風光互補供電的空氣質量監測系統設計

魏德仙 陳海聰 黃梓淳 侯耿鴻 魏煒峰

（華南農業大學工程學院，廣東 廣州 510642）

風光互補供電的空氣質量監測系統設計

魏德仙 陳海聰 黃梓淳 侯耿鴻 魏煒峰

（華南農業大學工程學院，廣東 廣州 510642）

針對我國空氣污染日益嚴重的現狀以及監測點分布不盡合理、覆蓋不全面等特點，重點研究了一種城市空氣質量監測系統。考慮到傳統供電系統受制于電網位置的缺點，以及提高系統電源穩定性與效率的需要，利用太陽能與風能互補發電，結合最大功率追蹤算法（MPPT）進行電源管理，并通過GSM實現與上位機的通信。試驗結果表明，系統的能量轉換效率保持在70％以上，空氣質量監測的結果有較高的準確性。

空氣質量 實時監測 風光互補 最大功率追蹤（MPPT） GSM通信

0 引言

隨著新能源發電技術的不斷進步，風光互補發電技術得到了越來越多的應用：博覽會場的場外照明或景觀點綴；海上導航系統的輔助電源等。而新空氣污染問題的頻發，使得公眾對空氣質量狀況的信息需求迅速增加，這對我國城市空氣質量監測網絡建設和設置提出新的要求。

本設計采用風光互補發電，結合最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）算法，將產生的電能存儲在蓄電池中，以綠色能源技術為空氣質量監測裝置供電，無需布設電纜、埋設管道，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行濃度檢測。最后，利用GSM模塊，將檢測結果發送至城市空氣監測系統中心站的上位機。上位機將遍布城市的監測節點的信息匯總處理后，可得出整個城市的空氣質量狀況。

1 系統設計

系統由風光互補供電模塊、可吸入顆粒物檢測模塊、有毒氣體檢測模塊、單片機模塊與GSM模塊組成。風光互補供電模塊可以最大限度地將太陽能和風能轉換成電能供給系統使用。可吸入顆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，經單片機數據處理之后，通過GSM模塊將數據發給主機和用戶。系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架圖Fig.1 The system framework

2 硬件設計

2.1 風光互補供電模塊

太陽能蓄能模塊以同步整流技術的Buck電路為電路主架構，組成太陽能的最大功率點追蹤（MPPT）及蓄電池的充放電管理電路，電路如圖2所示。STM32單片機提供PWM信號，IR2109半橋驅動芯片將PWM信號放大后驅動兩個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。利用高邊電流驅動芯片INA169以及電阻網絡，分別將蓄電池的充電電流以及充電電壓實時反饋給主控芯片的A/D接口。同時，結合爬坡法這一軟件算法，便可以實現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

風能蓄能模塊采用LM2596開關電壓調節芯片組成風能的最大功率點追蹤（MPPT）及蓄電池的充放電管理電路，電路如圖3所示。

STM32單片機提供D/A信號，信號經運算放大器放大后送入LM2596的Feedback引腳，從而達到控制輸出電壓電流的功能。利用高邊電流驅動芯片INA169以及電阻網絡，分別將蓄電池的充電電流以及充電電壓實時反饋給主控芯片的A/D接口。同時，結合爬坡法這一軟件算法，便可以控制風力發電機以最大功率給蓄電池充電［4－6］。

2.2 空氣質量監測模塊

空氣質量監測模塊由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行檢測。該傳感器采用光散射法原理［7］。光散射法是當光照射在空氣中懸浮的顆粒物上時產生散射光。在顆粒物性質一定的條件下，顆粒物的散射光強度與其質量濃度成正比。通過測量散射光強度，應用質量濃度轉換系數K值，即可求得顆粒物質量濃度。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、穩定性好、體積小、質量輕、無噪聲、操作簡便、安全可靠等優點。

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

該傳感器反應靈敏，測量準確度較高，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量，直接以一個模擬電壓量進行輸出。對比圖5所示的輸出電壓與可吸入顆粒物含量的對應曲線關系，利用STM32進行簡單的模數轉換和對應換算后，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率較低。當傳感器所處環境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增加，電導率的變化可轉換為與該氣體濃度相應的輸出信號。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監測的方式，低溫監測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增加；高溫清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相應的輸出信號［9－10］。

2.3 主控芯片電路

系統采用 STM32F103系列單片機作為主控芯片［11］。該系列芯片采用ARM公司研發的Cortex-M3內核，性能強勁，支持龐大的程序設計；功耗低，降低系統的靜態損耗；實時性好，能極速響應中斷，而且響應中斷所需的周期數是確定的；使用更方便。由于現在從8位/16位處理器轉到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試系統提高了開發人員的工作效率。該系列單片機的外設豐富，其中，1μs的雙12位ADC、4 Mbit/s的UART、18 Mbit/s的SPI、18MHz的I/O翻轉速度對本系統性能的提高起到至關重要的作用。

