用于生態(tài)環(huán)境微傳感節(jié)點(diǎn)的光電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 磊, 時(shí)維鐸, 王 軍, 邢玉秀, 李 陽

(南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037)

0 引 言

目前，對(duì)于森林生態(tài)環(huán)境的研究主要通過放置無線傳感節(jié)點(diǎn)向監(jiān)測(cè)中心不斷發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)森林生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。大多采用干電池對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)的供電，但是干電池使用壽命短，需要經(jīng)常更換，對(duì)于已經(jīng)投入到森林里的傳感節(jié)點(diǎn)來說，這些后期的維護(hù)是耗時(shí)耗力的。另外，干電池里的化學(xué)物質(zhì)不容易降解，也會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染。

本文設(shè)計(jì)主要是采用光電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，供傳感節(jié)點(diǎn)使用。采用光伏電池最大功率跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出，進(jìn)一步提高了太陽能的利用率，并設(shè)計(jì)了電源管理模塊，合理地分配電能，提高蓄電池的使用效率，保證傳感節(jié)點(diǎn)夜間無間斷工作。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能的利用率的提高，完成了傳感節(jié)點(diǎn)的無間斷工作，具有較高的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[1～3]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)以MSP430作為控制器，MSP430是一種超低功耗的單片機(jī)，采用+3.3 V供電，特別適合應(yīng)用與電池供電的長時(shí)間工作場(chǎng)合[4～6]。利用單片機(jī)的串口實(shí)現(xiàn)與GPS模塊的通信，測(cè)得當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度，并通過LCD1602進(jìn)行顯示，其總原理框圖如圖1所示。

圖1 總體原理框圖

1.2 光照傳感器模塊設(shè)計(jì)

BH1710FVC 具有優(yōu)良光譜靈敏度,功耗低等特性，適用于這種電池供電的系統(tǒng)。BH1710FVC為16位串行數(shù)字輸出型環(huán)境光傳感器，采用I2C總線接口，可以便捷地與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。器件本身有3種精度模式：高精度、中精度和低精度。其中，高精度分辨率為1 lx，測(cè)量時(shí)間為120 ms; 中精度分辨率為4 lx，測(cè)量時(shí)間為16 ms; 低分辨率為32 lx，測(cè)量時(shí)間為2.9 ms，通過MSP430向BH1710FVC 發(fā)送不同控制指令，即可實(shí)現(xiàn)模式選擇。本文設(shè)計(jì)采用上、下、左、右4只光照強(qiáng)度傳感器，分別測(cè)得4個(gè)方向上的光照強(qiáng)度，并通過虛擬的串口，將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，進(jìn)而控制相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，控制云臺(tái)運(yùn)動(dòng)。另外，由于BH1710FVC的最大量程為65536 lx，為了滿足夏季強(qiáng)太陽光照的要求，本設(shè)計(jì)特別采用遮光板以減少太陽光的透射率，增大量程。

1.3 鋰電池充電模塊

僅讓光伏電池板到達(dá)最佳位置還不夠，光伏電池的輸出電壓和電流會(huì)隨著光照的不同而變化，本設(shè)計(jì)采用最大功率點(diǎn)跟蹤法保證每個(gè)光照時(shí)刻光伏電池組件輸出的功率都為最大值。有光照時(shí)，由光伏電池板對(duì)鋰電池充電，同時(shí)提供節(jié)點(diǎn)工作電流；無光照情況下由鋰電池單獨(dú)提供節(jié)點(diǎn)工作電流。本設(shè)計(jì)采用CN3722進(jìn)行穩(wěn)壓控制，對(duì)鋰電池進(jìn)行充電[7]。

1.4 云臺(tái)控制設(shè)計(jì)

1.4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

步進(jìn)電機(jī)控制精確，但是力矩比較小，不能滿足本次設(shè)計(jì)的需求；直流電機(jī)力矩大，調(diào)速方式簡單，但是投入使用后，在以后的維護(hù)方面比較麻煩；因此，本文設(shè)計(jì)選用220 V交流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，帶動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，尋找最佳功率點(diǎn)。

