無線傳感裝置的太陽能供電系統(tǒng)研究

宋麗青+劉沖+張志新+梁幫偉+劉洋+李以輝

摘 要： 為了能夠?qū)崿F(xiàn)對安裝在無縫鋼軌上的無線傳感裝置無間斷供電，詳細介紹一種太陽能無間斷供電系統(tǒng)的設(shè)計方案。供電系統(tǒng)以充放電控制器為核心，采用免維護鉛酸蓄電池作為備用電源，實現(xiàn)了對無線傳感裝置的無間斷供電系統(tǒng)設(shè)計。在完成系統(tǒng)的同時，還充分考慮了雷擊影響，以及無線傳感裝置電壓的遠程監(jiān)控問題，為此，增加了電池防雷模塊以及GSM短信開關(guān)，保證了該系統(tǒng)的安全可靠性。經(jīng)現(xiàn)場測試，蓄電池能夠在陰雨天氣持續(xù)作業(yè)達7天，該系統(tǒng)具有安全、可靠、防雷擊、遠程監(jiān)控等特點。

關(guān)鍵詞： 太陽能供電； 充放電控制器； 防雷器； GSM短信開關(guān)

中圖分類號： TN98 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）14?0156?04

Research on wireless sensing device of solar?energy power supply system

SONG Li?qing， LIU Chong， ZHANG Zhi?xin， LIANG Bang?wei， LIU Yang， LI Yi?hui

（School of Mechanical Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China）

Abstract： In order to be able to achieve uninterrupted power supply for the wireless sensor device on the seamless rail， a method of solar uninterrupted power supply system is introduced in detail. Taking the charging and discharging controller as the core of this system and the maintenance?free lead?acid battery as backup power， the design of the uninterrupted power supply system for the wireless sensing device was realized. In the completion process of system design， the impact of lightning strikes and remote voltage monitoring of wireless sensor were also fully considered. Therefore， the lightning?proof surge protection module and the GSM SMS switch are added to improve the safety and reliability of the system. The field testing results that the battery can continuously work for 7 days in rainy weather. This system has the characteristics of safety， reliability， lightning protection， remote monitoring and so on.

Keywords： solar energy power supply； charge and discharge controller； lightning arrester； GSM SMS switch

無線傳感裝置被安裝在野外的鐵路鋼軌上，它利用傳感器獲取鋼軌信息，通過無線通信將獲取的感知信息傳送給遠端的監(jiān)控終端，可以及時地對鐵路的安全進行監(jiān)測、預(yù)警等。在無線傳感裝置中，電源是整個系統(tǒng)的重要組成部分。目前，無線傳感器多采用傳統(tǒng)的化學(xué)電池供電，使用壽命有限。在野外環(huán)境下，無法期望對多個監(jiān)測節(jié)點進行頻繁的電池更換操作，考慮到我國的許多地區(qū)太陽光照充分，若利用太陽能對無線傳感裝置供電則不失為一種較好的選擇[1]。

太陽能是一種取之不盡，用之不竭的資源，并且是一種綠色節(jié)能環(huán)保的新能源。利用太陽能可就近供電，不必長距離輸送，避免了長距離輸電線路的損失，安裝簡單，維護方便，適合于無人值守情況下使用。本文設(shè)計的太陽能供電系統(tǒng)可為安裝在無縫鋼軌上的無線傳感裝置提供安全、可靠、穩(wěn)定的低電壓輸出，從而保證無線傳感裝置在持續(xù)長久作業(yè)時的穩(wěn)定性，克服了鐵路現(xiàn)場供電困難的問題。太陽能供電系統(tǒng)不僅解決了野外長時間無人監(jiān)護的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電問題而且還具有供電持久環(huán)保節(jié)能和便于維護等優(yōu)點，具有良好的應(yīng)用前景。

1 供電系統(tǒng)簡介

由于太陽能電池板的輸出電壓不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的太陽能供電系統(tǒng)往往因為蓄電池充放電管理不合理導(dǎo)致蓄電池使用壽命大大縮短，且太陽能供電系統(tǒng)安裝在戶外，容易在雷雨天氣遭遇雷電干擾而使整個系統(tǒng)發(fā)生故障。無線傳感裝置安裝在鋼軌上，工作人員無法長期在現(xiàn)場對其進行看護，當(dāng)傳感裝置工作出現(xiàn)異常時，不能夠及時有效地對其供電單元進行故障分析和判斷，這就急需一種能夠有效對其進行遠程控制的裝置來獲取供電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀況。

