一種基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏節(jié)能空氣污染監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏節(jié)能空氣污染監(jiān)測系統(tǒng)。包括光伏供電模塊，采集太陽能并連接到空氣污染監(jiān)測模塊和無線物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊提供供電電源；包括空氣污染測量模塊，實時采集空氣中包括PM2.5、溫度、濕度、一氧化碳和臭氧濃度數(shù)據(jù)的空氣污染數(shù)據(jù)；包括無線傳輸模塊，將空氣污染測量模塊實時采集的空氣污染數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器；包括物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，對空氣污染數(shù)據(jù)進行分析處理并連接移動終端。本發(fā)明利用物聯(lián)網(wǎng)，體積小巧、使用靈活，集成多種功能，具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、節(jié)能環(huán)保、電路設(shè)計創(chuàng)新、可擴展性強、軟件設(shè)計靈活、傳感器模塊選取多元化、性價比高等多個特點。
【專利說明】
一種基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏節(jié)能空氣污染監(jiān)測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及了一種空氣檢測系統(tǒng)，尤其是涉及了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏節(jié)能空氣 污染監(jiān)測系統(tǒng)，可用于家庭和工廠的空氣質(zhì)量監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)的不斷進步，環(huán)境污染日益嚴重。其中空氣污染成為備 受人們關(guān)注的環(huán)境問題之一。隨著國家各種環(huán)境保護政策的制定及法規(guī)的頒布實施，各級 地方政府對轄區(qū)內(nèi)的環(huán)境治理日益重視，加大了環(huán)境監(jiān)測及應(yīng)急監(jiān)測的投資力度，各地區(qū) 陸續(xù)規(guī)劃安裝了大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測地面站。但監(jiān)測站只能測量本地區(qū)的平均空氣質(zhì)量，而 對于一些多點城市流動環(huán)境監(jiān)測、突發(fā)事件處理后的空氣質(zhì)量應(yīng)急監(jiān)測、重點污染企業(yè)的 不定期抽查等情況，還不能靈活地處理。而物聯(lián)網(wǎng)，簡而言之就是連接物品的網(wǎng)絡(luò)，它是互 聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴展和延伸。主要是利用各種傳感設(shè)備和通訊手段，將人與人、人與物、物與物， 與互聯(lián)網(wǎng)相連接，實現(xiàn)智能化的識別、定位、跟蹤、遠程監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。
[0003] 傳統(tǒng)的空氣污染監(jiān)測設(shè)備有著諸多缺點：一是體積大且笨重，不便維護；二是成 本高，一些昂貴的專業(yè)空氣污染監(jiān)測設(shè)備動輒上百萬，不方便廣泛的布點監(jiān)測；三是功率 高，耗電量大；四是監(jiān)測設(shè)備在測量時互相獨立，沒有很好的聯(lián)網(wǎng)手段，測量結(jié)果不能即時 反饋到網(wǎng)上；五是測量的數(shù)據(jù)難以即時處理，數(shù)據(jù)信息量少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏節(jié)能空氣污染監(jiān)測系 統(tǒng)，集外部光伏能量輸入、空氣污染物監(jiān)測及物聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)實時傳輸功能于一身，進行空氣 污染監(jiān)測。本發(fā)明可實時地告知人們周圍空氣污染情況，作出科學(xué)的評價，在滿足環(huán)境監(jiān)測 部門的特殊要求的同時，也給廣大百姓帶來切身利益，具有較高的社會價值和廣闊的應(yīng)用 前景。
[0005] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明系統(tǒng)由光伏供電模塊為整個系統(tǒng)提供必要的電能，達到節(jié)能的目的；并采 用傳感器采集空氣污染物相關(guān)數(shù)據(jù)，用單片機作為主控制器分析采集到的信號；還通過無 線通信將空氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)到計算機的上位機顯示界面，由計算機作為服務(wù)器自動實 時將數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺上，供用戶隨時查看。
[0007] 本發(fā)明的有益效果是：
[0008] 本發(fā)明利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為手段，是體積小巧、使用靈活的多功能空氣污染物監(jiān)測 系統(tǒng)，集成有外部光伏能量輸入、空氣污染物監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)實時傳輸、分析處理數(shù)據(jù) 并發(fā)布信息，具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、節(jié)能環(huán)保、電路設(shè)計創(chuàng)新、可擴展性強、軟件設(shè)計靈 活、傳感器模塊選取多元化、性價比高等多個特點。
