基于數(shù)字照度傳感器的光源跟隨系統(tǒng)研究*

朱文文，王 軍，儲婷玉，時維鐸，水存洋，崔 嘯

(南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037)

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息通信與交換，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，是前沿熱點研究領(lǐng)域之一。目前，物聯(lián)網(wǎng)中的各傳感節(jié)點基本都采用干電池或開關(guān)電源供電。雖然傳感節(jié)點功耗較低，但干電池維持使用時間較短，實際物聯(lián)網(wǎng)項目測試中，兩個1 號堿性干電池至多使用1 個月就需要進行更換，并且干電池是化學電池，對環(huán)境污染嚴重;相對于干電池來說，開關(guān)電源不會對環(huán)境造成污染，但開關(guān)電源需要有220 V 的交流輸入電壓，在一些供電不足的戶外或森林等環(huán)境中就不能使用。豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源，太陽能以其獨特的優(yōu)勢成為人們重視的焦點。然而，當前較低的光電轉(zhuǎn)換效率成為其發(fā)展的瓶頸;提高光伏發(fā)電效率，提高光伏發(fā)電的應(yīng)用技術(shù)水平，是光伏領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容［1－4］。本研究通過保持太陽能電池板表面與太陽光線垂直，大大提高發(fā)電功率，理論上比固定安裝的電池板轉(zhuǎn)換效率提高30%以上。本研究對太陽能的有效利用為物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點提供可靠能源，具有較高的理論意義和應(yīng)用價值，實現(xiàn)節(jié)點在戶外環(huán)境下無需維護、無人值守、保證全天候工作［5－8］。

1 研究內(nèi)容

本次設(shè)計以STC12C5A60S2 單片機作為控制器，利用單片機的模擬串口實現(xiàn)對四個數(shù)字光照度傳感器BH1710 進行采集，得到四個方位的光照強度，進而控制相應(yīng)方向電機電源的繼電器動作，控制雙軸電機運動，太陽能電池板提供給鋰電池充電能源，同時提供單片機和傳感節(jié)點工作電源，當外界光強不足時由鋰電池作為傳感節(jié)點的后備能源持續(xù)工作，總原理框圖如圖1 所示。

圖1 總體原理框圖

2 光源跟隨系統(tǒng)

2.1 光照傳感器模塊

照度傳感器BH1710FVC 具有與人的視覺靈敏度相似的優(yōu)良光譜靈敏度，檢測光照范圍大，功耗低等特性，可以測量從黑暗到日光直射環(huán)境的寬范圍的照度，測量照度范圍為1～65 535 勒克斯。BH1710 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系統(tǒng)進行通信。另外，BH1710 內(nèi)置有待機功能，待機電流只有0.01 μA，有助于便攜式電子機器朝著低電流化方向更進一步發(fā)展，其外圍應(yīng)用電路如圖2 所示。

圖2 BH1710 外圍應(yīng)用電路

BH1710 為數(shù)字型照度傳感器，器件本身有三種精度模式:高精度、中精度和低精度。其中高精度分辨率為1lx，測量時間120 ms;中精度分辨率為4lx，測量時間16 ms;低分辨率為32lx，測量時間2.9 ms。通過程序向BH1710 發(fā)送不同控制指令，即可實現(xiàn)不同模式的選擇。

本系統(tǒng)設(shè)計采用上、下、左、右四個光照強度傳感器，分別測得四個方向上的光照強度，上下一組，左右一組，分別進行對比，當它們的光照強度達到一定差值后，電機就向著光照強度小的方向轉(zhuǎn)動，以達到最佳的收光狀態(tài)，其控制方法原理圖如圖3 所示。

圖3 基于照度傳感器的控制方法原理圖

2.2 鋰電池充電模塊

僅讓光伏電池板到最佳位置還不足夠，光伏電池的輸出電壓和電流會隨著光照的不同而變化，采用最大功率點跟蹤方法保證每個光照時刻光伏電池組件輸出的功率都應(yīng)為最大值。有光照情況由光伏電池板對鋰電池充電，同時提供單片機和節(jié)點工作電流;無光照情況下由鋰電池單獨提供單片機和節(jié)點工作電流。

本設(shè)計采用CN3722 對蓄電池進行充電，CN3722 是一款可使用太陽能電池供電的PWM 降壓模式充電管理集成電路，具有太陽能電池最大功率點跟蹤功能。CN3722 具有恒流恒壓充電模式，非常適合對單節(jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理。恒流充電電流由連接于CSP 管腳和BAT 管腳之間的電流檢測電阻RCS 設(shè)置，在恒壓充電模式，恒壓充電電壓由外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。鋰電池充電模塊原理圖如圖4 所示。本電路中:M1 為P 溝道MOS 管FDS4435;D1、D2 為肖特基二極管SS33;電感L 為22 μH。

圖4 鋰電池充電模塊原理圖

3 實驗結(jié)果

本設(shè)計的光源跟隨自動控制系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。基于數(shù)字照度傳感器的光源跟隨系統(tǒng)實物如圖6 所示。太陽能電池板工作電壓17.5 V，開路電壓21.5 V。太陽能電池板輸出連接CN3722 鋰電池充電模塊，輸出12.6 V 的充電電壓，對3 個串聯(lián)的4.2 V/4 000 mAH 的鋰電池充電。同時12.6 V 直流電壓經(jīng)單相正弦波逆變電路轉(zhuǎn)換輸出220 V 交流電，繼電器驅(qū)動相應(yīng)方向的交流電機。太陽能電池板當前的方向位置由一號、二號、三號、四號等四個照度傳感器BH1710 檢測，分別代表上下、左右的光照強度，通過模擬串口輸入到單片機STC12C5A60S2 的I/O 口，軟件程序?qū)λ胶痛怪狈较虻墓鈴姸炔钪底龀隹刂?，照度傳感器BH1710 檢測精度較高，為防止電機干擾，采用了滯環(huán)控制方法，滯環(huán)控制區(qū)間值為0×22，當水平方向一號傳感器小于三號傳感器則水平電機正轉(zhuǎn)，減小一號傳感器與三號傳感器檢測的差值，相反則水平電機反轉(zhuǎn)以減小差值，同理，垂直方向也由二號與四號傳感器檢測控制，最后雙軸電機運動直至水平或垂直方向上的兩個傳感器輸出基本一致，達到自動跟蹤陽光的效果。

圖5 光源跟隨自動控制系統(tǒng)軟件流程圖

圖6 基于數(shù)字照度傳感器的光源跟隨系統(tǒng)實物

4 結(jié)束語

本項目主要研究用于物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點的光源跟隨控制系統(tǒng)，通過單片機接收光照強度傳感器數(shù)據(jù)進行自動跟蹤控制，同時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)，進一步提高太陽能量的利用率。研制的樣機可以基本實現(xiàn)功能，實用價值較好，可推廣應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測、大棚種植監(jiān)控等其它場合。

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