一种可自动对光的太阳能供电户外物联网气象站的制作方法

本发明涉及一种户外物联网气象站，具体涉及的是一种可自动对光的太阳能供电户外物联网气象站。

背景技术：

户外物联网气象站是近年来广泛应用于大田种植、山林地质灾害防护与野外气象信息采集的物联网数据采集系统。它通过大气压力传感器、大气温度传感器、大气湿度传感器、雨量传感器、光照传感器、风速传感器、风向传感器测量常规气象信息，通过土壤温湿度传感器测量土壤温湿度信息，通过数据采集器将传感器测得的模拟/数字信号转换为2g/3g/4g或nb-iot/lora等无线通讯信号，利用移动运营商基站或物联网中继节点上传至云服务器，后台远程服务器从云服务器下载得到所需数据后，根据对应的通信协议解析数据，获得实时气象墒情信息。由于户外物联网墒情气象站通常安装于不宜专门埋(架)设供电线缆的区域，所以目前户外物联网墒情气象站普遍采用太阳能供电，即通过光伏板经由专门的充放电电路，在存在足够光强照射的条件下，一边维持气象站工作，一边给电池充电，而当夜晚或光强不足时，则由电池维持气象站工作。

但是受地球绕太阳公转和地球自转的影响，每天、不同时刻，太阳在天空中所处的角度与方位均不同，因此，大多数按固定角度、方向安装的光伏板，每天能够处于接近太阳光垂直照射并有效利用太阳光照的时长其实较短，一般只有正午前后两三个小时，这就很难保证设备的电池能够充满电，尤其在冬季和雨季，户外气象站经常会因光伏板工作时间太短而发生断电、电池亏电现象，严重影响设备正常使用，例如：

cn209707711u公开了一种带光伏发电、有线或无线数据传输功能的户外气象站，集成度较高。但这种结构太阳能板只能固定在一个方向和角度，太阳能的利用率较低。

cn110058327a公开了一种采用液压装置控制内部电池升降的户外气象站，可防止气象站安装在地势低洼处或顶盖漏水时，内部电池渗水；同时这种气象站采用多块光伏板供电，来确保设备的长时间运行。但这种气象站需要用到的光伏板较多，较为笨重，每块光伏板的利用率也比较低。

此外，cn105954815b、cn206362955u等公开的气象站，也存在类似的问题。

这正是因为上述气象站的光伏板安装好之后，光伏板的位置、角度即保持固定，不能随时处于正对阳光的位置，也就不能保证太阳能的利用率最高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可自动对光的太阳能供电户外物联网气象站，可自动判断光照最强方向与光照最强角度，并自动将光伏板对向光照最强方向与角度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可自动对光的太阳能供电户外物联网气象站，包括安装在地面上的设备杆，所述设备杆上设有上平台、中平台和下平台，所述上平台上部从上到下依次设有安装在设备杆顶部的光照传感器球形阵列、百叶箱、风速传感器和风向传感器，所述光照传感器球形阵列为若干均匀分布的第一光照传感器，所述光照传感器球形阵列和所述百叶箱固定连接，所述风速传感器和所述风向传感器通过法兰固定在所述设备杆上，所述上平台的一侧安装有雨量筒，另一侧朝下安装有旋转控制步进电机，所述旋转控制步进电机控制旋转控制主动齿轮和旋转控制从动齿轮；

所述上平台和所述中平台之间设有外转轴，所述外转轴通过上轴承和下轴承焊接在所述设备杆上，所述中平台通过螺栓固定俯仰控制箱，所述俯仰控制箱内安装有俯仰控制步进电机、俯仰控制主动齿轮和俯仰控制从动齿轮，所述俯仰控制步进电机通过螺栓安装于电机座上，所述电机座通过焊接或螺栓固定在所述中平台连接，所述俯仰控制箱通过铰链与俯仰控制铰链连接，所述俯仰控制铰链的另一端安装有一体化设备箱，所述一体化设备箱内设有物联网数据采集与控制器，所述一体化设备箱的外壁设有光伏板，所述光伏板通过连接杆连接光照传感器环形阵列，所述光照传感器环形阵列的外环侧边设有半圈均匀分布的第二光照传感器；

