一種風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置制造方法
【專利摘要】一種風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置，包括用于采集農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器，所述傳感器與微控制器連接，所述微控制器與無線控制芯片連接，所述無線控制芯片與無線通訊天線連接，所述裝置還包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏面板，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的交流輸出端與整流電路連接，所述整流電路與風(fēng)電變換電路連接，所述風(fēng)電變換電路與蓄電池連接；所述光伏面板的直流輸出端與光伏變換電路連接，所述光伏變換電路與蓄電池連接，所述蓄電池與所述微控制器連接，所述風(fēng)電變換電路、光伏變換電路均與微控制器的電流檢測端連接。本實(shí)用新型提供一種供電可靠、適用性良好的風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置。
【專利說明】—種風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及一種農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]農(nóng)業(yè)環(huán)境的無線傳感器裝置，用于檢測溫度、濕度、二氧化碳、光照或風(fēng)速風(fēng)向，通常安裝場所在野外，無法實(shí)現(xiàn)市電供電，通常選用蓄電池，但是蓄電池存在使用壽命較短的缺陷，存在的技術(shù)缺陷:供電時(shí)間較短、適應(yīng)性較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服已有農(nóng)業(yè)環(huán)境的無線傳感器裝置的供電時(shí)間較短、適用性較差的不足，本實(shí)用新型提供一種供電可靠、適用性良好的風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置。
[0004]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0005]一種風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置，包括用于采集農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器，所述傳感器與微控制器連接，所述微控制器與無線控制芯片連接，所述無線控制芯片與無線通訊天線連接，所述裝置還包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏面板，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的交流輸出端與整流電路連接，所述整流電路與風(fēng)電變換電路連接，所述風(fēng)電變換電路與蓄電池連接；所述光伏面板的直流輸出端與光伏變換電路連接，所述光伏變換電路與蓄電池連接，所述蓄電池與所述微控制器連接，所述風(fēng)電變換電路、光伏變換電路均與微控制器的電流檢測端連接。
[0006]作為優(yōu)選的一種方案:所述裝置還包括卸載電路，所述卸載電路與蓄電池連接，所述卸載電路與微控制器的卸載控制端連接。
[0007]進(jìn)一步，所述蓄電池為鋰電池。當(dāng)然，也可以為其他類型蓄電池。所述卸載電路包括并聯(lián)模塊和放電電阻，所述并聯(lián)模塊包括相互并聯(lián)風(fēng)扇、電熱絲電路和短路支路，所述風(fēng)扇、電熱絲電路和短路支路上分別串聯(lián)MOS管開關(guān)，所述并聯(lián)模塊與放電電阻串聯(lián)。
[0008]本實(shí)用新型的有益效果主要表現(xiàn)在:供電可靠、適用性良好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置。
[0010]圖2是一種卸載電路的不意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
[0012]參照?qǐng)D1和圖2，一種風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置，包括用于采集農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器，所述傳感器與微控制器連接，所述微控制器與無線控制芯片連接，所述無線控制芯片與無線通訊天線連接，所述裝置還包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏面板，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的交流輸出端與整流電路連接，所述整流電路與風(fēng)電變換電路連接，所述風(fēng)電變換電路與蓄電池連接；所述光伏面板的直流輸出端與光伏變換電路連接，所述光伏變換電路與蓄電池連接，所述蓄電池與所述微控制器連接，所述風(fēng)電變換電路、光伏變換電路均與微控制器的電流檢測端連接。
[0013]作為優(yōu)選的一種方案:所述裝置還包括卸載電路，所述卸載電路與蓄電池連接，所述卸載電路與微控制器的卸載控制端連接。
[0014]進(jìn)一步，所述蓄電池為鋰電池。當(dāng)然，也可以為其他類型蓄電池。
[0015]所述卸載電路包括并聯(lián)模塊和放電電阻，所述并聯(lián)模塊包括相互并聯(lián)風(fēng)扇、電熱絲電路和短路支路，所述風(fēng)扇、電熱絲電路和短路支路上分別串聯(lián)MOS管開關(guān)，所述并聯(lián)模塊與放電電阻串聯(lián)。
