太阳能路灯联网监控系统设计研究

太阳能路灯联网监控系统设计研究太阳能路灯联网监控系统设计研究 引言引言 为了促进可再生能源的利用，加快建设资源节约型和环境友好型社会，太阳能利用正逐 步获得人们的重视，太阳能路灯作为高科技节能产品正逐渐替代传统路灯。 针对太阳能路灯的特点，介绍了一种太阳能路灯联网监控系统，即，从机和主机之间通 过 RS485 接口进行连接，主机对各个从机的太阳能板、蓄电池和 LED 灯头的工作状况和各种 运行参数进行监控，然后，主机通过 MC39i 模块将检测结果以短信或语音的形式传送给监控 中心或相关技术工作人员，实现对太阳能路灯的联网监控。 1 系统硬件设计系统硬件设计 目前的太阳能路灯控制系统都是独立光伏控制系统，主要由六个部分组成：太阳能电池、 蓄电池、LED 路灯、控制器、充电电路、放电/负载驱动电路1。主机的系统结构图如图 1 所 示。太阳能电池板输出经 CUK 电路调节后直接与蓄电池连接，系统主控芯片采用 DSPIC30F3011 单片机，实现太阳能板电压采集、蓄电池电压采集、控制 CUK 电路、控制 LED 灯头、主从机间 485 通信、主机与监控中心或工作人员间的连接等功能。 图 1 主机的系统结构 1.1 光伏电源最大功率点设置光伏电源最大功率点设置 光伏电源系统由于受日照强度及环境温度变化的影响，其电压（电流）变化很大。为了 在负载电阻变化较大时系统有较大的灵活性和较高的转换效率，该系统的主电路选用 CUK 电 路，原理为 Boost-Buck 电路，一级电路实现两级调压。 该系统采用 CCM 工作模式，该工作模式的特性非常接近于一个匝数比可调的 DC-DC 变 压器。能量的储存和传递同时在两次开关动作期间和两个回路中进行，变换器效率很高。 CUK 电路中开关管导通的占空比的改变，对光伏阵列而言表现为其输出阻抗发生了变化，输 出阻抗的变化将影响光伏阵列的输出特性。从而一定的输出阻抗对应一个输出电压值和输出 电流值。而 MPPT 技术即是通过调节 CUK 电路的占空比而改变光伏阵列的输出阻抗，从而寻 求输出电流与输出电压的乘积即输出功率的最大值。 1.2 控制电路硬件设计控制电路硬件设计 控制电路的主控芯片采用 DSPIC30F3011 单片机，主要控制功能包括：太阳能板电压采 集；CUK 电路选通控制；蓄电池电压采集；卸荷电路控制；LED 灯头控制；RS485 通信； GSM 模块发送短信控制；路灯开关控制；工作模式控制等。主机原理图如图 2、图 3 和图 4 所示，其中图 2 为主控芯片 DSPIC30F3011 的原理图。图 3 所示为电压采样电路和 CUK 电路， 由于太阳能板电压和电池电压都在 035 V 变化，而单片机的 A/D 输入电压范围为 05 V， 所以对采样电压进行分压处理后传送给单片机的 A/D 转换通道，CUK 电路用于调节太阳能板 的最大输出功率点，其选通开关通过单片机 PWM3 输出控制。 OFweek 太阳能光伏网 中国太阳能光伏行业门户 OFweek 太阳能光伏网 中国太阳能光伏行业门户 图 2 DSPIC30F3011 原理 图 3 电压采样电路和 CUK 电路 图 4 为 LED 灯头控制电路和卸荷电路，单片机通过对太阳能板和蓄电池电压监测来控制 LED 灯头，通过 PWM0 和 PWM1 分别来调节 LED 灯的开关及亮度。当蓄电池电压高压 30 V 时，单片机通过对 PWM2 脚的控制启动卸荷，实现对蓄电池的放电。 图 4 LED 灯头控制电路和卸荷电路 2 通信系统设计通信系统设计 太阳能路灯联网监控系统的总体通信连接图如图 5 所示，DSPIC30F3011 单片机具有双 串口，主机中的一路串口与从机进行 RS-485 通信，另一路串口用于控制 GSM 模块，即与 MC39i 模块进行通信连接，控制 MC39i 发送短信给监控中心。 OFweek 太阳能光伏网 中国太阳能光伏行业门户 OFweek 太阳能光伏网 中国太阳能光伏行业门户 图 5 总体通信连接 2.1 主从机间通信设计主从机间通信设计 由于太阳能路灯间距为几十米，所以该系统中主从机间通过 RS-485 通信连接，RS-485 的通信距离可以达到几百米甚至上千米，最大传输速率为 10 Mb/s，而且还可以实现多点通 信方式，从而可以建立起一个小范围内的局域网3。图 6 为 DSPIC30F3011 单片机与 MAX485 连接的硬件连接图，DSPIC30F3011 与 MAX485 之间通过 6N136 进行隔离，以确保 数据传输的准确性。主、从机均留出串口与 MAX485 连接，各个 MAX485 芯片的 A、B 和 GND 管脚相互连接。主、从机不断地对太阳能板电压和蓄电池电压进行检测，发生低电时从 机将及时向主机传送信息。 2.2 主机与监控中心通信设计主机与监控中心通信设计 基于 GSM 通信技术的无线测控系统具有通用性好、地理覆盖面广、免调试维护、运营 费用低和控制方式灵活等特点，因此主机和监控中心间采用 GSM 通信模块进行信息传输。 