太陽能高效發(fā)電與空氣質量監(jiān)控系統(tǒng)的研究

張志通，于 媛

（1.北華航天工業(yè)學院 電子與控制工程學院，廊坊 065000；2.廊坊衛(wèi)生職業(yè)學院，廊坊 065001）

由于我國中東部地區(qū)空氣質量不斷地惡化，陰霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)增多。首先，霧霾天氣使空氣能見度降低影響交通安全，致使交通事故頻發(fā)；其次，空氣霧霾成分含有毒有害物質，對人的呼吸道有害，吸入后引發(fā)呼吸道疾患、誘發(fā)心血管疾病，甚至會致死[1]。由于PM2.5顆粒物是空氣中霧霾主要成分，因此對PM2.5的監(jiān)測與治理便顯得越來越重要。針對如何有效地做到節(jié)能減排、對可再生能源的高效利用和對霧霾天氣的實時監(jiān)控，本文采用太陽能智能跟蹤系統(tǒng)、PM2.5顆粒物測量與GSM傳輸?shù)认嚓P技術對課題進行深入研究。

1 總體方案設計

課題結合單片機技術，根據(jù)用戶需求提出一種低成本、多功能的設計方案。首先，采用四象限探測器感測當前光源信號，通過單片機處理后根據(jù)各象限上能量分布的比例計算出目標的亮度中心位置，通過調整電機來控制太陽能電池板俯仰角和方位角，使太陽能電池板達到最佳位置，提高太陽能發(fā)電轉換效率對系統(tǒng)進行供電。

其次，由于ATmega32-16AU是一個高性能的低功耗8位CMOS微控制器、PDIP封裝的單片機，數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，因此采用此類型單片機可以緩減系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集和處理速度之間的矛盾。由灰塵傳感器DSM501和溫濕度傳感器AM2301分別測量空氣PM2.5和溫濕度值，通過單片機AT-mega32-16AU處理后傳送至液晶顯示器LCD12864進行顯示，4種顏色LED燈分別提示不同空氣質量狀態(tài)。系統(tǒng)可將多個監(jiān)測站點的空氣質量監(jiān)測數(shù)據(jù)通過SIM900模塊傳到中心站平臺，平臺處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)及時通過云計算平臺傳輸至因特網(wǎng)，實現(xiàn)對京津冀地區(qū)的實時預警，監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 四象限式太陽智能跟蹤與空氣顆粒物數(shù)值監(jiān)控系統(tǒng)框圖Fig.1 Numerical monitoring system diagram of four quadrant type intelligent sun tracking and air particles

2 太陽能智能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)設計

太陽能是一種可再生資源，通過對太陽能的有效利用可以減少常規(guī)能源消耗，更好地節(jié)約資源，保護環(huán)境。太陽能智能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)通過以下方式實現(xiàn)最大程度光伏轉化：首先，目標光信號經(jīng)過光學裝置后在四象限探測器上成像，當目標成像不在光軸上時，4個象限上輸出的信號幅度不相同，通過INA103前置放大器把4路信號進行放大，通過MAX7401濾波電路進行濾波，通過16位A/D轉換電路AD7656對4路模擬信號同時進行采樣，然后通過MSP430F133型單片機比較4個象限的輸出，即可確定光信號的方向[2]。

其次，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的；可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而調整俯仰步進電機、水平步進電機來控制太陽能電池板俯仰角和方位角，使太陽能電池板達到最佳位置。

最后，采用尺寸為0.3 m×0.3 m的多晶硅太陽能板采集太陽能，通過充電控制電路與保護裝置對鋰電池進行充電，電池在晚上或光照不足時可幾天內對整個裝置供電，裝置結構示意圖與裝置電路如圖2和圖3所示。

圖2 裝置結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the device structure

圖3 太陽能智能跟蹤裝置電路圖Fig.3 Circuit diagram of solar energy intelligent tracking device

3 硬件電路設計

3.1 檢測與信號處理設計

根據(jù)PM2.5顆粒物的特性，課題采用灰塵傳感器DSM501采集當前空氣中顆粒物含量。由于灰塵傳感器DSM501能夠靈敏檢測直徑1 μm以上的粒子，所以內置加熱器可實現(xiàn)智能吸入空氣的功能，可調電阻設置檢測灰塵的大小。傳感器DSM501以30 s為周期檢測單位體積粒子的絕對個數(shù)，通過PWM脈寬調制傳送至單片機P1.7口[3]。