[0009] 本發(fā)明可用于檢測室內(nèi)、工廠或其他地方的空氣質(zhì)量，不需要外接供電，具有較好 的免維護性和靈活性。本發(fā)明可實時地告知人們周圍空氣污染情況，作出科學(xué)的評價，具有 較高的社會價值和廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明整個系統(tǒng)的連接框圖。
[0011] 圖2是光伏供電模塊各部分原理關(guān)系圖。
[0012] 圖3是空氣污染測量模塊和無線傳輸模塊的信號流通和電路關(guān)系圖。
[0013] 圖4是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸示意圖。
[0014] 圖5是本發(fā)明旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的正視圖。
[0015] 圖6是本發(fā)明旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的側(cè)視圖。
[0016] 圖7是本發(fā)明旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的俯視圖。
[0017] 圖中：1、太陽能板，2、光敏電阻，3、固定板，4、支架，5、上舵機，6、底座，7、下舵機。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明包括：
[0020] 包括光伏供電模塊，采集太陽能并連接到空氣污染監(jiān)測模塊和無線物聯(lián)網(wǎng)傳輸模 塊提供供電電源；
[0021] 包括空氣污染測量模塊，實時采集空氣中包括PM2. 5、溫度、濕度、一氧化碳和臭氧 濃度數(shù)據(jù)的空氣污染數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，測量空氣中上述指標(biāo)的含量通過無線發(fā)送模塊發(fā)送出 去；
[0022] 包括無線傳輸模塊，將空氣污染測量模塊實時采集的空氣污染數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng) 服務(wù)器；
[0023] 包括物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，對空氣污染數(shù)據(jù)進行分析處理，并連接移動終端進行查看。
[0024] 還包括移動終端，通過互聯(lián)網(wǎng)連接物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器讀取物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器中的空氣污染 測量數(shù)據(jù)，可以為手機和計算機等。
[0025] 如圖2所示，上述光伏供電模塊包括光伏采集單片機、太陽能板1、光敏電阻2、光 強測量電路、升壓電路、蓄電池、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、舵機、舵機驅(qū)動電路、指示燈電路和按鍵電路。
[0026] 如圖5~7所示，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括固定板3、支架4和底座6,太陽能板1覆蓋裝在兩 塊位于同一水平面的固定板3上表面，兩塊固定板3之間安裝有用于檢測光強的光敏電阻 2,兩塊固定板3底部均與支架4鉸接，固定板3與支架4之間的鉸接軸連接上舵機5,支架 4與底座6鉸接，支架4與底座6之間的鉸接軸連接下舵機7 ;太陽能板1經(jīng)太陽能采集電 路與光伏采集單片機連接，光敏電阻2經(jīng)光強測量電路與光伏采集單片機連接，上舵機5、 下舵機7、舵機驅(qū)動電路、指示燈電路和按鍵電路均連接光伏采集單片機，蓄電池連接光伏 采集單片機作為光伏儲能。
[0027] 光伏供電模塊通過光敏電阻自動定位跟蹤太陽的位置，通過旋轉(zhuǎn)上舵機5、下舵機 7使得兩塊固定板3能正對太陽光線，達到太陽能采集最大化，為整個系統(tǒng)供電。
[0028] 如圖3和圖4所示，空氣污染測量模塊包括污染檢測單片機、一氧化碳傳感器、臭 氧傳感器、PM2. 5傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器，一氧化碳傳感器和臭氧傳感器經(jīng)模數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊連接到污染檢測單片機，PM2. 5傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器均連接到污染檢 測單片機。
[0029] 無線傳輸模塊包括兩個分別作為發(fā)送和接收的雙向無線模塊，污染檢測單片機經(jīng) 兩個雙向無線模塊的發(fā)送和接收連接到物聯(lián)網(wǎng)傳輸單片機，物聯(lián)網(wǎng)傳輸單片機連接計算 機，計算機經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)連接物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。
[0030] 如圖2所示，光伏供電模塊中，光強測量電路中的光敏電阻測量四個方向的光強 信號，并得到與光強成正比的電壓信號，發(fā)出的光強電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送到光伏 采集單片機。由光伏采集單片機發(fā)出跟蹤太陽光的舵機旋轉(zhuǎn)控制的脈寬調(diào)制（PWM)信號到 上舵機和下舵機，使得太陽能板旋轉(zhuǎn)到正對光源的位置，跟蹤電路采用了雙軸自跟蹤技術(shù)， 每1. 5小時調(diào)整太陽能板的位置，使得太陽能板面始終和陽光垂直。同時，光伏采集單片機 利用太陽能板端電壓、電流和蓄電池電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣值，結(jié)合最大功率點跟蹤方法，控 制最大功率點跟蹤電路工作，進一步提高太陽能轉(zhuǎn)化效率30 %~40 %。
