一种光伏能量高效利用的网格化微型空气质量监测站的制作方法

本实用新型属于空气质量监测领域，更具体的说，涉及一种光伏能量高效利用的网格化微型空气质量监测站。

背景技术：

当前，从中央至各个地方都在与大气污染进行一场蓝天保卫战，打赢蓝天保卫战，事关满足人民日益增长的美好生活需要。空气质量监测是大气环境治理的基础，为大气污染防治提供了决策依据。

传统的空气质量监测设备大多采用市电供电，在进行设备安装布点时，需要人工现场布线，增加安装难度。即使采用光伏供电的设备能够避免现场再次布线，但其光伏能量利用效率也不高；且其光伏电池板与设备通常都是独立的，需要专门的支架安装电池板，需要定制化的立杆安装整套系统，还需要为光伏电池板与设备支架布线，不仅操作繁琐，也增加了整个系统的占用空间体积。

经检索，中国专利申请号为201610096996.x的申请案公开了一种太阳能供电的空气质量监测装置及其控制方法，该申请案的空气质量监测装置包括太阳能供电模块、数据采集处理模块、主控制器模块和显示模块；所述主控制模块实现对空气质量数据的采集、时钟信息的处理以及蓝牙无线通信管理；所述主控制器模块通过hc05蓝牙模块与显示模块交换数据。该申请案虽然采用了太阳能供电，但该申请案的显示模块由led点阵显示板、控制芯片、蓝牙通信模块和wifi无线模块组成，功耗大；且该申请案太阳能利用效率却较低，限制了该空气质量监测装置的使用。

技术实现要素：

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于解决现有光伏供电设备的光伏能量利用率低的问题，提供了一种光伏能量高效利用的网格化微型空气质量监测站。本实用新型通过电源模块对光伏电池板的能量进行控制及分配，从而有效地提高了光伏能量的利用效率，节能环保；且将光伏电池板与监测站本体安装在一起，通过光伏电池板独立供电，无需现场布线，其占用空间小，安装方便，且其模块化设计还易于维护。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种光伏能量高效利用的网格化微型空气质量监测站，包括光伏电池板和电源模块，所述电源模块包括锂电池、升压变换电路模块和降压变换电路模块，降压变换电路模块将光伏电池板的直流电能进行降压给锂电池充电和负载供电，该降压变换电路模块内部设置分压电阻，该分压电阻能够设置光伏电池板最大功率点电压，以使光伏电池板以最大功率输出；所述升压变换电路模块将光伏电池板降压后的电压和锂电池电压进行升压，为后端的负载提供电能。

更进一步的，所述降压变换电路模块的输入接口连接光伏电池板，其2个输出接口分别连接锂电池的输入接口和升压变换电路模块的输入接口；所述升压变换电路模块的输出接口与负载相连，其2个输入接口分别连接锂电池的输出接口和降压变换电路模块的输出接口；其中，所述降压变换电路模块包含buck主电路、控制器及采样电路，控制器通过采样电路采集光伏电压upv、分压电阻rcs的电流ipv以及输出电压udc，同时控制器控制mos管的通断。

更进一步的，所述降压变换电路模块包括芯片cn3791，芯片cn3791的端子1经电容c4连接光伏电池板的正极，端子3、4分别连接光敏二极管led1、led3后再通过电阻r5与光伏电池板的正极相连，端子5串联电阻r7、电容c9后接地；端子6经电阻r9后接地，同时经电阻r8接光伏电池板的正极；端子7、8之间并联电阻rcs1和rcs2后接锂电池正极；端子10与mos管q1的栅极相连，mos管q1的源极与光伏电池板的正极相连，mos管q1的漏极通过电感l2与端子8相连，且mos管q1的漏极与二极管d1的阴极相连，二极管d1的阳极接地。

更进一步的，所述的光伏电池板的输出端设置陶瓷气体放电管gdt1、gdt2；同时并联压敏电阻mov1、电容c7、电容c8；所述锂电池的输入端并联电容c5、电容c6；电阻r6一端接4.2v电源，另一端经光敏二极管led2接地。

更进一步的，所述的光伏电池板的输出端设置有保险丝f1，锂电池的输入端设置有保险丝f2。

更进一步的，所述升压变换电路模块选用升压芯片fp6277，其端子1、2均通过电感l1与4.2v电源相连，端子3直接连接4.2v电源，端子4通过电阻r3与4.2v电源相连，所述4.2v电源连接电容c1后接地；端子8接5v电源，并连接负载，端子5、6之间接有电阻r4，端子6、8之间接有电阻r2，且电容c2和电容c3并联于端子5、8之间，端子7通过电阻r1接地。

