Optoelectronics 光电子, 2012, 2, 9-14 http://dx.doi.org/10.12677/oe.2012.22002 Published Online June 2012 (http://www.hanspub.org/journal/oe) Design and Realization of Solar-Powered Forest Fire-Proof and Alarm System Zhida W ang, Yo ngcheng Yu, Shuying Cheng School of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou Email: chengsying@yahoo.com.cn Received: Mar. 9th, 2011; revised: Mar. 29th, 2011; accepted: Apr. 16th, 2012 Abstract: In order to prevent forest fire, a solar-powered forest fire-proof and alarm system is designed and realized in this paper with the power supply furnished by the energy of the solar-powered battery, which is not only eliminating the trouble of replacing the power supply, but also obtaining the advantage of environmentally friendly approach and con- venience to install. When the solar cell module is charging the battery, the alarm will track the output voltage and cur- rent of the solar cell module to obtain the maximum power, thus, the battery could be fully charged with the fastest speed. The system takes STC12C4052AD as the main chip, and DC/DC converter circuit is designed. The smoke & temperature sensors are used to detect the fire, and it will be a high-decibel alarm. The fire-proof and alarm system can be applied in the forest with harsh terrain or areas where power line is hard to lay, and the system has practical and commercial value with low cost. Keywords: Solar Power; Forest Fire-Proof; Alarm; MPP; DC/DC 太阳能森林防火报警器的设计与实现 王志达,余永城,程树英 福州大学物理与信息工程学院,福州 Email: chengsying@yahoo.com.cn 收稿日期:2012 年3月9日;修回日期:2012 年3月29 日;录用日期:2012 年4月16 日 摘 要:本文以森林防火为应用背景,设计一个太阳能森林防火报警器。该报警器的电源来自于太阳能电池对 蓄电池的储能,不但省去更换电源的麻烦,而且环保、安装也方便。当太阳能电池板对蓄电池进行充电时,该 报警器能够对太阳能电池板的输出电压、输出电流进行跟踪,使其以最大功率点(MPP)输出,这样就可以以最快 的速度将蓄电池充满。系统以单片机 STC12C4052AD 为主控芯片,并设计 DC/DC 变换电路。利用烟雾传感器 和温度传感器进行火灾探测,实现高分贝报警功能。该项目可应用于森林地形恶劣,或者电力线难以施工区域 的防火报警,系统成本低廉,具有实用价值和市场商业价值。 关键词:太阳能;森林防火;报警器;MPP;DC/DC 1. 引言 近年来森林火灾频现,由火灾造成的人员伤亡也 随之增加,因此,森林火灾成为一个需要预防的重要 问题。然而森林中的许多地区地形险恶,条件恶劣, 造成架设电力线困难以及成本高等诸多问题加大了 深林防火的难度。太阳能作为一种清洁、高效和永不 衰竭的新能源,完全可以为深林防火所用。 本文介绍一种太阳能森林防火报警器的设计。