1.4.2 雙軸跟蹤模塊設(shè)計(jì)

雙軸跟蹤模塊采取基于光照度傳感器的控制方法為主，GPS地理位置信息為輔。GPS模塊可以對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度、高度、UTC時(shí)間等信息進(jìn)行測(cè)量，本設(shè)計(jì)主要使用到緯度、經(jīng)度和時(shí)間信息，以便對(duì)云臺(tái)的校對(duì)進(jìn)行輔助控制，GPS模塊與MSP430連接簡單，通信方便，只用將GPS模塊的RX，TX分別接單片機(jī)的TX，RX管腳，設(shè)置好波特率之后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并自帶可充電后備電池，支持溫啟動(dòng)或熱啟動(dòng)。主控制基于4個(gè)BH1710FVC，上下一組、左右一組，分別進(jìn)行對(duì)比，為了防止云臺(tái)在最大功率點(diǎn)附近不停的調(diào)整，在程序中對(duì)每組數(shù)據(jù)設(shè)置了一定的閾值，當(dāng)它們的光照強(qiáng)度差值達(dá)到閾值之后，單片機(jī)控制繼電器動(dòng)作，帶動(dòng)云臺(tái)朝著光照強(qiáng)度小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到最佳的收光狀態(tài)，使帆板的輸出功率最大[8～11]。雙軸跟蹤模塊的模塊框圖如圖2所示。

圖2 雙軸跟蹤模塊方框圖

1.4.3 逆變電路設(shè)計(jì)

逆變電路由12 V直流輸入、欠壓保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路、220 V/50 kHz整流濾波、過流保護(hù)電路等組成，又包括頻率產(chǎn)生電路(50 kHz和50 Hz PWM電路)、直流變換電路(DC/DC)將12 V直流轉(zhuǎn)換成220 V直流、交流變換電路(DC/AC)將12 V直流變換為220 V交流，這些模塊共同完成了將12 V的直流電轉(zhuǎn)化為220 V的交流電，供伺服電機(jī)使用。

1.5 遮光材料的選擇

由于BH1710FVC的寄存器為16位，最大量程為65 536 lx。在春秋季節(jié)，太陽光的強(qiáng)度比較弱，基本上可以滿足要求，在炎炎的夏季，一般情況下光照強(qiáng)度為100 000 lx,甚至更高，這樣就不能滿足測(cè)量的需要，更不能完成對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。為了解決量程不夠的問題，本設(shè)計(jì)特別采用塑料遮光板，僅讓部分的太陽光照射在BH1710FVC的受光面上[12,13]。通過對(duì)不同顏色的遮光板進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，得到不同塑料板的的透光率與最佳閾值如表1所示。

綜合表1可以看出:綠色和青色遮光板的透光率太低，最佳閾值比較小，在不同的條件下，可能要不斷地進(jìn)行調(diào)節(jié)，會(huì)造成電機(jī)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣會(huì)造成電能的浪費(fèi)；白色和黃色的透光率偏大，最佳閾值比較大，較大的閾值會(huì)造成控制精度的喪失，不能讓太陽能帆板追蹤到最大功率點(diǎn)。紅色的遮光板無論在透光率還是最佳閾值，都比較合適，既不會(huì)造成電能的浪費(fèi)，又不會(huì)喪失控制精度，所以，本文設(shè)計(jì)選用紅色的遮光板。

