基于GSM的太阳能路灯联网监控系统研究

     摘 要：通过对太阳能光伏电池板特性及光伏电源最大功率点跟踪原理的分析，提出了基于CUK 电路的光伏电源最大功率点跟踪方法，通过对太阳能路灯工作机理的分析，引进了一种新的太阳能路灯联网监控系统，介绍了太阳能路灯控制器的整体设计思路，并重点阐述了从机与主机间的通信连接以及主机与监控中心之间的无线通信连接等。该系统具有控制能力强、可靠性高和应用灵活等特点，具有很高的实际应用价值。

　　0 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

　　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0～35 V 变化，而单片机的A/D 输入电压范围为0～5 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。

图2 DSPIC30F3011 原理[!--empirenews.page--]

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

　　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。

图5 总体通信连接

　　2.1 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

　　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。

[!--empirenews.page--]

　　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/s～115 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1～5 引脚是正电源输入脚，第6～10 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，24～29 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，35～38 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，24～29 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作状态。

　　3 软件设计

　　3.1 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

　　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“CRLF>26”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“13800220500”）；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；677F 板；4F4E低；7535 电；最后短信内容以1A 结尾，1A 为发送结束标志。

　　4 结语

　　这里系统对现有的太阳能路灯控制器进行改造，将光伏电源最大功率点设置集成到太阳能控制器中，借助于串口通信技术实现了主从机的通信连接，借助GSM 技术实现了主机与监控中心之间的通信连接，最终实现了太阳能路灯控制系统的联网监控。因此该系统不仅提高了太阳能的利用效率，还实现了太阳能控制器间的无线数据传输，提高了现有太阳能路灯控制器的使用价值。