太陽能傳感器供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周 進(jìn)，劉 洋

（南京普天大唐信息電子有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)正在與各個(gè)行業(yè)進(jìn)行有效結(jié)合。物聯(lián)網(wǎng)與水利行業(yè)的成功結(jié)合，不但降低了檢測人員的工作強(qiáng)度，還提高了檢測人員的工作效率，通過分析水利大數(shù)據(jù)可以預(yù)測水情。在沒有物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，檢測人員有時(shí)需要跋山涉水去檢測一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的水利信息，耗時(shí)耗力且效率低下。如今，檢測人員在需要檢測的地點(diǎn)安放大量的傳感器，就可以在后臺(tái)看到所有數(shù)據(jù)。現(xiàn)場的終端設(shè)備和傳感器需要持續(xù)供電，在偏遠(yuǎn)地區(qū)引入市電進(jìn)行供電成本偏高，由此引入太陽能傳感器供電系統(tǒng)，以節(jié)約成本，有效利用能源。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

系統(tǒng)由太陽能板、蓄電池、控制主板、通信主板以及傳感器5個(gè)部分組成[1]。控制主板協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)，使用戶系統(tǒng)更加高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。控制主板采用串聯(lián)式PWM方式，不但延長了電池的使用壽命，而且提高了系統(tǒng)性能。

蓄電池的種類很多，本系統(tǒng)可以支持開口式、密封式以及膠體式3種。系統(tǒng)有測試模式、光控定時(shí)模式、手動(dòng)模式以及光控模式4種工作模式，還有多種電子保護(hù)功能，如短路、過載、過放以及過充等。此外，系統(tǒng)還實(shí)時(shí)記錄用電量和發(fā)電量等系統(tǒng)運(yùn)行的各種參數(shù)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)簡述

系統(tǒng)硬件部分由通信主板和控制主板兩部分構(gòu)成。通信主板和控制主板采用的MCU均為STM32F103ZET6，通信主板由開關(guān)電路、供電電路、電平轉(zhuǎn)化電路以及NB模組等構(gòu)成。控制主板由供電電路、充電電路、放電電路、半橋驅(qū)動(dòng)電路、放電驅(qū)動(dòng)電路、防反充MOS驅(qū)動(dòng)電路、過流保護(hù)電路以及充電電流檢測電路等構(gòu)成[2]。充電MOS驅(qū)動(dòng)電路原理如圖2所示，通過PWM_H輸入脈沖信號(hào)，HO1/HO2管腳驅(qū)動(dòng)后級(jí)的1號(hào)MOS管通過PWM_L輸入脈沖信號(hào)，LO1/LO2驅(qū)動(dòng)后級(jí)的2號(hào)MOS管，D5和D7釋放MOS管GS間電容的能量。

圖2 充電MOS驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分由通信主板和控制主板兩部分組成。控制主板上的程序分為初始化程序、學(xué)習(xí)程序、空閑程序、充電程序、液晶顯示程序、按鍵處理程序以及中斷處理程序7個(gè)部分。液晶顯示程序主要是動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)；按鍵處理程序主要用于選擇蓄電池類型及負(fù)載模式；中斷處理程序主要對空閑、充放電及非正常工作狀態(tài)進(jìn)行判斷及處理。控制主板與傳感器的通信協(xié)議是Modbus，控制主板通過485串口定時(shí)從傳感器獲取數(shù)據(jù)。控制主板將獲取的數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送給通信主板，通信主板在獲取到數(shù)據(jù)后直接發(fā)送給后臺(tái)。

控制主板上電后，每隔50 ms采樣1次電壓，連續(xù)采樣10次。如果最大值和最小值偏差在2%～10%，認(rèn)為電壓已經(jīng)穩(wěn)定；否則，重新采樣10次進(jìn)行比較。連續(xù)10次判斷電壓不穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)入輸入電壓異常保護(hù)函數(shù)。電壓穩(wěn)定后，若電壓在9～17 V，置12 V標(biāo)志位；若電壓在17～30 V，置24 V標(biāo)志位；若電壓在30～42 V，置36 V標(biāo)志位；若電壓大于42 V，置48 V標(biāo)志位。通信主板軟件框架圖如圖3所示。

圖3 通信主板軟件框架圖

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽能傳感器供電系統(tǒng)，可以使物聯(lián)網(wǎng)更好地發(fā)展，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)物聯(lián)網(wǎng)傳感器的供電問題。