Η παρούσα πτυχιακή εργασία επικεντρώνεται στον σχεδιασμό, την κατασκευή και την υλοποίηση ενός
καινοτόμου συστήματος παρακολούθησης και ελέγχου ενός φωτοβολταϊκού πάνελ με σκοπό την
επίτευξη μέγιστης αποδοτικότητας. Η καινοτομία του συστήματος βασίζεται στη δυναμική
προσαρμογή του πάνελ στην κατεύθυνση του ήλιου, αυξάνοντας έτσι την απόδοση παραγωγής
ενέργειας κατά τη διάρκεια της ημέρας. Επιπλέον, το σύστημα χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο P&O
(Perturb and Observe) για τον εντοπισμό του Σημείου Μέγιστης Ισχύος (Maximum Power Point
Tracking - MPPT), βελτιστοποιώντας την απόδοση του φωτοβολταϊκού πάνελ υπό διάφορες
περιβαλλοντικές συνθήκες.
Το προτεινόμενο σύστημα αξιοποιεί σύγχρονες τεχνολογίες, συνδυάζοντας τεχνολογίες Internet of
Things (IoT), μικροελεγκτές, πλατφόρμες δικτύωσης και πρωτόκολλα επικοινωνίας όπως το MQTT
(Message Queuing Telemetry Transport), το ESP-NOW, το LoRa (Long Range Wide Area Network),
το IEEE 802.11 (Wi-Fi) και τα κινητά δίκτυα με χρήση SIM (GSM, GPRS, LTE), ώστε να
δημιουργηθεί ένα ολοκληρωμένο και αποδοτικό σύστημα διαχείρισης ενέργειας και παρακολούθησης
σε πραγματικό χρόνο.
Η αρχιτεκτονική του συστήματος βασίζεται σε δύο μονάδες ESP32, οι οποίες λειτουργούν ως κεντρικά
και δευτερεύοντα στοιχεία. Η βασική μονάδα ESP32 είναι εξοπλισμένη με κάρτα SIM και λειτουργεί
ως κέντρο επικοινωνίας. Λαμβάνει δεδομένα από τη δεύτερη μονάδα ESP32, στην οποία είναι
συνδεδεμένοι διάφοροι αισθητήρες, όπως αισθητήρες θερμοκρασίας, υγρασίας, καπνού, φλόγας,
αερίων, καθώς και ένα γυροσκόπιο. Επιπλέον, το σύστημα περιλαμβάνει μια μονάδα ESP32-CAM, η
οποία είναι συνδεδεμένη μέσω συσκευής που δημιουργεί hotspot με τη χρήση κάρτας SIM. Η ESP32-
CAM επιτρέπει την οπτική παρακολούθηση του συστήματος μέσω λήψης και αποστολής εικόνων ή
βίντεο σε πραγματικό χρόνο όταν εντοπίζεται κίνηση. Αυτοί οι αισθητήρες παρέχουν σημαντικές
πληροφορίες για την παρακολούθηση των περιβαλλοντικών συνθηκών, τη λειτουργία του
φωτοβολταϊκού πάνελ και την πρόληψη κινδύνων, όπως η παρουσία καπνού ή επικίνδυνων αερίων.
