风光互补供电的空气质量监测系统设计

魏德仙 陈海聪 黄梓淳 侯耿鸿 魏炜峰

（华南农业大学工程学院，广东 广州 510642）

风光互补供电的空气质量监测系统设计

魏德仙 陈海聪 黄梓淳 侯耿鸿 魏炜峰

（华南农业大学工程学院，广东 广州 510642）

针对我国空气污染日益严重的现状以及监测点分布不尽合理、覆盖不全面等特点，重点研究了一种城市空气质量监测系统。考虑到传统供电系统受制于电网位置的缺点，以及提高系统电源稳定性与效率的需要，利用太阳能与风能互补发电，结合最大功率追踪算法（MPPT）进行电源管理，并通过GSM实现与上位机的通信。试验结果表明，系统的能量转换效率保持在70％以上，空气质量监测的结果有较高的准确性。

空气质量 实时监测 风光互补 最大功率追踪（MPPT） GSM通信

0 引言

随着新能源发电技术的不断进步，风光互补发电技术得到了越来越多的应用：博览会场的场外照明或景观点缀；海上导航系统的辅助电源等。而新空气污染问题的频发，使得公众对空气质量状况的信息需求迅速增加，这对我国城市空气质量监测网络建设和设置提出新的要求。

本设计采用风光互补发电，结合最大功率跟踪（maximum power point tracking，MPPT）算法，将产生的电能存储在蓄电池中，以绿色能源技术为空气质量监测装置供电，无需布设电缆、埋设管道，安装方便。利用夏普的GP2Y1010AU0F粉尘检测传感器、气体检测传感器MQ135和MQ7，对可吸入颗粒物、硫化物等有害气体进行浓度检测。最后，利用GSM模块，将检测结果发送至城市空气监测系统中心站的上位机。上位机将遍布城市的监测节点的信息汇总处理后，可得出整个城市的空气质量状况。

1 系统设计

系统由风光互补供电模块、可吸入颗粒物检测模块、有毒气体检测模块、单片机模块与GSM模块组成。风光互补供电模块可以最大限度地将太阳能和风能转换成电能供给系统使用。可吸入颗粒物检测模块与有毒气体检测模块不断采集大气中直径大于0.8μm的粒子浓度和有毒气体浓度，经单片机数据处理之后，通过GSM模块将数据发给主机和用户。系统框架如图1所示。

图1 系统框架图Fig.1 The system framework

2 硬件设计

2.1 风光互补供电模块

太阳能蓄能模块以同步整流技术的Buck电路为电路主架构，组成太阳能的最大功率点追踪（MPPT）及蓄电池的充放电管理电路，电路如图2所示。STM32单片机提供PWM信号，IR2109半桥驱动芯片将PWM信号放大后驱动两个MOS管组成的半桥，从而控制Buck电路。这样就可以控制蓄电池的充电电压及充电电流。利用高边电流驱动芯片INA169以及电阻网络，分别将蓄电池的充电电流以及充电电压实时反馈给主控芯片的A/D接口。同时，结合爬坡法这一软件算法，便可以实现光伏电池以最大功率给蓄电池充电［1－3］。

图2 太阳能蓄能模块Fig.2 Solar energy storagemodule

风能蓄能模块采用LM2596开关电压调节芯片组成风能的最大功率点追踪（MPPT）及蓄电池的充放电管理电路，电路如图3所示。

STM32单片机提供D/A信号，信号经运算放大器放大后送入LM2596的Feedback引脚，从而达到控制输出电压电流的功能。利用高边电流驱动芯片INA169以及电阻网络，分别将蓄电池的充电电流以及充电电压实时反馈给主控芯片的A/D接口。同时，结合爬坡法这一软件算法，便可以控制风力发电机以最大功率给蓄电池充电［4－6］。

2.2 空气质量监测模块

空气质量监测模块由GP2Y1010AU0F粉尘传感器、MQ135气体传感器、MQ7气体传感器组成。

GP2Y1010AU0F粉尘传感器对粒径为0.8μm以上的可吸入颗粒物进行检测。该传感器采用光散射法原理［7］。光散射法是当光照射在空气中悬浮的颗粒物上时产生散射光。在颗粒物性质一定的条件下，颗粒物的散射光强度与其质量浓度成正比。通过测量散射光强度，应用质量浓度转换系数K值，即可求得颗粒物质量浓度。光散射法在测定公共场所空气中可吸入颗粒物浓度，具有快速、灵敏、稳定性好、体积小、质量轻、无噪声、操作简便、安全可靠等优点。

GP2Y1010AU0F传感器工作原理如图4所示。

图4 粉尘传感器工作原理图Fig.4 Operation principle of the dust sensor

该传感器反应灵敏，测量准确度较高，工作电压为5 V，最大工作电流仅为20 mA。它可将测得的每立方米空气中存在的可吸入颗粒物的质量，直接以一个模拟电压量进行输出。对比图5所示的输出电压与可吸入颗粒物含量的对应曲线关系，利用STM32进行简单的模数转换和对应换算后，即可得出空气中可吸入颗粒物的含量［8］。

