用于生態環境微傳感節點的光電能量轉換系統設計

徐 磊, 時維鐸, 王 軍, 邢玉秀, 李 陽

(南京林業大學，江蘇 南京 210037)

0 引 言

目前，對于森林生態環境的研究主要通過放置無線傳感節點向監測中心不斷發送數據，監測森林生態系統的各項指標。大多采用干電池對傳感節點的供電，但是干電池使用壽命短，需要經常更換，對于已經投入到森林里的傳感節點來說，這些后期的維護是耗時耗力的。另外，干電池里的化學物質不容易降解，也會對環境造成很大的污染。

本文設計主要是采用光電能量轉換系統，將太陽能轉換為電能，供傳感節點使用。采用光伏電池最大功率跟蹤技術，實現光伏電池的最大功率輸出，進一步提高了太陽能的利用率，并設計了電源管理模塊，合理地分配電能，提高蓄電池的使用效率，保證傳感節點夜間無間斷工作。這種設計實現了對太陽能的利用率的提高，完成了傳感節點的無間斷工作，具有較高的理論意義和應用價值[1～3]。

1 系統硬件設計

1.1 總體方案設計

本文設計以MSP430作為控制器，MSP430是一種超低功耗的單片機，采用+3.3 V供電，特別適合應用與電池供電的長時間工作場合[4～6]。利用單片機的串口實現與GPS模塊的通信，測得當地的經度、緯度，并通過LCD1602進行顯示，其總原理框圖如圖1所示。

圖1 總體原理框圖

1.2 光照傳感器模塊設計

BH1710FVC 具有優良光譜靈敏度,功耗低等特性，適用于這種電池供電的系統。BH1710FVC為16位串行數字輸出型環境光傳感器，采用I2C總線接口，可以便捷地與單片機系統進行通信。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，測量時間為120 ms; 中精度分辨率為4 lx，測量時間為16 ms; 低分辨率為32 lx，測量時間為2.9 ms，通過MSP430向BH1710FVC 發送不同控制指令，即可實現模式選擇。本文設計采用上、下、左、右4只光照強度傳感器，分別測得4個方向上的光照強度，并通過虛擬的串口，將測得的數據傳給單片機，進而控制相應的繼電器動作，控制云臺運動。另外，由于BH1710FVC的最大量程為65536 lx，為了滿足夏季強太陽光照的要求，本設計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最佳位置還不夠，光伏電池的輸出電壓和電流會隨著光照的不同而變化，本設計采用最大功率點跟蹤法保證每個光照時刻光伏電池組件輸出的功率都為最大值。有光照時，由光伏電池板對鋰電池充電，同時提供節點工作電流；無光照情況下由鋰電池單獨提供節點工作電流。本設計采用CN3722進行穩壓控制，對鋰電池進行充電[7]。

1.4 云臺控制設計

1.4.1 驅動電機選型

步進電機控制精確，但是力矩比較小，不能滿足本次設計的需求；直流電機力矩大，調速方式簡單，但是投入使用后，在以后的維護方面比較麻煩；因此，本文設計選用220 V交流電機作為驅動設備，帶動云臺轉動，尋找最佳功率點。

1.4.2 雙軸跟蹤模塊設計

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模塊可以對當地的經度、緯度、高度、UTC時間等信息進行測量，本設計主要使用到緯度、經度和時間信息，以便對云臺的校對進行輔助控制，GPS模塊與MSP430連接簡單，通信方便，只用將GPS模塊的RX，TX分別接單片機的TX，RX管腳，設置好波特率之后，即可進行數據傳送，并自帶可充電后備電池，支持溫啟動或熱啟動。主控制基于4個BH1710FVC，上下一組、左右一組，分別進行對比，為了防止云臺在最大功率點附近不停的調整，在程序中對每組數據設置了一定的閾值，當它們的光照強度差值達到閾值之后，單片機控制繼電器動作，帶動云臺朝著光照強度小的方向轉動，以達到最佳的收光狀態，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 逆變電路設計

逆變電路由12 V直流輸入、欠壓保護電路、過熱保護電路、220 V/50 kHz整流濾波、過流保護電路等組成，又包括頻率產生電路(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的直流電轉化為220 V的交流電，供伺服電機使用。

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，太陽光的強度比較弱，基本上可以滿足要求，在炎炎的夏季，一般情況下光照強度為100 000 lx,甚至更高，這樣就不能滿足測量的需要，更不能完成對最大功率點的跟蹤。為了解決量程不夠的問題，本設計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]。通過對不同顏色的遮光板進行試驗測量，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，可能要不斷地進行調節，會造成電機不停地轉動，這樣會造成電能的浪費；白色和黃色的透光率偏大，最佳閾值比較大，較大的閾值會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。紅色的遮光板無論在透光率還是最佳閾值，都比較合適，既不會造成電能的浪費，又不會喪失控制精度，所以，本文設計選用紅色的遮光板。

另外，為了提高系統的靈敏度，在紅色的遮光板上面，沿著4個BH1710FVC最小模塊的內部布置了黑色的擋光板，根據陰影效應，當太陽光非垂直照射時，在一側就會產生陰影，這樣可以放大上下或者左右側BH171FVC0的光強差，可以提高系統的靈敏度，同時縮短了調節時間，減少電機的工作時間，有效地節約了電能。

2 系統軟件設計

系統上電以后，要對各個模塊進行初始化操作，之后根據GPS模塊提供的時間、緯度判斷太陽是否落山，進行初步的輔助控制，接著MSP430根據4只BH1710FVC提供的數據，進行閾值判斷，對云臺的位置進行調節，直到太陽能帆板達到最大功率點，系統的程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

3 實驗結果

1)雙軸跟蹤技術對光電輸出功率的測試

制作的智能新型雙軸光電控制物聯網傳感節點系統實物，如圖4所示。

圖4 系統實物圖

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時，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的變化，有較大的變化，而且基本上不能達到最大功率輸出。當采用了雙軸跟蹤技術后，光伏帆板的輸出功率整體上有了較大的提高，實現了對太陽光的自動跟蹤，而且從上午10點到下午15點基本上都處于最大功率輸出的狀態，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 最大輸出功率對比圖

2)一天不同時刻光照強度測量曲線

一天當中，光照強度隨著時間的變化而變化，本設計應用了上、下、左、右4只BH1710FVC光照強度傳感器，將采集到的數據送MSP430，并送LCD1602進行顯示。2013年9月23日對全天各個時刻的光照進行了測量，分別取4只BH1710FVC的平均值得到的測量數據如圖6所示。

圖6 一天各時刻光照強度測量值

4 結 論

本文設計主要研究用于森林環境監測傳感節點的光伏轉換系統，通過MSP430單片機接收光照強度傳感器數據進行自動跟蹤控制，同時采用光伏電池的最大功率跟蹤技術，使光伏電池工作在最大功率輸出狀態，進一步提高太陽能量的利用率。研制的樣機可以基本實現功能，實用價值較好，可推廣應用到大棚種植、森林環境監測監控等其它場合。

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