Η επικοινωνία μεταξύ των δύο μονάδων ESP32 πραγματοποιείται είτε μέσω του πρωτοκόλλου LoRa,
που επιτρέπει την αποστολή δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας,
είτε μέσω του πρωτοκόλλου ESP-NOW, το οποίο παρέχει αξιόπιστη και γρήγορη ανταλλαγή
δεδομένων μεταξύ των συσκευών. Το κεντρικό ESP32, το οποίο διαθέτει δυνατότητα σύνδεσης στο
διαδίκτυο μέσω Wi-Fi ή κινητού δικτύου (GSM, GPRS, LTE), αποστέλλει τα δεδομένα που
συλλέγονται σε έναν απομακρυσμένο διακομιστή και μια βάση δεδομένων MariaDB, τοπικά σε έναν
apachee server.Επιπλέον, γίνεται χρήση του Raspberry Pi, ως ισχυρή και αποδοτική πλατφόρμα,
επιτρέπει την ασφαλή αποθήκευση, επεξεργασία και ανάλυση των δεδομένων που λαμβάνονται από
το σύστημα, ώστε να οπτικοποιούνται μέσω του Home Assistant. Επιπλέον, η διασύνδεση με
πλατφόρμες IoT, όπως και το ThingSpeak παρέχει επιπλέον δυνατότητες απομακρυσμένης
παρακολούθησης και ανάλυσης των δεδομένων σε πραγματικό χρόνο.
Η απομακρυσμένη διαχείριση των δεδομένων και η αλληλεπίδραση με το σύστημα πραγματοποιούνται
μέσω μιας διαδικτυακής εφαρμογής που αναπτύχθηκε με χρήση της γλώσσας προγραμματισμού React
για το frontend και PHP (με το framework Laravel) για το backend. Η ιστοσελίδα, που φιλοξενείται
επίσης στο Raspberry Pi, επιτρέπει στους χρήστες να παρακολουθούν σε πραγματικό χρόνο την
κατάσταση του φωτοβολταϊκού πάνελ, να βλέπουν δεδομένα από τους αισθητήρες, να λαμβάνουν
ειδοποιήσεις και να παρακολουθούν τις εικόνες που αποστέλλονται από την ESP32-CAM. Η
δυνατότητα παρακολούθησης και ελέγχου του συστήματος σε πραγματικό χρόνο συμβάλλει στην
αποτελεσματική διαχείριση και τη λήψη αποφάσεων.
Επιπλέον, το σύστημα είναι εξοπλισμένο με έναν μηχανισμό διαχείρισης ενέργειας μέσω Smart Solar
Power Manager, ο οποίος θα μετράει και θα στέλνει δεδομένα για την ενέργεια που παράγεται και
αποθηκεύεται και παράλληλα θα φορτίζει μια μπαταρία από το φωτοβολταϊκό πάνελ και διασφαλίζει
την αδιάλειπτη λειτουργία του συστήματος ακόμη και σε περιοχές όπου η ηλιοφάνεια είναι
περιορισμένη ή υπάρχουν αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις. Το φωτοβολταϊκό πάνελ παράγει ρεύμα
με τάση 12V, το οποίο χρησιμοποιείται για τη φόρτιση της μπαταρίας. Η αποθηκευμένη ενέργεια στη
μπαταρία διασφαλίζει την ομαλή λειτουργία του συστήματος, εξασφαλίζοντας πλήρη αυτονομία και
ανεξαρτησία από εξωτερικές πηγές ενέργειας.
Συμπερασματικά, το προτεινόμενο σύστημα χρησιμοποιεί τεχνολογίες αιχμής και συνδυάζει την
παρακολούθηση ηλιακής ενέργειας, την εφαρμογή του αλγορίθμου P&O για βέλτιστη απόδοση, την
απομακρυσμένη παρακολούθηση και διαχείριση δεδομένων, καθώς και την ασφάλεια. Αυτό επιτρέπει
την αποτελεσματική και αποδοτική χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η χρήση των
τεχνολογιών IoT, ESP-NOW, LoRa, Wi-Fi και των πρωτοκόλλων επικοινωνίας κινητών δικτύων
(GSM, GPRS, LTE), σε συνδυασμό με το Raspberry Pi και τη βάση δεδομένων MariaDB, διασφαλίζει
την αξιόπιστη αποστολή και αποθήκευση των δεδομένων. Το σύστημα παρέχει μια ολοκληρωμένη
λύση για τη μείωση του ενεργειακού κόστους και την προώθηση της βιώσιμης ανάπτυξης,
προσφέροντας ένα σημαντικό βήμα προς την αξιοποίηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας με τρόπο που
είναι οικονομικά αποδοτικός και περιβαλλοντικά βιώσιμος.