另外，為了提高系統(tǒng)的靈敏度，在紅色的遮光板上面，沿著4個(gè)BH1710FVC最小模塊的內(nèi)部布置了黑色的擋光板，根據(jù)陰影效應(yīng)，當(dāng)太陽光非垂直照射時(shí)，在一側(cè)就會(huì)產(chǎn)生陰影，這樣可以放大上下或者左右側(cè)BH171FVC0的光強(qiáng)差，可以提高系統(tǒng)的靈敏度，同時(shí)縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，減少電機(jī)的工作時(shí)間，有效地節(jié)約了電能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電以后，要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化操作，之后根據(jù)GPS模塊提供的時(shí)間、緯度判斷太陽是否落山，進(jìn)行初步的輔助控制，接著MSP430根據(jù)4只BH1710FVC提供的數(shù)據(jù)，進(jìn)行閾值判斷，對(duì)云臺(tái)的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到太陽能帆板達(dá)到最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1)雙軸跟蹤技術(shù)對(duì)光電輸出功率的測(cè)試

制作的智能新型雙軸光電控制物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)實(shí)物，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

太陽能電池板工作電壓為17.5 V，開路電壓為21.5 V，最大輸出功率為17.4 W。不采用雙軸跟蹤控制技術(shù)時(shí)，帆板以大約45°面向南放置，光伏帆板的輸出功率隨著一天中光強(qiáng)的變化，有較大的變化，而且基本上不能達(dá)到最大功率輸出。當(dāng)采用了雙軸跟蹤技術(shù)后，光伏帆板的輸出功率整體上有了較大的提高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽光的自動(dòng)跟蹤，而且從上午10點(diǎn)到下午15點(diǎn)基本上都處于最大功率輸出的狀態(tài)，大大地提高了太陽能的利用率，采用雙軸跟蹤和沒有采用雙軸跟蹤的功率輸出圖如圖5所示。

圖5 最大輸出功率對(duì)比圖

2)一天不同時(shí)刻光照強(qiáng)度測(cè)量曲線

一天當(dāng)中，光照強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化而變化，本設(shè)計(jì)應(yīng)用了上、下、左、右4只BH1710FVC光照強(qiáng)度傳感器，將采集到的數(shù)據(jù)送MSP430，并送LCD1602進(jìn)行顯示。2013年9月23日對(duì)全天各個(gè)時(shí)刻的光照進(jìn)行了測(cè)量，分別取4只BH1710FVC的平均值得到的測(cè)量數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 一天各時(shí)刻光照強(qiáng)度測(cè)量值

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)主要研究用于森林環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)的光伏轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過MSP430單片機(jī)接收光照強(qiáng)度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤控制，同時(shí)采用光伏電池的最大功率跟蹤技術(shù)，使光伏電池工作在最大功率輸出狀態(tài)，進(jìn)一步提高太陽能量的利用率。研制的樣機(jī)可以基本實(shí)現(xiàn)功能，實(shí)用價(jià)值較好，可推廣應(yīng)用到大棚種植、森林環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控等其它場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn):

[1] 郭鳳儀,周 坤,姜麗麗,等.太陽能LED照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電工電能新技,2012,31(3):86-89.

[2] 王 軍,蔣小川.面向生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的微太陽能傳感器節(jié)點(diǎn)研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(10):16-19.

[3] 張文濤.基于PLC的太陽跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010,32(3):127-130.

[4] 何利民.單片機(jī)高級(jí)教程—應(yīng)用與設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:1.

[5] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[6] 趙建領(lǐng),薛園園.51單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[7] 倪玉峰,閏 鬧,劉建成.一種新穎的太陽能追蹤采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(3):201-207.

[8] 王東江,劉亞軍.太陽自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2010(7):19-25.

[9] 郭志培,孫志毅.太陽自動(dòng)追蹤系統(tǒng)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2011(12):74-76.

[10] 侯長來.太陽跟蹤裝置的雙模式控制系統(tǒng)[J].可再生能源,2008,28(1):35-36.

[11] 劉慶才，沈 輝.太陽跟蹤裝置及其應(yīng)用[J].廣東電力,2011,24(11):66-69.

[12] 齊鳳河,劉楚明.基于BH1710的照度計(jì)設(shè)計(jì)[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào),2011,31(6):14-17.

[13] 蘇黎明，劉愛華． 自制簡易數(shù)字照度計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010(3):57-60.