[0016]本實(shí)施例中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓隨風(fēng)速變化，選擇升降壓式(Buck-Boost)變換器；太陽能電池板最大功率跟蹤可根據(jù)鋰電池端的直流電壓采用降壓式Buck直流變換器。采用脈寬調(diào)制(PWM)方式控制場效應(yīng)管開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)直流變換電路的升壓或降壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充電。并且通過PWM控制卸載電路的場效應(yīng)管(MOS)開關(guān)方式，以電阻發(fā)熱的形式卸載掉多余的能量。微控制器根據(jù)鋰電池實(shí)時(shí)電量狀態(tài)信息、風(fēng)機(jī)發(fā)電功率和光伏發(fā)電功率狀態(tài)信息，根據(jù)PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池充電或卸載電能。通過PID算法可得到卸載電路、鋰電池充放電路、光伏電池降壓式Buck直流變換器和光伏發(fā)電升降壓式(Buck-Boost)變換器的PWM脈沖頻率，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)功能的有效充放電和卸載，提高鋰電池的壽命。
[0017]由于風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電受氣候條件波動(dòng)較大，而對(duì)于本實(shí)用新型所需較小鋰電池容量，無需長時(shí)間、功率頻繁變化且小功率輸入給鋰電池充電，大大降低鋰電池的壽命。為提高鋰電池的壽命，對(duì)鋰電池充電的條件為光伏和風(fēng)力發(fā)電的總功率較穩(wěn)定和較大功率輸入功率。
[0018]根據(jù)實(shí)時(shí)采集的風(fēng)力發(fā)電直流母線電壓和電流計(jì)算的功率，以及實(shí)時(shí)采集的光伏發(fā)電直流母線電壓和電流計(jì)算的功率，進(jìn)行多次較短時(shí)間采樣取均值方法獲得有效的一次采集值。并通過對(duì)多個(gè)采集值的比較，判斷風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電功率之和是否穩(wěn)定，以及大于充電功率設(shè)定值。滿足上述兩個(gè)條件，且存在鋰電池電量不足時(shí)，即可開始對(duì)鋰電池進(jìn)行上述方法進(jìn)行充放電。在充電過程中，鋰電池電量尚未完全充電完成時(shí)，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電功率之和是急劇下降，且總發(fā)電功率小于充電功率設(shè)定值的時(shí)間大于充電間隔時(shí)間時(shí)，可停止對(duì)鋰電池的充電。等待下一次滿足充電條件，對(duì)鋰電池充電。否則繼續(xù)充電，直至充滿鋰電池。
[0019]采用PWM方式控制風(fēng)機(jī)和太陽能電池對(duì)鋰電池進(jìn)行限流限壓充電。當(dāng)風(fēng)機(jī)和太陽能總電流大于限流點(diǎn)時(shí)，以限流點(diǎn)的電流給鋰電池充電。多余的能量通過PWM方式進(jìn)行無級(jí)卸載。
[0020]在鋰電池電量較高時(shí)，采用限壓充電。也就是當(dāng)鋰電池電壓低于限壓點(diǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)和太陽能的能量全部給蓄電池充電。當(dāng)鋰電池電壓達(dá)到限壓點(diǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)和太陽能會(huì)以限壓點(diǎn)對(duì)鋰電池充電，多余的能量通過PWM方式進(jìn)行無級(jí)卸載?？纱_保蓄電池電壓始終穩(wěn)定在浮充電壓點(diǎn)，而只是將多余的電能釋放到卸荷上。從而保證了最佳的蓄電池充電特性，使得電能得到充分利用，并確保了蓄電池的使用壽命。
[0021]裝置由微控制器、無線通訊模塊、傳感器模塊、鋰電池、發(fā)電風(fēng)機(jī)、光伏面板和檢測電壓電流的霍爾傳感器組成。主要進(jìn)行模擬量采集以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸。微控制器使用飛利浦LPC2138ARM7芯片，可輸出PWM信號(hào)，以及可通過自帶A/D轉(zhuǎn)換器有效轉(zhuǎn)化模擬狀態(tài)信息。測量模擬量有:風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、太陽輻照、太陽電池電壓、蓄電池電壓、多晶硅太陽電池電流、、風(fēng)機(jī)電流。風(fēng)機(jī)可采用微風(fēng)啟動(dòng)的小功率發(fā)電機(jī)。采用小功率單晶硅光伏面板，同時(shí)可為裝置遮擋雨水和陽光。ARM控制器根據(jù)鋰電池實(shí)時(shí)電量狀態(tài)信息，根據(jù)PID算法，輸出PWM波實(shí)現(xiàn)電路的升壓降壓對(duì)鋰電池充電，或者卸載電能。
[0022]無線通訊模塊可以采用GPRS模塊。微控制器讀入傳感器數(shù)據(jù)信息后，將其組織成一定格式的報(bào)文，通過無線通訊模塊就可以實(shí)現(xiàn)通訊。遠(yuǎn)程上位機(jī)也可通過網(wǎng)關(guān)可對(duì)無線接口方式線修改輸入輸出量類型以及傳感器的量程，以及無線通訊協(xié)議的設(shè)置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。并可在整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)上的任何位置根據(jù)實(shí)際使用情況對(duì)傳感器進(jìn)行在線控制、編程和組態(tài)。