本文提出了一種基于太陽能的無線裝置的太陽能供電系統(tǒng)。主要由太陽能電池板，蓄電池，充放電控制器，防雷器和GSM短信開關(guān)五部分組成。該系統(tǒng)能夠自動管理蓄電池的充電過程并進行有效的能量儲存，通過對電池電壓的監(jiān)測避免蓄電池過度放電以達到延長蓄電池壽命的目的。太陽能供電系統(tǒng)的核心單元是充放電控制器，它不僅能夠根據(jù)太陽光照射的條件來完成太陽能供電到蓄電池的控制，對蓄電池的過充和過放進行保護，并且能夠輸出穩(wěn)定的電壓給負(fù)載[2]。防雷模塊的使用可以抗擊雷電的干擾從而對整個系統(tǒng)進行保護，保證了供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[3]。GSM短信開關(guān)的安裝可有效解決傳感裝置工作出現(xiàn)異常時對其進行重新上電或斷電來實現(xiàn)復(fù)位重啟。通過發(fā)送不同功能指令的短信到GSM短信開關(guān)卡，既能夠查詢當(dāng)前蓄電池的電壓狀況，又能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感裝置進行遠程重新上電或斷電功能，同時，當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，短信開關(guān)又能夠及時地向綁定的手機號碼發(fā)送報警功能。

2 太陽能供電系統(tǒng)總體設(shè)計

太陽能供電系統(tǒng)的整體設(shè)計思路，首先要考慮系統(tǒng)總功耗來選取合適的蓄電池，然后根據(jù)蓄電池的容量確定太陽能電池板，最后根據(jù)太陽能電池板和蓄電池的充電電壓、充電電流等參數(shù)選擇合適的充放電控制器。基本供電系統(tǒng)搭建以后，再綜合傳感裝置的工作環(huán)境等因素，加入防雷模塊以及短信開關(guān)控制，使系統(tǒng)更加完善可靠。根據(jù)傳感裝置的實際供電需求，搭建的太陽能供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 供電模塊選取

系統(tǒng)供電模塊包括太陽能電池板和蓄電池，二者的選取應(yīng)滿足無線傳感裝置不間斷工作的需求。

2.1.1 蓄電池的選取

太陽能供電系統(tǒng)的儲能裝置主要是蓄電池，與太陽能電池板配套使用的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。它的電能量比用電負(fù)載所需的電能量大得多。同時，蓄電池放在室外，在嚴(yán)冬和酷暑環(huán)境下受環(huán)境溫度的影響較大。因此，要求蓄電池不僅有較好的深循環(huán)能力，以及很好的過充和過放能力，而且能夠適用不同的環(huán)境要求，維護簡單，使用壽命長。目前國內(nèi)被廣泛使用的太陽能蓄電池主要有：鉛酸免維護蓄電池和膠體蓄電池。因為它們固有的“免”維護特性及對環(huán)境較少污染的特點，很適用于性能可靠的太陽能供電系統(tǒng)，特別是無人值守的工作站[4]。從價格低廉角度考慮，本系統(tǒng)最終選用鉛酸免維護電池。

無線傳感裝置對鋼軌必須進行全天24小時無間斷安全監(jiān)測，且必須考慮到至少7天陰雨連天以及夜晚無日照情況下能夠正常工作。綜合多種因素，來選取滿足容量要求的蓄電池。

鋼軌安全監(jiān)測所需的一套測量傳感裝置包括4個傳感節(jié)點（加速度傳感節(jié)點，動態(tài)應(yīng)變傳感節(jié)點，靜態(tài)應(yīng)變傳感節(jié)點，靜態(tài)溫度傳感節(jié)點），當(dāng)列車未經(jīng)過鋼軌時傳感節(jié)點處于低功耗模式，工作電流大約為0.13 A；列車經(jīng)過時，傳感節(jié)點全部進入工作模式，工作電流最大約為0.25 A。每天大約經(jīng)過60次列車，節(jié)點每次進行數(shù)據(jù)采集傳輸所需時間大約為60 s，所以一套傳感節(jié)點在一天之內(nèi)的功耗大約為3.24 A·h。

