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

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。

　　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(lèi),，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T(mén)TL 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(zhuān)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(chē)；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(lèi)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(lèi)型，默認(rèn)為00,；0B：被叫號(hào)碼長(zhǎng)度,；81：被叫號(hào)碼類(lèi)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,。