基于GSM的太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉娟

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.07.017

摘 要： 為了充分節(jié)約能源，提高路燈控制系統(tǒng)的智能化，介紹了一種基于GSM的太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能電池板把光能轉(zhuǎn)換成電能存儲(chǔ)在鋰電池中，利用STC12C5A16S2單片機(jī)內(nèi)置AD采集鋰電池電壓數(shù)據(jù)，并通過(guò)GSM模塊把鋰電池電壓不足的信息發(fā)送給手機(jī)，工作人員可通過(guò)手機(jī)回復(fù)短信，讓單片機(jī)控制繼電器切換路燈工作電源。該方案對(duì)于太陽(yáng)能利用以及遠(yuǎn)程路燈控制有很大幫助，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞： GSM； 單片機(jī)； 太陽(yáng)能電池板； 光敏電阻

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）07-59-03

Design of the solar street light control system with GSM

Zhang Xiaojuan

（Huizhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.， Huizhou， Guangdong 516003， China）

Abstract： In order to save energy and improve the intelligent control system of street lamp， this paper introduces a kind of control system of solar street lamp based on GSM. The system uses the solar panel to convert light energy into electric energy stored in the lithium battery， uses STC12C5A16S2 MCU built-in AD converter to acquire lithium battery voltage data， and sent the lithium battery low voltage information to the mobile phone through GSM module， the engineer can reply message through the mobile phone， and control relay to switch lamp power supply. The scheme has great help to the utilization of solar energy and the remote control of street lamps， and has broad application prospects.

Key words： GSM； MCU； solar panel； photosensitive resistor

0 引言

太陽(yáng)能是干凈、無(wú)污染且隨處可得的能源，而且取之不盡、用之不竭。在化石能源日漸短缺的今日，選擇太陽(yáng)能作為替代能源是解決能源危機(jī)的有效途徑之一[1]。目前國(guó)內(nèi)大部分城市的道路照明管理系統(tǒng)至今仍在沿用簡(jiǎn)單的光控、鐘控等傳統(tǒng)控制方式。這些系統(tǒng)普遍存在著難以反饋路燈運(yùn)行狀態(tài)信息、難以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等局限，基本沒(méi)有節(jié)電效果，并且采用傳統(tǒng)的人工巡檢，不僅使路燈管理部門的任務(wù)繁重，也增加了運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用[2]。本文運(yùn)用光能轉(zhuǎn)換成電能這一節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展理念，設(shè)計(jì)了一個(gè)可遠(yuǎn)程控制的太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

本系統(tǒng)由單片機(jī)控制中心、GSM模塊、太陽(yáng)能電池板及充電管理模塊和鋰電池等模塊構(gòu)成，總體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用STC12C5A16S2單片機(jī)作為主控芯片，當(dāng)光敏電阻檢測(cè)到光線亮度小于設(shè)定的值時(shí)，打開(kāi)LED燈，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置AD模塊采集鋰電池電壓數(shù)據(jù)，如果鋰電池電壓小于2.8v（當(dāng)鋰電池電壓小于2.7V，則處于過(guò)放狀態(tài)，會(huì)損害電池，減少電池使用壽命），單片機(jī)就會(huì)控制GSM模塊給工作人員發(fā)送短信，工作人員可以回復(fù)該短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，切換路燈電源供應(yīng)方式，以提高路燈持續(xù)工作能力及節(jié)電節(jié)能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

STC12C5A16S2是一款新型的單片機(jī)，由中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、I/O接口、高速AD接口、SPI接口、看門狗及片內(nèi)振蕩等模塊組成[3]。利用單片機(jī)的內(nèi)置AD采集鋰電池電壓數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)P1.0口，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換計(jì)算。如果鋰電池電壓小于2.8v，單片機(jī)則會(huì)控制GSM模塊給工作人員發(fā)送短信，工作人員收到短信后可以回復(fù)短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，切換路燈電源供應(yīng)方式。系統(tǒng)的總電路如圖2所示。

2.1 GSM模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的無(wú)線通訊GSM模塊采用SIM900A，sim900A是一個(gè)專門為中國(guó)大陸和印度設(shè)計(jì)的2個(gè)頻端的GSM模塊，它的工作頻段是EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。GSM模塊是一個(gè)電子集成器件，它包含各種部件如：GSM射頻、基帶頻率處理芯片、功率放大器件、存儲(chǔ)器等，所有不同功能的器件集成在一塊電路板上。這個(gè)模塊自帶GSM射頻處理、單獨(dú)的操作系統(tǒng)、基帶處理而且內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議等功能模塊。模塊能夠?qū)崿F(xiàn)打電話、發(fā)短信和上網(wǎng)等功能。文獻(xiàn)[4]中詳細(xì)介紹了單片機(jī)與SIM900A的通信方法，與單片機(jī)采用串口通訊，波特率為9600MHz，定時(shí)器1定時(shí)寄存器TH1=TL1=0xFD，使用AT指令來(lái)完成單片機(jī)與GSM模塊之間的字符傳輸。GSM模塊采用的是TTL電平，GSM模塊的電源端口接5V電壓，VCC_MCU端口接5V電壓（高電平的基準(zhǔn)電壓），模塊的RXD接單片機(jī)的TXD，GSM模塊的TXD接單片機(jī)的RXD，模塊GND接單片機(jī)的GND。

