基于GSM的太陽能路燈控制系統設計

張曉娟

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

摘 要： 為了充分節約能源，提高路燈控制系統的智能化，介紹了一種基于GSM的太陽能路燈控制系統。系統通過太陽能電池板把光能轉換成電能存儲在鋰電池中，利用STC12C5A16S2單片機內置AD采集鋰電池電壓數據，并通過GSM模塊把鋰電池電壓不足的信息發送給手機，工作人員可通過手機回復短信，讓單片機控制繼電器切換路燈工作電源。該方案對于太陽能利用以及遠程路燈控制有很大幫助，應用前景廣闊。

關鍵詞： GSM； 單片機； 太陽能電池板； 光敏電阻

中圖分類號：TP273.5 文獻標志碼：A 文章編號：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

太陽能是干凈、無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，選擇太陽能作為替代能源是解決能源危機的有效途徑之一[1]。目前國內大部分城市的道路照明管理系統至今仍在沿用簡單的光控、鐘控等傳統控制方式。這些系統普遍存在著難以反饋路燈運行狀態信息、難以進行遠程控制等局限，基本沒有節電效果，并且采用傳統的人工巡檢，不僅使路燈管理部門的任務繁重，也增加了運行維護的費用[2]。本文運用光能轉換成電能這一節能減排、可持續發展理念，設計了一個可遠程控制的太陽能路燈系統。

1 系統結構與工作原理

本系統由單片機控制中心、GSM模塊、太陽能電池板及充電管理模塊和鋰電池等模塊構成，總體架構如圖1所示。

系統采用STC12C5A16S2單片機作為主控芯片，當光敏電阻檢測到光線亮度小于設定的值時，打開LED燈，通過單片機內置AD模塊采集鋰電池電壓數據，如果鋰電池電壓小于2.8v（當鋰電池電壓小于2.7V，則處于過放狀態，會損害電池，減少電池使用壽命），單片機就會控制GSM模塊給工作人員發送短信，工作人員可以回復該短信實現遠程操控，切換路燈電源供應方式，以提高路燈持續工作能力及節電節能。

2 系統硬件設計

STC12C5A16S2是一款新型的單片機，由中央處理器（CPU）、程序存儲器、數據存儲器、定時/計數器、UART串口、I/O接口、高速AD接口、SPI接口、看門狗及片內振蕩等模塊組成[3]。利用單片機的內置AD采集鋰電池電壓數據，采集到的數據傳輸到單片機P1.0口，通過單片機內置AD轉換計算。如果鋰電池電壓小于2.8v，單片機則會控制GSM模塊給工作人員發送短信，工作人員收到短信后可以回復短信實現遠程操控，切換路燈電源供應方式。系統的總電路如圖2所示。

2.1 GSM模塊設計

系統中的無線通訊GSM模塊采用SIM900A，sim900A是一個專門為中國大陸和印度設計的2個頻端的GSM模塊，它的工作頻段是EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。GSM模塊是一個電子集成器件，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、存儲器等，所有不同功能的器件集成在一塊電路板上。這個模塊自帶GSM射頻處理、單獨的操作系統、基帶處理而且內嵌TCP/IP協議等功能模塊。模塊能夠實現打電話、發短信和上網等功能。文獻[4]中詳細介紹了單片機與SIM900A的通信方法，與單片機采用串口通訊，波特率為9600MHz，定時器1定時寄存器TH1=TL1=0xFD，使用AT指令來完成單片機與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（高電平的基準電壓），模塊的RXD接單片機的TXD，GSM模塊的TXD接單片機的RXD，模塊GND接單片機的GND。

2.2 太陽能電池板及充電管理設計

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

2.3 充電管理模塊設計

充電管理模塊的設計采用TP4056芯片，芯片會根據電池電壓自動調節，依照電池電壓的大小來選擇采用恒定電流還是恒定電壓進行充電。TP4056充電芯片內部基于PMOSFET架構和防倒充電路，因此外圍不再設計隔離二極管電路，從而使得充電電路簡單可靠。芯片通過對一個調節電阻進行設置來控制充電電流大小，而充電電壓最高為4.2V則最高為4.2V。當充電電流在達到最終浮充電壓之后降至設定值1/10時，TP4056將自動終止充電循環。當斷掉輸入電壓時，TP4056充電芯片會自動進入低功耗模式，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等功能[5]。它是針對單節鋰電池充電管理的芯片，在硬件設計中，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，而充電電流通過外部電位器進行設置。

3 軟件設計

前文中詳細闡述了基于GSM太陽能路燈控制系統硬件電路各個組成模塊的功能和工作原理，而接下來就是這個系統的核心部分，即軟件控制系統的設計。軟件系統是這個控制系統的靈魂，其設計有極大的靈活性，在硬件結構一定的情況下，系統的智能性幾乎完全靠軟件來實現。對于設計者而言，軟件系統的設計重在把設計者的嚴密思路轉換成電路及芯片之間能夠流通和交流的信號和“語言”。

在此次設計中，軟件結構仿效硬件電路的設計理念，采用模塊化設計，各個功能程序分別編寫并調試，在各模塊調試成功后，再將所有模塊連接整合，構成總系統的軟件。這樣，不僅有利于程序代碼的優化，而且便于編程、調試、維護和協作。設計單片機軟件主程序流程圖如圖3所示。

4 結論

本文詳細介紹了基于GSM的太陽能路燈控制系統的設計方案與軟硬件實現過程。對單片機控制、GSM模塊、光敏電阻模塊和太陽能電池組件等各個部分的功能、實現過程作了詳細介紹。該系統能夠可靠地對城市路燈進行有效的數據采集、自動判斷、自動報警，能夠對鋰電池進行有效的充電管理，同時能夠便捷地接收遠程命令控制繼電器切換路燈工作電源，達到節能要求，其具有體積小，工作可靠，控制便捷等優點。該方案對于太陽能利用以及遠程路燈控制有很大幫助，應用前景廣闊。

參考文獻（References）：

[1] 吳理博，劉建政，王健等.在太陽能路燈照明系統中的應用電

力電子在太陽能路燈照明系統中的應用[J].電力電子，2003.1（2）：15-19

[2] 呂運朋，李宏超，張為民等.基于STC單片機的智能LED路燈

控制器設計[J].電源技術，2010.134（5）：496-498，508

[3] 王鑫，崔忠林，劉建.基于STC12C5A16S2的溫度采集系統的

設計[J].微型機與應用，2012，31（20）：24-26，29

[4] 王明新.基于SIM900A的GSM遠程監控系統設計[J].電腦

知識與技術，2014.10（5）：3500-3503

[5] 任治，魏丹，曹景勝，郝亮.基于GSM的電動汽車充電控制系

統設計與實現[J].汽車工程師，2015.8：21-23