Arduino UNO + 以太网盾板实现低成本太阳辐射测量仪（热电堆原理）

项目背景

专业辐射表（Pyranometer）售价 $200~800，对爱好者门槛高。本项目利用普通太阳能电池片（计算器级即可）作为感应元件，配合 Arduino UNO 与 Ethernet Shield，构建低成本太阳辐射估算仪，通过网页实时查看 W/m² 数值，助力家庭光伏选址评估。

核心原理

太阳能电池在光照下产生光伏电压，其开路电压与入射辐照度近似成正比。将电池片接入高阻值分压电路（R ≫ 电池内阻），读取模拟电压，按功率公式估算：

功率 P = (ADC 读值)² / R（R 单位 kΩ）
面积 A = 长 × 宽 (m²)
辐照度 E = P / A (W/m²)

硬件清单

• Arduino UNO ×1
• Ethernet Shield 2 (W5500) ×1
• 太阳能电池片（约 60×20 mm，开路 5V）×1
• 10 kΩ 电阻 ×1（分压采样）
• 数字万用表（校准极性用）

接线步骤

1. 万用表测电池片极性：红表笔接正极（电压为正），黑表笔接负极。
2. 电池片负极接 Arduino GND，正极经 10 kΩ 电阻接 A0，电阻另一端接 GND（形成分压器）。
3. Ethernet Shield 直接叠装在 UNO 上，无需额外接线。
4. 网线接路由器，供电上电。

固件代码（含网页服务）

#include <SPI.h>
#include <Ethernet.h>

#define ANALOG_PIN A0
#define RESISTANCE 10      // kΩ
#define PANEL_LENGTH 60    // mm
#define PANEL_WIDTH 20     // mm

volatile float Area, Power, Radiation;
byte mac[] = {0xDE,0x0D,0x8E,0xEF,0xFE,0xED};
IPAddress ip(192,168,1,177);
EthernetServer server(80);
char msg[64];

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Ethernet.begin(mac, ip);
  server.begin();
  Serial.print("Server at "); Serial.println(Ethernet.localIP());
}

void loop() {
  Area = PANEL_LENGTH * PANEL_WIDTH / 10000.0; // m²
  Power = pow(analogRead(ANALOG_PIN), 2) / RESISTANCE; // mW 量级
  Radiation = Power / Area; // W/m²
  sprintf(msg, "Solar Radiation: %.1f W/m2", Radiation);

  EthernetClient client = server.available();
  if (client) {
    boolean blank = true;
    while (client.connected()) {
      if (client.available()) {
        char c = client.read();
        if (c=='\n' && blank) {
          client.println("HTTP/1.1 200 OK");
          client.println("Content-Type: text/html");
          client.println("Connection: close");
          client.println("Refresh: 5");
          client.println();
          client.println("");
          client.print(msg);
          client.println("
");
          break;
        }
        if (c=='\n') blank=true; else if (c!='\r') blank=false;
      }
    }
    delay(1); client.stop();
  }
  Serial.println(msg);
  delay(1000);
}

校准与精度提升

• 实测标定：对照专业辐射表或参考晴天模型（如鸭曲线），拟合修正系数 Radiation = k * Power / Area。
• 温度补偿：电池片开路电压随温度漂移（约 -2 mV/°C/Cell），可加 DS18B20 测温补偿。
• 余弦响应：裸电池片入射角响应差，加透明半球罩（乒乓球半球）改善余弦特性。
• 光谱匹配：硅电池响应 300~1100 nm，与太阳光谱不完全重合，仅作相对趋势参考。

典型数值参考

• 阴天/早晚：150~300 W/m²
• 晴天正午：800~1000 W/m²
• 赤道高海拔：可超 1100 W/m²

拓展建议

• 接入 MQTT/InfluxDB/Grafana 做长期趋势分析。
• 多点布网（ESP32+LoRa）绘制微气候辐射分布图。
• 结合光伏板实测发电量，验证系统效率模型。