常见问题

1 引言

太阳能发电和发光二极管 (LED)是高效环保的半导体光电和电光转换器件。太阳能LED路灯系统是理想的零碳排放照明系统，相对于传统路灯照明，它具有节能、环保、使用寿命长等优点，太阳能LED路灯系统已被列为各国实施节能减排的重要措施之一。

路灯控制系统的开发和使用一直备受关注。路灯控制系统有利于提高道路照明质量，降低能耗，实现照明的高效管理。国内外的路灯控制系统主要有:①单一的光强控制加时间控制方式;②采用电力载波通信技术的计算机集中控制;③采用GPRS通信和数字信号处理芯片的远程路灯控制。其中，基于GPRS通信和电流载波相结合的远程控制方式是当前路灯控制发展的主要趋势。然而，太阳能LED路灯的控制系统虽然可以采用成熟的路灯管理方法，但是无法满足太阳能发电的非线性电压-电流特性检测、LED数字化光源以及未来电价实时预测调度的需要。因此，本文设计并实现了一种针对太阳能LED路灯系统的智能监控系统。

2 工作原理

计算机 (PC)通过MATLAB上位软件由GPRS模块或手机短信方式发送控制命令，太阳能LED路灯系统的GPRS模块接收到控制命令后，由单片机进行命令解析，一方面完成脉宽调制 (PWM)占空比的设定，另一方面可以采集系统中LED结温、太阳能板工作温度、太阳能电池的发电电压和电流、蓄电池状态，并通过GPRS网络返回PC控制端或手机端，系统框图如图1所示。

图1 总体系统结构方框图

图2 GPRS通信电路

( a) 基于CH341A 芯片的USB /COM 转换电路; ( b) GPRS 模块外围电路

当用户由上位机的MATLAB可视化数据处理软件，设置相应命令和和数据后，经过USB/COM口转换电路，由GPRS模块进行上位机命令帧的发送;此时，下位机或第n个路灯由另一个GPRS模块接收到相应命令帧后，经过HT46RU232单片机进行命令解析，完成LED阵列驱动的PWM恒流控制，以及太阳能电池、LED阵列和蓄电池等电压、电流和温度等物理量的采集及发送。

图3 路灯系统的单片机控制和采集电路

(a)单片机数据通信接口、采集单元和PWM输出;(b)LED路灯恒流驱动电路

图4 软件流程

(a)HT单片机流程图;(b)pc机软件流程图

3 单元电路及软件流程

根据图1的系统方框图，各基本单元的电路原理及软件流程如下:

3.1 GPRS通信基本电路

太阳能LED路灯控制系统的数据通讯主要由图2所示的GPRS通信电路完成。其中，图2(a)的CH341A芯片电路主要完成计算机USB接口和SIM 300模块COM(或RS232串口)数据接口的电平匹配，而具体数据的发送和接收由SIM 300型GPRS模块实现。

3.2 HT46RU232单片机电路测控电路

HT46RU232单片机负责整个路灯系统的GPRS命令帧解析和打包、PWM信号产生、太阳能电池输出电压和电流测量、LED阵列结温测量等功能，其原理图如图3(a)所示。另外，HT46RU232单片机PWM输出信号经过LT3474 DC/DC电路进行功率放大，实现恒流驱动的LED PWM控制，完成亮度的调节。

3.3 软件流程

太阳能LED路灯系统的测控功能具体由HT46RU232单片机C语言软件编程和PC的MATLAB软件编程具体实现，相应流程图如4图所示。

图5 太阳能LED路灯系统的实验原型

图6 PC机MATLAB测试界面

(a)主界面;(b)路灯位置地图;(c)亮度设置;(d)状态监测

4 实验原型及测试结果

根据上述原理及单元电路，搭建的太阳能LED路灯实验原型如图5所示。

打开基于MATLAB的PC机控制界面 (如图6(a))，进行串口配置 (波特率115200)后，利用google地图查询和选择 (如图3(b))所需控制的路灯，进行 LED路灯亮度调节的控制 (如图6(c))，以及进行太阳能电池电压和电流，LED结温和外界照度等查询 (如图3(d))。

图7给出了控制系统的设置及其状态变量查询结果 (如太阳能板的充电电压、温度等)，另外，通过MATLAB强大的图像和数据处理工具箱，容易获得如图7(b)所示的可视化效果。

图7 实测结果

(a)设置参数和状态返回值;(b)历史数据可视化

5 结论

本文通过利用GPRS远程技术、MATLAB软件编程技术和HT46RU232单片机技术实现了太阳能LED路灯系统的智能监控，提升了LED路灯的智能化，降低管理成本，并有利于太阳能LED路灯的进一步节能减排。