常見問題

1 引言

太陽能發(fā)電和發(fā)光二極管 (LED)是高效環(huán)保的半導(dǎo)體光電和電光轉(zhuǎn)換器件。太陽能LED路燈系統(tǒng)是理想的零碳排放照明系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)路燈照明，它具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，太陽能LED路燈系統(tǒng)已被列為各國實(shí)施節(jié)能減排的重要措施之一。

路燈控制系統(tǒng)的開發(fā)和使用一直備受關(guān)注。路燈控制系統(tǒng)有利于提高道路照明質(zhì)量，降低能耗，實(shí)現(xiàn)照明的高效管理。國內(nèi)外的路燈控制系統(tǒng)主要有:①單一的光強(qiáng)控制加時間控制方式;②采用電力載波通信技術(shù)的計算機(jī)集中控制;③采用GPRS通信和數(shù)字信號處理芯片的遠(yuǎn)程路燈控制。其中，基于GPRS通信和電流載波相結(jié)合的遠(yuǎn)程控制方式是當(dāng)前路燈控制發(fā)展的主要趨勢。然而，太陽能LED路燈的控制系統(tǒng)雖然可以采用成熟的路燈管理方法，但是無法滿足太陽能發(fā)電的非線性電壓-電流特性檢測、LED數(shù)字化光源以及未來電價實(shí)時預(yù)測調(diào)度的需要。因此，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種針對太陽能LED路燈系統(tǒng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。

2 工作原理

計算機(jī) (PC)通過MATLAB上位軟件由GPRS模塊或手機(jī)短信方式發(fā)送控制命令，太陽能LED路燈系統(tǒng)的GPRS模塊接收到控制命令后，由單片機(jī)進(jìn)行命令解析，一方面完成脈寬調(diào)制 (PWM)占空比的設(shè)定，另一方面可以采集系統(tǒng)中LED結(jié)溫、太陽能板工作溫度、太陽能電池的發(fā)電電壓和電流、蓄電池狀態(tài)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)返回PC控制端或手機(jī)端，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

圖2 GPRS通信電路

( a) 基于CH341A 芯片的USB /COM 轉(zhuǎn)換電路; ( b) GPRS 模塊外圍電路

當(dāng)用戶由上位機(jī)的MATLAB可視化數(shù)據(jù)處理軟件，設(shè)置相應(yīng)命令和和數(shù)據(jù)后，經(jīng)過USB/COM口轉(zhuǎn)換電路，由GPRS模塊進(jìn)行上位機(jī)命令幀的發(fā)送;此時，下位機(jī)或第n個路燈由另一個GPRS模塊接收到相應(yīng)命令幀后，經(jīng)過HT46RU232單片機(jī)進(jìn)行命令解析，完成LED陣列驅(qū)動的PWM恒流控制，以及太陽能電池、LED陣列和蓄電池等電壓、電流和溫度等物理量的采集及發(fā)送。

圖3 路燈系統(tǒng)的單片機(jī)控制和采集電路

(a)單片機(jī)數(shù)據(jù)通信接口、采集單元和PWM輸出;(b)LED路燈恒流驅(qū)動電路

圖4 軟件流程

(a)HT單片機(jī)流程圖;(b)pc機(jī)軟件流程圖

3 單元電路及軟件流程

根據(jù)圖1的系統(tǒng)方框圖，各基本單元的電路原理及軟件流程如下:

3.1 GPRS通信基本電路

太陽能LED路燈控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊主要由圖2所示的GPRS通信電路完成。其中，圖2(a)的CH341A芯片電路主要完成計算機(jī)USB接口和SIM 300模塊COM(或RS232串口)數(shù)據(jù)接口的電平匹配，而具體數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收由SIM 300型GPRS模塊實(shí)現(xiàn)。

3.2 HT46RU232單片機(jī)電路測控電路

HT46RU232單片機(jī)負(fù)責(zé)整個路燈系統(tǒng)的GPRS命令幀解析和打包、PWM信號產(chǎn)生、太陽能電池輸出電壓和電流測量、LED陣列結(jié)溫測量等功能，其原理圖如圖3(a)所示。另外，HT46RU232單片機(jī)PWM輸出信號經(jīng)過LT3474 DC/DC電路進(jìn)行功率放大，實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動的LED PWM控制，完成亮度的調(diào)節(jié)。

3.3 軟件流程

太陽能LED路燈系統(tǒng)的測控功能具體由HT46RU232單片機(jī)C語言軟件編程和PC的MATLAB軟件編程具體實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)流程圖如4圖所示。

圖5 太陽能LED路燈系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原型

圖6 PC機(jī)MATLAB測試界面

(a)主界面;(b)路燈位置地圖;(c)亮度設(shè)置;(d)狀態(tài)監(jiān)測

4 實(shí)驗(yàn)原型及測試結(jié)果

根據(jù)上述原理及單元電路，搭建的太陽能LED路燈實(shí)驗(yàn)原型如圖5所示。

打開基于MATLAB的PC機(jī)控制界面 (如圖6(a))，進(jìn)行串口配置 (波特率115200)后，利用google地圖查詢和選擇 (如圖3(b))所需控制的路燈，進(jìn)行 LED路燈亮度調(diào)節(jié)的控制 (如圖6(c))，以及進(jìn)行太陽能電池電壓和電流，LED結(jié)溫和外界照度等查詢 (如圖3(d))。

圖7給出了控制系統(tǒng)的設(shè)置及其狀態(tài)變量查詢結(jié)果 (如太陽能板的充電電壓、溫度等)，另外，通過MATLAB強(qiáng)大的圖像和數(shù)據(jù)處理工具箱，容易獲得如圖7(b)所示的可視化效果。

圖7 實(shí)測結(jié)果

(a)設(shè)置參數(shù)和狀態(tài)返回值;(b)歷史數(shù)據(jù)可視化

5 結(jié)論

本文通過利用GPRS遠(yuǎn)程技術(shù)、MATLAB軟件編程技術(shù)和HT46RU232單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了太陽能LED路燈系統(tǒng)的智能監(jiān)控，提升了LED路燈的智能化，降低管理成本，并有利于太陽能LED路燈的進(jìn)一步節(jié)能減排。