更进一步的，所述监测站还包括箱体，所述箱体正面为倾斜的的斜面壳体，所述光伏电池板固定安装在斜面壳体上，所述斜面壳体上还开有进线孔，进线孔内安装有橡胶圈，光伏电池板线缆通过其背面的斜面壳体上的进线孔进入箱体内与电源模块相连。

更进一步的，所述的监测站还包括无线通信模块、核心处理模块、检测模块，所述核心处理模块分别与无线通信模块、检测模块、电源模块电气连接；所述无线通信模块包含低功耗nb-iot通信模块和pcb天线，所述nb-iot通信模块与核心处理模块之间电气连接，所述nb-iot通信模块通过pcb天线与服务器之间无线连接。

更进一步的，所述箱体的底部壳体开有通风孔，通风孔上贴有一层防水透气膜，所述检测模块安装在箱体的底部。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本实用新型的一种光伏能量高效利用的网格化微型空气质量监测站，所述电源模块包括锂电池、升压变换电路模块和降压变换电路模块，利用电源模块对光伏电池板的能量进行控制及分配，减少光伏能量利用过程中的变换损耗环节，再结合最大功率点追踪，从而实现光伏能量的高效利用，有效提高了光伏能量的利用效率，节能环保。

(2)本实用新型的一种光伏能量高效利用的网格化微型空气质量监测站，通过降压变换电路模块内的分压电阻设置光伏电池板最大功率点电压，以使光伏电池板以最大功率输出能量，提高了光伏mppt效率；且本实用新型的电源模块还可以根据光照条件选择性采用光伏能量或锂电池为负载供电，光照好的情况下还可利用光伏能量为锂电池充电，避免了监测站出现断电情况。

(3)本实用新型的一种光伏能量高效利用的网格化微型空气质量监测站，所述光伏电池板固定安装在箱体的斜面壳体上，通过采用一体化装配，将光伏电池板与监测站本体安装在一起，并将其微型化，从而降低了占用空间，无需设置专门的支架安装电池板，也无需定制化立杆安装，便于在现有的立杆进行安装，节省成本；且由光伏电池板独立供电，无需现场再次布线，减少了施工难度和时间。

(4)本实用新型的一种光伏能量高效利用的网格化微型空气质量监测站，还包括检测模块、核心处理模块和无线通信模块，通过采用了模块化设计，任意模块损坏后可直接替换，易于维护。且无线通信模块包含低功耗nb-iot通信模块和pcb天线，其nb-iot通信模块为低功耗模块，减少电量的消耗，再配合使用10w以下的电池板，可满足系统长时间持续的电能需求。

附图说明

图1为本实用新型的光伏电池板的结构示意图；

图2为本实用新型的网格化微型空气质量监测站的模块示意图；

图3为本实用新型的电源模块的结构框图；

图4为本实用新型的降压变换电路模块示意图；

图5为本实用新型的降压变换电路模块的电路图；

图6为本实用新型的升压变换电路模块的电路图。

图中：1、光伏电池板；2、箱体；3、无线通信模块；4、核心处理模块；5、微处理器；6、检测模块；7、气体检测传感器；8、颗粒检测传感器；9、电源模块；10、锂电池；11、升压变换电路模块；12、降压变换电路模块；13、负载。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。

实施例1

本实施例的一种光伏能量高效利用的网格化微型空气质量监测站，包括光伏电池板1和电源模块9，所述光伏电池板1为整个监测站提供电源，所述电源模块9包括锂电池10和电源板，电源板上设有升压变换电路模块11和降压变换电路模块12，降压变换电路模块12将光伏电池板1的直流电能进行降压给锂电池10充电和负载13供电，该降压变换电路模块12内部设置分压电阻，该分压电阻能够设置光伏电池板最大功率点电压，以使光伏电池板1以最大功率输出；所述升压变换电路模块11将光伏电池板1降压后的电压和锂电池10电压进行升压，为后端的负载13提供电能。

具体的，如图3所示，所述锂电池10包含2个接口，其中一个输入接口连接到降压变换电路模块12的输出接口，用于给锂电池10充电，其另一个输出接口连接到升压变换电路模块11的输入接口，用于给负载13供电；所述锂电池10的额定电压为3.7v，作为备用电源，在没有光照或光照不充足的情况下，锂电池10为监测站提供电能。所述降压变换电路模块12包含3个接口，其中1个为输入接口，用于连接光伏电池板1，其另外2个为输出接口，分别连接锂电池10的输入接口和升压变换电路模块11的输入接口；降压变换电路模块12将光伏电池板1的直流电能进行降压到4.2v，给锂电池10充电和负载13供电。所述升压变换电路模块11包含3个接口，其中1个为输出接口，用于连接负载13，其另外2个为输入接口，分别连接锂电池10的输出接口和降压变换电路模块12的输出接口；升压变换电路模块11将光伏电池板1降压后的电压和锂电池10电压进行升压到5v，为后端的负载13提供电能。