图5 输出电压与可吸入颗粒物含量对应曲线Fig.5 The corresponding curve of the output voltage and content of inhalable particles

MQ135气体传感器的气敏材料使用二氧化锡，它在清洁空气中的电导率较低。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增加，电导率的变化可转换为与该气体浓度相应的输出信号。MQ135气体传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其他有害的监测也很理想。

MQ7气体传感器的气敏材料也使用二氧化锡。该传感器采用高低温循环监测的方式，低温监测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增加；高温清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相应的输出信号［9－10］。

2.3 主控芯片电路

系统采用 STM32F103系列单片机作为主控芯片［11］。该系列芯片采用ARM公司研发的Cortex-M3内核，性能强劲，支持庞大的程序设计；功耗低，降低系统的静态损耗；实时性好，能极速响应中断，而且响应中断所需的周期数是确定的；使用更方便。由于现在从8位/16位处理器转到32位处理器的趋势越来越明显，所以更简单的编程模型和更透彻的调试系统提高了开发人员的工作效率。该系列单片机的外设丰富，其中，1μs的双12位ADC、4 Mbit/s的UART、18 Mbit/s的SPI、18MHz的I/O翻转速度对本系统性能的提高起到至关重要的作用。

主控芯片电路主要包括复位电路、时钟发生电路、J-LINK仿真器连接接口电路以及输入滤波电路。在芯片的电源引脚与地脚之间接入一个0.1μF的陶瓷电容，可以有效地滤除电源引入的纹波。

2.4 GSM无线模块

GSM采用创思通信基于华为GTM900C的GSM无线模块。华为GTM900C无线模块是一款三频段GSM/GPRS无线模块，支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。GTM900C通过UART接口与外部CPU通信，主要实现无线发送和接收、基带处理等功能，能方便地将空气监测情况发送到用户平台［12－13］。

3 最大功率追踪算法（MPPT）

3.1 原理说明

太阳能光伏板的输出功率P-V特性曲线如图6所示。

图6 太阳能板输出功率特性Fig.6 Output power characteristics of the solar panel

由图6可知，当工作电压小于最大功率点电压Umax时，光伏板输出功率随太阳能电池端电压UPV上升而增加；当太阳能电池工作电压大于最大功率点电压Umax时，太阳能电池输出功率随输出电压上升而减少。最大功率追踪（MPPT）实现的实质上是一个自寻优化过程，即通过控制太阳能光伏板端电压，使太阳能电池在各种不同的日照和温度环境下自行调整输出最大功率。

3.2 最大功率追踪算法设计

本设计采用扰动观察法作为最大功率追踪算法。它的基本原理是每个控制周期用一个固定的、较小步长的扰动量改变光伏电池的电压输出，然后观察系统输出功率的变化以及方向，由此来判断如何施加下一个扰动量。这个方法经常采用功率反馈的方式来实现，同时采用传感器采集系统的输出电压和电流，计算输出功率。

在光伏电池P-V特性曲线峰值点附近，从左到右依次取A、B、C三个点，即UA和PA、UB和PB、UC和PC。它们分别对应各点工作电压和一个预先设定用于调整电压步长的常量。然后判断3点电压值调整方向时可能出现的情形。

MPPT模式程序流程图如图7所示。

图7 MPPT模式程序流程图Fig.7 Flowchart of the MPPT algorithm

当PA≥PB且PB≤PC时，对应的实际情况为：系统硬件先检测到PA≥PB，突然有云遮挡，随后检测到PB≤PC，表示日照强度快速变化的情形。算法中将该情况按照系统工作电压不作改变的情形进行处理，只对ΔU进行微调，这样系统不会跟随日照的快速改变而盲目调整工作电压，避免了系统过快振荡，从而实现了平稳跟踪，等到日照恢复稳定才开始下一轮检测。在误差允许范围内算法设置了一个阈值ε。当步长ΔU连续微调后满足ΔU＜ε时，表明此时的UB已经非常接近Umax，程序控制认为这时的UB就是Umax。这是系统跟踪到输出功率峰值点的判别条件。

4 试验测试

4.1 太阳能转换效率测试

测试方法：利用一个可调数控电源模拟太阳能光伏电池，将一个20Ω、100W的线性可调电阻作为负载，用万用表分别测量输入电压Uin、输入电流Iin、输出电压Uout和输出电流Iout，从而算出系统的转换效率。测试数据如表1所示。

