王贝贝， 龚 威， 苏 刚， 潘 雷

(天津城市建设学院电子与信息工程系，天津 300384)

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[2]。

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

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。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[4]。

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[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=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。

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。

[1]白林. 太阳能LED路灯智能控制系统技术研究[D].大庆:大庆石油学院，2009.

[2]潘雷,苏刚.一种新型光伏电源最大功率点跟踪控制方法[J].煤炭学报, 2008,33(08):956-960.

[3]吴志忠，王克家，苗春卫. 一种储粮检测系统RS-485通信网络的设计[J]. 应用科技，2001(10)：11-13.

[4]葛春林，周杰，蔡磊. 基于PLC和GSM短信技术移动通信基站监控系统研制[J]. 通信技术，2008,40(12)：232-238.

[5]SIEMENS.MC39i Siemens Cellular Engine Hardware Interface Description.[DB/OL]. (2003-11-12)[2010-04-21]. http://www.siemens.com/.