溫濕度傳感器AM2301是一款將數(shù)字采集技術和溫濕度傳感技術相結合的數(shù)字溫濕度傳感器，它在溫濕度檢測方面比DHT11傳感器具有更高的可靠性、穩(wěn)定性。通過單片機程序指令，AM2301將檢測出的溫濕度信號輸送至單片機的P3.7口。

3.2 顯示部分

由于設計所顯示內容信息量大，本課題選擇具有液晶顯示信息量大、功耗低、體積小、重量輕、超薄等特點的LCD12864型液晶顯示屏作為實現(xiàn)顯示功能的元件。使用光學灰塵傳感器DSM501、溫濕度傳感器AM2301對當前空氣中的PM2.5值和溫濕度進行檢測，分別將檢測數(shù)據(jù)通過ATMEGA32-16AU單片機P1.7和P3.7中端口輸送至ATMEGA32-16AU單片機中，單片機將處理后的數(shù)據(jù)通過引腳P0.0～P0.7和P2.0～P2.2輸送至LCD12864液晶顯示屏進行顯示PM2.5數(shù)值、波形和溫濕度值，通過端口P1.0～P1.3控制LED燈綠、藍、紅、白4種顏色分別顯示當前空氣質量良好、一般污染、中度污染和重度污染4種空氣質量狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電路連接圖Fig.4 Connection diagram of system circuit

3.3 通訊功能

目前市場上有關無線通信功能的傳輸系統(tǒng)類型很多，功能齊全，但是為了適應各種天氣環(huán)境，將空氣質量的監(jiān)測數(shù)據(jù)準確地發(fā)送至處理中心，課題采用SIM900無線通信模塊來實現(xiàn)遠程傳輸功能。

SIM900模塊是一個以TC35i為核心的通訊模塊，主要應用在通訊領域，如移動電話、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、短信提醒發(fā)送、GPRS MODEN。根據(jù)課題要求，設計了可靠的外圍電路以及擴展了端口，使其通過串口通信方式與單片機進行連接。單片機通過P3.0、P3.1串口控制SIM900模塊執(zhí)行命令，檢測出PM2.5與溫濕度數(shù)據(jù)通過SIM900模塊遠距離數(shù)據(jù)通信。

4 軟件設計與調試

4.1 軟件設計

課題采用德國 Keil Software公司開發(fā)的軟件編程系統(tǒng)Keil uVision3，通過C語言編程來實現(xiàn)太陽能智能跟蹤、溫濕度與PM2.5數(shù)值檢測、對SIM900模塊進行喚醒執(zhí)行傳輸命令。

智能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)是通過以下方式實現(xiàn)的：首先對單片機進行初始化，置CS=0，開啟AD7656，采集4個通道的采樣數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)保存；置CS=1，關閉AD7656，然后處理從4個通道采集的經(jīng)過放大器放大的信號，先判斷信號強度即判斷光強，如果光強過小，表明天氣不佳，無足夠日照，則開啟弱光強警報器發(fā)出警報，程序結束運行，若光強足夠大則計算光斑中心的偏移量，判斷是否有偏移，若無偏移則不進行調節(jié)，若有偏移則計算步進電機需要驅動的方向和步數(shù)，緊接著驅動相應的步進電機運轉，跟蹤流程如圖5所示。

圖5 太陽能智能跟蹤流程圖Fig.5 Flow chart of intelligent solar tracking

根據(jù)硬件電路的設計，溫濕度檢測通過以下步驟來實現(xiàn)：（1）打開整個系統(tǒng)進入初始化，程序檢查溫濕度傳感器是否響應，如果傳感器不響應則返回；（2）單片機讀取溫濕度數(shù)值并傳送至液晶顯示屏，如果采集的溫濕度數(shù)值正常，重復執(zhí)行；（3）如果采集的溫濕度數(shù)值不正常，經(jīng)過驅動報警，溫濕度檢測結束，程序流程如圖6所示。

