基于GSM的太陽能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究

     摘 要：通過對太陽能光伏電池板特性及光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤原理的分析，提出了基于CUK 電路的光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤方法，通過對太陽能路燈工作機(jī)理的分析，引進(jìn)了一種新的太陽能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了太陽能路燈控制器的整體設(shè)計(jì)思路，并重點(diǎn)闡述了從機(jī)與主機(jī)間的通信連接以及主機(jī)與監(jiān)控中心之間的無線通信連接等。該系統(tǒng)具有控制能力強(qiáng)、可靠性高和應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　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，一級電路實(shí)現(xiàn)兩級調(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。

　　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[!--empirenews.page--]

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)通過對太陽能板和蓄電池電壓監(jiān)測來控制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PWM2 腳的控制啟動(dòng)卸荷，實(shí)現(xiàn)對蓄電池的放電。

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)不斷地對太陽能板電壓和蓄電池電壓進(jìn)行檢測，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。

[!--empirenews.page--]

　　DSPIC30F3011 單片機(jī)對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GSM 模塊，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，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（ShortMessage Service，短消息），可通過AT 命令或關(guān)斷信號實(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 InsertionForce，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MC39i 發(fā)送和接收指令的控制，24～29 引腳直接與SIM 卡的對應(yīng)引腳進(jìn)行連接，便于檢測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，太陽能板對蓄電池充電；若太陽能板電壓小于設(shè)定值，則由蓄電池對LED 燈頭供電，首先檢測蓄電池電壓，若足夠大，則由蓄電池對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MC39i 模塊進(jìn)行控制。單片機(jī)通過AT 指令對MC39i 模塊進(jìn)行初始化和短消息的接收發(fā)送。對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=0CRLF”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 卡對應(yīng)號碼為1364217302X，其對應(yīng)的PDU 數(shù)據(jù)為：0891683108200205F011000B813146123720 FX0008A712592A963380FD677F4F4E75351A。其中：08：短信中心地址長度；91：短信中心號碼類型；68：中國代碼（經(jīng)過對調(diào)）；3108200205F0：天津短信中心號碼（末尾填F 后，每兩位對調(diào)，實(shí)際號碼為“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：被叫號碼長度；81：被叫號碼類型；3146123720FX：被叫號碼（經(jīng)過對調(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。