负的，电机逆时针转动；再根据Ф值与电机转速的比值确定电机转动的时间；当电机的转动方向和转动时间确定后，最后通过电机驱动模块驱动电机转动，电机再通过蜗轮蜗杆减速器带动支架转动一定角度，执行支架跟踪太阳的功能；如果第二单片机通过第二无线通讯模块接收到的是跟踪支架放平指令，第二单片机通过电机驱动模块控制电机转动，电机再通过蜗轮蜗杆减速器带动跟踪支架转动，将跟踪支架放平。
如果主控单元在人工工作模式下，第一单片机通过第一手控模块手动设置系统工作时钟，来实现对主控单元的调试安装。
如果光伏跟踪支架驱动子单元在自动工作模式下，所有光伏跟踪支架驱动子单元将通过倾角传感器定时采集各跟踪支架的实际倾角值，通过第一无线通信模块与第二无线通信模块之间的无线通讯，依次向主控单元上传各自跟踪支架的当前实际倾角值，并由主控单元上传给上位机。
如果光伏跟踪支架驱动子单元在人工工作模式下，光伏跟踪支架驱动子单元不接收主控单元下发的信息，通过第二手控模块手动驱动电机转动，电机再通过蜗轮蜗杆减速器带动跟踪支架的正反转，来实现对各个光伏跟踪支架驱动子单元的调试安装。
本发明的有益效果是，在保证跟踪系统技术要求的基础上，基于Zigbee的无线mesh网络技术，实现一个主控单元无线控制多台跟踪支架的目的，对光伏跟踪支架组进行角度跟踪控制；提高了整个控制系统的性价比，降低了控制系统成本，也大大降低了安装调试成本，简化控制系统外接线路，便于后期维护升级，有利于减少安装工序提高安装进度，便于工人现场施工，降低安装难度。
附图说明
图1是本发明的控制系统结构示意图；
图2是本发明中控制系统软件流程图。
图中，1.上位机，2.主控单元，2-1.第一单片机，2-2.第一手控模块，2-3.风速传感器，2-4.时钟模块，2-5.第一无线通信模块，2-6.第一人工/自动切换开关，2-7.第一显示模块，3.光伏跟踪支架驱动子单元，3-1.第二单片机，3-2.第二人工/自动切换开关，3-3.第二手控模块，3-4.倾角传感器，3-5.限位开关，3-6.电机驱动模块，3-7.第二显示模块，3-8.第二无线通信模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
如图1所示，本发明提供一种基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统，包括上位机1、主控单元2和多个光伏跟踪支架驱动子单元3；本发明基于Zigbee的无线mesh网络技术，实现了一个主控单元和多个光伏跟踪支架驱动子单元之间的数据传达，从而实现一个主控单元2控制多台跟踪支架的目的。
主控单元2包括第一单片机2-1、第一人工/自动切换开关2-6、第一无线通信模块2-5、第一手控模块2-2、风速传感器2-3、时钟模块2-4和第一显示模块2-7；第一人工/自动切换开关2-6的输出端与第一单片机2-1的输入端连接，第一无线通信模块2-5与第一单片机2-1双向连接，第一手控模块2-2的输出端与第一单片机2-1的输入端连接，风速传感器2-3的输出端与第一单片机2-1的输入端连接，时钟模块2-4的输出端与第一单片机2-1的输入端连接，第一显示模块2-7的输入端与第一单片机2-1的输出端连接。
光伏跟踪支架驱动子单元3包括第二单片机3-1、第二人工/自动切换开关3-2、第二无线通信模块3-8、第二手控模块3-3、倾角传感器3-4、电机驱动模块3-6、第二显示模块3-7和限位开关3-5；第二人工/自动切换开关3-2的输出端与第二单片机3-1的输入端连接，第二无线通信模块3-8与第二单片机3-1双向连接，第二手控模块3-3的输出端与第二单片机3-1的输入端连接，倾角传感器3-4的输出端与第二单片机3-1的输入端连接，电机驱动模块3-6的输入端与第二单片机3-1的输出端连接，第二显示模块3-7的输入端与第二单片机3-1的输出端连接，限位开关3-5的输出端与第二单片机3-1的输入端连接。
上位机1与第一单片机2-1双向连接。
第一无线通讯模块2-5向所有的第二无线通讯模块3-8采用广播方式同时传送指令，第一无线通信模块2-5与所有的第二无线通信模块3-8之间通过基于Zigbee的无线mesh网络技术进行通讯的，这样实现了一个主控单元2和多个光伏跟踪支架驱动子单元3之间的无线通讯。另外，第一单片机2-1的型号为c8051F，第二单片机3-1的型号为c8051F。
如图2所示，利用上述基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统控制多台跟踪支架的方法，包括以下操作步骤：
系统上电后，第一单片机2-1通过采集第一人工/自动切换开关2-6的点位值，判断主控单元2的工作模式；如果主控单元2在自动工作模式下，第一单片机2-1接收上位机1控制指令，定时从时钟模块2-4读取当前时间，定时从风速传感器2-3读取当前风速值，定时向上位机1发送各跟踪支架的倾角；如果主控单元2在人工工作模式下，第一单片机2-1通过第一手控模块2-2手动设置系统工作时钟，来实现对主控单元2的调试安装。