由 于太阳能电池是一种非线性直流电源,且输出特性受 外界环境条件的影响很大[1],因此,该系统不采用太 阳能对蓄电池直接充电的传统方式,而是加入了恒压 法和扰动观察法相结合的算法对太阳能电池进行最 Copyright © 2012 Hanspub 9 太阳能森林防火报警器的设计与实现 大功率点跟踪(MPPT),它可使太阳能电池的输出功率 稳定在最大功率点附近,从而最大化地利用太阳能电 池的效率,这样就可以以最快的速度将蓄电池充满。 系统在供电足够的情况下,通过MQ-2 烟雾传感器和 DS18B20 温度传感器检测火灾的发生,进而在单片机 的控制下进行报警。该报警器的特色是使用太阳能为 系统供电,不但省去更换电源的麻烦,而且环保、无 污染,安装也方便。 2. 系统硬件设计 2.1. 系统电路结构 太阳能森林防火报警器的电路结构如图 1所示。 该系统以 STC12C4052AD为控制核心,通过 DC/DC 变换电路控制10 W太阳能板对 12 V蓄电池的充放 电。蓄电池的电压经 LM2576 开关电源电路降压至 5 V,对系统进行供电。若烟雾检测模块检测到烟雾, 或者温度检测模块检测到环境温度超过设定的阈值 时,MCU 产生中断,最后进行火灾报警。 2.2. DC/DC变换电路 DC/DC变换电路采用的是基于 IR2104 的同步 buck 电路[2],其电路原理图见图 2。该电路具备MPPT 跟踪功能,首先对太阳能电池板的输出电压和电流进 行采样,并计算出功率值,在MCU 智能控制下,调 节输入给IR2104 的PWM 波的占空比,控制MOS 管 的导通与截止比例,达到控制后级阻抗的目的。当后 级阻抗达到最佳阻抗时,太阳能电池板输出的功率为 最大功率[3]。 2.3. 火灾检测电路 当发生火灾时,会产生浓厚的烟雾并且周围的环 境温度会骤然上升。因此,必须对烟雾浓度和环境温 度进行检测,来判断是否发生了火灾。 1) 烟雾检测采用的是 MQ-2气体传感器。当所处 环境中存在可燃气体时,烟雾传感器的电导率随空气 中可燃气体浓度的增加而增大。MQ-2气体传感器具 有在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度、 寿命长、成本低的特点。系统中的MQ-2 气体传感器 主要检测的是 CO气体,当森林火灾发生时,树木的 燃烧不完全,将产生 CO 气体,CO 气体浓度增加时, Figure 1. Circuit structure of alarm 图1. 系统电路结构 +C21 560uF Q1 IRFZ46 Q2 IRFZ 46 R4 10 R5 10 D1 FR207 D2 FR207 L1 330uH C5 0.47uF D3 1N4007 + C6 470uF +12V Solar F1 1A Bty 12V F2 Comment: 1A D4 1N5819 VCC IN SD COM VB HO VS LO IR2104 PWM SD R1 33K R2 10K R3 0.47 So_Vo +12V C2 104 RS+ VCC NC GND OUT NC NC RS- MAX4080 C3104 +5V So_Cu C1 47 C4 Comment: 47 R6 33K Ba _ Vo R7 10K C19 47 Figure 2. Synchronous buck circuit based on IR2104 图2. 基于 IR2104 的同步 buck 电路 Copyright © 2012 Hanspub 10 太阳能森林防火报警器的设计与实现 MQ-2 气体传感器阻值将下降。因此,可以通过电压 比较器检测 MQ-2 气体传感器阻值是否降低到一定阈 值来判断是否发生森林火灾,烟雾检测电路如图 3所 示。 2) 温度检测采用的是 DS18B20 数字温度传感 器。它具有一线总线的特点,体积小、抗干扰能力强, 精度可达±0.5℃。当深林火灾发生时,系统周围的环 境温度上升很快,这时DS18B20 检测到的温度值不 断增大,当温度值超过设定的阈值时,通过单片机控 制报警,DS18B20 检测电路如图4所示。 2.4. 降压供电 对于降压方案提出以下两种:线性降压、开关电 源降压。线性降压消耗的功率大,在太阳能的应用系 统中应尽量降低功耗,所以不宜采用。而开关电源降 压具有功耗小、稳定等特点,非常适合用于太阳能系 统中。因此本系统采用的是开关电源降压方案。 在开关电源降压中,考虑到系统的稳定性以及成 本问题,提出以下两种方案:采用 MC34063 芯片降压、 采用 LM2576 芯片降压。采用MC34063 芯片降压时, 芯片成本低;但当输入改变时,输出将产生变化; OUT1 1 IN1- 2 IN1+ 3 VCC 4 IN2+ 5 IN2- 6 OUT2 7OUT3 8 IN3- 9 IN3+ 10 GND 11 IN4+ 12 IN4- 13 OUT4 14 LM324 D6 4148 D7 4148 +5V 1 4 2 3 ke y1 + C10 100uF + C20 47uF FIRE R14 1K MQ R11 1K R13 13K R17 10K R16 2.7M R15 1K R18 10K R10 5K R12 15K led6 Figure 3. Smoke detection circuit 图3. 