表1 太阳能转换效率的测试数据Tab.1 Test data of the solar energy conversion efficiency

试验结果表明，调节负载，使负载的阻值从大变小，系统效率先递增后递减，在恒压模式与恒流模式之间切换时，系统效率最高。系统效率保持在85％以上，表明系统性能优良。

4.2 风能转换效率测试

测试方法：利用一个可调数控电源模拟风力发电机，将一个20Ω、100W的线性可调电阻作为负载，用万用表分别测量输入电压Uin、输入电流Iin、输出电压Uout和输出电流Iout，从而算出系统的转换效率。测试数据如表2所示。

表2 风能转换效率的测试数据Tab.2Test data of the w ind energy conversion efficiency

试验结果表明，调节负载，使负载的阻值从大变小，系统效率先递增后递减，在恒压模式与恒流模式之间切换时，系统效率最高。系统效率保持在70％以上，表明系统性能优良。

4.3 空气质量检测测试

测试方法：选取空气质量差异明显的3个目标测试场景，以代表3种类型的空气质量，分别为广州市火炉山森林公园、广州市汇景新城住宅区及广州市天河客运站。在每个场景每隔30 min采集一组数据，实时监测空气中颗粒物的含量。测试数据如表3所示。

表3 空气粒子数监测测试数据Tab.3 Test data of the particle number monitored in air

试验结果表明，在不同测试场景，由于空气质量影响因子的权重不同，空气中颗粒物呈现明显的区域特征，空气质量检测模块能较好地识别不同空气质量等级。

5 结束语

针对如今雾霾天气持续、汽车尾气污染日益严重等情况，本文设计的空气质量监测系统具有很大的现实意义。系统采用绿色能源供电，可移动性强，操作简单；能自动在恒压充电模式与恒流充电模式之间切换，寻找到最高效工作点。

从模拟测试得出的数据可知，系统转换效率达到70％以上，设备性能优良。对不同环境进行采样分析，可测量出粉尘、有害气体的粒子浓度，进而根据所得数据对所处环境进行评估。与环保部所公布的数据比较发现，测试结果有较高的可靠性，达到了实时监测的目的。

［1］林列.一种升降压型DC-DC转换器的研究与设计［D］.天津：天津大学，2010.

［2］闭金杰，罗晓曙，杨日星，等.基于AVR的太阳能控制器设计［J］.现代电子技术，2009（10）：167－169.

［3］赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京：科学出版社，2005：1－18.

［4］董永林.离网型风光互补发电系统控制器［D］.济南：山东大学，2011.

［5］谢静，李永超，刘满禄.风光互补智能自动充电器的设计［J］.通信电源技术，2012（4）：61－62.

［6］李绍武.基于AVR单片机的风能太阳能控制器设计［J］.湖北民族学院学报：自然科学版，2010（2）：174－176.

［7］范静.空气中可吸入颗粒物检测方法比较［J］.内蒙古石油化工，2012（5）：52－53.

［8］刘银，廖志鑫，贺良茂，等.基于单片机的粉尘检测系统的设计［J］.煤矿机械，2011（7）：240－243.

［9］ Wang S X，Hao J M.Air quality management in China：issues，challenges，and options［J］.Journal of Environmental Sciences，2012，24（1）：2－13.

［10］Fang M Q，Wan J.System for temperaturemonitor in substation with ZigBee connectivity［C］∥Communication Technology，2008 11th IEEE International Conference；Hangzhou，China，2008.

［11］王永虹，徐伟，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［12］孙亭，杨永田，李立宏.无线传感器网络技术发展现状［J］.电子技术应用，2006，32（6）：1－5.

［13］陈静，尚鲜连，张苏.基于GSM的无线数据传输系统的设计［J］.现代计算机：上下旬，2010（9）：143－146.

［14］康华光，陈大钦，张林.电子技术基础模拟部分［M］.5版.北京：高等教育出版社，2006.

［15］朱鸣华，刘旭麟，杨微，等.C语言程序设计教程［M］.北京：机械工业出版社，2007.

Design of Air Quality Monitoring System with PV/Wind Complementary Power Supply

Aiming at the current situation of air pollution in our country isworsening and the distribution ofmonitoring points for air quality is not reasonable enough and the coverage is incomprehensive，the urban air quality monitoring system has been researched.Considering the traditional power supply system is subject to the power grid position，and the need of enhancing the stability and efficiency of power supply system，by adopting complementary power generation with the solar energy and wind energy，and combining themaximum power point tracking（MPPT）algorithm for powermanagement，the communication with host computer is implemented via GSM.The experimental results indicate that the energy conversion efficiency of the system maintains above 70％，and themonitoring result of air quality ismore accurate.

Air quality Real timemonitoring PV/Wind complementary Maximum power point tracking（MPPT） GSM communication

TP212

A

广东省大学生创新训练基金资助项目（编号：1056412126）。

修改稿收到日期：2013－10－14。

魏德仙（1962－），女，1989年毕业于哈尔滨工业大学模式识别与智能控制专业，获硕士学位，副教授；主要从事计算机应用、电气自动化的研究。