所述下平台固定电池，所述电池的外壳套有电池防水盒。

作为优化的，所述所述上平台上部从上到下依次设有安装在设备杆顶部的光照传感器球形阵列、百叶箱、风向传感器和风速传感器。

作为优化的，所述百叶箱内安装有温湿度传感器。

作为优化的，所述上平台上安装二氧化碳传感器、大气污染物传感器。

作为优化的，所述下平台上安装有土壤温湿度传感器、土壤氮含量传感器。

作为优化的，所述光照传感器球形阵列通过螺栓固定在所述设备杆上。

作为优化的，所述上平台通过抱箍或焊接在所述设备杆上。

作为优化的，所述上轴承为滚珠轴承,所述下轴承为止推轴承。

作为优化的，所述第一光照传感器和所述第一光照传感器为光敏电阻

作为优化的，所述光伏板通过螺栓或胶水固定在所述一体化设备箱上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本装置通过光照传感器球形阵列，实现了光伏板自动调位，自动对光，从而更有效地利用光能，缩短电池充电时长，延长设备的工作时间；

本装置整体结构简单紧凑，易于安装使用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本装置的整体结构图；

图2为第一光照传感器球形阵列的结构图；

图3为光照方向的判断图；

图4为第二光照传感器球形阵列的结构图；

图5为光照角度判断图；

图6为光伏板角度控制结构图。

图中标号说明：1、第一光照传感器球形阵列，2、百叶箱，3、风速传感器，4、风向传感器，5、雨量筒，6、上平台，7、旋转控制步进电机，8、旋转控制主动齿轮，9、旋转控制从动齿轮，10、上轴承，11、外转轴，12、下轴承，13、俯仰控制箱，14、中平台，15、俯仰控制铰链，16、光伏板，17、第二光照传感器阵列，18、物联网数据采集与控制器，19、一体化设备箱，20、电池防水盒；21、电池；22、下平台；23、连接杆；24、设备杆；25、第一光照传感器；26、第二光照传感器；27、俯仰控制步进电机；28、俯仰控制主动齿轮；29、俯仰控制从动齿轮；30、电机座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-6所示，一种可自动对光的太阳能供电户外物联网气象站，包括安装在地面上的设备杆24，所述设备杆24上设有上平台6、中平台14和下平台22；

所述上平台6上部从上到下依次设有通过螺栓固定在设备杆24顶部的第一光照传感器球形阵列1、百叶箱2、用来测风速的风速传感器3和用来测风向的风向传感器4，所述风速传感器3和所述风向传感器4可以互换位置，所述第一光照传感器球形阵列1测量当地光强，所述百叶箱2内安装有用来测量当地空气温湿度温湿度传感器，所述光照传感器球形阵列1和所述百叶箱2固定连接，所述百叶箱2的底部设有螺纹孔，与所述风速传感器3和所述风向传感器4上部的法兰固定连接；

上平台6通过抱箍或焊接在所述设备杆24上，所述上平台6的一侧安装有用来测量雨量的雨量筒5，所述雨量筒5向外延伸一定的距离，使得上部的设备不影响雨量的收集，所述设备杆24的另一侧朝下安装有旋转控制步进电机7，所述旋转控制步进电机7控制旋转控制主动齿轮8和旋转控制从动齿轮9，所述上平台6还可以安装二氧化碳传感器、大气污染物传感器等。

如图2、图3所示，在半球形的所述第一光照传感器球形阵列1的表面，沿不同的经线、纬线，均匀有序地分布若干第一光照传感器25，在所述第一光照传感器球形阵列1的中心有一个光照传感器，其周围绕8颗光照传感器，靠更外围的位置也围绕8颗，即内圈8颗，外圈8颗，或者可以根据实际情况设置光照传感器的颗数，但至少一圈，所述第一光照传感器25为光敏电阻。

当太阳处于所述第一光照传感器球形阵列1的正上方时，所述第一光照传感器25的电阻都变小，此时所述旋转控制步进电机7不工作，当太阳处于如图3所示的东北方向时，阳光只能照射所述光照传感器25的半个球面，使得所述光照传感器25的电阻变小，而背光侧的光照传感器25则不能接受到阳光直射，而只能接收到来自其他方向的散射光，因此电阻变小的幅值远不如受到直接光照的一侧。如图3所示，黑色实心圈表示受到光照直射的光照传感器25，白色空心圈表示未受到光照直射，因此只需取若干圈电阻显著变小的光照传感器25的中心的连接方向，即可判断光照的方向。

