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摘要:設計一種設施農業(yè)種植中采用太陽能板供電的云平臺二氧化碳監(jiān)測設備,其電源使用清潔的太陽能源,同時減少現(xiàn)場布線施工,實現(xiàn)了云平臺二氧化碳數(shù)據(jù)采集,使監(jiān)測設備更加方便應用和普及。
關鍵詞:太陽能板;功耗;充電電路;升壓電路;二氧化碳;云平臺
植物的光合作用需要消耗二氧化碳,它能提高農作物的產量,增加果蔬類的糖分,提高農作物的抗病能力,同時還能縮短農作物的成熟周期,因此二氧化碳對農作物的生長起到重要作用,監(jiān)測二氧化碳濃度數(shù)據(jù)對溫室大棚農業(yè)生產具有重要意義。根據(jù)農業(yè)生產環(huán)境條件和設備安裝應用的需求,采用太陽能供電的二氧化碳監(jiān)測設備(下稱監(jiān)測設備)使用清潔能源,同時可減少現(xiàn)場布線施工的工作量,使監(jiān)測設備更加方便應用和普及。
1功能原理
監(jiān)測設備主要由兩大部分組成,分別是太陽能板供電系統(tǒng)和功能控制系統(tǒng),組成結構如圖1。功能控制系統(tǒng)主要由三部分組成,云平臺通信模塊,二氧化碳傳感器和其他功能模塊。其他功能模塊主要包括單片機,數(shù)據(jù)顯示液晶屏,存儲器和電源模塊等功能部件。
2功能控制系統(tǒng)的功耗計算
監(jiān)測設備采用太陽能板供電需要考慮功能控制系統(tǒng)的功耗??刂葡到y(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示液晶屏主要是在調試和巡檢監(jiān)測設備時使用,正常工作時是關閉的,因此基本不考慮它的功耗。監(jiān)測設備工作運行時分為工作模式和睡眠低功耗模式,進入睡眠低功耗模式時整機功耗小于0.001W,相對于工作模式狀態(tài)情況,睡眠低功耗可以忽略不計。工作模式是監(jiān)測設備定期從睡眠低功耗模式中喚醒進入工作狀態(tài),監(jiān)測二氧化碳數(shù)據(jù)和上報數(shù)據(jù),然后再次進入睡眠低功耗模式。工作狀態(tài)時,二氧化碳傳感器需要180秒的預熱,180秒預熱之后打開云平臺通信模塊進行云平臺數(shù)據(jù)上報通信,云平臺通信工作時間是10秒,合計一次工作時間為190秒。白天有日照時,植物進行光合作用,二氧化碳濃度變化比較大,夜間沒有光合作用,二氧化碳濃度變化比較小,因此將一天分2個時段,第一時段從5:30到19:30共14個小時,每10分鐘喚醒工作一次,第二時段從19:30到次日的5:30共10個小時,每60分鐘喚醒工作一次。這種分時段工作方式可以較為完整的檢測出環(huán)境參數(shù),又可以有效的控制功耗。云平臺通信模塊采用EMW3080模塊,平均功率小于0.4W,二氧化碳傳感器模塊最大功率小于0.5W,其他功能模塊實測功耗總和小于0.2W。功耗計算公式如下:依據(jù)公式(1)來計算監(jiān)測設備各功能模塊一天2個時段的功耗。云平臺通信模塊的日耗電量:根據(jù)上面計算電量,監(jiān)測設備采用工作面積為290mm*190mm,標稱功率為6W的太陽能板,考慮到陰雨天氣,實際日平均功率按1.5W(1/4額定功率)計算,每天工作6個小時能提供9Wh的電能,足夠監(jiān)測設備長期正常運行。
3監(jiān)測設備的設計
3.1太陽能板穩(wěn)壓輸出電路
太陽能板在不同光照強度下,電壓波動比較大,因此要求穩(wěn)壓輸出模塊具有較寬的輸入電壓范圍,其次轉換效率要能達到95%。監(jiān)測設備采用TD1410電源模塊,TD1410具有寬輸入電壓范圍,輸入直流電壓5~20V,最大輸出電流2A,轉換效率最高達95%。TD1410電源模塊電路參考圖如圖2。
3.2充電電路