主控芯片電路主要包括復位電路、時鐘發生電路、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，支持標準的AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數據業務等功能，是高速數據傳輸等各種應用的理想解決方案。GTM900C通過UART接口與外部CPU通信，主要實現無線發送和接收、基帶處理等功能，能方便地將空氣監測情況發送到用戶平臺［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，當工作電壓小于最大功率點電壓Umax時，光伏板輸出功率隨太陽能電池端電壓UPV上升而增加；當太陽能電池工作電壓大于最大功率點電壓Umax時，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）實現的實質上是一個自尋優化過程，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境下自行調整輸出最大功率。

3.2 最大功率追蹤算法設計

本設計采用擾動觀察法作為最大功率追蹤算法。它的基本原理是每個控制周期用一個固定的、較小步長的擾動量改變光伏電池的電壓輸出，然后觀察系統輸出功率的變化以及方向，由此來判斷如何施加下一個擾動量。這個方法經常采用功率反饋的方式來實現，同時采用傳感器采集系統的輸出電壓和電流，計算輸出功率。

在光伏電池P-V特性曲線峰值點附近，從左到右依次取A、B、C三個點，即UA和PA、UB和PB、UC和PC。它們分別對應各點工作電壓和一個預先設定用于調整電壓步長的常量。然后判斷3點電壓值調整方向時可能出現的情形。

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PA≥PB且PB≤PC時，對應的實際情況為：系統硬件先檢測到PA≥PB，突然有云遮擋，隨后檢測到PB≤PC，表示日照強度快速變化的情形。算法中將該情況按照系統工作電壓不作改變的情形進行處理，只對ΔU進行微調，這樣系統不會跟隨日照的快速改變而盲目調整工作電壓，避免了系統過快振蕩，從而實現了平穩跟蹤，等到日照恢復穩定才開始下一輪檢測。在誤差允許范圍內算法設置了一個閾值ε。當步長ΔU連續微調后滿足ΔU＜ε時，表明此時的UB已經非常接近Umax，程序控制認為這時的UB就是Umax。這是系統跟蹤到輸出功率峰值點的判別條件。

4 試驗測試

4.1 太陽能轉換效率測試

測試方法：利用一個可調數控電源模擬太陽能光伏電池，將一個20Ω、100W的線性可調電阻作為負載，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，從而算出系統的轉換效率。測試數據如表1所示。

表1 太陽能轉換效率的測試數據Tab.1 Test data of the solar energy conversion efficiency

試驗結果表明，調節負載，使負載的阻值從大變小，系統效率先遞增后遞減，在恒壓模式與恒流模式之間切換時，系統效率最高。系統效率保持在85％以上，表明系統性能優良。

4.2 風能轉換效率測試

測試方法：利用一個可調數控電源模擬風力發電機，將一個20Ω、100W的線性可調電阻作為負載，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，從而算出系統的轉換效率。測試數據如表2所示。

表2 風能轉換效率的測試數據Tab.2Test data of the w ind energy conversion efficiency

試驗結果表明，調節負載，使負載的阻值從大變小，系統效率先遞增后遞減，在恒壓模式與恒流模式之間切換時，系統效率最高。系統效率保持在70％以上，表明系統性能優良。

4.3 空氣質量檢測測試

測試方法：選取空氣質量差異明顯的3個目標測試場景，以代表3種類型的空氣質量，分別為廣州市火爐山森林公園、廣州市匯景新城住宅區及廣州市天河客運站。在每個場景每隔30 min采集一組數據，實時監測空氣中顆粒物的含量。測試數據如表3所示。

表3 空氣粒子數監測測試數據Tab.3 Test data of the particle number monitored in air

試驗結果表明，在不同測試場景，由于空氣質量影響因子的權重不同，空氣中顆粒物呈現明顯的區域特征，空氣質量檢測模塊能較好地識別不同空氣質量等級。

5 結束語

針對如今霧霾天氣持續、汽車尾氣污染日益嚴重等情況，本文設計的空氣質量監測系統具有很大的現實意義。系統采用綠色能源供電，可移動性強，操作簡單；能自動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。

從模擬測試得出的數據可知，系統轉換效率達到70％以上，設備性能優良。對不同環境進行采樣分析，可測量出粉塵、有害氣體的粒子濃度，進而根據所得數據對所處環境進行評估。與環保部所公布的數據比較發現，測試結果有較高的可靠性，達到了實時監測的目的。

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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

廣東省大學生創新訓練基金資助項目（編號：1056412126）。

修改稿收到日期：2013－10－14。

魏德仙（1962－），女，1989年畢業于哈爾濱工業大學模式識別與智能控制專業，獲碩士學位，副教授；主要從事計算機應用、電氣自動化的研究。