DSPIC30F3011 单片机对太阳能板电压和蓄电池电压进行采样比较，当采样值低于设定值 时发送短信“太阳能板电压不足”或“蓄电池电压不足”给监控中心，单片机还可以对路灯 工作状态进行监控，出现异常时，以短信形式传送给监控中心。 图 6 DSPIC30F3011 与 MAX485 接线 GSM 模块采用 MC39i，MC39i 是一个支持中文短信息的工业级 GSM 模块，可传输语音 和数据信号，通过接口连接器和天线连接器分别连接 SIM 卡读卡器和天线。MC39i 的数据接 口通过 AT 命令可双向传输指令和数据，可选波特率范围为 300 b/s115 kb/s，支持 Text 和 PDU 格式的 SMS（ShortMessage Service，短消息） ，可通过 AT 命令或关断信号实现重启和故 障恢复4。 MC39i 模块有 40 个引脚，通过一个 ZIF（Zero InsertionForce，零阻力插座）连接器引出。 这 40 个引脚可以划分为 5 类，即电源、数据输入/输出、SIM 卡、音频接口和控制。MC39i 的第 15 引脚是正电源输入脚，第 610 引脚是电源地，15 脚是启动脚 IGT，系统加电后 为使 MC39i 进入工作状态，必须给 IGT 加一个大于 100 ms 的低脉冲，电平下降持续时间不 可超过 1 ms。18 脚 RXD、19 脚 TXD 为 TTL 的串口通讯脚，需要和单片机或者 PC 通讯。 MC39i 使用外接式 SIM 卡，2429 为 SIM 卡引脚，MC39i 的第 32 脚 SYNC 引脚为控制脚， 有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示 MC39i 的工作状态， 可用 AT 命令 AT+SYNC 进行切换，3538 为语音接口5。 MC39i 的电源输入采用开关型可调高性能微波电路专用稳压芯片 LM2941S。启动脚 IGT 可以通过单片机软件控制，也可通过按键控制其电位高低变化的控制，18 脚 RXD、19 脚 TXD 直接与 DSPIC30F3011 单片机的异步串口 RXD2 和 TXD2 进行连接，实现单片机对 MC39i 发送和接收指令的控制，2429 引脚直接与 SIM 卡的对应引脚进行连接，便于检测 SIM 卡 是否插好，以及完成短信发送的功能，SYNC 脚可外接发光二极管用于检测模块是否处于工 OFweek 太阳能光伏网 中国太阳能光伏行业门户 OFweek 太阳能光伏网 中国太阳能光伏行业门户 作状态。 3 软件设计软件设计 3.1 系统软件设计系统软件设计 该系统采用 DSPIC30F3011 单片机进行监控处理，单片机对太阳能板电压和蓄电池电压 实时监控。若太阳能板电压大于设定值，说明光照强度足够大，单片机关断 LED 灯头供电， 太阳能板对蓄电池充电；若太阳能板电压小于设定值，则由蓄电池对 LED 灯头供电，首先检 测蓄电池电压，若足够大，则由蓄电池对 LED 灯头供电，若小于下限值，单片机控制 MC39i 模块发送短信“蓄电池低电” ，若蓄电池电压高于上限值，则要启动卸荷电路，以免蓄电池过 充电。系统流程图如图 7 所示。 图 7 系统流程 3.2 GSM 软件设计软件设计 可以采用 AT 指令对 MC39i 模块进行控制。单片机通过 AT 指令对 MC39i 模块进行初始 化和短消息的接收发送。对短消息的控制有两种模式：PDU 模式和 Text 模式，但 Text 模式 不支持正文，设计采用 PDU 模式。通过单片机异步串口发送 AT 指令“AT CRLF”给 MC39i 模块（其中 CR 表示回车；LF 换行） ，如果 MC39i 模块发送“CRLFOKCRLF”给单片机，则表 明 MC39i 模块连接正常；然后单片机发送“AT+CMGF=0CRLF”给 MC39i 模块，设置短信模 式为 PDU 格式，如果 MC39i 模块回复“CRLFOKCRLF”表明设置成功；然后单片机发送 “AT+CMGS=26 CRLF”给 MC39i 模块，设置短信总字节长度为 26 个，如果接收到 “CRLF26”表明设置成功，最后单片机给 MC39i 模块发送具体的短信信息，例如发送短信 “太阳能板低电”给监控中心，监控中心的 SIM 卡对应号码为 1364217302X，其对应的 PDU 数据为：0891683108200205F011000B813146123720 FX0008A712592A963380FD677F4F4E75351A。其中：08：短信中心地址长度；91：短信中心号 码类型；68：中国代码（经过对调） ；3108200205F0：天津短信中心号码（末尾填 F 后，每 两位对调，实际号码为 ） ；11：文件的头字节，默认为 11；00：信息类型， 默认为 00；0B：被叫号码长度；81：被叫号码类型；3146123720FX：被叫号码（经过对调， 实际为 1364217302X） ；0008：00 标志协议 08 表示使用 Unicode 编码；A7：有效天数=A7- A6;12:短信内容长度；592A 太；9633 阳；80FD 能；67