以陰雨天氣光照強度為例,根據(jù)實際測量,6W的太陽能板在光照強度4000lux能提供0.3W的功率,如果按工作6小時計算,一天能提供1.8Wh的電量,監(jiān)測設備日耗電量為3.61Wh,差額1.81Wh。因此,監(jiān)測設備采用了3.7V10Ah的可充電三元鋰電池,該鋰電池能提供37Wh電量,補差額的1.81Wh,如果連續(xù)20天陰雨極端天氣,監(jiān)測設備仍可正常工作約20天。鋰電池的充電電路采用TP4056充電模塊。TP4056內部集成了功率MOSFET電路的降壓開關電源轉換器,具有較寬的電壓輸入范圍,能連續(xù)輸出2A電流,并集成了過熱關斷保護功能。TP4056充電模塊在關斷模式下,鋰電池會給充模塊反向供電,工作電流小于20μA,按鋰電池平均工作電壓3.9V計算功耗是0.000078W,這個指標實現(xiàn)了在沒有充電的情況下可以維持低功耗工作模式。同時監(jiān)測設備的單片機不斷檢測鋰電池電壓并控制充電狀態(tài),當電壓低于4V的時候,才開啟充電模式,防止電池反復充電,提高了電池壽命。TP4056充電模塊電路參考圖如圖3。
3.3二氧化碳傳感器監(jiān)測設備采用
MH_Z16二氧化碳傳感器,MH_Z16利用非色散紅外(NDIR)原理對空氣中存在的二氧化碳進行探測,具有很好的選擇性、無氧氣依賴性、壽命長內置溫度補償?shù)忍攸c。因為MH_Z16的工作電壓是5V,供電的鋰電池最高電壓是4.2V,需要應用BOOST升壓電路對供電電壓升壓。設計采用SX1308升壓電路模塊,SX1308是一顆BOOST芯片,輸入寬壓2V~24V,工作頻率為1.2MHz,輸出電壓最高可到28V,輸出電流可達2A,最高效率97%。升壓電路設計了單片機控制MOS管通斷,進而控制輸入電壓的通斷,達到控制升壓電路工作的目的,SX1308升壓電路參考圖如圖4。單片機通過UART串口和MH_Z16進行數(shù)據(jù)通信,讀取二氧化碳氣體濃度值和開啟/關閉自動校零功能。數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表1、表2所示。二氧化碳傳感器需要定期校準,監(jiān)測設備提供自動校準功能,監(jiān)測設備每運行半年時間至少校準一次,校準時選擇天氣晴朗的白天時候,將監(jiān)測設備放置在空曠通風場所啟動自動校準,持續(xù)20分鐘后監(jiān)測設備自動完成校準功能。在晴好天氣時大氣二氧化碳濃度(fractionalconcentrationofcarbondioxideinatmosphere)2018年公布約占0.04%,這個狀態(tài)可以作為校準的標準值。
3.4云平臺通信監(jiān)測設備使用
EMW3080模塊以WIFI通信方式接入阿里云平臺。在阿里云平臺注冊賬號并購買激活碼,通過模塊配置命令后即可上傳檢測到的數(shù)據(jù)信息,EMW3080模塊配置命令如表3所示。
4結束語
采用太陽能板供電的云平臺二氧化碳監(jiān)測設備的設計中通過分析太陽能板的功率選擇設計參數(shù),優(yōu)化監(jiān)測設備的性價比,應用各種電源電路,使監(jiān)測設備的性能更加優(yōu)越,通過二氧化碳傳感器的應用,實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的采集并解決了傳感器的校準問題,應用云平臺的數(shù)據(jù)傳輸,以及分時段的控制,使監(jiān)測設備實現(xiàn)了對清潔能源太陽能的有效利用,并降低監(jiān)測設備的安裝維護成本,同時具有云平臺自動數(shù)據(jù)采集功能。在實際應用中,具有較好的經濟價值。
參考文獻:
[1]吳卓葵,張文峰,曾濤.基于WiFi的溫室群環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].廣東農業(yè)科學,2014(10):189-193.
[2]林楚婷,王建.基于STM32與串/網(wǎng)口轉換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].電子技術與軟件工程,2019(15):76-77.
[3]楊振龍,張偉,李海柱,等.利用串口服務器構建設備本地總線系統(tǒng)[J].現(xiàn)代礦業(yè),2016(2):230-231.
作者:盧佳慧 夏濱 單位:福建省機械科學研究院