2.2 太陽(yáng)能電池板及充電管理設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的電源來(lái)自于太陽(yáng)電池板，把照射到太陽(yáng)能電池板上的太陽(yáng)光，利用光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換成直流電能輸出。由于本系統(tǒng)限定的電流值為1A，充電管理模塊的電壓為3.5V-35V，而采用的太陽(yáng)能電池板功率過(guò)高，輸出電流最大值為2.5A，輸出電壓最大值為22V。所以要將太陽(yáng)能電池板遮住兩格以減少輸出電流，并把太陽(yáng)能電池板的輸出經(jīng)降壓模塊降至7V后，再輸入到充電管理模塊，由充電管理模塊對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理，防止過(guò)沖。最后通過(guò)升壓模塊把鋰電池輸出的電壓提高到直流5V。

2.3 充電管理模塊設(shè)計(jì)

充電管理模塊的設(shè)計(jì)采用TP4056芯片，芯片會(huì)根據(jù)電池電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)，依照電池電壓的大小來(lái)選擇采用恒定電流還是恒定電壓進(jìn)行充電。TP4056充電芯片內(nèi)部基于PMOSFET架構(gòu)和防倒充電路，因此外圍不再設(shè)計(jì)隔離二極管電路，從而使得充電電路簡(jiǎn)單可靠。芯片通過(guò)對(duì)一個(gè)調(diào)節(jié)電阻進(jìn)行設(shè)置來(lái)控制充電電流大小，而充電電壓最高為4.2V則最高為4.2V。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時(shí)，TP4056將自動(dòng)終止充電循環(huán)。當(dāng)斷掉輸入電壓時(shí)，TP4056充電芯片會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，使得鋰電池漏電流被降至3μA。TP4056充電芯片還包括欠壓閉鎖及電池的溫度檢測(cè)等功能[5]。它是針對(duì)單節(jié)鋰電池充電管理的芯片，在硬件設(shè)計(jì)中，在充電輸出端口增加二極管，是防止電池電流倒流。模塊充電電壓恒定于4.2V，而充電電流通過(guò)外部電位器進(jìn)行設(shè)置。

3 軟件設(shè)計(jì)

前文中詳細(xì)闡述了基于GSM太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)硬件電路各個(gè)組成模塊的功能和工作原理，而接下來(lái)就是這個(gè)系統(tǒng)的核心部分，即軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)是這個(gè)控制系統(tǒng)的靈魂，其設(shè)計(jì)有極大的靈活性，在硬件結(jié)構(gòu)一定的情況下，系統(tǒng)的智能性幾乎完全靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重在把設(shè)計(jì)者的嚴(yán)密思路轉(zhuǎn)換成電路及芯片之間能夠流通和交流的信號(hào)和“語(yǔ)言”。

在此次設(shè)計(jì)中，軟件結(jié)構(gòu)仿效硬件電路的設(shè)計(jì)理念，采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能程序分別編寫并調(diào)試，在各模塊調(diào)試成功后，再將所有模塊連接整合，構(gòu)成總系統(tǒng)的軟件。這樣，不僅有利于程序代碼的優(yōu)化，而且便于編程、調(diào)試、維護(hù)和協(xié)作。設(shè)計(jì)單片機(jī)軟件主程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于GSM的太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。對(duì)單片機(jī)控制、GSM模塊、光敏電阻模塊和太陽(yáng)能電池組件等各個(gè)部分的功能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程作了詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)能夠可靠地對(duì)城市路燈進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)判斷、自動(dòng)報(bào)警，能夠?qū)︿囯姵剡M(jìn)行有效的充電管理，同時(shí)能夠便捷地接收遠(yuǎn)程命令控制繼電器切換路燈工作電源，達(dá)到節(jié)能要求，其具有體積小，工作可靠，控制便捷等優(yōu)點(diǎn)。該方案對(duì)于太陽(yáng)能利用以及遠(yuǎn)程路燈控制有很大幫助，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 吳理博，劉建政，王健等.在太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)中的應(yīng)用電

力電子在太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力電子，2003.1（2）：15-19

[2] 呂運(yùn)朋，李宏超，張為民等.基于STC單片機(jī)的智能LED路燈

控制器設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2010.134（5）：496-498，508

[3] 王鑫，崔忠林，劉建.基于STC12C5A16S2的溫度采集系統(tǒng)的

設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（20）：24-26，29

[4] 王明新.基于SIM900A的GSM遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦

知識(shí)與技術(shù)，2014.10（5）：3500-3503

[5] 任治，魏丹，曹景勝，郝亮.基于GSM的電動(dòng)汽車充電控制系

統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].汽車工程師，2015.8：21-23