為了促進可再生能源的利用，加快建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，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(chǎn)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(wǎng)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(shù)進行監(jiān)控，然后，主機通過MC39i模塊將檢測結(jié)果以短信或語音的形式傳送給監(jiān)控中心或相關(guān)技術(shù)工作人員，實現(xiàn)對太陽能路燈的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

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(qū)動電路。主機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。太陽能電池板輸出經(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，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(jié)構(gòu)

控制電路硬件電路設(shè)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(guān)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(zhuǎn)換通道，CUK 電路用于調(diào)節(jié)太陽能板的最大輸出功率點，其選通開關(guān)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(diào)節(jié)LED燈的開關(guān)及亮度。當蓄電池電壓高壓30V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

通信系統(tǒng)設(shè)計

太陽能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體通信連接圖如圖5，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

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10Mb/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(nèi)的局域網(wǎng)［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(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_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。

主機與監(jiān)控中心通信電路設(shè)計

基于GSM通信技術(shù)的無線測控系統(tǒng)具有通用性好、地理覆蓋面廣、免調(diào)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(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接口通過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可通過AT 命令或關(guān)斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復。

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(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A(yù)T+SYNC 進行切換，35～38 為語音接口［5］。MC39i 的電源輸入采用開關(guān)型可調(diào)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(yīng)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)。