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摘要：設計一種設施農業種植中采用太陽能板供電的云平臺二氧化碳監測設備，其電源使用清潔的太陽能源，同時減少現場布線施工，實現了云平臺二氧化碳數據采集，使監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，監測二氧化碳濃度數據對溫室大棚農業生產具有重要意義。根據農業生產環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測設備（下稱監測設備）使用清潔能源，同時可減少現場布線施工的工作量，使監測設備更加方便應用和普及。

1功能原理

監測設備主要由兩大部分組成，分別是太陽能板供電系統和功能控制系統，組成結構如圖1。功能控制系統主要由三部分組成，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，數據顯示液晶屏，存儲器和電源模塊等功能部件。

2功能控制系統的功耗計算

監測設備采用太陽能板供電需要考慮功能控制系統的功耗?？刂葡到y的數據顯示液晶屏主要是在調試和巡檢監測設備時使用，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情況，睡眠低功耗可以忽略不計。工作模式是監測設備定期從睡眠低功耗模式中喚醒進入工作狀態，監測二氧化碳數據和上報數據，然后再次進入睡眠低功耗模式。工作狀態時，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據上報通信，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境參數，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：依據公式（1）來計算監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：根據上面計算電量，監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，足夠監測設備長期正常運行。

3監測設備的設計

3.1太陽能板穩壓輸出電路

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，監測設備日耗電量為3.61Wh，差額1.81Wh。因此，監測設備采用了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20天陰雨極端天氣，監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，這個指標實現了在沒有充電的情況下可以維持低功耗工作模式。同時監測設備的單片機不斷檢測鋰電池電壓并控制充電狀態，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等特點。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進行數據通信，讀取二氧化碳氣體濃度值和開啟/關閉自動校零功能。數據通信協議如表1、表2所示。二氧化碳傳感器需要定期校準，監測設備提供自動校準功能，監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，將監測設備放置在空曠通風場所啟動自動校準，持續20分鐘后監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%，這個狀態可以作為校準的標準值。

3.4云平臺通信監測設備使用

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據信息，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測設備的設計中通過分析太陽能板的功率選擇設計參數，優化監測設備的性價比，應用各種電源電路，使監測設備的性能更加優越，通過二氧化碳傳感器的應用，實現了檢測數據的采集并解決了傳感器的校準問題，應用云平臺的數據傳輸，以及分時段的控制，使監測設備實現了對清潔能源太陽能的有效利用，并降低監測設備的安裝維護成本，同時具有云平臺自動數據采集功能。在實際應用中，具有較好的經濟價值。

參考文獻：

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作者：盧佳慧 夏濱 單位：福建省機械科學研究院