基于GSM的太陽(yáng)能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究
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摘 要:通過(guò)對(duì)太陽(yáng)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(guò)對(duì)太陽(yáng)能路燈工作機(jī)理的分析,引進(jìn)了一種新的太陽(yáng)能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),介紹了太陽(yáng)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(wú)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(yáng)能利用正逐步獲得人們的重視,太陽(yáng)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(yáng)能路燈的特點(diǎn),介紹了一種太陽(yáng)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(guò)RS485 接口進(jìn)行連接,主機(jī)對(duì)各個(gè)從機(jī)的太陽(yáng)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(guò)MC39i 模塊將檢測(cè)結(jié)果以短信或語(yǔ)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(yáng)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(kāi)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(yáng)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(yáng)能板的最大輸出功率點(diǎn),其選通開(kāi)關(guān)通過(guò)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L(zhǎng)ED 燈頭控制電路和卸荷電路,單片機(jī)通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能板和蓄電池電壓監(jiān)測(cè)來(lái)控制LED 燈頭,通過(guò)PWM0 和PWM1分別來(lái)調(diào)節(jié)LED 燈的開(kāi)關(guān)及亮度。當(dāng)蓄電池電壓高壓30 V時(shí),單片機(jī)通過(guò)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(yáng)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(yáng)能路燈間距為幾十米,所以該系統(tǒng)中主從機(jī)間通過(guò)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(guò)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(yáng)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(wú)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(yíng)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。
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DSPIC30F3011 單片機(jī)對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào),通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(yǔ)音接口[5]。
MC39i 的電源輸入采用開(kāi)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(guò)單片機(jī)軟件控制,也可通過(guò)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(yáng)能板電壓和蓄電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控。若太陽(yáng)能板電壓大于設(shè)定值,說(shuō)明光照強(qiáng)度足夠大,單片機(jī)關(guān)斷LED 燈頭供電,太陽(yáng)能板對(duì)蓄電池充電;若太陽(yáng)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(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(yáng)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:0891683108200205F011000B813146123720 FX0008A712592A963380FD677F4F4E75351A。其中:08:短信中心地址長(zhǎng)度;91:短信中心號(hào)碼類型;68:中國(guó)代碼(經(jīng)過(guò)對(duì)調(diào));3108200205F0:天津短信中心號(hào)碼(末尾填F 后,每?jī)晌粚?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(zhǎng)度;81:被叫號(hào)碼類型;3146123720FX:被叫號(hào)碼(經(jīng)過(guò)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(zhǎng)度;592A 太;9633 陽(yáng);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(yǔ)
這里系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能的利用效率,還實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能控制器間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,提高了現(xiàn)有太陽(yáng)能路燈控制器的使用價(jià)值。