This thesis focuses on the design, construction, and implementation of an innovative solar
panel tracking and control system aiming to achieve maximum efficiency. The innovation
of the system is based on the dynamic adjustment of the panel towards the direction of the
sun, thus increasing energy production efficiency throughout the day. Additionally, the
system uses the Perturb and Observe (P&O) algorithm to detect the Maximum Power Point
(Maximum Power Point Tracking - MPPT), optimizing the performance of the solar panel
under various environmental conditions.
The proposed system utilizes modern technologies, combining Internet of Things (IoT)
technologies, microcontrollers, networking platforms, and communication protocols such
as MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), ESP-NOW, LoRa (Long Range Wide
Area Network), IEEE 802.11 (Wi-Fi), and mobile networks with SIM (GSM, GPRS, LTE),
to create an integrated and efficient energy management and real-time monitoring system.
The system architecture is based on two ESP32 units, which function as central and
secondary components. The main ESP32 unit is equipped with a SIM card and serves as the
communication hub, receiving data from the secondary ESP32 unit, to which various
sensors are connected, such as temperature, humidity, smoke, flame, and gas sensors, as
well as a gyroscope. In addition, the system includes an ESP32-CAM unit connected via a
SIM card hotspot device. The ESP32-CAM enables visual monitoring of the system by
capturing and transmitting images or videos in real time when motion is detected. These
sensors provide important information for monitoring environmental conditions, the
operation of the solar panel, and risk prevention, such as the presence of smoke or dangerous
gases.
Communication between the two ESP32 units is conducted either via the LoRa protocol,
which allows data transmission over long distances with low energy consumption, or via the
ESP-NOW protocol, which provides reliable and fast data exchange between devices. The
central ESP32, which has internet connectivity via Wi-Fi or mobile network (GSM, GPRS,
LTE), sends the collected data to a remote server and a MariaDB database hosted on a
Raspberry Pi 4. The Raspberry Pi, as a powerful and efficient platform, enables secure
storage, processing, and analysis of data received from the system. Furthermore, integration
Λάμπρου Παναγιώτης
Σχεδίαση και υλοποίηση διάταξης
φωτοβολταϊκών πάνελ με δυνατότητα
παρακολούθησης του ήλιου
Πτυχιακή Εργασία ix
with IoT platforms such as ThingSpeak and Home Assistant provides additional capabilities
for remote monitoring and data analysis in real time.
The remote data management and interaction with the system are performed through a web
application developed using the React programming language for the frontend and PHP
(with the Laravel framework) for the backend. The website, also hosted on the Raspberry
Pi, allows users to monitor in real-time the status of the solar panel, view sensor data, receive
alerts, and view images sent from the ESP32-CAM. The ability to monitor and control the
system in real time contributes to efficient management and decision-making.
Additionally, the system is equipped with an energy management mechanism through a
Solar Power Manager, which charges a battery from the solar panel and ensures the
uninterrupted operation of the system, even in areas where sunlight is limited or energy
demands are high. The solar panel produces 12V current, which is used to charge the battery.
The stored energy in the battery ensures the smooth operation of the system, providing full
autonomy and independence from external energy sources.
In conclusion, the proposed system utilizes state-of-the-art technologies and combines solar
energy monitoring, the application of the P&O algorithm for optimal performance, remote
data monitoring and management, and security. This enables efficient and effective use of
renewable energy sources. The use of IoT technologies, ESP-NOW, LoRa, Wi-Fi, and
mobile communication protocols (GSM, GPRS, LTE), in conjunction with Raspberry Pi
and the MariaDB database, ensures reliable data transmission and storage. The system
provides a comprehensive solution for reducing energy costs and promoting sustainable
development, offering a significant step towards the utilization of renewable energy sources
in an economically efficient and environmentally sustainable way.