魏德仙 陳海聰 黃梓淳 侯耿鴻 魏煒峰

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

風(fēng)光互補(bǔ)供電的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏德仙 陳海聰 黃梓淳 侯耿鴻 魏煒峰

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

針對我國空氣污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀以及監(jiān)測點(diǎn)分布不盡合理、覆蓋不全面等特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了一種城市空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)?？紤]到傳統(tǒng)供電系統(tǒng)受制于電網(wǎng)位置的缺點(diǎn)，以及提高系統(tǒng)電源穩(wěn)定性與效率的需要，利用太陽能與風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電，結(jié)合最大功率追蹤算法（MPPT）進(jìn)行電源管理，并通過GSM實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率保持在70％以上，空氣質(zhì)量監(jiān)測的結(jié)果有較高的準(zhǔn)確性。

空氣質(zhì)量 實(shí)時(shí)監(jiān)測 風(fēng)光互補(bǔ) 最大功率追蹤（MPPT） GSM通信

0 引言

隨著新能源發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用：博覽會場的場外照明或景觀點(diǎn)綴；海上導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助電源等。而新空氣污染問題的頻發(fā)，使得公眾對空氣質(zhì)量狀況的信息需求迅速增加，這對我國城市空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和設(shè)置提出新的要求。

本設(shè)計(jì)采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，結(jié)合最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）算法，將產(chǎn)生的電能存儲在蓄電池中，以綠色能源技術(shù)為空氣質(zhì)量監(jiān)測裝置供電，無需布設(shè)電纜、埋設(shè)管道，安裝方便。利用夏普的GP2Y1010AU0F粉塵檢測傳感器、氣體檢測傳感器MQ135和MQ7，對可吸入顆粒物、硫化物等有害氣體進(jìn)行濃度檢測。最后，利用GSM模塊，將檢測結(jié)果發(fā)送至城市空氣監(jiān)測系統(tǒng)中心站的上位機(jī)。上位機(jī)將遍布城市的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的信息匯總處理后，可得出整個(gè)城市的空氣質(zhì)量狀況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由風(fēng)光互補(bǔ)供電模塊、可吸入顆粒物檢測模塊、有毒氣體檢測模塊、單片機(jī)模塊與GSM模塊組成。風(fēng)光互補(bǔ)供電模塊可以最大限度地將太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能供給系統(tǒng)使用?？晌腩w粒物檢測模塊與有毒氣體檢測模塊不斷采集大氣中直徑大于0.8μm的粒子濃度和有毒氣體濃度，經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理之后，通過GSM模塊將數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)和用戶。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 The system framework

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)光互補(bǔ)供電模塊

太陽能蓄能模塊以同步整流技術(shù)的Buck電路為電路主架構(gòu)，組成太陽能的最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）及蓄電池的充放電管理電路，電路如圖2所示。STM32單片機(jī)提供PWM信號，IR2109半橋驅(qū)動(dòng)芯片將PWM信號放大后驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOS管組成的半橋，從而控制Buck電路。這樣就可以控制蓄電池的充電電壓及充電電流。利用高邊電流驅(qū)動(dòng)芯片INA169以及電阻網(wǎng)絡(luò)，分別將蓄電池的充電電流以及充電電壓實(shí)時(shí)反饋給主控芯片的A/D接口。同時(shí)，結(jié)合爬坡法這一軟件算法，便可以實(shí)現(xiàn)光伏電池以最大功率給蓄電池充電［1－3］。

圖2 太陽能蓄能模塊Fig.2 Solar energy storagemodule

風(fēng)能蓄能模塊采用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)芯片組成風(fēng)能的最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）及蓄電池的充放電管理電路，電路如圖3所示。

STM32單片機(jī)提供D/A信號，信號經(jīng)運(yùn)算放大器放大后送入LM2596的Feedback引腳，從而達(dá)到控制輸出電壓電流的功能。利用高邊電流驅(qū)動(dòng)芯片INA169以及電阻網(wǎng)絡(luò)，分別將蓄電池的充電電流以及充電電壓實(shí)時(shí)反饋給主控芯片的A/D接口。同時(shí)，結(jié)合爬坡法這一軟件算法，便可以控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)以最大功率給蓄電池充電［4－6］。

2.2 空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊

空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊由GP2Y1010AU0F粉塵傳感器、MQ135氣體傳感器、MQ7氣體傳感器組成。

GP2Y1010AU0F粉塵傳感器對粒徑為0.8μm以上的可吸入顆粒物進(jìn)行檢測。該傳感器采用光散射法原理［7］。光散射法是當(dāng)光照射在空氣中懸浮的顆粒物上時(shí)產(chǎn)生散射光。在顆粒物性質(zhì)一定的條件下，顆粒物的散射光強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成正比。通過測量散射光強(qiáng)度，應(yīng)用質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值，即可求得顆粒物質(zhì)量濃度。光散射法在測定公共場所空氣中可吸入顆粒物濃度，具有快速、靈敏、穩(wěn)定性好、體積小、質(zhì)量輕、無噪聲、操作簡便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

