太陽能高效發電與空氣質量監控系統的研究

張志通，于 媛

（1.北華航天工業學院 電子與控制工程學院，廊坊 065000；2.廊坊衛生職業學院，廊坊 065001）

由于我國中東部地區空氣質量不斷地惡化，陰霾天氣現象出現增多。首先，霧霾天氣使空氣能見度降低影響交通安全，致使交通事故頻發；其次，空氣霧霾成分含有毒有害物質，對人的呼吸道有害，吸入后引發呼吸道疾患、誘發心血管疾病，甚至會致死[1]。由于PM2.5顆粒物是空氣中霧霾主要成分，因此對PM2.5的監測與治理便顯得越來越重要。針對如何有效地做到節能減排、對可再生能源的高效利用和對霧霾天氣的實時監控，本文采用太陽能智能跟蹤系統、PM2.5顆粒物測量與GSM傳輸等相關技術對課題進行深入研究。

1 總體方案設計

課題結合單片機技術，根據用戶需求提出一種低成本、多功能的設計方案。首先，采用四象限探測器感測當前光源信號，通過單片機處理后根據各象限上能量分布的比例計算出目標的亮度中心位置，通過調整電機來控制太陽能電池板俯仰角和方位角，使太陽能電池板達到最佳位置，提高太陽能發電轉換效率對系統進行供電。

其次，由于ATmega32-16AU是一個高性能的低功耗8位CMOS微控制器、PDIP封裝的單片機，數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，因此采用此類型單片機可以緩減系統在數據采集和處理速度之間的矛盾。由灰塵傳感器DSM501和溫濕度傳感器AM2301分別測量空氣PM2.5和溫濕度值，通過單片機AT-mega32-16AU處理后傳送至液晶顯示器LCD12864進行顯示，4種顏色LED燈分別提示不同空氣質量狀態。系統可將多個監測站點的空氣質量監測數據通過SIM900模塊傳到中心站平臺，平臺處理后的監測數據及時通過云計算平臺傳輸至因特網，實現對京津冀地區的實時預警，監控系統如圖1所示。

圖1 四象限式太陽智能跟蹤與空氣顆粒物數值監控系統框圖Fig.1 Numerical monitoring system diagram of four quadrant type intelligent sun tracking and air particles

2 太陽能智能跟蹤發電系統設計

太陽能是一種可再生資源，通過對太陽能的有效利用可以減少常規能源消耗，更好地節約資源，保護環境。太陽能智能跟蹤發電系統通過以下方式實現最大程度光伏轉化：首先，目標光信號經過光學裝置后在四象限探測器上成像，當目標成像不在光軸上時，4個象限上輸出的信號幅度不相同，通過INA103前置放大器把4路信號進行放大，通過MAX7401濾波電路進行濾波，通過16位A/D轉換電路AD7656對4路模擬信號同時進行采樣，然后通過MSP430F133型單片機比較4個象限的輸出，即可確定光信號的方向[2]。

其次，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的；可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而調整俯仰步進電機、水平步進電機來控制太陽能電池板俯仰角和方位角，使太陽能電池板達到最佳位置。

最后，采用尺寸為0.3 m×0.3 m的多晶硅太陽能板采集太陽能，通過充電控制電路與保護裝置對鋰電池進行充電，電池在晚上或光照不足時可幾天內對整個裝置供電，裝置結構示意圖與裝置電路如圖2和圖3所示。

圖2 裝置結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the device structure

圖3 太陽能智能跟蹤裝置電路圖Fig.3 Circuit diagram of solar energy intelligent tracking device

3 硬件電路設計

3.1 檢測與信號處理設計

根據PM2.5顆粒物的特性，課題采用灰塵傳感器DSM501采集當前空氣中顆粒物含量。由于灰塵傳感器DSM501能夠靈敏檢測直徑1 μm以上的粒子，所以內置加熱器可實現智能吸入空氣的功能，可調電阻設置檢測灰塵的大小。傳感器DSM501以30 s為周期檢測單位體積粒子的絕對個數，通過PWM脈寬調制傳送至單片機P1.7口[3]。

溫濕度傳感器AM2301是一款將數字采集技術和溫濕度傳感技術相結合的數字溫濕度傳感器，它在溫濕度檢測方面比DHT11傳感器具有更高的可靠性、穩定性。通過單片機程序指令，AM2301將檢測出的溫濕度信號輸送至單片機的P3.7口。

3.2 顯示部分

由于設計所顯示內容信息量大，本課題選擇具有液晶顯示信息量大、功耗低、體積小、重量輕、超薄等特點的LCD12864型液晶顯示屏作為實現顯示功能的元件。使用光學灰塵傳感器DSM501、溫濕度傳感器AM2301對當前空氣中的PM2.5值和溫濕度進行檢測，分別將檢測數據通過ATMEGA32-16AU單片機P1.7和P3.7中端口輸送至ATMEGA32-16AU單片機中，單片機將處理后的數據通過引腳P0.0～P0.7和P2.0～P2.2輸送至LCD12864液晶顯示屏進行顯示PM2.5數值、波形和溫濕度值，通過端口P1.0～P1.3控制LED燈綠、藍、紅、白4種顏色分別顯示當前空氣質量良好、一般污染、中度污染和重度污染4種空氣質量狀態，如圖4所示。

