光伏路灯控制器数据采集与传输功能的实现

普平贵　傅洪波　王伟　黄超

摘 要：为了便于太阳能路灯系统的故障快速判断、验证其系统设计的合理性，为此设计了一种带有状态数据采集和存储功能的控制器。配套基于WINDOWS操作系统的软件监控平台，通过PC机实现对控制器内部数据的访问和下载，实现对太阳能路灯系统的智能化管理。

关键词：光伏路灯控制器 数据采集 数据存储

中图分类号：TM615；TP39 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0051-03

太阳能路灯系统以其具有安装简便、工作稳定可靠、不敷设电缆、不消耗常规能源、使用寿命长等优点，在太阳能发电领域得到广泛的应用。目前太阳能路灯的运用已经成为离网型光伏发电系统中的一个最大分支，广泛应用于乡村道路、城市部分景观道路、广场和小区照明。但由于太阳能路灯系统单盏本身自成一个独立系统，包含发电单元、储能单元和充放电控制单元，其电源系统结构相对复杂，而且路灯系统的运行环境较为复杂，给系统的设计和运行管理带来了诸多难点。

目前广泛使用的太阳能路灯系统，运行维护管理仅参照传统路灯的管理方式，系统故障率较高。系统中单体成本最高的储能设备，运行3～5年左右，基本就处于报废状态。而系统出现故障，判断的依据仅仅是光源是否还能照明，照明的时间还能够持续多久。在判断是否能够照明方面，主要通过夜晚灯亮时段查看光源不亮时，白天对该盏路灯检查控制器输出、蓄电池状况、光伏组件电流电压等参数；在判断储能设备性能时，主要通过持续阴雨天夜晚时查看路灯的持续照明时间。而对于路灯系统运行中每天的充放电量状况、光伏组件运行状况、蓄电池使用中的性能等问题，运行管理人员对其一无所知，对系统初期的设计是否合理更是一片茫然。

因此，传统的太阳能路灯系统的运行管理手段仍然非常原始，不能够对路灯系统运行过程进行实时跟踪、预判系统的故障点。基于以上因素，开发出具备数据采集和存储功能的太阳能路灯控制器，其作为太阳能路灯系统中的一个核心部件，对其研究具有重要的现实意义。

1 太阳能路灯系统结构

太阳能路灯系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器、负载组成。控制器在整个系统当中处于核心地位，白天太阳能电池板对蓄电池的充电过程全依靠该设备全程控制，太阳能电池板的工作状况也可以通过充电过程分析出来。夜晚时分，通过控制器采集太阳能板端电压判断夜晚的来临并开启负载端输出，实现对光源的供电。在供电过程中，可以根据预先设定，对光源的照明时间、照明亮度要求自动控制调整。

2 控制器功能与结构

太阳能路灯控制器通过单片机对太阳能电池的充电电压、充电电流、蓄电池端电压、放电电流、环境温度等参数进行采样，实现符合蓄电池特性的放电率，温度补偿修正的高效、高准确率控制，并采用高效的PWM模式对蓄电池充电，保证蓄电池工作在最佳状态，延长蓄电池的使用寿命，并且能将相关的充放电数据保存[1]。

控制器具有防雷击、防反充、防反接、过载、负载短路等保护措施，并且具有充放电、蓄电池状态、负载工作及各种故障显示、显示时间等指示，此外控制器还具有按键设置功能及数据存储功能，存储的数据可通过串口通讯在电脑上导出查看同时也可通过串口通讯时时监测充放电数据[2]。所设计的一种实现数据存储功能的光伏路灯控制器结构图如图1所示。

因该系统要求对太阳能路灯工作进行控制，即12 V/24 V系統电压自动适应，控制太阳能电池板对蓄电池充电，控制蓄电池对负载放电，工作在单时段、双时段和固定模式，具有数据存储功能，能通过串口接口方便的将数据读到电脑上。同时要求控制器本身功耗要较小。在经过考虑以上要求和考虑程序存储器写入方式、电源范围、工作频率、市场价格、兼容型、加密功能、抗干扰性、烧写寿命更长等因素后选择了STC公司的芯片作为该系统的中央控制器。此芯片是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/s），抗强干扰，Flash程序存储器28 K[3]。