烟雾检测电路 R19 4.7K +5V TEM 1 3 2 DS18B20 Figure 4. Temperature detection circuit 图4. 温度检测电路 如果蓄电池电压发生一些改变,那么降压后的电压也 将产生变化,而不是稳定的5.0 V;对于采用系统工 作电压为基准电压的 A/D 转换器,采集的数据将是不 准确的。采用LM2576 芯片降压时,芯片成本高;输 入发生变化时,输出非常稳定。考虑到系统工作的稳 定性,这里采用的是 LM2576芯片降压方案。 3. 系统软件设计 3.1. 最大功率点跟踪算法 由于太阳能电池既不是恒压源,也不是恒流源, 而是一种非线性直流电源[1]。因此,只有当太阳能电 池工作在某一特定的电压值和电流值时,才能输出最 大的功率。同时,太阳能电池的输出受外界环境条件 的影响很大,其主要的影响因素是日照强度和太阳能 电池温度,不同日照强度和不同太阳能电池温度都会 对太阳能电池的输出功率造成影响[4,5]。因此,必须实 时调节太阳能电池的输出电压,使其以最大功率点输 出,这个过程就是最大功率点跟踪过程。 目前,常见的最大功率点跟踪算法有扰动观察 法、增量电导法、开路电压法、短路电流法[6]。后两 种方法测量时会造成系统不稳定,不予考虑;增量电 导法会减少最大功率点的振荡,但需要精密的感测 器;扰动观察法结构简单,但会在最大功率点附近振 荡。但最大功率点的振荡可以在软件上加以处理,因 此选择结构简单的扰动观察法。 扰动观察法的基本思想如下:在寻找最大功率点 过程中,主要情形有 3种,如图 5所示。其中,B点 对应的是当前的太阳能电池板输出功率 PB,A、C两 点对应的是扰动后的输出功率PA、PC。在 图5的第① 种情形下,系统应该往 A方向扰动;在第③情形下, 系统应该往 C方向扰动;在第②种情形下,系统应保 持B点工作状态不变,返回继续扰动。 为了消除能量采集系统在最大功率点附近振荡 对充电效率的影响,本文在扰动观察法的基础上进行 Figure 5. Three cases of perturbation & observation method 图5. 扰动观察法的 3种情形 Copyright © 2012 Hanspub 11 太阳能森林防火报警器的设计与实现 相应的改进,具体如下。首先,根据太阳能电池组件 的参数,将初始最大功率点的电压定于开路电压 Uoc 的80%,设定步长ΔV、调整量 ΔVd和阈值ε、β。先 检测当前的太阳能电池板输出功率PB,然后再减小 PWM 占空比,检测扰动后的输出功率PA与PB比较。 如果 PA > PB,应 当 以A点为当前工作电压继续扰动, 反之,应当增加 PWM 占空比,检测扰动后的输出功 率PC与PB比较。如果 PC > PB,应 当 以C点为当前工 作电压继续扰动,反之,应当保持 B点工作状态不变, 减小步长(ΔV = ΔV – ΔVd),返回继续扰动,当系统连 续几次调整步长后发现B点还不是最大功率点时,必 须重新初始化步长 ΔV,当步长减小到设定的阈值 ε 时,说明此时系统的工作状态已经无限接近于最大功 率点了,应当停止扰动,保持这个点工作,直到外界 条件发生变化[7]。该算法在找到最大功率点后选择停 止扰动,同时检测输出功率的变化,只有当输出功率 变化超出设定的阈值 β后,才进行扰动,因此,这种 方式可以避免系统在最大功率点附近的振荡。 3.2. 系统软件结构 系统的软件模块主要分为:定时器模块、A/D 转 换模块、PCAPWM 模块、MPPT 模块和主状态机模 块。单片机的编程软件为 Keil C 编译器,编译器环境 为Windows 环境,采用语言为 C51 的高级编程语言。 定时器模块:由于系统中需要采集某些参数或等 待某些事件的发生,为了防止程序的阻塞,需要用到 一个时间限制的定时器。因此需要一个定时器模块供 系统的定时使用。 A/D 转化模块:芯片STC12C4052AD自带了 8 路8位的 AD 转换器。因此通过编程操作内部寄存器 来采集电压、电流的参数,继而获得功率参数。 PCAPWM 模块:芯片STC12C4052AD 单片机集 成了 2路的可编程计数器阵列(PCA)模块。1路用于脉 宽调制模式(PWM),用于调节同步 buck 电路中的 PWM 波占空比。1路用于捕获模式,捕获火灾信号变 化产生的高低电平沿。 MPPT 模块[8]:此模块主要是太阳能最大功率点 跟踪算法的子程序。要注意的是,如果 buck 电路处 于工作状态,蓄电池的电压将会出现0~2 V 的上浮现 象,因此,设计蓄电池电压14.7 V为MPPT 充电和恒 压充电的临界点电压。 主状态机模块:用于控制整个程序的流程走向。 图6为系统的软件控制流程图,其中休眠延时 5分钟, 主要是考虑到乌云遮住的情况。 4. 实验结果 DC/DC 变换电路中的双 MOS管驱动波形如图 7 所示,它们是一对互补并带有 500 ns死区时间的 PWM 波形,波形良好,功率损耗小。系统根据太阳能电池 板的输出功率,自动地改变PWM 占空比,实现太阳 能电池板的最大功率点追踪。 表1给出了MPPT 充电电路的实验测量数据。