发布时间：2018/9/5 8:47:53 来源：本站
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。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
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。
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
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
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
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。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。
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/s～115 kb/s，支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service，短消息)，可通过 AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。
MC39i模块有40个引脚，通过一个ZIF(Zero Insertion Force，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。
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。
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
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=0 CRLF”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：0891683108200205F011 000B813146123720 FX0008A712592A963380FD677F4F4E75351 A。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。
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。
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