如图1，单片机通过充放电检测模块对充电的电压、电流及蓄电池电压、负载输出电流进行采样[3]，通过A/D转化把模拟信号转换成数字信号并且在芯片内部对数字信号进行运算，实时判别是否符合充电或放电条件，若满足充电条件在充电时调整充电的状态，于此同时在充放电的过程中把相关的数据存储在Flash程序存储器内。温度采集模块及按键设置模块同样是将采样的数据通过A/D转换把模拟信号转换成数字信号并且在芯片内部对数字信号进行运算。对温度的采样是为了补偿充电电压（温度的变化会影响蓄电池的充电特性）[4]。按键设置模块是为了设置放电的模式和时间，设置的数值在数码管上会显示。

该控制器区别于以往的传统控制器是它不仅具备了传统控制器的各种基本功能，还增加了串口通讯和数据存储的功能，这使得光伏路灯维修更加地简单方便，只要通过电脑就可以将以往的充放电数据在串口软件上调出，这样一看数据便可知道路灯系统是哪出现了问题，而且由于具有数据储存功能，设计人员在查看数据时便可验证自己设计的路灯方案是否合理，对于积累设计经验、做光伏路灯有关的科学实验是有极大的帮助的。数据存储的基本原理是所存储的数据经过各模块的采集汇集到单片机，单片机经过运算，将需存储的数据以二进制代码储存于Flash程序存储器。

3 系统软件设计

单片机巡回检测太阳能电池输入的电压、电流值，判别是否天黑，白天则为蓄电池充电，黑夜则按照设定的输出时间开启输出。充电的同时进行温度检测，对充电电压进行补偿，使电压值在一个标准的修正值。对每天所进行的充放电数据捕捉并且存储于片内存储器内。流程图如图2。

4 数据采集和存储功能

对于太阳能路灯系统中，影响路灯运行工况的构件设备包括光伏组件、蓄电池和控制器。因此，控制器采集和存储的数据需要包括每天的充电量、放电量和蓄电池部分时段的电压状况。

根据对以上数据量的需求，设计的光伏控制器数据采集和存储功能需要具备实时监测光伏组件端的工作电压、开路电压、工作电流，蓄电池部分时间点的在线电压，以及统计每天的充电电量和放电电量。

通过统计每天的充电电量和放电电量，可以分析当地气候状况下适合于该地的最佳设计配置方案。验证项目初期设计配置方案的合理性，便于后期项目方案的适实调整。并且通过分析一段时间充放电电量差异情况，结合蓄电池每天开灯时和熄灯时电压情况，若出现配置上存在问题或者某一年该地区出现特殊气候、太阳辐射量偏低现象时，通过人为设置，调整照明设备的亮度或者照明时间，避免蓄电池出现长期馈电导致损伤。通过分析每天充电电量和充电电流大小，结合当地日照情况，判断光伏组件运行工况。通过分析一段时间每天的开灯电压和熄灯电压，判断蓄电池运行状况。

PC机上面的软件监控平台，通过RS232串口和控制器实现连接，采集控制器内部存储的数据。同时，也可以通过该平台，调整太阳能路灯系统的运行参数，参看实时充放电状况数据（见表1）。

5 结语

虽然太阳能路灯作为一种绿色、清洁的能源示范窗口，近几年被广泛应用于城市和乡村道路照明，但由于目前储能设备的使用寿命仍然较短，成本还比较高，无形中加大了路灯系统的后期运行管理费用。从目前具备数据采集和存储功能的路灯控制器采集的数据分析看，由于路灯系统安装位置的特殊性，造成光伏组件受周围建筑和树木阴影遮挡问题较为突出，传统光伏系统配置方案移置于路灯系统存在一定的不科学性，造成蓄电池过早失效，增加了后期的運行成本。

在太阳能路灯控制器上增加了串口通讯和数据存储功能，便于路灯系统故障的查找以及校验系统设计配置的合理性，使得光伏路灯控制器功能更加完善，整个路灯系统也将更加稳定。

参考文献

[1] 肖洪兵.跟我学用单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[2] 王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].2版.北京：化学工业出版社，2009.

[3] 丁向荣.STC系列增强型8051单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2011.