太陽能LED路燈的遠程監控系統設計與實現*

龍興明 周靜

(1.重慶市高校光學工程市級重點實驗室，重慶師范大學 400047;2.輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶大學 400044)

1 引言

太陽能發電和發光二極管 (LED)是高效環保的半導體光電和電光轉換器件。太陽能LED路燈系統是理想的零碳排放照明系統，相對于傳統路燈照明，它具有節能、環保、使用壽命長等優點，太陽能LED路燈系統已被列為各國實施節能減排的重要措施之一［1］。

路燈控制系統的開發和使用一直備受關注。路燈控制系統有利于提高道路照明質量，降低能耗，實現照明的高效管理。國內外的路燈控制系統主要有［2］～［3］:①單一的光強控制加時間控制方式;②采用電力載波通信技術的計算機集中控制;③采用GPRS通信和數字信號處理芯片的遠程路燈控制。其中，基于GPRS通信和電流載波相結合的遠程控制方式是當前路燈控制發展的主要趨勢。然而，太陽能LED路燈的控制系統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電的非線性電壓-電流特性檢測、LED數字化光源以及未來電價實時預測調度的需要。因此，本文設計并實現了一種針對太陽能LED路燈系統的智能監控系統。

2 工作原理

計算機 (PC)通過MATLAB上位軟件由GPRS模塊或手機短信方式發送控制命令，太陽能LED路燈系統的GPRS模塊接收到控制命令后，由單片機進行命令解析，一方面完成脈寬調制 (PWM)占空比的設定，另一方面可以采集系統中LED結溫、太陽能板工作溫度、太陽能電池的發電電壓和電流、蓄電池狀態，并通過GPRS網絡返回PC控制端或手機端，系統框圖如圖1所示。

圖1 總體系統結構方框圖

圖2 GPRS通信電路

當用戶由上位機的MATLAB可視化數據處理軟件，設置相應命令和和數據后，經過USB/COM口轉換電路，由GPRS模塊進行上位機命令幀的發送;此時，下位機或第n個路燈由另一個GPRS模塊接收到相應命令幀后，經過HT46RU232單片機進行命令解析，完成LED陣列驅動的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送。

圖3 路燈系統的單片機控制和采集電路

圖4 軟件流程

3 單元電路及軟件流程

根據圖1的系統方框圖，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路燈控制系統的數據通訊主要由圖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USB接口和SIM 300模塊COM(或RS232串口)數據接口的電平匹配，而具體數據的發送和接收由SIM 300型GPRS模塊實現。

3.2 HT46RU232單片機電路測控電路

HT46RU232單片機負責整個路燈系統的GPRS命令幀解析和打包、PWM信號產生、太陽能電池輸出電壓和電流測量、LED陣列結溫測量等功能，其原理圖如圖3(a)所示。另外，HT46RU232單片機PWM輸出信號經過LT3474 DC/DC電路進行功率放大，實現恒流驅動的LED PWM控制，完成亮度的調節。

3.3 軟件流程

太陽能LED路燈系統的測控功能具體由HT46RU232單片機C語言軟件編程和PC的MATLAB軟件編程具體實現，相應流程圖如4圖所示。

圖5 太陽能LED路燈系統的實驗原型

圖6 PC機MATLAB測試界面

4 實驗原型及測試結果

根據上述原理及單元電路，搭建的太陽能LED路燈實驗原型如圖5所示。

打開基于MATLAB的PC機控制界面 (如圖6(a))，進行串口配置 (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，進行 LED路燈亮度調節的控制 (如圖6(c))，以及進行太陽能電池電壓和電流，LED結溫和外界照度等查詢 (如圖3(d))。

圖7給出了控制系統的設置及其狀態變量查詢結果 (如太陽能板的充電電壓、溫度等)，另外，通過MATLAB強大的圖像和數據處理工具箱，容易獲得如圖7(b)所示的可視化效果。

圖7 實測結果

5 結論

本文通過利用GPRS遠程技術、MATLAB軟件編程技術和HT46RU232單片機技術實現了太陽能LED路燈系統的智能監控，提升了LED路燈的智能化，降低管理成本，并有利于太陽能LED路燈的進一步節能減排。

［1］陳尚伍，陳敏，錢照明．高亮度 LED太陽能路燈照明系統．電力電子技術，2006，40(6):43～45．

［2］Long，X．，Liao，R．，and Zhou，J．． Development of street lightingsystem-based novelhigh-brightnessLED modules．IET Optoelectronics，2009，3(1):40 ～46．

［3］羅德塔，王志新，張華強．風光互補路燈無線監控系統的設計．自動化儀表，2010，31(3):53～56．

［4］王志斌，谷越．基于LT3476水冷散熱人體感應式LED照明系統的設計．照明工程學報，2010，21(5):89～94．

［5］于軍，刑永中，鶴壁．模擬路燈節能控制系統的設計．照明工程學報，2010，21(2):54～59，65．