[0023]集成無線通訊技術(shù)、嵌入式技術(shù)、風(fēng)光發(fā)電技術(shù)和故障診斷技術(shù)，提出了風(fēng)光發(fā)電互補(bǔ)發(fā)電供能，基于無線網(wǎng)絡(luò)的傳感器無縫接入技術(shù)，開發(fā)了具有相同網(wǎng)絡(luò)接口的支持無線總線熱插拔以及即插即用等擴(kuò)展功能的農(nóng)業(yè)環(huán)境專用溫度、濕度、CO2、光照和風(fēng)速風(fēng)向傳感器。
[0024]在高溫高濕環(huán)境下傳感器裝置的防水防潮措施，采用樹脂或硅膠灌封線路板，浸漆等工藝保證傳感器裝置在高溫高濕下的性能穩(wěn)定。
[0025]除了在電路板工藝上處理外，在解決高溫高濕的環(huán)境傳感器裝置的有效性?？赏ㄟ^卸載電路上加風(fēng)扇排風(fēng)散熱和電熱絲加熱除濕，以有效使用多余能量解決農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測過程存在的高溫和高濕問題，開闊農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器的應(yīng)用范圍。采用風(fēng)扇和電熱絲電路分別串聯(lián)MOS管開關(guān)，并增加短路并聯(lián)，與電阻直接串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇與電阻、電熱絲和電阻，以及電阻單獨(dú)工作的3種工作模式。
[0026]當(dāng)采集到的傳感器溫度較高(大于32)和光伏發(fā)電功率較大(大于最大功率的70%)時(shí)，可采用可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇與電阻方式卸載多余電量。當(dāng)采集的濕度傳感器濕度較大時(shí)(大于85% )，可采用電熱絲和電阻方式卸載多余電量。其余時(shí)間可采用電阻單獨(dú)工作通過PWM脈沖控制實(shí)現(xiàn)無極卸載。所有上述工作方式都只是在多余電量需求的情況下使用。
[0027]針對(duì)某些農(nóng)業(yè)環(huán)境長時(shí)間高溫高濕的特殊場合，可直接采用風(fēng)扇與電阻方式和電熱絲和電阻方式卸載多余電量，如圖2所示。
[0028]當(dāng)風(fēng)速傳感器采集的風(fēng)速值與采集風(fēng)力發(fā)電整流后的直流母線電壓、電流值計(jì)算獲得的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率值不匹配，即風(fēng)速與發(fā)電功率曲線相差較大時(shí)，控制器即可通過喚醒GPRS模塊發(fā)送風(fēng)速傳感器、風(fēng)力發(fā)電電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電電路和檢測電壓電流的霍爾傳感器損害的故障報(bào)警信息。當(dāng)采集的溫度值長時(shí)間劇烈變化時(shí)，控制器即可通過喚醒GPRS模塊發(fā)送傳感器故障報(bào)警信息。
[0029]為了節(jié)約GPRS模塊耗電量，GPRS模塊不用時(shí)處于睡眠狀態(tài)。所有采集到環(huán)境傳感器信息、發(fā)電量和蓄電池狀態(tài)信息都與存于控制器中的存儲(chǔ)空間中。每天定時(shí)通過GPRS模塊上傳信息，也可通過遠(yuǎn)程喚醒實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳?？赏ㄟ^對(duì)控制器的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、風(fēng)速和光照參數(shù)高于某設(shè)置值時(shí)，GPRS模塊可在設(shè)置間隔上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以方便對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的警戒。
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置，包括用于采集農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器，所述傳感器與微控制器連接，所述微控制器與無線控制芯片連接，所述無線控制芯片與無線通訊天線連接，其特征在于:所述裝置還包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏面板，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的交流輸出端與整流電路連接，所述整流電路與風(fēng)電變換電路連接，所述風(fēng)電變換電路與蓄電池連接；所述光伏面板的直流輸出端與光伏變換電路連接，所述光伏變換電路與蓄電池連接，所述蓄電池與所述微控制器連接，所述風(fēng)電變換電路、光伏變換電路均與微控制器的電流檢測端連接；所述裝置還包括卸載電路，所述卸載電路與蓄電池連接，所述卸載電路與微控制器的卸載控制端連接。
2.如權(quán)利要求1所述的風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置，其特征在于:所述蓄電池為鋰電池。
3.如權(quán)利要求1或2所述的風(fēng)光互補(bǔ)供能的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線傳感器裝置，其特征在于:所述卸載電路包括并聯(lián)模塊和放電電阻，所述并聯(lián)模塊包括相互并聯(lián)風(fēng)扇、電熱絲電路和短路支路，所述風(fēng)扇、電熱絲電路和短路支路上分別串聯(lián)MOS管開關(guān)，所述并聯(lián)模塊與放電電阻串聯(lián)。
【文檔編號(hào)】H02J7/35GK204043698SQ201420271858
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】管海娃 申請(qǐng)人:溫州科技職業(yè)學(xué)院