王貝貝， 龔 威， 蘇 剛， 潘 雷

(天津城市建設(shè)學(xué)院電子與信息工程系，天津 300384)

0 引言

為了促進(jìn)可再生能源的利用，加快建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)，太陽能利用正逐步獲得人們的重視，太陽能路燈作為高科技節(jié)能產(chǎn)品正逐漸替代傳統(tǒng)路燈。

針對(duì)太陽能路燈的特點(diǎn)，介紹了一種太陽能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，即，從機(jī)和主機(jī)之間通過RS485接口進(jìn)行連接，主機(jī)對(duì)各個(gè)從機(jī)的太陽能板、蓄電池和LED燈頭的工作狀況和各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，然后，主機(jī)通過MC39i模塊將檢測(cè)結(jié)果以短信或語音的形式傳送給監(jiān)控中心或相關(guān)技術(shù)工作人員，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能路燈的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

目前的太陽能路燈控制系統(tǒng)都是獨(dú)立光伏控制系統(tǒng)，主要由六個(gè)部分組成：太陽能電池、蓄電池、LED路燈、控制器、充電電路、放電/負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路[1]。主機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。太陽能電池板輸出經(jīng)CUK電路調(diào)節(jié)后直接與蓄電池連接，系統(tǒng)主控芯片采用DSPIC30F3011單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)太陽能板電壓采集、蓄電池電壓采集、控制CUK電路、控制LED燈頭、主從機(jī)間485通信、主機(jī)與監(jiān)控中心或工作人員間的連接等功能。

圖1 主機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 光伏電源最大功率點(diǎn)設(shè)置

光伏電源系統(tǒng)由于受日照強(qiáng)度及環(huán)境溫度變化的影響，其電壓(電流)變化很大。為了在負(fù)載電阻變化較大時(shí)系統(tǒng)有較大的靈活性和較高的轉(zhuǎn)換效率，該系統(tǒng)的主電路選用 CUK電路，原理為 Boost-Buck電路，一級(jí)電路實(shí)現(xiàn)兩級(jí)調(diào)壓。該系統(tǒng)采用CCM工作模式，該工作模式的特性非常接近于一個(gè)匝數(shù)比可調(diào)的DC-DC變壓器。能量的儲(chǔ)存和傳遞同時(shí)在兩次開關(guān)動(dòng)作期間和兩個(gè)回路中進(jìn)行，變換器效率很高。CUK電路中開關(guān)管導(dǎo)通的占空比的改變，對(duì)光伏陣列而言表現(xiàn)為其輸出阻抗發(fā)生了變化，輸出阻抗的變化將影響光伏陣列的輸出特性。從而一定的輸出阻抗對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出電壓值和輸出電流值。而MPPT技術(shù)即是通過調(diào)節(jié)CUK電路的占空比而改變光伏陣列的輸出阻抗，從而尋求輸出電流與輸出電壓的乘積即輸出功率的最大值[2]。

1.2 控制電路硬件設(shè)計(jì)

控制電路的主控芯片采用DSPIC30F3011單片機(jī)，主要控制功能包括：太陽能板電壓采集；CUK電路選通控制；蓄電池電壓采集；卸荷電路控制；LED燈頭控制；RS485通信；GSM模塊發(fā)送短信控制；路燈開關(guān)控制；工作模式控制等。主機(jī)原理圖如圖 2、圖 3和圖 4所示，其中圖 2為主控芯片DSPIC30F3011的原理圖。圖3所示為電壓采樣電路和CUK電路，由于太陽能板電壓和電池電壓都在 0～35 V變化，而單片機(jī)的A/D輸入電壓范圍為0～5 V，所以對(duì)采樣電壓進(jìn)行分壓處理后傳送給單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道，CUK電路用于調(diào)節(jié)太陽能板的最大輸出功率點(diǎn)，其選通開關(guān)通過單片機(jī)PWM3輸出控制。

圖2 DSPIC30F3011原理

圖3 電壓采樣電路和CUK電路

圖4為LED燈頭控制電路和卸荷電路，單片機(jī)通過對(duì)太陽能板和蓄電池電壓監(jiān)測(cè)來控制LED燈頭，通過PWM0和PWM1分別來調(diào)節(jié) LED燈的開關(guān)及亮度。當(dāng)蓄電池電壓高壓 30 V時(shí)，單片機(jī)通過對(duì) PWM2腳的控制啟動(dòng)卸荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的放電。