第一单片机2-1通过风速传感器2-3定时采集风速后，将判断当前风速值是否小于等于设定值；当风速值小于等于设定值时，第一单片机2-1通过第一无线通讯模块2-5采用广播方式向所有光伏跟踪支架驱动子单元3发出当前时间信息；当风速值大于设定值时，第一单片机2-1通过第一无线通讯模块2-5采用广播方式向所有光伏跟踪支架驱动子单元3发出跟踪支架放平指令。
第二单片机3-1通过采集第二人工/自动切换开关3-2的点位值，判断光伏跟踪支架驱动子单元3的工作模式；光伏跟踪支架驱动子单元3在自动工作模式下，如果第二单片机3-1通过第二无线通讯模块3-8接收到的信息是当前时间值，通过分析计算，获得跟踪支架的理论倾角值；另外，第二单片机3-1通过倾角传感器3-4还将采集跟踪支架的当前实际倾角值，计算跟踪支架的理论倾角值和实际倾角值之间的相减差值Ф；根据Ф值的正负，确定电机的转动方向，如果Ф值是正的，电机顺时针转动，如果Ф值是负的，电机逆时针转动；再根据Ф值与电机转速的比值确定电机转动的时间；当电机的转动方向和转动时间确定后，最后通过电机驱动模块3-6驱动电机转动，电机再通过蜗轮蜗杆减速器带动跟踪支架转动一定角度，执行跟踪支架跟踪太阳的功能；如果第二单片机3-1通过第二无线通讯模块3-8接收到的是跟踪支架放平指令，第二单片机3-1通过电机驱动模块3-6控制电机转动，电机再通过蜗轮蜗杆减速器带动跟踪支架转动，将跟踪支架放平；光伏跟踪支架驱动子单元3在自动工作模式下，所有光伏跟踪支架驱动子单元3将通过倾角传感器3-4定时采集各跟踪支架的实际倾角值，通过第一无线通信模块2-5与第二无线通信模块3-8之间的无线通讯，依次向主控单元2上传各自跟踪支架的当前实际倾角值，并由主控单元2上传给上位机1，将各自跟踪支架的当前实际倾角值上传给上位机1的作用是便于远程监控。光伏跟踪支架驱动子单元3在人工工作模式下，光伏跟踪支架驱动子单元3不接收主控单元2下发的信息，通过第二手控模块3-3手动驱动电机转动，电机再通过蜗轮蜗杆减速器带动跟踪支架的正反转，来实现对各个光伏跟踪支架驱动子单元3的调试安装。
上述操作步骤中，主控单元2能够通过第一手控模块2-2手动设置系统工作时钟，简化了主控单元2的调试安装；主控单元2中的第一显示模块2-7可实时显示当前风速信息、当前第一单片机2-1的工作温度和当前时钟信息，便于对主控单元2的调试安装。光伏跟踪支架驱动子单元3能够通过第二手控模块3-3来人工控制跟踪支架的正反转，简化了对各个光伏跟踪支架驱动子单元3的调试安装；第二显示模块3-7可实时显示当前各个跟踪支架的实际倾角值，便于各个光伏跟踪支架驱动子单元3的调试安装。
上述跟踪支架的理论倾角值是综合考虑工作场地的经纬度、实时时间、跟踪支架的结构尺寸、跟踪支架的安装尺寸以及跟踪支架的跟踪要求等因素的基础上获得的。
另外，在光伏跟踪支架驱动子单元3中设置限位开关3-5的作用是，防止跟踪支架在转动时超出极限范围，对跟踪支架起到保护作用。
Claims (10)
1.基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统，其特征在于：包括上位机(1)、主控单元(2)和多个光伏跟踪支架驱动子单元(3)；
所述主控单元(2)包括第一单片机(2-1)、第一人工/自动切换开关(2-6)、第一无线通信模块(2-5)、第一手控模块(2-2)、风速传感器(2-3)和时钟模块(2-4)；所述第一人工/自动切换开关(2-6)的输出端与第一单片机(2-1)的输入端连接，第一无线通信模块(2-5)与第一单片机(2-1)双向连接，第一手控模块(2-2)的输出端与第一单片机(2-1)的输入端连接，风速传感器(2-3)的输出端与第一单片机(2-1)的输入端连接，时钟模块(2-4)的输出端与第一单片机(2-1)的输入端连接；
所述光伏跟踪支架驱动子单元(3)包括第二单片机(3-1)、第二人工/自动切换开关(3-2)、第二无线通信模块(3-8)、第二手控模块(3-3)、倾角传感器(3-4)和电机驱动模块(3-6)；所述第二人工/自动切换开关(3-2)的输出端与第二单片机(3-1)的输入端连接，第二无线通信模块(3-8)与第二单片机(3-1)双向连接，第二手控模块(3-3)的输出端与第二单片机(3-1)的输入端连接，倾角传感器(3-4)的输出端与第二单片机(3-1)的输入端连接，电机驱动模块(3-6)的输入端与第二单片机(3-1)的输出端连接；
上位机(1)与第一单片机(2-1)双向连接，第一无线通信模块(2-5)与第二无线通信模块(3-8)通过无线通讯连接。