GP2Y1010AU0F傳感器工作原理如圖4所示。

圖4 粉塵傳感器工作原理圖Fig.4 Operation principle of the dust sensor

該傳感器反應(yīng)靈敏，測量準(zhǔn)確度較高，工作電壓為5 V，最大工作電流僅為20 mA。它可將測得的每立方米空氣中存在的可吸入顆粒物的質(zhì)量，直接以一個(gè)模擬電壓量進(jìn)行輸出。對比圖5所示的輸出電壓與可吸入顆粒物含量的對應(yīng)曲線關(guān)系，利用STM32進(jìn)行簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換和對應(yīng)換算后，即可得出空氣中可吸入顆粒物的含量［8］。

圖5 輸出電壓與可吸入顆粒物含量對應(yīng)曲線Fig.5 The corresponding curve of the output voltage and content of inhalable particles

MQ135氣體傳感器的氣敏材料使用二氧化錫，它在清潔空氣中的電導(dǎo)率較低。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增加，電導(dǎo)率的變化可轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相應(yīng)的輸出信號。MQ135氣體傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害的監(jiān)測也很理想。

MQ7氣體傳感器的氣敏材料也使用二氧化錫。該傳感器采用高低溫循環(huán)監(jiān)測的方式，低溫監(jiān)測一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增加；高溫清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相應(yīng)的輸出信號［9－10］。

2.3 主控芯片電路

系統(tǒng)采用 STM32F103系列單片機(jī)作為主控芯片［11］。該系列芯片采用ARM公司研發(fā)的Cortex-M3內(nèi)核，性能強(qiáng)勁，支持龐大的程序設(shè)計(jì)；功耗低，降低系統(tǒng)的靜態(tài)損耗；實(shí)時(shí)性好，能極速響應(yīng)中斷，而且響應(yīng)中斷所需的周期數(shù)是確定的；使用更方便。由于現(xiàn)在從8位/16位處理器轉(zhuǎn)到32位處理器的趨勢越來越明顯，所以更簡單的編程模型和更透徹的調(diào)試系統(tǒng)提高了開發(fā)人員的工作效率。該系列單片機(jī)的外設(shè)豐富，其中，1μs的雙12位ADC、4 Mbit/s的UART、18 Mbit/s的SPI、18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度對本系統(tǒng)性能的提高起到至關(guān)重要的作用。

主控芯片電路主要包括復(fù)位電路、時(shí)鐘發(fā)生電路、J-LINK仿真器連接接口電路以及輸入濾波電路。在芯片的電源引腳與地腳之間接入一個(gè)0.1μF的陶瓷電容，可以有效地濾除電源引入的紋波。

2.4 GSM無線模塊

GSM采用創(chuàng)思通信基于華為GTM900C的GSM無線模塊。華為GTM900C無線模塊是一款三頻段GSM/GPRS無線模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案。GTM900C通過UART接口與外部CPU通信，主要實(shí)現(xiàn)無線發(fā)送和接收、基帶處理等功能，能方便地將空氣監(jiān)測情況發(fā)送到用戶平臺［12－13］。

3 最大功率追蹤算法（MPPT）

3.1 原理說明

太陽能光伏板的輸出功率P-V特性曲線如圖6所示。

圖6 太陽能板輸出功率特性Fig.6 Output power characteristics of the solar panel

由圖6可知，當(dāng)工作電壓小于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，光伏板輸出功率隨太陽能電池端電壓UPV上升而增加；當(dāng)太陽能電池工作電壓大于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，太陽能電池輸出功率隨輸出電壓上升而減少。最大功率追蹤（MPPT）實(shí)現(xiàn)的實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)化過程，即通過控制太陽能光伏板端電壓，使太陽能電池在各種不同的日照和溫度環(huán)境下自行調(diào)整輸出最大功率。

3.2 最大功率追蹤算法設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用擾動(dòng)觀察法作為最大功率追蹤算法。它的基本原理是每個(gè)控制周期用一個(gè)固定的、較小步長的擾動(dòng)量改變光伏電池的電壓輸出，然后觀察系統(tǒng)輸出功率的變化以及方向，由此來判斷如何施加下一個(gè)擾動(dòng)量。這個(gè)方法經(jīng)常采用功率反饋的方式來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)采用傳感器采集系統(tǒng)的輸出電壓和電流，計(jì)算輸出功率。