圖6 溫度檢測軟件流程圖Fig.6 Flow chart of temperature detection software

對PM2.5顆粒物進行檢測時通過以下步驟來實現(xiàn)：（1）打開整個系統(tǒng)進入初始化并延時一段時間，由灰塵傳感器采集PM2.5顆粒物并記錄數(shù)值；（2）單片機處理器讀取PM2.5顆粒物數(shù)值并傳送至液晶顯示屏；（3）如果采集的PM2.5顆粒物數(shù)值正常，重復執(zhí)行；（4）如果采集的PM2.5顆粒物數(shù)值不正常，則結束，程序流程如圖7所示。

圖7 PM2.5檢測模塊軟件流程圖Fig.7 Flow chart of PM2.5 detection module

對SIM900模塊通信通過以下步驟來實現(xiàn)：（1）打開整個系統(tǒng)進入初始化，并將SIM900模塊核心TC35i初始化；（2）通過命令檢測TC35i是否接收到外界發(fā)送過來的GSM或GPRS信息；（3）如果接收到命令，提取中心站平臺指令；（4）檢測提取信息是否合法，如果合法則進行相應指令回復，如果不合法則刪除信息。程序流程如圖8所示。

圖8 SIM900模塊通信流程圖Fig.8 Flow chart of SIM900 communications module

4.2 系統(tǒng)調試與校驗

整個系統(tǒng)還可以根據(jù)惠民工程需要[5]，通過多個方式對當前空氣質量進行監(jiān)測來實現(xiàn)對京津冀地區(qū)的實時預警。首先，通過GPRS或GSM方式開啟SIM900模塊通信，將多個不同點的PM2.5檢測裝置監(jiān)測的空氣質量數(shù)據(jù)上傳到中心站平臺，平臺處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)及時通過移動網(wǎng)絡傳輸至云計算平臺或采用以太網(wǎng)技術與因特網(wǎng)相連接，用戶可以通過因特網(wǎng)進行實時查詢不同地點的空氣狀態(tài)，提醒人們注意當前環(huán)境中PM2.5濃度，提早做好防御準備。其次，多點監(jiān)控數(shù)據(jù)可以通過無線收發(fā)模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，通過顯示屏和LED燈進行顯示。再次，在手機監(jiān)控方面，用戶通過使用SIM卡向多點數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送不同監(jiān)控地點的服務號碼的短信，進行相關的數(shù)據(jù)查詢，多種PM2.5監(jiān)測模式如圖9所示。

圖9 幾種PM2.5監(jiān)測模式Fig.9 Monitoring model of several PM2.5

5 結語

通過對各種環(huán)境下的產(chǎn)品可靠性與故障率檢測，改進相關設計參數(shù)，優(yōu)化了設計結構，增強了太陽能智能跟蹤抗干擾性與智能化功能，提高了設備的壽命，實現(xiàn)了PM2.5與溫濕度遠程查詢與監(jiān)控的功能[6]。為了有效保護發(fā)明創(chuàng)造成果，本項目已經(jīng)申請了國家發(fā)明專利。專利技術的實施進一步推動成果的轉換，有利于產(chǎn)品在節(jié)能、環(huán)保和PM2.5檢測等方面的廣泛推廣和應用。

[1]劉宏斌.我國PM2.5的現(xiàn)狀與防治對策[J].湖北經(jīng)濟學院學報：人文社會科學版，2012，9（10）：20-21.

[2]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機[Z].數(shù)據(jù)手冊，2010.

[3]潘政華.淺論甲醛對人體健康的影響及治理措施[J].現(xiàn)代農業(yè)，2011（4）：110-111.

[4]Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M].McGraw-Hill Education-Europe，2001.

[5]潘純珍，陳剛才，楊清玲，等.重慶市地區(qū)道路PM10/PM2.5濃度分布特征研究[J].西南農業(yè)大學學報：自然科學版，2004，26（5）：57-60.

[6]成亞男.電子醫(yī)療遠程監(jiān)測系統(tǒng)的需求分析與設計[D].山東：山東大學，2009.