鉛酸蓄電池的容量計算公式如下：

[Bc=QlTlKtDdKs] （1）

式中：[Bc]為鉛酸蓄電池的容量；[Ql]為傳感節(jié)點的日均耗電量，取值為3.24 A·h；[Tl]為最長連續(xù)陰雨天數(shù)，取值為7天；[Kt]為鉛酸蓄電池溫度修正系數(shù)，一般0 ℃以上為1，0 ℃以下為1.1，取[Kt]=1；[Dd]為鉛酸蓄電池放電深度，一般為0.75；[Ks]為安全系數(shù)，取[Ks]=1.25。由式（1）計算得到蓄電池容量[Bc]=23.389 A·h，根據(jù)通信電源相關(guān)工程設(shè)計規(guī)范以及蓄電池常用規(guī)格，本系統(tǒng)最終選擇12 V 38 A·H的鉛酸蓄電池給無線傳感裝置供電。

2.1.2 太陽能電池板的選取[5]

選擇太陽能電池板的決定因素在于光伏發(fā)電系統(tǒng)所需要的功率，另外蓄電池性能和轉(zhuǎn)換電路的損耗等對選取電池板也有一定的影響。根據(jù)無線傳感裝置的工作狀況和蓄電池的充電需求，選取所需功率的太陽能電池板。太陽能電池板的功率可由下列公式計算得出：

[Ps=P1T1V1·VsTsη×Ks] （2）

式中，[Ps]為所要計算的太陽能電池板的功率；[P1]為負(fù)載最大功率，本文中一套節(jié)點的功耗[P1]=12 V×0.25 A=3 W；T1為負(fù)載一天所需要工作的時間，取T1=24 h；V1為負(fù)載的工作電壓，取V1=12 V；Vs為太陽能電池板的平均充電電壓，取Vs=14 V；Ts為太陽能電池板每天可以正常工作的時間，北方一般為4～5 h，取Ts=4 h；η為太陽能電池板的充電效率，一般為60%～70%，取η=60%；Ks為保險系數(shù)，一般為1.1～1.4，取Ks=1.3。由式（2）計算得到Ps=43 W。由計算可知，太陽能電池板所需功率大約為43 W時才能保證一套無線傳感裝置的正常工作，實際應(yīng)用中應(yīng)留有設(shè)計余量。目前常用的太陽能板主要有單晶和多晶電池板兩種，同功率的單晶電池板價格要比同功率的多晶板高些，考慮設(shè)計成本及太陽能電池板功率規(guī)格，本文選用12 V 65 W多晶硅太陽能電池板，其最大工作電壓17.6 V，開路電壓21.8 V，最大工作電流3.7 A，短路電流4.11 A。

2.2 充放電控制器

一般太陽能電池板輸出電壓不穩(wěn)定，不能直接應(yīng)用于負(fù)載，而控制器在這個過程中起著樞紐作用，其性能的好壞將會直接影響充電效果和輸出負(fù)載電壓的穩(wěn)定性?？刂破骺刂铺柲茈姵匕鍖π铍姵氐某潆?，為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度放電。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償功能?；谝陨显O(shè)計要求并結(jié)合太陽能電池板和蓄電池參數(shù)，本系統(tǒng)采用PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)制方法控制對蓄電池充放電的控制器，該控制器具有溫度補償，過充、過放、負(fù)載短路、過載保護等功能，極大的延長蓄電池的使用壽命，保證整個系統(tǒng)的正常工作[6]。其性能參數(shù)如表1所示。

表1 充放電控制器性能參數(shù)

所選用的充放電控制器在實際應(yīng)用中具體工作過程如下：

有陽光照射時，如果蓄電池發(fā)生過充動作（蓄電池電壓超過保護值14.4 V），控制器則會自動斷開對蓄電池的充電電路，以防止因過充對蓄電池造成的損害；當(dāng)電壓下降到13.8 V時，太陽能控制器將會重新啟動充電電路，從而對蓄電池進行保護。陰雨無光照時，蓄電池對負(fù)載供電，同樣也要檢測蓄電池兩端電壓，當(dāng)電壓到達設(shè)定的最低放電電壓10.8 V時，控制器會自動切斷負(fù)載來保護電池不被過放電。當(dāng)太陽能極板對蓄電池的充電達到控制器設(shè)定值（恢復(fù)電壓12.2 V）時，負(fù)載才會被再次接通。經(jīng)過多次試驗證明，設(shè)計中采用充放電控制器，延長了蓄電池的使用壽命，能夠為負(fù)載提供穩(wěn)定的輸出電壓。