如图4所示，所述降压变换电路模块12包含buck主电路、控制器及采样电路，upv为光伏电压采样，用于设定最大功率点电压；ipv为通过差分采样电路采样流过分压电阻rcs的电流，用于限流和过流保护；udc为输出电压采样，用于将输出电压控制在4.2v；控制器通过采样电路采集光伏电压upv、分压电阻rcs的电流ipv以及输出电压udc，同时控制器控制mos管的通断，此电路模块可以将光伏电池板1电压维持在最大功率点处电压，从而实现光伏能量的最大化利用。如图5所示，所述降压变换电路模块12包括芯片cn3791，芯片cn3791为锂电池充电管理芯片，芯片cn3791的端子1经电容c4连接光伏电池板1的正极；端子2接地；端子3、4分别连接光敏二极管led1、led3后再通过电阻r5与光伏电池板1的正极相连，光伏电池板1的负极接地；端子5串联电阻r7、电容c9后接地；端子6经电阻r9后接地，同时经电阻r8接光伏电池板1的正极；端子7、8之间并联电阻rcs1和rcs2后接锂电池10正极，锂电池10负极接地；端子9接光伏电池板1的正极；端子10与mos管q1的栅极相连，mos管q1的源极与光伏电池板1的正极相连，mos管q1的漏极通过电感l2与端子8相连，且mos管q1的漏极与二极管d1的阴极相连，二极管d1的阳极接地。所述的光伏电池板1的输出端设置陶瓷气体放电管gdt1、gdt2，同时并联压敏电阻mov1、电容c7、电容c8；光伏电池板1的输出端还设置有保险丝f1；所述锂电池10的输入端并联电容c5、电容c6；电阻r6一端接4.2v电源，同时连接锂电池10正极，另一端经光敏二极管led2接地；锂电池10的输入端还设置有保险丝f2。

如图6所示，所述升压变换电路模块11选用升压芯片fp6277，其端子1、2均通过电感l1与4.2v电源相连，端子3直接连接4.2v电源，端子4通过电阻r3与4.2v电源相连，所述4.2v电源连接电容c1后接地；端子5接地，端子8接5v电源，并连接负载13；端子5、6之间接有电阻r4，端子6、8之间接有电阻r2，且电容c2和电容c3并联于端子5、8之间，端子7通过电阻r1接地。

所述空气质量监测站的光伏能量高效利用是由电源模块9来实现，利用电源模块9对光伏电池板1的能量进行控制及分配，从而实现光伏能量的高效利用，其具体实现方式为：

(1)降压变换电路模块12内部的分压电阻可以设置光伏电池板最大功率点电压，以使光伏电池板1以最大功率输出能量，提高光伏mppt效率。

(2)在白天光照好的情况下，当光伏功率ppv>负载功率pload时，光伏能量会通过升压变换电路模块11优先给负载13供电，然后多余能量给锂电池10充电。

(3)在白天、阴雨天或光照不好的情况下，当光伏功率ppv<负载功率pload时，光伏能量会全部通过升压变换电路模块11优先给负载13供电，不经过锂电池10，减少能量变换环节，降低能量损耗，不够的能量由锂电池10通过升压变换电路模块11补充给负载13。

(4)在夜晚没有光照的情况下，当光伏功率ppv＝0时，全部由锂电池10通过升压变换电路模块11给负载13供电。本实用新型的电源模块还可以根据光照条件选择性采用光伏能量或锂电池10为负载13供电，光照好的情况下还可利用光伏能量为锂电池10充电，避免监测站出现断电情况。

因此，减少光伏能量利用过程中的变换损耗环节，再结合最大功率点追踪，实现光伏能量的高效利用，再结合低功耗的物联网通信技术，使用10w以下的电池板，即可满足系统长时间持续的电能需求。

