太阳能高效发电与空气质量监控系统的研究

张志通，于 媛

（1.北华航天工业学院 电子与控制工程学院，廊坊 065000；2.廊坊卫生职业学院，廊坊 065001）

由于我国中东部地区空气质量不断地恶化，阴霾天气现象出现增多。首先，雾霾天气使空气能见度降低影响交通安全，致使交通事故频发；其次，空气雾霾成分含有毒有害物质，对人的呼吸道有害，吸入后引发呼吸道疾患、诱发心血管疾病，甚至会致死[1]。由于PM2.5颗粒物是空气中雾霾主要成分，因此对PM2.5的监测与治理便显得越来越重要。针对如何有效地做到节能减排、对可再生能源的高效利用和对雾霾天气的实时监控，本文采用太阳能智能跟踪系统、PM2.5颗粒物测量与GSM传输等相关技术对课题进行深入研究。

1 总体方案设计

课题结合单片机技术，根据用户需求提出一种低成本、多功能的设计方案。首先，采用四象限探测器感测当前光源信号，通过单片机处理后根据各象限上能量分布的比例计算出目标的亮度中心位置，通过调整电机来控制太阳能电池板俯仰角和方位角，使太阳能电池板达到最佳位置，提高太阳能发电转换效率对系统进行供电。

其次，由于ATmega32-16AU是一个高性能的低功耗8位CMOS微控制器、PDIP封装的单片机，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，因此采用此类型单片机可以缓减系统在数据采集和处理速度之间的矛盾。由灰尘传感器DSM501和温湿度传感器AM2301分别测量空气PM2.5和温湿度值，通过单片机AT-mega32-16AU处理后传送至液晶显示器LCD12864进行显示，4种颜色LED灯分别提示不同空气质量状态。系统可将多个监测站点的空气质量监测数据通过SIM900模块传到中心站平台，平台处理后的监测数据及时通过云计算平台传输至因特网，实现对京津冀地区的实时预警，监控系统如图1所示。

图1 四象限式太阳智能跟踪与空气颗粒物数值监控系统框图Fig.1 Numerical monitoring system diagram of four quadrant type intelligent sun tracking and air particles

2 太阳能智能跟踪发电系统设计

太阳能是一种可再生资源，通过对太阳能的有效利用可以减少常规能源消耗，更好地节约资源，保护环境。太阳能智能跟踪发电系统通过以下方式实现最大程度光伏转化：首先，目标光信号经过光学装置后在四象限探测器上成像，当目标成像不在光轴上时，4个象限上输出的信号幅度不相同，通过INA103前置放大器把4路信号进行放大，通过MAX7401滤波电路进行滤波，通过16位A/D转换电路AD7656对4路模拟信号同时进行采样，然后通过MSP430F133型单片机比较4个象限的输出，即可确定光信号的方向[2]。

其次，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的；可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而调整俯仰步进电机、水平步进电机来控制太阳能电池板俯仰角和方位角，使太阳能电池板达到最佳位置。

最后，采用尺寸为0.3 m×0.3 m的多晶硅太阳能板采集太阳能，通过充电控制电路与保护装置对锂电池进行充电，电池在晚上或光照不足时可几天内对整个装置供电，装置结构示意图与装置电路如图2和图3所示。

图2 装置结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the device structure

图3 太阳能智能跟踪装置电路图Fig.3 Circuit diagram of solar energy intelligent tracking device

3 硬件电路设计

3.1 检测与信号处理设计

根据PM2.5颗粒物的特性，课题采用灰尘传感器DSM501采集当前空气中颗粒物含量。由于灰尘传感器DSM501能够灵敏检测直径1 μm以上的粒子，所以内置加热器可实现智能吸入空气的功能，可调电阻设置检测灰尘的大小。传感器DSM501以30 s为周期检测单位体积粒子的绝对个数，通过PWM脉宽调制传送至单片机P1.7口[3]。

温湿度传感器AM2301是一款将数字采集技术和温湿度传感技术相结合的数字温湿度传感器，它在温湿度检测方面比DHT11传感器具有更高的可靠性、稳定性。通过单片机程序指令，AM2301将检测出的温湿度信号输送至单片机的P3.7口。

3.2 显示部分

由于设计所显示内容信息量大，本课题选择具有液晶显示信息量大、功耗低、体积小、重量轻、超薄等特点的LCD12864型液晶显示屏作为实现显示功能的元件。使用光学灰尘传感器DSM501、温湿度传感器AM2301对当前空气中的PM2.5值和温湿度进行检测，分别将检测数据通过ATMEGA32-16AU单片机P1.7和P3.7中端口输送至ATMEGA32-16AU单片机中，单片机将处理后的数据通过引脚P0.0～P0.7和P2.0～P2.2输送至LCD12864液晶显示屏进行显示PM2.5数值、波形和温湿度值，通过端口P1.0～P1.3控制LED灯绿、蓝、红、白4种颜色分别显示当前空气质量良好、一般污染、中度污染和重度污染4种空气质量状态，如图4所示。

图4 系统电路连接图Fig.4 Connection diagram of system circuit

3.3 通讯功能

目前市场上有关无线通信功能的传输系统类型很多，功能齐全，但是为了适应各种天气环境，将空气质量的监测数据准确地发送至处理中心，课题采用SIM900无线通信模块来实现远程传输功能。

