CN204043698U - 一种风光互补供能的农业环境无线传感器装置 - Google Patents
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Abstract
一种风光互补供能的农业环境无线传感器装置，包括用于采集农业环境数据的传感器，所述传感器与微控制器连接，所述微控制器与无线控制芯片连接，所述无线控制芯片与无线通讯天线连接，所述装置还包括风力发电机和光伏面板，所述风力发电机的交流输出端与整流电路连接，所述整流电路与风电变换电路连接，所述风电变换电路与蓄电池连接；所述光伏面板的直流输出端与光伏变换电路连接，所述光伏变换电路与蓄电池连接，所述蓄电池与所述微控制器连接，所述风电变换电路、光伏变换电路均与微控制器的电流检测端连接。本实用新型提供一种供电可靠、适用性良好的风光互补供能的农业环境无线传感器装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种农业环境无线传感器装置。
背景技术
农业环境的无线传感器装置，用于检测温度、湿度、二氧化碳、光照或风速风向，通常安装场所在野外，无法实现市电供电，通常选用蓄电池，但是蓄电池存在使用寿命较短的缺陷，存在的技术缺陷：供电时间较短、适应性较差。
发明内容
为了克服已有农业环境的无线传感器装置的供电时间较短、适用性较差的不足，本实用新型提供一种供电可靠、适用性良好的风光互补供能的农业环境无线传感器装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种风光互补供能的农业环境无线传感器装置，包括用于采集农业环境数据的传感器，所述传感器与微控制器连接，所述微控制器与无线控制芯片连接，所述无线控制芯片与无线通讯天线连接，所述装置还包括风力发电机和光伏面板，所述风力发电机的交流输出端与整流电路连接，所述整流电路与风电变换电路连接，所述风电变换电路与蓄电池连接；所述光伏面板的直流输出端与光伏变换电路连接，所述光伏变换电路与蓄电池连接，所述蓄电池与所述微控制器连接，所述风电变换电路、光伏变换电路均与微控制器的电流检测端连接。
作为优选的一种方案：所述装置还包括卸载电路，所述卸载电路与蓄电池连接，所述卸载电路与微控制器的卸载控制端连接。
进一步，所述蓄电池为锂电池。当然，也可以为其他类型蓄电池。所述卸载电路包括并联模块和放电电阻，所述并联模块包括相互并联风扇、电热丝电路和短路支路，所述风扇、电热丝电路和短路支路上分别串联MOS管开关，所述并联模块与放电电阻串联。
本实用新型的有益效果主要表现在：供电可靠、适用性良好。
附图说明
图1是风光互补供能的农业环境无线传感器装置。
图2是一种卸载电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
参照图1和图2，一种风光互补供能的农业环境无线传感器装置，包括用于采集农业环境数据的传感器，所述传感器与微控制器连接，所述微控制器与无线控制芯片连接，所述无线控制芯片与无线通讯天线连接，所述装置还包括风力发电机和光伏面板，所述风力发电机的交流输出端与整流电路连接，所述整流电路与风电变换电路连接，所述风电变换电路与蓄电池连接；所述光伏面板的直流输出端与光伏变换电路连接，所述光伏变换电路与蓄电池连接，所述蓄电池与所述微控制器连接，所述风电变换电路、光伏变换电路均与微控制器的电流检测端连接。
作为优选的一种方案：所述装置还包括卸载电路，所述卸载电路与蓄电池连接，所述卸载电路与微控制器的卸载控制端连接。
进一步，所述蓄电池为锂电池。当然，也可以为其他类型蓄电池。
所述卸载电路包括并联模块和放电电阻，所述并联模块包括相互并联风扇、电热丝电路和短路支路，所述风扇、电热丝电路和短路支 路上分别串联MOS管开关，所述并联模块与放电电阻串联。
本实施例中，风力发电机输出电压随风速变化，选择升降压式(Buck-Boost)变换器；太阳能电池板最大功率跟踪可根据锂电池端的直流电压采用降压式Buck直流变换器。采用脉宽调制(PWM)方式控制场效应管开关方式实现直流变换电路的升压或降压，实现对锂电池的充电。并且通过PWM控制卸载电路的场效应管(MOS)开关方式，以电阻发热的形式卸载掉多余的能量。微控制器根据锂电池实时电量状态信息、风机发电功率和光伏发电功率状态信息，根据PID算法实现对锂电池充电或卸载电能。通过PID算法可得到卸载电路、锂电池充放电路、光伏电池降压式Buck直流变换器和光伏发电升降压式(Buck-Boost)变换器的PWM脉冲频率，以实现风光互补功能的有效充放电和卸载，提高锂电池的寿命。
由于风力发电与光伏发电受气候条件波动较大，而对于本实用新型所需较小锂电池容量，无需长时间、功率频繁变化且小功率输入给锂电池充电，大大降低锂电池的寿命。为提高锂电池的寿命，对锂电池充电的条件为光伏和风力发电的总功率较稳定和较大功率输入功率。
根据实时采集的风力发电直流母线电压和电流计算的功率，以及实时采集的光伏发电直流母线电压和电流计算的功率，进行多次较短时间采样取均值方法获得有效的一次采集值。并通过对多个采集值的比较，判断风力发电和光伏发电功率之和是否稳定，以及大于充电功率设定值。满足上述两个条件，且存在锂电池电量不足时，即可开始对锂电池进行上述方法进行充放电。在充电过程中，锂电池电量尚未完全充电完成时，风力发电和光伏发电功率之和是急剧下降，且总发 电功率小于充电功率设定值的时间大于充电间隔时间时，可停止对锂电池的充电。等待下一次满足充电条件，对锂电池充电。否则继续充电，直至充满锂电池。