圖4 LED燈頭控制電路和卸荷電路

2 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體通信連接圖如圖 5所示，DSPIC30F3011單片機(jī)具有雙串口，主機(jī)中的一路串口與從機(jī)進(jìn)行RS-485通信，另一路串口用于控制GSM模塊，即與 MC39i模塊進(jìn)行通信連接，控制 MC39i發(fā)送短信給監(jiān)控中心。

圖5 總體通信連接

2.1 主從機(jī)間通信設(shè)計(jì)

由于太陽能路燈間距為幾十米，所以該系統(tǒng)中主從機(jī)間通過RS-485通信連接，RS-485的通信距離可以達(dá)到幾百米甚至上千米，最大傳輸速率為 10 Mb/s，而且還可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信方式，從而可以建立起一個(gè)小范圍內(nèi)的局域網(wǎng)[3]。圖6為 DSPIC30F3011單片機(jī)與 MAX485連接的硬件連接圖，DSPIC30F3011與MAX485之間通過6N136進(jìn)行隔離，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。主、從機(jī)均留出串口與 MAX485連接，各個(gè)MAX485芯片的A、B和GND管腳相互連接。主、從機(jī)不斷地對(duì)太陽能板電壓和蓄電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)生低電時(shí)從機(jī)將及時(shí)向主機(jī)傳送信息。

2.2 主機(jī)與監(jiān)控中心通信設(shè)計(jì)

基于 GSM通信技術(shù)的無線測(cè)控系統(tǒng)具有通用性好、地理覆蓋面廣、免調(diào)試維護(hù)、運(yùn)營費(fèi)用低和控制方式靈活等特點(diǎn)，因此主機(jī)和監(jiān)控中心間采用 GSM通信模塊進(jìn)行信息傳輸。DSPIC30F3011單片機(jī)對(duì)太陽能板電壓和蓄電池電壓進(jìn)行采樣比較，當(dāng)采樣值低于設(shè)定值時(shí)發(fā)送短信“太陽能板電壓不足”或“蓄電池電壓不足”給監(jiān)控中心，單片機(jī)還可以對(duì)路燈工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)異常時(shí)，以短信形式傳送給監(jiān)控中心。

圖6 DSPIC30F3011與MAX485接線

GSM模塊采用MC39i，MC39i是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號(hào)，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。MC39i的數(shù)據(jù)接口通過 AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率范圍為300 b/s～115 kb/s，支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service，短消息)，可通過 AT命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)[4]。

MC39i模塊有40個(gè)引腳，通過一個(gè)ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。MC39i的第1～5引腳是正電源輸入腳，第6～10引腳是電源地，15腳是啟動(dòng)腳IGT，系統(tǒng)加電后為使MC39i進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個(gè)大于100 ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1 ms。18腳RXD、19腳TXD為TTL的串口通訊腳，需要和單片機(jī)或者PC通訊。MC39i使用外接式SIM卡，24～29為SIM卡引腳，MC39i的第32腳SYNC引腳為控制腳，有兩種工作模式，一種是指示發(fā)射狀態(tài)時(shí)的功率增長情況，另一種是指示MC39i的工作狀態(tài)，可用AT命令A(yù)T+SYNC進(jìn)行切換，35～38為語音接口[5]。

MC39i的電源輸入采用開關(guān)型可調(diào)高性能微波電路專用穩(wěn)壓芯片LM2941S。啟動(dòng)腳IGT可以通過單片機(jī)軟件控制，也可通過按鍵控制其電位高低變化的控制，18腳RXD、19腳TXD直接與DSPIC30F3011單片機(jī)的異步串口RXD2和TXD2進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)MC39i發(fā)送和接收指令的控制，24～29引腳直接與SIM卡的對(duì)應(yīng)引腳進(jìn)行連接，便于檢測(cè)SIM卡是否插好，以及完成短信發(fā)送的功能，SYNC腳可外接發(fā)光二極管用于檢測(cè)模塊是否處于工作狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用DSPIC30F3011單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)控處理，單片機(jī)對(duì)太陽能板電壓和蓄電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控。若太陽能板電壓大于設(shè)定值，說明光照強(qiáng)度足夠大，單片機(jī)關(guān)斷LED燈頭供電，太陽能板對(duì)蓄電池充電；若太陽能板電壓小于設(shè)定值，則由蓄電池對(duì)LED燈頭供電，首先檢測(cè)蓄電池電壓，若足夠大，則由蓄電池對(duì)LED燈頭供電，若小于下限值，單片機(jī)控制 MC39i模塊發(fā)送短信“蓄電池低電”，若蓄電池電壓高于上限值，則要啟動(dòng)卸荷電路，以免蓄電池過充電。系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)流程