SIM900模块是一个以TC35i为核心的通讯模块，主要应用在通讯领域，如移动电话、远程数据监控、短信提醒发送、GPRS MODEN。根据课题要求，设计了可靠的外围电路以及扩展了端口，使其通过串口通信方式与单片机进行连接。单片机通过P3.0、P3.1串口控制SIM900模块执行命令，检测出PM2.5与温湿度数据通过SIM900模块远距离数据通信。

4 软件设计与调试

4.1 软件设计

课题采用德国 Keil Software公司开发的软件编程系统Keil uVision3，通过C语言编程来实现太阳能智能跟踪、温湿度与PM2.5数值检测、对SIM900模块进行唤醒执行传输命令。

智能跟踪发电系统是通过以下方式实现的：首先对单片机进行初始化，置CS=0，开启AD7656，采集4个通道的采样数据，并进行数据保存；置CS=1，关闭AD7656，然后处理从4个通道采集的经过放大器放大的信号，先判断信号强度即判断光强，如果光强过小，表明天气不佳，无足够日照，则开启弱光强警报器发出警报，程序结束运行，若光强足够大则计算光斑中心的偏移量，判断是否有偏移，若无偏移则不进行调节，若有偏移则计算步进电机需要驱动的方向和步数，紧接着驱动相应的步进电机运转，跟踪流程如图5所示。

图5 太阳能智能跟踪流程图Fig.5 Flow chart of intelligent solar tracking

根据硬件电路的设计，温湿度检测通过以下步骤来实现：（1）打开整个系统进入初始化，程序检查温湿度传感器是否响应，如果传感器不响应则返回；（2）单片机读取温湿度数值并传送至液晶显示屏，如果采集的温湿度数值正常，重复执行；（3）如果采集的温湿度数值不正常，经过驱动报警，温湿度检测结束，程序流程如图6所示。

图6 温度检测软件流程图Fig.6 Flow chart of temperature detection software

对PM2.5颗粒物进行检测时通过以下步骤来实现：（1）打开整个系统进入初始化并延时一段时间，由灰尘传感器采集PM2.5颗粒物并记录数值；（2）单片机处理器读取PM2.5颗粒物数值并传送至液晶显示屏；（3）如果采集的PM2.5颗粒物数值正常，重复执行；（4）如果采集的PM2.5颗粒物数值不正常，则结束，程序流程如图7所示。

图7 PM2.5检测模块软件流程图Fig.7 Flow chart of PM2.5 detection module

对SIM900模块通信通过以下步骤来实现：（1）打开整个系统进入初始化，并将SIM900模块核心TC35i初始化；（2）通过命令检测TC35i是否接收到外界发送过来的GSM或GPRS信息；（3）如果接收到命令，提取中心站平台指令；（4）检测提取信息是否合法，如果合法则进行相应指令回复，如果不合法则删除信息。程序流程如图8所示。

图8 SIM900模块通信流程图Fig.8 Flow chart of SIM900 communications module

4.2 系统调试与校验

整个系统还可以根据惠民工程需要[5]，通过多个方式对当前空气质量进行监测来实现对京津冀地区的实时预警。首先，通过GPRS或GSM方式开启SIM900模块通信，将多个不同点的PM2.5检测装置监测的空气质量数据上传到中心站平台，平台处理后的监测数据及时通过移动网络传输至云计算平台或采用以太网技术与因特网相连接，用户可以通过因特网进行实时查询不同地点的空气状态，提醒人们注意当前环境中PM2.5浓度，提早做好防御准备。其次，多点监控数据可以通过无线收发模块进行数据传输，通过显示屏和LED灯进行显示。再次，在手机监控方面，用户通过使用SIM卡向多点数据处理中心发送不同监控地点的服务号码的短信，进行相关的数据查询，多种PM2.5监测模式如图9所示。

图9 几种PM2.5监测模式Fig.9 Monitoring model of several PM2.5

5 结语

通过对各种环境下的产品可靠性与故障率检测，改进相关设计参数，优化了设计结构，增强了太阳能智能跟踪抗干扰性与智能化功能，提高了设备的寿命，实现了PM2.5与温湿度远程查询与监控的功能[6]。为了有效保护发明创造成果，本项目已经申请了国家发明专利。专利技术的实施进一步推动成果的转换，有利于产品在节能、环保和PM2.5检测等方面的广泛推广和应用。

[1]刘宏斌.我国PM2.5的现状与防治对策[J].湖北经济学院学报：人文社会科学版，2012，9（10）：20-21.

[2]宏晶科技.STC12C5A60S2系列单片机[Z].数据手册，2010.

[3]潘政华.浅论甲醛对人体健康的影响及治理措施[J].现代农业，2011（4）：110-111.

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

[5]潘纯珍，陈刚才，杨清玲，等.重庆市地区道路PM10/PM2.5浓度分布特征研究[J].西南农业大学学报：自然科学版，2004，26（5）：57-60.

[6]成亚男.电子医疗远程监测系统的需求分析与设计[D].山东：山东大学，2009.