采用PWM方式控制风机和太阳能电池对锂电池进行限流限压充电。当风机和太阳能总电流大于限流点时，以限流点的电流给锂电池充电。多余的能量通过PWM方式进行无级卸载。
在锂电池电量较高时，采用限压充电。也就是当锂电池电压低于限压点时，风机和太阳能的能量全部给蓄电池充电。当锂电池电压达到限压点时，风机和太阳能会以限压点对锂电池充电，多余的能量通过PWM方式进行无级卸载。可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点，而只是将多余的电能释放到卸荷上。从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用，并确保了蓄电池的使用寿命。
装置由微控制器、无线通讯模块、传感器模块、锂电池、发电风机、光伏面板和检测电压电流的霍尔传感器组成。主要进行模拟量采集以及GPRS数据传输。微控制器使用飞利浦LPC2138ARM7芯片，可输出PWM信号，以及可通过自带A/D转换器有效转化模拟状态信息。测量模拟量有：风速、风向、温湿度、太阳辐照、太阳电池电压、蓄电池电压、多晶硅太阳电池电流、、风机电流。风机可采用微风启动的小功率发电机。采用小功率单晶硅光伏面板，同时可为装置遮挡雨水和阳光。ARM控制器根据锂电池实时电量状态信息，根据PID算法，输出PWM波实现电路的升压降压对锂电池充电，或者卸载电能。
无线通讯模块可以采用GPRS模块。微控制器读入传感器数据信息后，将其组织成一定格式的报文，通过无线通讯模块就可以实现通 讯。远程上位机也可通过网关可对无线接口方式线修改输入输出量类型以及传感器的量程，以及无线通讯协议的设置。系统结构简单，成本低，易于扩展的优点。并可在整个无线网络上的任何位置根据实际使用情况对传感器进行在线控制、编程和组态。
集成无线通讯技术、嵌入式技术、风光发电技术和故障诊断技术，提出了风光发电互补发电供能，基于无线网络的传感器无缝接入技术，开发了具有相同网络接口的支持无线总线热插拔以及即插即用等扩展功能的农业环境专用温度、湿度、CO2、光照和风速风向传感器。
在高温高湿环境下传感器装置的防水防潮措施，采用树脂或硅胶灌封线路板，浸漆等工艺保证传感器装置在高温高湿下的性能稳定。
除了在电路板工艺上处理外，在解决高温高湿的环境传感器装置的有效性。可通过卸载电路上加风扇排风散热和电热丝加热除湿，以有效使用多余能量解决农业环境检测过程存在的高温和高湿问题，开阔农业环境传感器的应用范围。采用风扇和电热丝电路分别串联MOS管开关，并增加短路并联，与电阻直接串联，可实现风扇与电阻、电热丝和电阻，以及电阻单独工作的3种工作模式。
当采集到的传感器温度较高(大于32)和光伏发电功率较大(大于最大功率的70％)时，可采用可实现风扇与电阻方式卸载多余电量。当采集的湿度传感器湿度较大时(大于85％)，可采用电热丝和电阻方式卸载多余电量。其余时间可采用电阻单独工作通过PWM脉冲控制实现无极卸载。所有上述工作方式都只是在多余电量需求的情况下使用。
针对某些农业环境长时间高温高湿的特殊场合，可直接采用风扇与电阻方式和电热丝和电阻方式卸载多余电量，如图2所示。
当风速传感器采集的风速值与采集风力发电整流后的直流母线电压、电流值计算获得的风力发电机发电功率值不匹配，即风速与发电功率曲线相差较大时，控制器即可通过唤醒GPRS模块发送风速传感器、风力发电电机、风力发电电路和检测电压电流的霍尔传感器损害的故障报警信息。当采集的温度值长时间剧烈变化时，控制器即可通过唤醒GPRS模块发送传感器故障报警信息。
为了节约GPRS模块耗电量，GPRS模块不用时处于睡眠状态。所有采集到环境传感器信息、发电量和蓄电池状态信息都与存于控制器中的存储空间中。每天定时通过GPRS模块上传信息，也可通过远程唤醒实现数据的上传。可通过对控制器的设定，实现温度、湿度、风速和光照参数高于某设置值时，GPRS模块可在设置间隔上传实时数据，以方便对农业环境数据的警戒。
Claims (3)
1.一种风光互补供能的农业环境无线传感器装置，包括用于采集农业环境数据的传感器，所述传感器与微控制器连接，所述微控制器与无线控制芯片连接，所述无线控制芯片与无线通讯天线连接，其特征在于：所述装置还包括风力发电机和光伏面板，所述风力发电机的交流输出端与整流电路连接，所述整流电路与风电变换电路连接，所述风电变换电路与蓄电池连接；所述光伏面板的直流输出端与光伏变换电路连接，所述光伏变换电路与蓄电池连接，所述蓄电池与所述微控制器连接，所述风电变换电路、光伏变换电路均与微控制器的电流检测端连接；所述装置还包括卸载电路，所述卸载电路与蓄电池连接，所述卸载电路与微控制器的卸载控制端连接。
2.如权利要求1所述的风光互补供能的农业环境无线传感器装置，其特征在于：所述蓄电池为锂电池。
3.如权利要求1或2所述的风光互补供能的农业环境无线传感器装置，其特征在于：所述卸载电路包括并联模块和放电电阻，所述并联模块包括相互并联风扇、电热丝电路和短路支路，所述风扇、电热丝电路和短路支路上分别串联MOS管开关，所述并联模块与放电电阻串联。
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Cited By (2)
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| CN108631410A (zh) * | 2018-06-22 | 2018-10-09 | 河南森源电气股份有限公司 | 一种光伏发电单元自启动控制装置和一种供电系统 |
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