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摘 要：通過對太陽能光伏電池板特性及光伏電源最大功率點跟蹤原理的分析，提出了基于CUK 電路的光伏電源最大功率點跟蹤方法，通過對太陽能路燈工作機理的分析，引進了一種新的太陽能路燈聯網監控系統，介紹了太陽能路燈控制器的整體設計思路，并重點闡述了從機與主機間的通信連接以及主機與監控中心之間的無線通信連接等。該系統具有控制能力強、可靠性高和應用靈活等特點，具有很高的實際應用價值。 0 引言 為了促進可再生能源的利用，加快建設資源節約型和環境友好型社會，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能產品正逐漸替代傳統路燈。 針對太陽能路燈的特點，介紹了一種太陽能路燈聯網監控系統，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控中心或相關技術工作人員，實現對太陽能路燈的聯網監控。 1 系統硬件設計 目前的太陽能路燈控制系統都是獨立光伏控制系統，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]。主機的系統結構圖如圖1所示。太陽能電池板輸出經CUK 電路調節后直接與蓄電池連接，系統主控芯片采用DSPIC30F3011 單片機，實現太陽能板電壓采集、蓄電池電壓采集、控制CUK 電路、控制LED 燈頭、主從機間485 通信、主機與監控中心或工作人員間的連接等功能。 
圖1 主機的系統結構 1.1 光伏電源最大功率點設置 光伏電源系統由于受日照強度及環境溫度變化的影響，其電壓(電流)變化很大。為了在負載電阻變化較大時系統有較大的靈活性和較高的轉換效率，該系統的主電路選用CUK電路，原理為Boost-Buck 電路，一級電路實現兩級調壓。 該系統采用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為其輸出阻抗發生了變化，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測來控制LED 燈頭，通過PWM0 和PWM1分別來調節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 通信系統設計 太陽能路燈聯網監控系統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 發送短信給監控中心。
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，發生低電時從機將及時向主機傳送信息。 2.2 主機與監控中心通信設計 基于GSM 通信技術的無線測控系統具有通用性好、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送短信“太陽能板電壓不足”或“蓄電池電壓不足”給監控中心，單片機還可以對路燈工作狀態進行監控，出現異常時，以短信形式傳送給監控中心。
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，系統加電后為使MC39i 進入工作狀態，必須給IGT 加一個大于100 ms 的低脈沖，電平下降持續時間不可超過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，一種是指示發射狀態時的功率增長情況，另一種是指示MC39i 的工作狀態，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，實現單片機對MC39i 發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，以及完成短信發送的功能，SYNC 腳可外接發光二極管用于檢測模塊是否處于工作狀態。 3 軟件設計 3.1 系統軟件設計 該系統采用DSPIC30F3011 單片機進行監控處理，單片機對太陽能板電壓和蓄電池電壓實時監控。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。系統流程圖如圖7 所示。
圖7 系統流程 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 模塊發送“CRLFOKCRLF”給單片機，則表明MC39i 模塊連接正常;然后單片機發送“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;然后單片機發送“AT+CMGS=26 CRLF”給MC39i 模塊，設置短信總字節長度為26 個，如果接收到“CRLF>26”表明設置成功，最后單片機給MC39i 模塊發送具體的短信信息，例如發送短信“太陽能板低電”給監控中心，監控中心的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，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 為發送結束標志。 4 結語 這里系統對現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了主從機的通信連接，借助GSM 技術實現了主機與監控中心之間的通信連接，最終實現了太陽能路燈控制系統的聯網監控。因此該系統不僅提高了太陽能的利用效率，還實現了太陽能控制器間的無線數據傳輸，提高了現有太陽能路燈控制器的使用價值。 |
