0 引言
為了促進可再生能源的利用，加快建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，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)能產品正逐漸替代傳統(tǒng)路燈。
針對太陽能路燈的特點，介紹了一種太陽能路燈聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)，即，從機和主機之間通過RS485 接口進行連接，主機對各個從機的太陽能板、蓄電池和LED 燈頭的工作狀況和各種運行參數進行監(jiān)控，然后，主機通過MC39i 模塊將檢測結果以短信或語音的形式傳送給監(jiān)控中心或相關技術工作人員，實現(xiàn)對太陽能路燈的聯(lián)網監(jiān)控。
1 系統(tǒng)硬件設計
目前的太陽能路燈控制系統(tǒng)都是獨立光伏控制系統(tǒng)，主要由六個部分組成：太陽能電池、蓄電池、LED 路燈、控制器、充電電路、放電/負載驅動電路[1]。主機的系統(tǒng)結構圖如圖1所示。太陽能電池板輸出經CUK 電路調節(jié)后直接與蓄電池連接，系統(tǒng)主控芯片采用DSPIC30F3011 單片機，實現(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、主從機間485 通信、主機與監(jiān)控中心或工作人員間的連接等功能。
圖1 主機的系統(tǒng)結構
1.1 光伏電源最大功率點設置
光伏電源系統(tǒng)由于受日照強度及環(huán)境溫度變化的影響，其電壓（電流）變化很大。為了在負載電阻變化較大時系統(tǒng)有較大的靈活性和較高的轉換效率，該系統(tǒng)的主電路選用CUK電路，原理為Boost-Buck 電路，一級電路實現(xiàn)兩級調壓。
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匝數比可調的DC-DC 變壓器。能量的儲存和傳遞同時在兩次開關動作期間和兩個回路中進行，變換器效率很高。CUK電路中開關管導通的占空比的改變，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一個輸出電壓值和輸出電流值。而MPPT 技術即是通過調節(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 控制電路硬件設計
控制電路的主控芯片采用DSPIC30F3011 單片機，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；路燈開關控制；工作模式控制等。主機原理圖如圖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，而單片機的A/D 輸入電壓范圍為0～5 V，所以對采樣電壓進行分壓處理后傳送給單片機的A/D 轉換通道，CUK 電路用于調節(jié)太陽能板的最大輸出功率點，其選通開關通過單片機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分別來調節(jié)LED 燈的開關及亮度。當蓄電池電壓高壓30 V時，單片機通過對PWM2 腳的控制啟動卸荷，實現(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)設計
太陽能路燈聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)的總體通信連接圖如圖5 所示，DSPIC30F3011 單片機具有雙串口，主機中的一路串口與從機進行RS-485 通信，另一路串口用于控制GSM 模塊，即與MC39i 模塊進行通信連接，控制MC39i 發(fā)送短信給監(jiān)控中心。
圖5 總體通信連接
2.1 主從機間通信設計
由于太陽能路燈間距為幾十米，所以該系統(tǒng)中主從機間通過RS-485 通信連接，RS-485 的通信距離可以達到幾百米甚至上千米，最大傳輸速率為10 Mb/s，而且還可以實現(xiàn)多點通信方式，從而可以建立起一個小范圍內的局域網[3]。圖6 為DSPIC30F3011 單片機與MAX485 連接的硬件連接圖，DSPIC30F3011 與MAX485 之間通過6N136 進行隔離，以確保數據傳輸的準確性。主、從機均留出串口與MAX485 連接，各個MAX485 芯片的A、B 和GND 管腳相互連接。主、從機不斷地對太陽能板電壓和蓄電池電壓進行檢測，發(fā)生低電時從機將及時向主機傳送信息。
2.2 主機與監(jiān)控中心通信設計
基于GSM 通信技術的無線測控系統(tǒng)具有通用性好、地理覆蓋面廣、免調試維護、運營費用低和控制方式靈活等特點，因此主機和監(jiān)控中心間采用GSM 通信模塊進行信息傳輸。
DSPIC30F3011 單片機對太陽能板電壓和蓄電池電壓進行采樣比較，當采樣值低于設定值時發(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，單片機還可以對路燈工作狀態(tài)進行監(jiān)控，出現(xiàn)異常時，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 是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM 模塊，可傳輸語音和數據信號，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 的數據接口通過AT 命令可雙向傳輸指令和數據，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 命令或關斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復[4]。
MC39i 模塊有40 個引腳，通過一個ZIF（Zero InsertionForce，零阻力插座）連接器引出。這40 個引腳可以劃分為5類，即電源、數據輸入/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 腳是啟動腳IGT，系統(tǒng)加電后為使MC39i 進入工作狀態(tài)，必須給IGT 加一個大于100 ms 的低脈沖，電平下降持續(xù)時間不可超過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AT+SYNC 進行切換，35～38 為語音接口[5]。
MC39i 的電源輸入采用開關型可調高性能微波電路專用穩(wěn)壓芯片LM2941S。啟動腳IGT 可以通過單片機軟件控制，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 單片機的異步串口RXD2 和TXD2 進行連接，實現(xiàn)單片機對MC39i 發(fā)送和接收指令的控制，24～29 引腳直接與SIM 卡的對應引腳進行連接，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 軟件設計
3.1 系統(tǒng)軟件設計
該系統(tǒng)采用DSPIC30F3011 單片機進行監(jiān)控處理，單片機對太陽能板電壓和蓄電池電壓實時監(jiān)控。若太陽能板電壓大于設定值，說明光照強度足夠大，單片機關斷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 軟件設計
可以采用AT 指令對MC39i 模塊進行控制。單片機通過AT 指令對MC39i 模塊進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，設計采用PDU 模式。通過單片機異步串口發(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，則表明MC39i 模塊連接正常；然后單片機發(fā)送“AT+CMGF=0CRLF”給MC39i 模塊，設置短信模式為PDU 格式，如果MC39i模塊回復“CRLFOKCRLF”表明設置成功；然后單片機發(fā)送“AT+CMGS=26 CRLF”給MC39i 模塊，設置短信總字節(jié)長度為26 個，如果接收到“CRLF>26”表明設置成功，最后單片機給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 卡對應號碼為1364217302X，其對應的PDU 數據為：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（經過對調）；3108200205F0：天津短信中心號碼（末尾填F 后，每兩位對調，實際號碼為“13800220500”）；11：文件的頭字節(jié)，默認為11；00：信息類型，默認為00；0B：被叫號碼長度；81：被叫號碼類型；3146123720FX：被叫號碼（經過對調，實際為1364217302X）；0008：00 標志協(xié)議 08 表示使用Unicode 編碼；A7：有效天數=A7-A6;12:短信內容長度；592A 太；9633 陽；80FD 能；677F 板；4F4E低；7535 電；最后短信內容以1A 結尾，1A 為發(fā)送結束標志。
4 結語
這里系統(tǒng)對現(xiàn)有的太陽能路燈控制器進行改造，將光伏電源最大功率點設置集成到太陽能控制器中，借助于串口通信技術實現(xiàn)了主從機的通信連接，借助GSM 技術實現(xiàn)了主機與監(jiān)控中心之間的通信連接，最終實現(xiàn)了太陽能路燈控制系統(tǒng)的聯(lián)網監(jiān)控。因此該系統(tǒng)不僅提高了太陽能的利用效率，還實現(xiàn)了太陽能控制器間的無線數據傳輸，提高了現(xiàn)有太陽能路燈控制器的使用價值。