2.根据权利要求1所述基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统，其特征在于：所述主控单元(2)还包括第一显示模块(2-7)，第一显示模块(2-7)的输入端与第一单片机(2-1)的输出端连接。
3.根据权利要求1所述基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统，其特征在于：所述光伏跟踪支架驱动子单元(3)还包括第二显示模块(3-7)，第二显示模块(3-7)的输入端与第二单片机(3-1)的输出端连接。
4.根据权利要求1所述基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统，其特征在于：所述光伏跟踪支架驱动子单元(3)还包括限位开关(3-5)，限位开关(3-5)的输出端与第二单片机(3-1)的输入端连接。
5.根据权利要求1所述基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统，其特征在于：所述第一无线通信模块(2-5)与所有的第二无线通信模块(3-8)之间通过基于Zigbee的无线mesh网络技术进行通讯的。
6.根据权利要求1所述基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统，其特征在于：所述第一单片机(2-1)的型号为c8051F，第二单片机(3-1)的型号为c8051F。
7.利用权利要求1所述基于无线通讯的光伏跟踪支架组控制系统控制多台跟踪支架的方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
系统上电后，第一单片机(2-1)通过采集第一人工/自动切换开关(2-6)的点位值，判断主控单元(2)的工作模式；如果主控单元(2)在自动工作模式下，第一单片机(2-1)接收上位机(1)控制指令，定时从时钟模块(2-4)读取当前时间，定时从风速传感器(2-3)读取当前风速值，定时向上位机(1)发送各跟踪支架的倾角；
第一单片机(2-1)通过风速传感器(2-3)定时采集风速后，将判断当前风速值是否小于等于设定值；当风速值小于等于设定值时，第一单片机(2-1)通过第一无线通讯模块(2-5)采用广播方式向所有光伏跟踪支架驱动子单元(3)发出当前时间信息；当风速值大于设定值时，第一单片机(2-1)通过第一无线通讯模块(2-5)采用广播方式向所有光伏跟踪支架驱动子单元(3)发出跟踪支架放平指令；
第二单片机(3-1)通过采集第二人工/自动切换开关(3-2)的点位值，判断光伏跟踪支架驱动子单元(3)的工作模式；光伏跟踪支架驱动子单元(3)在自动工作模式下，如果第二单片机(3-1)通过第二无线通讯模块(3-8)接收到的信息是当前时间值，通过分析计算，获得跟踪支架的理论倾角值；另外，第二单片机(3-1)通过倾角传感器(3-4)还将采集跟踪支架的当前实际倾角值，计算跟踪支架的理论倾角值和实际倾角值之间的相减差值Ф；根据Ф值的正负，确定电机的转动方向，如果Ф值是正的，电机顺时针转动，如果Ф值是负的，电机逆时针转动；再根据Ф值与电机转速的比值确定电机转动的时间；当电机的转动方向和转动时间确定后，最后通过电机驱动模块(3-6)驱动电机转动，电机再通过蜗轮蜗杆减速器带动支架转动一定角度，执行支架跟踪太阳的功能；如果第二单片机(3-1)通过第二无线通讯模块(3-8)接收到的是跟踪支架放平指令，第二单片机(3-1)通过电机驱动模块(3-6)控制电机转动，电机再通过蜗轮蜗杆减速器带动跟踪支架转动，将跟踪支架放平。
8.根据权利要求7所述光伏跟踪支架组控制系统控制多台跟踪支架的方法，其特征在于：如果主控单元(2)在人工工作模式下，第一单片机(2-1)通过第一手控模块(2-2)手动设置系统工作时钟，来实现对主控单元(2)的调试安装。
9.根据权利要求7所述光伏跟踪支架组控制系统控制多台跟踪支架的方法，其特征在于：如果光伏跟踪支架驱动子单元(3)在自动工作模式下，所有光伏跟踪支架驱动子单元(3)将通过倾角传感器(3-4)定时采集各跟踪支架的实际倾角值，通过第一无线通信模块(2-5)与第二无线通信模块(3-8)之间的无线通讯，依次向主控单元(2)上传各自跟踪支架的当前实际倾角值，并由主控单元(2)上传给上位机(1)。
10.根据权利要求7所述光伏跟踪支架组控制系统控制多台跟踪支架的方法，其特征在于：如果光伏跟踪支架驱动子单元(3)在人工工作模式下，光伏跟踪支架驱动子单元(3)不接收主控单元(2)下发的信息，通过第二手控模块(3-3)手动驱动电机转动，电机再通过蜗轮蜗杆减速器带动跟踪支架的正反转，来实现对各个光伏跟踪支架驱动子单元(3)的调试安装。
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