太阳能板供电二氧化碳监测设备设计

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摘要：设计一种设施农业种植中采用太阳能板供电的云平台二氧化碳监测设备，其电源使用清洁的太阳能源，同时减少现场布线施工，实现了云平台二氧化碳数据采集，使监测设备更加方便应用和普及。

关键词：太阳能板；功耗；充电电路；升压电路；二氧化碳；云平台

植物的光合作用需要消耗二氧化碳，它能提高农作物的产量，增加果蔬类的糖分，提高农作物的抗病能力，同时还能缩短农作物的成熟周期，因此二氧化碳对农作物的生长起到重要作用，监测二氧化碳浓度数据对温室大棚农业生产具有重要意义。根据农业生产环境条件和设备安装应用的需求，采用太阳能供电的二氧化碳监测设备（下称监测设备）使用清洁能源，同时可减少现场布线施工的工作量，使监测设备更加方便应用和普及。

1功能原理

监测设备主要由两大部分组成，分别是太阳能板供电系统和功能控制系统，组成结构如图1。功能控制系统主要由三部分组成，云平台通信模块，二氧化碳传感器和其他功能模块。其他功能模块主要包括单片机，数据显示液晶屏，存储器和电源模块等功能部件。

2功能控制系统的功耗计算

监测设备采用太阳能板供电需要考虑功能控制系统的功耗。控制系统的数据显示液晶屏主要是在调试和巡检监测设备时使用，正常工作时是关闭的，因此基本不考虑它的功耗。监测设备工作运行时分为工作模式和睡眠低功耗模式，进入睡眠低功耗模式时整机功耗小于0.001W，相对于工作模式状态情况，睡眠低功耗可以忽略不计。工作模式是监测设备定期从睡眠低功耗模式中唤醒进入工作状态，监测二氧化碳数据和上报数据，然后再次进入睡眠低功耗模式。工作状态时，二氧化碳传感器需要180秒的预热，180秒预热之后打开云平台通信模块进行云平台数据上报通信，云平台通信工作时间是10秒，合计一次工作时间为190秒。白天有日照时，植物进行光合作用，二氧化碳浓度变化比较大，夜间没有光合作用，二氧化碳浓度变化比较小，因此将一天分2个时段，第一时段从5：30到19：30共14个小时，每10分钟唤醒工作一次，第二时段从19：30到次日的5：30共10个小时，每60分钟唤醒工作一次。这种分时段工作方式可以较为完整的检测出环境参数，又可以有效的控制功耗。云平台通信模块采用EMW3080模块，平均功率小于0.4W，二氧化碳传感器模块最大功率小于0.5W，其他功能模块实测功耗总和小于0.2W。功耗计算公式如下：依据公式（1）来计算监测设备各功能模块一天2个时段的功耗。云平台通信模块的日耗电量：根据上面计算电量，监测设备采用工作面积为290mm*190mm，标称功率为6W的太阳能板，考虑到阴雨天气，实际日平均功率按1.5W（1/4额定功率）计算，每天工作6个小时能提供9Wh的电能，足够监测设备长期正常运行。

3监测设备的设计

3.1太阳能板稳压输出电路

太阳能板在不同光照强度下，电压波动比较大，因此要求稳压输出模块具有较宽的输入电压范围，其次转换效率要能达到95%。监测设备采用TD1410电源模块，TD1410具有宽输入电压范围，输入直流电压5～20V，最大输出电流2A，转换效率最高达95%。TD1410电源模块电路参考图如图2。

3.2充电电路

以阴雨天气光照强度为例，根据实际测量，6W的太阳能板在光照强度4000lux能提供0.3W的功率，如果按工作6小时计算，一天能提供1.8Wh的电量，监测设备日耗电量为3.61Wh，差额1.81Wh。因此，监测设备采用了3.7V10Ah的可充电三元锂电池，该锂电池能提供37Wh电量，补差额的1.81Wh，如果连续20天阴雨极端天气，监测设备仍可正常工作约20天。锂电池的充电电路采用TP4056充电模块。TP4056内部集成了功率MOSFET电路的降压开关电源转换器，具有较宽的电压输入范围，能连续输出2A电流，并集成了过热关断保护功能。TP4056充电模块在关断模式下，锂电池会给充模块反向供电，工作电流小于20μA，按锂电池平均工作电压3.9V计算功耗是0.000078W，这个指标实现了在没有充电的情况下可以维持低功耗工作模式。同时监测设备的单片机不断检测锂电池电压并控制充电状态，当电压低于4V的时候，才开启充电模式，防止电池反复充电，提高了电池寿命。TP4056充电模块电路参考图如图3。

3.3二氧化碳传感器监测设备采用

MH_Z16二氧化碳传感器，MH_Z16利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的二氧化碳进行探测，具有很好的选择性、无氧气依赖性、寿命长内置温度补偿等特点。因为MH_Z16的工作电压是5V，供电的锂电池最高电压是4.2V，需要应用BOOST升压电路对供电电压升压。设计采用SX1308升压电路模块，SX1308是一颗BOOST芯片，输入宽压2V~24V，工作频率为1.2MHz，输出电压最高可到28V，输出电流可达2A，最高效率97%。升压电路设计了单片机控制MOS管通断，进而控制输入电压的通断，达到控制升压电路工作的目的，SX1308升压电路参考图如图4。单片机通过UART串口和MH_Z16进行数据通信，读取二氧化碳气体浓度值和开启/关闭自动校零功能。数据通信协议如表1、表2所示。二氧化碳传感器需要定期校准，监测设备提供自动校准功能，监测设备每运行半年时间至少校准一次，校准时选择天气晴朗的白天时候，将监测设备放置在空旷通风场所启动自动校准，持续20分钟后监测设备自动完成校准功能。在晴好天气时大气二氧化碳浓度（fractionalconcentrationofcarbondioxideinatmosphere）2018年公布约占0.04%，这个状态可以作为校准的标准值。

3.4云平台通信监测设备使用

EMW3080模块以WIFI通信方式接入阿里云平台。在阿里云平台注册账号并购买激活码，通过模块配置命令后即可上传检测到的数据信息，EMW3080模块配置命令如表3所示。

4结束语

采用太阳能板供电的云平台二氧化碳监测设备的设计中通过分析太阳能板的功率选择设计参数，优化监测设备的性价比，应用各种电源电路，使监测设备的性能更加优越，通过二氧化碳传感器的应用，实现了检测数据的采集并解决了传感器的校准问题，应用云平台的数据传输，以及分时段的控制，使监测设备实现了对清洁能源太阳能的有效利用，并降低监测设备的安装维护成本，同时具有云平台自动数据采集功能。在实际应用中，具有较好的经济价值。

参考文献：

[1]吴卓葵，张文峰，曾涛.基于WiFi的温室群环境多参数监测系统设计[J].广东农业科学，2014（10）：189-193.

[2]林楚婷，王建.基于STM32与串/网口转换器的数据采集系统设计[J].电子技术与软件工程，2019（15）：76-77.

[3]杨振龙，张伟，李海柱，等.利用串口服务器构建设备本地总线系统[J].现代矿业，2016（2）：230-231.

作者：卢佳慧 夏滨 单位：福建省机械科学研究院