圖4 系統電路連接圖Fig.4 Connection diagram of system circuit

3.3 通訊功能

目前市場上有關無線通信功能的傳輸系統類型很多，功能齊全，但是為了適應各種天氣環境，將空氣質量的監測數據準確地發送至處理中心，課題采用SIM900無線通信模塊來實現遠程傳輸功能。

SIM900模塊是一個以TC35i為核心的通訊模塊，主要應用在通訊領域，如移動電話、遠程數據監控、短信提醒發送、GPRS MODEN。根據課題要求，設計了可靠的外圍電路以及擴展了端口，使其通過串口通信方式與單片機進行連接。單片機通過P3.0、P3.1串口控制SIM900模塊執行命令，檢測出PM2.5與溫濕度數據通過SIM900模塊遠距離數據通信。

4 軟件設計與調試

4.1 軟件設計

課題采用德國 Keil Software公司開發的軟件編程系統Keil uVision3，通過C語言編程來實現太陽能智能跟蹤、溫濕度與PM2.5數值檢測、對SIM900模塊進行喚醒執行傳輸命令。

智能跟蹤發電系統是通過以下方式實現的：首先對單片機進行初始化，置CS=0，開啟AD7656，采集4個通道的采樣數據，并進行數據保存；置CS=1，關閉AD7656，然后處理從4個通道采集的經過放大器放大的信號，先判斷信號強度即判斷光強，如果光強過小，表明天氣不佳，無足夠日照，則開啟弱光強警報器發出警報，程序結束運行，若光強足夠大則計算光斑中心的偏移量，判斷是否有偏移，若無偏移則不進行調節，若有偏移則計算步進電機需要驅動的方向和步數，緊接著驅動相應的步進電機運轉，跟蹤流程如圖5所示。

圖5 太陽能智能跟蹤流程圖Fig.5 Flow chart of intelligent solar tracking

根據硬件電路的設計，溫濕度檢測通過以下步驟來實現：（1）打開整個系統進入初始化，程序檢查溫濕度傳感器是否響應，如果傳感器不響應則返回；（2）單片機讀取溫濕度數值并傳送至液晶顯示屏，如果采集的溫濕度數值正常，重復執行；（3）如果采集的溫濕度數值不正常，經過驅動報警，溫濕度檢測結束，程序流程如圖6所示。

圖6 溫度檢測軟件流程圖Fig.6 Flow chart of temperature detection software

對PM2.5顆粒物進行檢測時通過以下步驟來實現：（1）打開整個系統進入初始化并延時一段時間，由灰塵傳感器采集PM2.5顆粒物并記錄數值；（2）單片機處理器讀取PM2.5顆粒物數值并傳送至液晶顯示屏；（3）如果采集的PM2.5顆粒物數值正常，重復執行；（4）如果采集的PM2.5顆粒物數值不正常，則結束，程序流程如圖7所示。

圖7 PM2.5檢測模塊軟件流程圖Fig.7 Flow chart of PM2.5 detection module

對SIM900模塊通信通過以下步驟來實現：（1）打開整個系統進入初始化，并將SIM900模塊核心TC35i初始化；（2）通過命令檢測TC35i是否接收到外界發送過來的GSM或GPRS信息；（3）如果接收到命令，提取中心站平臺指令；（4）檢測提取信息是否合法，如果合法則進行相應指令回復，如果不合法則刪除信息。程序流程如圖8所示。

圖8 SIM900模塊通信流程圖Fig.8 Flow chart of SIM900 communications module

4.2 系統調試與校驗

整個系統還可以根據惠民工程需要[5]，通過多個方式對當前空氣質量進行監測來實現對京津冀地區的實時預警。首先，通過GPRS或GSM方式開啟SIM900模塊通信，將多個不同點的PM2.5檢測裝置監測的空氣質量數據上傳到中心站平臺，平臺處理后的監測數據及時通過移動網絡傳輸至云計算平臺或采用以太網技術與因特網相連接，用戶可以通過因特網進行實時查詢不同地點的空氣狀態，提醒人們注意當前環境中PM2.5濃度，提早做好防御準備。其次，多點監控數據可以通過無線收發模塊進行數據傳輸，通過顯示屏和LED燈進行顯示。再次，在手機監控方面，用戶通過使用SIM卡向多點數據處理中心發送不同監控地點的服務號碼的短信，進行相關的數據查詢，多種PM2.5監測模式如圖9所示。

圖9 幾種PM2.5監測模式Fig.9 Monitoring model of several PM2.5

5 結語

通過對各種環境下的產品可靠性與故障率檢測，改進相關設計參數，優化了設計結構，增強了太陽能智能跟蹤抗干擾性與智能化功能，提高了設備的壽命，實現了PM2.5與溫濕度遠程查詢與監控的功能[6]。為了有效保護發明創造成果，本項目已經申請了國家發明專利。專利技術的實施進一步推動成果的轉換，有利于產品在節能、環保和PM2.5檢測等方面的廣泛推廣和應用。

[1]劉宏斌.我國PM2.5的現狀與防治對策[J].湖北經濟學院學報：人文社會科學版，2012，9（10）：20-21.

[2]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機[Z].數據手冊，2010.

[3]潘政華.淺論甲醛對人體健康的影響及治理措施[J].現代農業，2011（4）：110-111.

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

[5]潘純珍，陳剛才，楊清玲，等.重慶市地區道路PM10/PM2.5濃度分布特征研究[J].西南農業大學學報：自然科學版，2004，26（5）：57-60.

[6]成亞男.電子醫療遠程監測系統的需求分析與設計[D].山東：山東大學，2009.