3.2 GSM軟件設(shè)計(jì)

可以采用AT指令對(duì)MC39i模塊進(jìn)行控制。單片機(jī)通過AT指令對(duì)MC39i模塊進(jìn)行初始化和短消息的接收發(fā)送。對(duì)短消息的控制有兩種模式:PDU模式和Text模式，但Text模式不支持正文，設(shè)計(jì)采用PDU模式。通過單片機(jī)異步串口發(fā)送AT指令“AT CRLF”給MC39i模塊（其中CR表示回車；LF換行），如果 MC39i模塊發(fā)送“CRLFOKCRLF”給單片機(jī)，則表明 MC39i模塊連接正常；然后單片機(jī)發(fā)送“AT+CMGF=0 CRLF”給MC39i模塊，設(shè)置短信模式為PDU格式，如果MC39i模塊回復(fù)“CRLFOKCRLF”表明設(shè)置成功；然后單片機(jī)發(fā)送“AT+CMGS=26 CRLF”給 MC39i模塊，設(shè)置短信總字節(jié)長度為26個(gè)，如果接收到“CRLF>26”表明設(shè)置成功，最后單片機(jī)給MC39i模塊發(fā)送具體的短信信息，例如發(fā)送短信“太陽能板低電”給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的 SIM卡對(duì)應(yīng)號(hào)碼為1364217302X，其對(duì)應(yīng)的PDU數(shù)據(jù)為：0891683108200205F011 000B813146123720 FX0008A712592A963380FD677F4F4E75351 A。其中：08：短信中心地址長度；91：短信中心號(hào)碼類型；68：中國代碼（經(jīng)過對(duì)調(diào)）；3108200205F0：天津短信中心號(hào)碼（末尾填F后，每兩位對(duì)調(diào)，實(shí)際號(hào)碼為“13800220500”）；11：文件的頭字節(jié)，默認(rèn)為11；00：信息類型，默認(rèn)為00；0B：被叫號(hào)碼長度；81：被叫號(hào)碼類型;3146123720FX：被叫號(hào)碼（經(jīng)過對(duì)調(diào)，實(shí)際為 1364217302X）；0008：00標(biāo)志協(xié)議 08表示使用Unicode編碼；A7：有效天數(shù)=A7-A6;12:短信內(nèi)容長度；592A太；9633陽；80FD能；677F板；4F4E低；7535電；最后短信內(nèi)容以1A結(jié)尾，1A為發(fā)送結(jié)束標(biāo)志。

4 結(jié)語

這里系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有的太陽能路燈控制器進(jìn)行改造，將光伏電源最大功率點(diǎn)設(shè)置集成到太陽能控制器中，借助于串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了主從機(jī)的通信連接，借助GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與監(jiān)控中心之間的通信連接，最終實(shí)現(xiàn)了太陽能路燈控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。因此該系統(tǒng)不僅提高了太陽能的利用效率，還實(shí)現(xiàn)了太陽能控制器間的無線數(shù)據(jù)傳輸，提高了現(xiàn)有太陽能路燈控制器的使用價(jià)值。

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[2]潘雷,蘇剛.一種新型光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法[J].煤炭學(xué)報(bào), 2008,33(08):956-960.

[3]吳志忠，王克家，苗春衛(wèi). 一種儲(chǔ)糧檢測(cè)系統(tǒng)RS-485通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用科技，2001(10)：11-13.

[4]葛春林，周杰，蔡磊. 基于PLC和GSM短信技術(shù)移動(dòng)通信基站監(jiān)控系統(tǒng)研制[J]. 通信技術(shù)，2008,40(12)：232-238.

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