风速即能源：用Johnny-Five打造智能风力发电机控制系统
项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/jo/johnny-five 你是否还在为传统风力发电机效率低下而烦恼？是否想过用JavaScript就能轻松控制可再生能源设备？本文将带你探索如何利用Johnny-Five框架，通过HC-SR04超声波传感器实现风速检测，并联动控制电机与舵机，构建一个智能风力发电调节系统。读完本文，你将掌握硬件与软件的无缝集成方法，实现风速数据采集、实时监控和设备自动调节的完整解决方案。
系统架构概述
风力发电机智能控制系统主要由三大模块组成：风速检测模块、核心控制模块和执行模块。风速检测模块采用HC-SR04超声波传感器，通过检测风杯转速间接测量风速；核心控制模块基于Johnny-Five框架，运行在Arduino兼容板上，负责数据处理和决策；执行模块包括电机（控制发电机启停）和舵机（调节叶片角度）。
图1：系统硬件连接示意图，基于HC-SR04传感器与Arduino的连接方式
核心组件及文档参考
- HC-SR04超声波传感器：官方文档
- 直流电机控制：Motor模块文档
- 舵机角度调节：Servo模块文档
- Johnny-Five核心库：lib/johnny-five.js
硬件准备与连接
所需组件清单
| 组件名称 | 数量 | 用途 |
|---|---|---|
| HC-SR04超声波传感器 | 1 | 风速检测（通过风杯旋转频率计算） |
| Arduino Uno | 1 | 主控制器 |
| 直流电机 | 1 | 模拟发电机 |
| 舵机 | 1 | 调节叶片角度 |
| L298N电机驱动模块 | 1 | 电机功率放大 |
| 面包板 | 1 | 电路连接 |
| 杜邦线 | 若干 | 信号与电源连接 |
| 5V电源 | 1 | 为传感器和电机供电 |
电路连接步骤
-
HC-SR04传感器连接：
- VCC → Arduino 5V
- Trig → Arduino D7
- Echo → Arduino D8
- GND → Arduino GND
-
电机与驱动模块连接：
- L298N IN1 → Arduino D5
- 电机电源 → 外部5V电源
- 电机 → L298N OUT1和OUT2
-
舵机连接：
- 信号线 → Arduino D10
- VCC → Arduino 5V
- GND → Arduino GND
图2：直流电机与Arduino连接的面包板示意图
软件实现
环境搭建
首先确保已安装Node.js和npm，然后克隆项目仓库：
git clone https://link.gitcode.com/i/2698bc930c4bbe1f454af5f70a104749
cd johnny-five
npm install
核心代码实现
以下是风速检测与设备控制的完整代码，实现了风速数据采集、阈值判断和电机/舵机联动控制：
const { Board, Proximity, Motor, Servo } = require("johnny-five");
const board = new Board();
// 系统参数配置
const WIND_SPEED_THRESHOLD = 3; // 启动阈值：3m/s
const MAX_SPEED = 15; // 最大安全风速：15m/s
const MOTOR_PIN = 5; // 电机控制引脚
const SERVO_PIN = 10; // 舵机控制引脚
const PROXIMITY_TRIG_PIN = 7; // 传感器Trig引脚
const PROXIMITY_ECHO_PIN = 8; // 传感器Echo引脚
board.on("ready", () => {
console.log("系统初始化完成，开始监测风速...");
// 初始化传感器和执行器
const proximity = new Proximity({
controller: "HCSR04",
pin: { trig: PROXIMITY_TRIG_PIN, echo: PROXIMITY_ECHO_PIN }
});
const motor = new Motor({ pin: MOTOR_PIN });
const servo = new Servo(SERVO_PIN);
// 存储风速数据（单位：m/s）
let windSpeed = 0;
// 计算风速（通过检测风杯旋转周期）
let lastDetectionTime = 0;
proximity.on("data", () => {
const now = Date.now();
// 检测到风杯经过（距离突变）
if (proximity.cm < 10 && now - lastDetectionTime > 100) {
const rotationPeriod = now - lastDetectionTime;
windSpeed = calculateWindSpeed(rotationPeriod);
lastDetectionTime = now;
console.log(`当前风速: ${windSpeed.toFixed(1)} m/s`);
adjustSystem(windSpeed, motor, servo);
}
