太陽能板供電二氧化碳監(jiān)測設(shè)備設(shè)計
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摘要：設(shè)計一種設(shè)施農(nóng)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(shè)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(shè)備更加方便應(yīng)用和普及。
關(guān)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(nóng)作物的產(chǎn)量，增加果蔬類的糖分，提高農(nóng)作物的抗病能力，同時還能縮短農(nóng)作物的成熟周期，因此二氧化碳對農(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境條件和設(shè)備安裝應(yīng)用的需求，采用太陽能供電的二氧化碳監(jiān)測設(shè)備（下稱監(jiān)測設(shè)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(shè)備更加方便應(yīng)用和普及。
1功能原理
監(jiān)測設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)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(diào)試和巡檢監(jiān)測設(shè)備時使用，正常工作時是關(guān)閉的，因此基本不考慮它的功耗。監(jiān)測設(shè)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(shè)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(yù)熱，180秒預(yù)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(shè)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(shè)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(shè)備長期正常運行。
3監(jiān)測設(shè)備的設(shè)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(zhuǎn)換效率要能達到95%。監(jiān)測設(shè)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(zhuǎn)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(shè)備日耗電量為3.61Wh，差額1.81Wh。因此，監(jiān)測設(shè)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(shè)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(nèi)部集成了功率MOSFET電路的降壓開關(guān)電源轉(zhuǎn)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(guān)斷保護功能。TP4056充電模塊在關(guān)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(shè)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(fù)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(shè)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(nèi)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(yīng)用BOOST升壓電路對供電電壓升壓。設(shè)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(shè)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(guān)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(shè)備提供自動校準功能，監(jiān)測設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(jié)束語
采用太陽能板供電的云平臺二氧化碳監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計中通過分析太陽能板的功率選擇設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化監(jiān)測設(shè)備的性價比，應(yīng)用各種電源電路，使監(jiān)測設(shè)備的性能更加優(yōu)越，通過二氧化碳傳感器的應(yīng)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(yīng)用云平臺的數(shù)據(jù)傳輸，以及分時段的控制，使監(jiān)測設(shè)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(shè)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(yīng)用中，具有較好的經(jīng)濟價值。
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作者：盧佳慧 夏濱 單位：福建省機械科學(xué)研究院
