龍興明 周靜

(1.重慶市高校光學工程市級重點實驗室，重慶師范大學 400047;2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶大學 400044)

1 引言

太陽能發(fā)電和發(fā)光二極管 (LED)是高效環(huán)保的半導體光電和電光轉(zhuǎn)換器件。太陽能LED路燈系統(tǒng)是理想的零碳排放照明系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)路燈照明，它具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長等優(yōu)點，太陽能LED路燈系統(tǒng)已被列為各國實施節(jié)能減排的重要措施之一［1］。

路燈控制系統(tǒng)的開發(fā)和使用一直備受關(guān)注。路燈控制系統(tǒng)有利于提高道路照明質(zhì)量，降低能耗，實現(xiàn)照明的高效管理。國內(nèi)外的路燈控制系統(tǒng)主要有［2］～［3］:①單一的光強控制加時間控制方式;②采用電力載波通信技術(shù)的計算機集中控制;③采用GPRS通信和數(shù)字信號處理芯片的遠程路燈控制。其中，基于GPRS通信和電流載波相結(jié)合的遠程控制方式是當前路燈控制發(fā)展的主要趨勢。然而，太陽能LED路燈的控制系統(tǒng)雖然可以采用成熟的路燈管理方法，但是無法滿足太陽能發(fā)電的非線性電壓-電流特性檢測、LED數(shù)字化光源以及未來電價實時預測調(diào)度的需要。因此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種針對太陽能LED路燈系統(tǒng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。

2 工作原理

計算機 (PC)通過MATLAB上位軟件由GPRS模塊或手機短信方式發(fā)送控制命令，太陽能LED路燈系統(tǒng)的GPRS模塊接收到控制命令后，由單片機進行命令解析，一方面完成脈寬調(diào)制 (PWM)占空比的設(shè)定，另一方面可以采集系統(tǒng)中LED結(jié)溫、太陽能板工作溫度、太陽能電池的發(fā)電電壓和電流、蓄電池狀態(tài)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)返回PC控制端或手機端，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

圖2 GPRS通信電路

當用戶由上位機的MATLAB可視化數(shù)據(jù)處理軟件，設(shè)置相應(yīng)命令和和數(shù)據(jù)后，經(jīng)過USB/COM口轉(zhuǎn)換電路，由GPRS模塊進行上位機命令幀的發(fā)送;此時，下位機或第n個路燈由另一個GPRS模塊接收到相應(yīng)命令幀后，經(jīng)過HT46RU232單片機進行命令解析，完成LED陣列驅(qū)動的PWM恒流控制，以及太陽能電池、LED陣列和蓄電池等電壓、電流和溫度等物理量的采集及發(fā)送。

圖3 路燈系統(tǒng)的單片機控制和采集電路

圖4 軟件流程

3 單元電路及軟件流程

根據(jù)圖1的系統(tǒng)方框圖，各基本單元的電路原理及軟件流程如下:

3.1 GPRS通信基本電路

太陽能LED路燈控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊主要由圖2所示的GPRS通信電路完成。其中，圖2(a)的CH341A芯片電路主要完成計算機USB接口和SIM 300模塊COM(或RS232串口)數(shù)據(jù)接口的電平匹配，而具體數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收由SIM 300型GPRS模塊實現(xiàn)。

3.2 HT46RU232單片機電路測控電路

HT46RU232單片機負責整個路燈系統(tǒng)的GPRS命令幀解析和打包、PWM信號產(chǎn)生、太陽能電池輸出電壓和電流測量、LED陣列結(jié)溫測量等功能，其原理圖如圖3(a)所示。另外，HT46RU232單片機PWM輸出信號經(jīng)過LT3474 DC/DC電路進行功率放大，實現(xiàn)恒流驅(qū)動的LED PWM控制，完成亮度的調(diào)節(jié)。

3.3 軟件流程

太陽能LED路燈系統(tǒng)的測控功能具體由HT46RU232單片機C語言軟件編程和PC的MATLAB軟件編程具體實現(xiàn)，相應(yīng)流程圖如4圖所示。

圖5 太陽能LED路燈系統(tǒng)的實驗原型

圖6 PC機MATLAB測試界面

4 實驗原型及測試結(jié)果

根據(jù)上述原理及單元電路，搭建的太陽能LED路燈實驗原型如圖5所示。

打開基于MATLAB的PC機控制界面 (如圖6(a))，進行串口配置 (波特率115200)后，利用google地圖查詢和選擇 (如圖3(b))所需控制的路燈，進行 LED路燈亮度調(diào)節(jié)的控制 (如圖6(c))，以及進行太陽能電池電壓和電流，LED結(jié)溫和外界照度等查詢 (如圖3(d))。

圖7給出了控制系統(tǒng)的設(shè)置及其狀態(tài)變量查詢結(jié)果 (如太陽能板的充電電壓、溫度等)，另外，通過MATLAB強大的圖像和數(shù)據(jù)處理工具箱，容易獲得如圖7(b)所示的可視化效果。

圖7 實測結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過利用GPRS遠程技術(shù)、MATLAB軟件編程技術(shù)和HT46RU232單片機技術(shù)實現(xiàn)了太陽能LED路燈系統(tǒng)的智能監(jiān)控，提升了LED路燈的智能化，降低管理成本，并有利于太陽能LED路燈的進一步節(jié)能減排。

［1］陳尚伍，陳敏，錢照明．高亮度 LED太陽能路燈照明系統(tǒng)．電力電子技術(shù)，2006，40(6):43～45．

［2］Long，X．，Liao，R．，and Zhou，J．． Development of street lightingsystem-based novelhigh-brightnessLED modules．IET Optoelectronics，2009，3(1):40 ～46．

［3］羅德塔，王志新，張華強．風光互補路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計．自動化儀表，2010，31(3):53～56．

［4］王志斌，谷越．基于LT3476水冷散熱人體感應(yīng)式LED照明系統(tǒng)的設(shè)計．照明工程學報，2010，21(5):89～94．

［5］于軍，刑永中，鶴壁．模擬路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計．照明工程學報，2010，21(2):54～59，65．