其 中,Uarr 为太阳能电池的输出电压,Iarr 为太阳能电池 的输出电流,Iin为蓄电池充电电流,Ubty 为蓄电池充 电电压,Iout 为放电电流, η 为充电效率,Pout 为系统 总功耗。 由表分析,当蓄电池工作在MPPT充电情况下, 系统能够稳定地工作在最大功率点,并且充电效率 η 达到 89%左右,其计算方法见公式(1)。要注意的是这 里的充电电压 Ubty是蓄电池在 MPPT 充电下上浮的电 压,也是系统工作的电压,并不是检测蓄电池是否过 充的真实电压。 Figure 6. Software flow chart of the system 图6. 系统软件控制流程图 Copyright © 2012 Hanspub 12 太阳能森林防火报警器的设计与实现 Figure 7. Driving waveforms of the dual MOS transistor 图7. 双MOS 管的驱动波形 Table 1. Experimental data of MPPT charging circuit 表1. MPPT充电电路实验测量数据 Uarr/V Iarr/A Iin/A Ubty/V Iout/A η Pout/W 17.14 0.371 0.398 14.53 0.106 90.9% 2.1161 17.06 0.369 0.401 14.32 0.109 91.2% 2.1136 17.59 0.294 0.335 13.73 0.110 88.9% 2.0822 17.26 0.239 0.269 13.650.111 89.0% 1.9684 arr arr bty in UI100% UI (1) 在温和的阳光下,太阳能电池板的输出功率一般 在6 W以上。系统功耗包括buck 电路前级功耗和系 统后级功耗,总功耗一般在2 W左右,其计算方法见 公式(2)。因此还有 4 W 左右的功率用于对蓄电池的充 电,完全满足蓄电池储能的需求。 arr arrbty inbty out PUIUIUI out (2) 在烟雾测试中,该报警器可通过调节传感器的烟 雾浓度阈值来调节系统对烟雾的灵敏性,能够在烟雾 达到一定的浓度时,实现报警功能。当烟雾浓度小于 浓度阈值,报警器关闭报警,恢复正常工作。在温度 测试中,当系统周围的环境温度超过设定的阈值时, 该报警器可以实现报警功能。 本文研制的太阳能森林防火报警器的适用条件: 12 V/4.5 AH以上蓄电池,20 V、10 W及以上太阳能 电池板,其外观如图 8所示。 5. 结论 本文设计了一个太阳能森林防火报警器,它实现 了太阳能电池板对蓄电池的充电管理、对森林中的 Figure 8. Objects of solar-powered forest fir e alarm 灾信号检测以及报警功能。该报警器可应用于乡村 传输距离较短,警报作 用不 线传 施: 福州市科技局市校合作项目以及国 家大 参考文献 (References) : 科学出版社, 2000: 56-61. 图8. 太阳能深林防火报警器实物图 火 附近或者有人烟的森林中,这样发生火灾时,报警器 能够起到及时报警的作用。 由于警报声在大型森林中 明显。一旦系统产生误报,将会造成人力物力的 极大浪费。因此,提出以下两点改进方法及建议: 1) 为了减小系统应用的局限性,系统可以加上无 输模块(此系统将作为终端),将火灾信号通过无 线传到控制室,由控制室的系统(中心系统)进行报警。 无线传输模块有两种方案:一是采用GSM 将信号发 送出去;二是在森林中构建一个Zigbee 无线网络。 2) 为了提高系统的可靠性,可采取如下两个措 一是采用多传感器的配合检测,可以考虑加入模 糊神经网络算法以获取可靠信息,提高系统的可靠 性;二是在检测到火灾时,将现场图像数据传输出去, 进行人工确认是否发生火灾,提高系统可靠性。 6. 致谢 本项目得到 学生创新实验计划的资助,在此表示感谢。 [1] 刘荣. 自然能供电技术[M]. 北京 [2] 刘庆新, 程树英. 双buck 太阳能 LED 路灯照明控制系统[J]. 技): 14电子 术应用, 2011, 37(542-15. [3] 振芫祯. 太阳能最大功率追踪器之研究[D]. 大同大学, 2008. Copyright © 2012 Hanspub 13 太阳能森林防火报警器的设计与实现 [4] 张化德. 太阳能光伏发电系统的研究[D]. 山东大学, 2007. , ons of solar arrays. Renewable Energy, 2003, 28(7): 学报, 2007, 28(12): 1317-1320. [5] 谢磊, 余世杰, 沈玉梁. 光伏充电器中最大功率点跟踪的设 计[A]. 第8届全国光伏会议论文集[C]. 杭州: 中国轻工杂志 2004: 519-522. [6] 李政勋. 小型太阳光电能能量转换系统之研制[D]. 国立中山 大学, 2002. [7] C. HUA, J. LIN. 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