在光伏電池P-V特性曲線峰值點(diǎn)附近，從左到右依次取A、B、C三個(gè)點(diǎn)，即UA和PA、UB和PB、UC和PC。它們分別對應(yīng)各點(diǎn)工作電壓和一個(gè)預(yù)先設(shè)定用于調(diào)整電壓步長的常量。然后判斷3點(diǎn)電壓值調(diào)整方向時(shí)可能出現(xiàn)的情形。

MPPT模式程序流程圖如圖7所示。

圖7 MPPT模式程序流程圖Fig.7 Flowchart of the MPPT algorithm

當(dāng)PA≥PB且PB≤PC時(shí)，對應(yīng)的實(shí)際情況為：系統(tǒng)硬件先檢測到PA≥PB，突然有云遮擋，隨后檢測到PB≤PC，表示日照強(qiáng)度快速變化的情形。算法中將該情況按照系統(tǒng)工作電壓不作改變的情形進(jìn)行處理，只對ΔU進(jìn)行微調(diào)，這樣系統(tǒng)不會跟隨日照的快速改變而盲目調(diào)整工作電壓，避免了系統(tǒng)過快振蕩，從而實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)跟蹤，等到日照恢復(fù)穩(wěn)定才開始下一輪檢測。在誤差允許范圍內(nèi)算法設(shè)置了一個(gè)閾值ε。當(dāng)步長ΔU連續(xù)微調(diào)后滿足ΔU＜ε時(shí)，表明此時(shí)的UB已經(jīng)非常接近Umax，程序控制認(rèn)為這時(shí)的UB就是Umax。這是系統(tǒng)跟蹤到輸出功率峰值點(diǎn)的判別條件。

4 試驗(yàn)測試

4.1 太陽能轉(zhuǎn)換效率測試

測試方法：利用一個(gè)可調(diào)數(shù)控電源模擬太陽能光伏電池，將一個(gè)20Ω、100W的線性可調(diào)電阻作為負(fù)載，用萬用表分別測量輸入電壓Uin、輸入電流Iin、輸出電壓Uout和輸出電流Iout，從而算出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 太陽能轉(zhuǎn)換效率的測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of the solar energy conversion efficiency

試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)節(jié)負(fù)載，使負(fù)載的阻值從大變小，系統(tǒng)效率先遞增后遞減，在恒壓模式與恒流模式之間切換時(shí)，系統(tǒng)效率最高。系統(tǒng)效率保持在85％以上，表明系統(tǒng)性能優(yōu)良。

4.2 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率測試

測試方法：利用一個(gè)可調(diào)數(shù)控電源模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將一個(gè)20Ω、100W的線性可調(diào)電阻作為負(fù)載，用萬用表分別測量輸入電壓Uin、輸入電流Iin、輸出電壓Uout和輸出電流Iout，從而算出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的測試數(shù)據(jù)Tab.2Test data of the w ind energy conversion efficiency

試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)節(jié)負(fù)載，使負(fù)載的阻值從大變小，系統(tǒng)效率先遞增后遞減，在恒壓模式與恒流模式之間切換時(shí)，系統(tǒng)效率最高。系統(tǒng)效率保持在70％以上，表明系統(tǒng)性能優(yōu)良。

4.3 空氣質(zhì)量檢測測試

測試方法：選取空氣質(zhì)量差異明顯的3個(gè)目標(biāo)測試場景，以代表3種類型的空氣質(zhì)量，分別為廣州市火爐山森林公園、廣州市匯景新城住宅區(qū)及廣州市天河客運(yùn)站。在每個(gè)場景每隔30 min采集一組數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣中顆粒物的含量。測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 空氣粒子數(shù)監(jiān)測測試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of the particle number monitored in air

試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同測試場景，由于空氣質(zhì)量影響因子的權(quán)重不同，空氣中顆粒物呈現(xiàn)明顯的區(qū)域特征，空氣質(zhì)量檢測模塊能較好地識別不同空氣質(zhì)量等級。

5 結(jié)束語

針對如今霧霾天氣持續(xù)、汽車尾氣污染日益嚴(yán)重等情況，本文設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。系統(tǒng)采用綠色能源供電，可移動(dòng)性強(qiáng)，操作簡單；能自動(dòng)在恒壓充電模式與恒流充電模式之間切換，尋找到最高效工作點(diǎn)。

從模擬測試得出的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到70％以上，設(shè)備性能優(yōu)良。對不同環(huán)境進(jìn)行采樣分析，可測量出粉塵、有害氣體的粒子濃度，進(jìn)而根據(jù)所得數(shù)據(jù)對所處環(huán)境進(jìn)行評估。與環(huán)保部所公布的數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，測試結(jié)果有較高的可靠性，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。

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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

廣東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練基金資助項(xiàng)目（編號：1056412126）。

修改稿收到日期：2013－10－14。

魏德仙（1962－），女，1989年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)模式識別與智能控制專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用、電氣自動(dòng)化的研究。