实施例2

本实施例的一种光伏能量高效利用的网格化微型空气质量监测站，其基本同实施例1，其区别主要在于：所述空气质量监测站还包括箱体2。如图1所示，所述箱体2正面为具有一定角度倾斜的斜面壳体，所述光伏电池板1通过螺钉固定安装在斜面壳体上，通过光伏电池板1将太阳能转化为直流电能，为监测站提供电能。通过采用一体化装配，将光伏电池板1与监测站本体安装在一起，并将其微型化，从而降低了占用空间，无需设置专门的支架安装电池板，节省成本；且由光伏电池板1独立供电，无需现场再次布线，减少了施工难度和时间。该监测站安装时，装有光伏电池板1的斜面要正向南方，安装在不同纬度地方时，需要选用不同斜面角度的监测站，以使光伏发电量最大化。所述斜面壳体上还开有一个进线孔，进线孔内安装有一个橡胶圈，橡胶圈用于防水，所述光伏电池板1线缆通过其背面的斜面壳体上的进线孔进入箱体2内与电源模块9相连。光伏电池板1选用高效率的单晶硅电池板或薄膜电池板，以减小电池板的面积和重量；光伏电池板1的输出通过斜面壳体直接连接到电源模块9的光伏输入端。由于该空气质量监测站采用光伏一体化，且其体积小，可以直接安装在路灯杆、电线杆等现有立杆上面，不需要重新立杆和定制立杆。

如图2所示，所述的监测站还包括无线通信模块3、核心处理模块4、检测模块6，所述核心处理模块4分别与无线通信模块3、检测模块6、电源模块9电气连接(为体现光伏电池板1、电源模块9和锂电池10之间的供电关系，附图2中将锂电池10从电源模块9中拿出)，各模块均位于箱体2内，该监测站通过采用了模块化设计，任意模块损坏后可直接替换，易于维护。所述核心处理模块4通过铜螺柱安装在检测模块6上端，所述电源模块9安装在核心处理模块4上端，检测模块6、核心处理模块4与电源模块9之间采用双排排针对插连接。所述检测模块6安装在箱体2的底部，所述箱体2的底部壳体开有圆形通风孔，通风孔上还贴有一层防水透气膜，保护检测模块6内的传感器不受污染物、水和其它腐蚀性液体的影响，确保传感器测量精确、性能稳定。所述检测模块6包括气体检测传感器7和颗粒检测传感器8，检测模块6内部含有一个气体检测板，气体检测板上可以安装二氧化硫传感器、一氧化碳传感器、一氧化氮传感器、臭氧传感器、voc传感器和二氧化碳传感器这6种传感器中的一种或任意几种传感器，每种传感器的输出都有信号调理电路，对信号进行放大滤波等处理；所述颗粒检测传感器8可以检测空气中pm2.5和pm10含量，通过串口通信与核心处理模块4连接。

所述核心处理模块4包括微处理器5，核心处理模块4内部含有一个核心处理板，核心处理板通过排针和铜螺柱固定安装在检测模块6的气体检测板上，核心处理板包含stm32f407微处理器(此处微处理器5采用stm32f407微处理器)、存储电路、rs485通信电路、rs232通信电路、sim卡座电路和5v转3.3v电源电路等；stm32f407微处理器用于采集、计算、分析数据；rs485通信电路用于现场程序升级、数据查询、系统设置等；sim卡座电路用于安装sim卡，并对sim卡进行读写操作；存储电路用于存储采集数据；5v转3.3v电源电路为stm32f407微处理器、通信电路等提供3.3v电源。利用微处理器5对来自检测模块6的采集数据进行计算、分析等处理，然后通过串口发送给无线通信模块3。

所述无线通信模块3安装在电源模块9上面，无线通信模块3包含无线发射接收模块和pcb天线，所述无线发射接收模块为低功耗nb-iot(窄带物联网)通信模块，减少电量的消耗；所述nb-iot通信模块与核心处理模块4之间电气连接，所述nb-iot通信模块通过pcb天线与服务器之间无线连接，nb-iot通信模块将来自核心处理模块4的空气质量数据以无线方式通过物联网云发送至服务器，同时也可以以无线方式接收来自服务器的控制指令数据，并转发给核心处理模块4。

所述气体检测传感器7中每种传感器可以将空气中对应的污染气体浓度转换为模拟数据信号，模拟数据信号再经过信号调理电路，对信号进行放大滤波等处理。处理后的模拟数据信号送入核心处理模块4中的stm32f407微处理器的模拟接口，stm32f407微处理器将采集到的模拟信号转换为数字信号，stm32f407微处理器同时通过串口读取颗粒检测传感器8中的pm2.5和pm10含量数据，然后将pm2.5、pm10和各种污染气体含量数据打包通过串口发送给无线通信模块3，并将数据存储在存储器中。无线通信模块3中的nb-iot通信模块再将来自stm32f407微处理器的数据包以无线的方式通过pcb天线发射至周边电信运营商的基站，基站再将数据包上传至物联网云，数据包最后被发送到服务器，供pc端平台软件和手机app软件访问，以实现对空气质量的监测功能。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。