});
// 注入REPL，便于调试
board.repl.inject({
proximity,
motor,
servo,
windSpeed: () => windSpeed
});
});
// 根据旋转周期计算风速（简化模型）
function calculateWindSpeed(periodMs) {
// 风杯半径0.1m，周期转一圈的时间（ms）
const radius = 0.1; // 米
const circumference = 2 * Math.PI * radius;
const rotationsPerSecond = 1000 / periodMs;
return rotationsPerSecond * circumference;
}
// 根据风速调节系统状态
function adjustSystem(speed, motor, servo) {
// 风速低于阈值，停止发电
if (speed < WIND_SPEED_THRESHOLD) {
motor.stop();
servo.to(0); // 叶片收至最小角度
}
// 风速在正常范围，全速发电
else if (speed < MAX_SPEED * 0.8) {
motor.start(255); // 最大速度
servo.to(90); // 叶片最佳角度
}
// 风速接近上限，调整叶片角度减速
else if (speed < MAX_SPEED) {
const angle = 90 + (MAX_SPEED - speed) * 10;
servo.to(angle); // 增大角度，减小受风面积
motor.start(200); // 降低转速
}
// 风速超过上限，紧急停机
else {
motor.stop();
servo.to(180); // 叶片完全收起
console.log("风速超过安全阈值，已紧急停机！");
}
}
代码解析
- 传感器数据采集：通过监听HC-SR04的距离变化，检测风杯旋转周期，进而计算风速。
- 风速计算模型：基于风杯半径和旋转周期，通过公式
v = 2πr / T计算线速度（风速）。 - 自适应控制逻辑：
- 低风速（<3m/s）：停机，叶片收至最小角度
- 正常风速（3-12m/s）：全速运行，最佳叶片角度
- 高风速（12-15m/s）：减速运行，增大叶片角度
- 超高速（>15m/s）：紧急停机，叶片完全收起
系统调试与优化
传感器校准
HC-SR04传感器可能存在测量误差，需要进行校准。在无风环境下，运行以下代码获取基准值：
// 校准代码片段
proximity.on("change", () => {
console.log("距离变化:", proximity.cm);
});
根据输出调整代码中的proximity.cm < 10阈值，确保准确检测风杯旋转。
电机与舵机调试
使用Johnny-Five的REPL功能进行实时调试：
node eg/servo.js
在REPL中输入以下命令测试舵机：
servo.sweep() // 舵机来回转动
servo.to(90) // 舵机转到90度
电机测试命令：
motor.start(200) // 以200/255速度启动
motor.stop() // 停止电机
图3：舵机与Arduino连接的面包板示意图
实际应用与扩展
数据可视化扩展
可通过添加LCD显示屏实时显示风速和系统状态，参考LCD模块文档。连接1602 LCD后，添加以下代码：
const lcd = new five.LCD({ pins: [12, 11, 5, 4, 3, 2] });
lcd.cursor(0, 0).print(`Wind: ${windSpeed.toFixed(1)}m/s`);
lcd.cursor(1, 0).print(`Status: ${motor.isOn ? 'Running' : 'Stopped'}`);
远程监控功能
通过添加ESP8266 WiFi模块，将数据发送到云端平台。参考Grove WiFi模块文档实现网络连接，使用MQTT协议传输数据。
多传感器融合
为提高测量精度，可添加温度传感器（如DHT11）进行空气密度补偿，参考温湿度传感器文档。
总结与展望
本文展示了如何利用Johnny-Five框架构建一个基于风速检测的智能风力发电机控制系统。通过HC-SR04传感器实现风速测量，结合电机和舵机的协同控制，实现了根据风速自动调节发电状态的功能。该系统不仅适用于风力发电，还可扩展到其他需要环境参数监测与设备联动的场景。
未来可以进一步优化风速算法，引入机器学习模型预测风速变化，提前调整系统状态；同时增加能量存储管理功能，实现可再生能源的高效利用。
项目资源
- 完整代码示例：eg/wind-turbine-control.js
- 硬件连接图：docs/breadboard/wind-turbine.fzz
- API参考文档：README.md
- 社区案例：awesome.md
希望本文能为你在可再生能源智能化控制领域提供启发和实用参考。如有任何问题或改进建议，欢迎参与项目贡献，提交PR至GitHub仓库。
如果你觉得本文有帮助，请点赞、收藏并关注项目更新，下期将带来"太阳能与风能互补系统"的设计与实现！
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