[0031] 光伏供電模塊還內(nèi)置了 12V4. 5AH蓄電池。在太陽能充足時，太陽能板輸出的電能 量通過升壓電路輸入蓄電池，升壓電路由單片機控制，可實時改變控制參數(shù)，使得輸入的電 能量最大。在太陽能較為微弱時，由蓄電池為系統(tǒng)供電，保證了整個系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。具體 實施中，光伏采集單片機采用STC12C5A型號單片機，電源通過單片機最小系統(tǒng)板上的USB 接口對單片機和其他儀器設(shè)備供電。光敏電阻得到的電壓信號將經(jīng)過光伏檢測單片機處 理，輸出不同占空比的脈寬調(diào)制（PWM)信號，驅(qū)動兩個舵機旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。
[0032] 如圖3所示，空氣污染測量模塊中，一氧化碳傳感器和臭氧傳感器將得到空氣中 測量的一氧化碳、臭氧濃度經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入到污染檢測單片機。同時，PM2. 5 傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器將得到空氣中測量的PM2. 5濃度、溫度、濕度數(shù)據(jù)的數(shù)字 量，直接輸入到污染檢測單片機。臭氧傳感器采用MQ-131，其敏感電阻材料的電導(dǎo)率與氣 體濃度成反比，傳感器輸出與敏感電阻串聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)電阻上的模擬電壓。PM2. 5傳感器采用 DSM501，其輸出的脈寬調(diào)制（PffM)信號的占空比大小與PM2. 5濃度成反比。
[0033] 如圖3所示，本發(fā)明的無線傳輸模塊中，污染檢測單片機通過串行口連接無線發(fā) 送模塊，經(jīng)過發(fā)送的雙向無線模塊傳輸?shù)浇邮盏碾p向無線模塊。接收的雙向無線模塊由物 聯(lián)網(wǎng)傳輸單片機控制，對數(shù)據(jù)進行整理、打包，并且通過通用串行總線（USB)把數(shù)據(jù)發(fā)送到 計算機上。同時，計算機將對收到的數(shù)據(jù)進行分析。當(dāng)一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)改變很小時，將發(fā) 送反饋控制信號到單片機1，降低單片機從傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器讀數(shù)據(jù)的頻率。當(dāng)一段時間 內(nèi)的數(shù)據(jù)改變很大時，將發(fā)送反饋控制信號到污染檢測單片機，提高污染檢測單片機從傳 感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器讀數(shù)據(jù)的頻率。
[0034] 本發(fā)明的具體實施例及其過程如下：
[0035] 具體實施中，光伏采集單片機采用STC12C5A型號單片機，上、下舵機可采用 S3010。溫度傳感器采用DHT-11，通過串行接口輸出數(shù)字信號；濕度傳感器采用DS18B20,通 過串行接口輸出數(shù)字信號；污染檢測單片機可采用STC80C51單片機。一氧化碳傳感器采用 MQ-07，其敏感電阻材料的電導(dǎo)率與氣體濃度成正比。傳感器輸出與敏感電阻串聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)電 阻上的模擬電壓。和接收單片機采用STC80C51單片機，無線模塊采用NRF24L01無線收發(fā) 器芯片一對。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器可采用中國移動OneNet物聯(lián)網(wǎng)開放平臺中的服務(wù)器。
[0036] 在戶外太陽光照良好環(huán)境下，對本發(fā)明系統(tǒng)進行測試。在按下空氣污染監(jiān)測儀的 開關(guān)之后，光伏節(jié)能模塊開始運轉(zhuǎn)，舵機帶動太陽能電池板轉(zhuǎn)動到太陽光垂直入射位置。同 時，空氣污染監(jiān)測儀開始工作?？諝馕廴疚锏臐舛葦?shù)據(jù)由各個氣體傳感器采集之后，單片機 讀取A/D數(shù)據(jù)，經(jīng)無線模塊發(fā)送到上位機上，并由上位機進一步發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺上。
[0037] 計算機將無線傳輸模塊中接收單片機通過通用串行總線（USB)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送 到中國移動OneNet物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。物聯(lián)網(wǎng)平臺在后臺對數(shù)據(jù)進行深入處理并發(fā)布到互 聯(lián)網(wǎng)上。任何可以訪問互聯(lián)網(wǎng)的移動終端，如個人電腦、平板電腦、手機都可登錄中國移動 OneNet物聯(lián)網(wǎng)開放平臺訪問空氣質(zhì)量檢測的數(shù)據(jù)。
[0038] 測試過程中記錄了 6組空氣中溫度、濕度的測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)精密儀表測得的真 實值計算了相對誤差。
[0039] 表1相對濕度