所述上平台6和所述中平台14之间设有外转轴11，所述外转轴11通过上轴承10和下轴承12焊接在所述设备杆24上，所述所述上轴承10为滚珠轴承,所述下轴承12为止推轴承，所述中平台14通过螺栓固定俯仰控制箱13，所述俯仰控制箱13内安装有俯仰控制步进电机27、俯仰控制主动齿轮28和俯仰控制从动齿轮29，所述俯仰控制步进电机27通过螺栓安装于电机座30上，所述电机座30通过焊接或螺栓固定在所述中平台14连接，所述俯仰控制箱13通过铰链与俯仰控制铰链15连接，所述俯仰控制铰链15的另一端安装有一体化设备箱19，所述一体化设备箱19内设有物联网数据采集与控制器18，所述一体化设备箱19的外壁设有光伏板16，所述光伏板16通过螺栓或胶水固定在所述一体化设备箱19上，所述光伏板16通过连接杆23连接第二光照传感器环形阵列17，所述第二光照传感器环形阵列17的外环侧边设有半圈均匀分布的第二光照传感器26。

由于所述光照传感器球形阵列1得到的光照方向由光敏电阻转换而来，本身是电信号，因此通过所述物联网数据采集与控制器处理，并给所述旋转控制步进电机7发出信号，所述旋转控制步进电机7转动对应的圈数，所述旋转控制步进电机7带动所述旋转控制主动齿轮8旋转，所述旋转控制主动齿轮8驱动旋转控制从动齿轮9旋转，带动外转轴11旋转，从而调节光伏板16朝向太阳的方向。

为了更精确的正对太阳，还需对光伏板16的俯仰角度进行调节。

首先需测得太阳的光照角度，光照角度测量通过17光照传感器环形阵列和18物联网数据采集与控制器实现。

当光伏板调节至太阳所在方向时，需将光伏板16的法线方向调至与太阳光线入射方向一致，这样即可认为是太阳直射光伏板16。如图3所示，当太阳处于某一角度时，通过一根刚性的连接杆23将光照传感器环形阵列17与光伏板16采用螺栓或焊接形式连接，并使光照传感器环形阵列17与光伏板16正交。这样光照传感器环形阵列17即与太阳光照方向平行。

光照传感器环形阵列17的外环侧边，安装有半圈均匀分布的光照传感器26，光照传感器26构成的半圆直径与光伏板16平行，光照传感器26与光照传感器25采用类似的光敏电阻制成。

当光伏板16角度未正对太阳时，则总会有若干直接被太阳光照射的光照传感器26阻值较小，而若干光照传感器26因为未直接受到光照，阻值明显较大，根据未直接受到光照的光照传感器26数量，即可推算得到光伏板16与光线直射方向所成夹角α。显然的，光照传感器26数量越多、分布越密集，则测量角度的精度越高。实际应用中，可根据成本和精度的要求，安排光照传感器26的数量。

一旦得到夹角α，即可由光照传感器26给出相应的电信号至18物联网数据采集与控制器，18物联网数据采集与控制器将向俯仰控制箱13给出一个控制光伏板俯仰角的指令。

俯仰控制箱13内部如图4所示。在俯仰控制箱13内部，安装有俯仰控制步进电机27、俯仰控制主动齿轮28、俯仰控制从动齿轮29。其中俯仰控制步进电机27通过螺栓安装于电机座30上，电机座30通过焊接或螺栓，与中平台14连接。当18物联网数据采集与控制器向俯仰控制箱13发出光伏板16的俯仰角调节指令，俯仰控制步进电机27将转动特定的圈数，俯仰控制步进电机27带动俯仰控制主动齿轮28转动，俯仰控制主动齿轮28再带动俯仰控制从动齿轮29转动，俯仰控制齿轮29通过键与铰链15连接，带动铰链另一端一体化设备箱19做俯仰运动，最终将安装于一体化设备箱19上的光伏板16调节至正对太阳光照射的角度。

所述下平台22固定电池21，所述电池21的外壳套有电池防水盒20，所述下平台22上安装有土壤温湿度传感器、土壤氮含量传感器，所述第一光照传感器25和所述第一光照传感器26为光敏电阻。本装置由电池21供电，驱动所述物联网数据采集与控制18工作，所述物联网数据采集与控制器18采用rs485通讯协议，经由线缆与光照传感器球形阵1、百叶箱2中的空气温湿度传感器、风速传感器3、风向传感器4、雨量筒5连接，并为上平台上部的部件提供电力，驱动传感器工作，传感器测量所得的数据，通过rs485通讯协议传入物联网数据采集与控制器18，再由物联网数据采集与控制器18处理，转换为2g/3g/4g或nb-iot等信号，远距离输出至服务器储存或传输至用户端供用户查看。

物联网数据采集与控制器18为双电源，既可通过光伏板16供电，也可通过电池21供电，同时还可根据电池21电量，采用mptt最大光功率追踪算法，控制光伏板16给电池21充电。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。