L0046」 以上六組數(shù)據(jù)分別在溫度、濕度相差較大的壞境卜測試得到。經(jīng)過對污染檢測早 片機的調(diào)試，污染檢測單片機接收的數(shù)據(jù)與上傳到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)一致，驗證了系 統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。根據(jù)測量的結(jié)果，本發(fā)明系統(tǒng)對溫度、濕度的測量精度較高，相對誤 差平均在5%以內(nèi)。偶有誤差較大的情況，可能與測試點環(huán)境的偶然變化相關(guān)。
[0047] 可見采用本發(fā)明系統(tǒng)將光伏節(jié)能、空氣污染檢測與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時傳 輸、分析處理數(shù)據(jù)并發(fā)布信息，準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，可用于檢測室內(nèi)、工廠或其他地方的空 氣質(zhì)量，不需要外接供電，具有較好的免維護性和靈活性，具有廣闊的前景和突出顯著的技 術(shù)效果。
【主權(quán)項】
1. 一種基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏節(jié)能空氣污染監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于： 包括光伏供電模塊，采集太陽能并連接到空氣污染監(jiān)測模塊和無線物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊提 供供電電源； 包括空氣污染測量模塊，實時采集空氣中包括PM2. 5、溫度、濕度、一氧化碳和臭氧濃度 數(shù)據(jù)的空氣污染數(shù)據(jù)進行監(jiān)測； 包括無線傳輸模塊，將空氣污染測量模塊實時采集的空氣污染數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù) 器； 包括物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，對空氣污染數(shù)據(jù)進行分析處理，并發(fā)送到移動終端上查看。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏節(jié)能空氣污染監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在 于：所述的光伏供電模塊包括光伏采集單片機、太陽能板（1)、光敏電阻（2)、光強測量電 路、太陽能采集電路、蓄電池、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、舵機驅(qū)動電路、指示燈電路；旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括固定板 (3) 、支架（4)和底座（6)，太陽能板（1)覆蓋裝在兩塊位于同一水平面的固定板（3)上表面， 兩塊固定板（3)之間安裝有用于檢測光強的光敏電阻（2)，兩塊固定板（3)底部均與支架 (4) 鉸接，固定板（3)與支架（4)之間的鉸接軸連接上舵機（5)，支架（4)與底座（6)鉸接， 支架（4)與底座（6)之間的鉸接軸連接下舵機（7);太陽能板（1)經(jīng)太陽能采集電路與光伏 采集單片機連接，光敏電阻（2)經(jīng)光強測量電路與光伏采集單片機連接，上舵機（5)、下舵 機（7 )、舵機驅(qū)動電路、指示燈電路和按鍵電路均連接光伏采集單片機，蓄電池連接光伏采 集單片機作為光伏儲能。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏節(jié)能空氣污染監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在 于：所述的空氣污染測量模塊包括污染檢測單片機、一氧化碳傳感器、臭氧傳感器、PM2. 5 傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器，一氧化碳傳感器和臭氧傳感器經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接到 污染檢測單片機，PM2. 5傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器均連接到污染檢測單片機； 所述的無線傳輸模塊包括兩個分別作為發(fā)送和接收的雙向無線模塊，污染檢測單片機 經(jīng)兩個雙向無線模塊的發(fā)送和接收連接到物聯(lián)網(wǎng)傳輸單片機，物聯(lián)網(wǎng)傳輸單片機連接計算 機，計算機經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)連接物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏節(jié)能空氣污染監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在 于：還包括移動終端，通過互聯(lián)網(wǎng)連接物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器讀取物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器中的空氣污染測量 數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01D21/02GK105890657SQ201510251129
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年5月15日
【發(fā)明人】王昭, 張永池, 李海紅, 張潤洲, 鄧銀秋, 祁勝, 黃天璽, 李穗鵬, 周昊
【申請人】浙江大學(xué)