2.3 防雷模塊設(shè)計

無線傳感裝置安裝在戶外進行數(shù)據(jù)傳輸通信，雷擊會給通信設(shè)備及其供電系統(tǒng)造成危害， 導(dǎo)致設(shè)備故障，通信中斷甚至設(shè)備燒毀，釀成嚴(yán)重事故。為減少雷擊浪涌造成的損失， 供電系統(tǒng)必須進行雷擊浪涌保護設(shè)計，如圖1所示供電系統(tǒng)中加入兩級防雷設(shè)備來降低雷電對無線傳感裝置的損傷。在電路設(shè)計中，防雷保護電路圖如圖2所示，主要由三種元器件組成：陶瓷氣體放電管（GDT），聚合物正溫度系數(shù)熱敏電阻（PPTC），瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。

圖2 防雷模塊電路原理圖

當(dāng)幾百伏到一千多伏脈沖擊穿電壓加載到圖2所示輸入端時，陶瓷氣體放電管內(nèi)（G1、G2）氣體電離，放電管導(dǎo)通，沖擊電流被泄放到大地，作為一級保護電路[7]。PPTC在正常情況下阻值很低，當(dāng)通過其電流急劇增大，電路出現(xiàn)異常時，器件的溫度會在瞬間急劇上升迅速產(chǎn)生很高的阻抗，限制異常電流通過，作為二級保護電路。TVS二極管（TVS1，TVS2，TVS3）在承受瞬間高能量脈沖時，能在ns級時間內(nèi)由原來的高阻抗?fàn)顟B(tài)變?yōu)榈妥杩?，并把輸出端電壓箝制到特定的水平，用作電路的三級保護[8]。實驗中使用雷擊浪涌發(fā)生器SKS?0510，浪涌極性分正負(fù)極，對防雷模塊進行共模雷擊浪涌模擬測試，將12 V電源經(jīng)防雷模塊加載到負(fù)載電路（負(fù)載電路為發(fā)光LED燈）。元器件GDT，PPTC，TVS和LED燈的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

實驗分析：所選用的GDT、PPTC、TVS能夠有效的抵擋2 200 V的浪涌干擾，因此，該防雷電路是有效的。

2.4 GSM短信開關(guān)

太陽能供電系統(tǒng)應(yīng)用在鐵路沿線且遠離監(jiān)控中心，操作人員在監(jiān)控中心無法及時了解和掌控?zé)o線傳感裝置的供電和工作狀況。且GSM短信通信具有成本低、可擴展性強等優(yōu)點，受到了廣泛關(guān)注，因此在供電系統(tǒng)中引入了GSM短信開關(guān)[9]。本文選用GSM模塊和單片機為核心的遠程控制器，用戶通過發(fā)送短信的方式遙控千里之外的遠程開關(guān)，時刻查詢蓄電池電壓，并可對負(fù)載進行斷電或重啟，以及供電異常時向手機綁定用戶發(fā)送報警信息[10]。選用的GSM短信開關(guān)輸入電壓為12 V，最大工作電流只有0.3 A，內(nèi)部包含兩個常閉繼電器，觸點最大切換電壓30 V，最大切換電流10 A。實際使用過程中，一個繼電器一端連接12 V的輸入電壓，另一端接負(fù)載（無線傳感裝置）。用戶可通過開關(guān)配置助手進行設(shè)置綁定手機號碼和操控密碼如圖3所示。

表2 雷擊浪涌共模測試結(jié)果

圖3 短信開關(guān)配置助手

實際應(yīng)用中當(dāng)短信開關(guān)重新上電時，會自動向綁定手機號碼發(fā)送消息，返回蓄電池當(dāng)前電壓值；短信開關(guān)若接收到用戶命令，會根據(jù)其格式及密碼來判斷是否為有效命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作后返回一條消息告知用戶當(dāng)前執(zhí)行的結(jié)果。同時，短信開關(guān)通過每分鐘模塊運行狀態(tài)自動查詢來及時處理死機狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)死機，單片機會自動重啟模塊供電部分；當(dāng)GSM模塊無法連接網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)絡(luò)信號比較差時，單片機也會自動重啟模塊供電部分，使得模塊重新運行和連接網(wǎng)絡(luò)。

通過在鐵路現(xiàn)場應(yīng)用GSM短信開關(guān)，實現(xiàn)了操作人員在監(jiān)控中心對負(fù)載供電實現(xiàn)遠程操控的需求，操作簡單方便，可隨時查詢蓄電池電壓，對負(fù)載進行斷電或重啟，以及供電異常時向手機綁定用戶發(fā)送報警信息。

3 供電系統(tǒng)測試與結(jié)果

實驗設(shè)備包括兩塊并聯(lián)的太陽能電池板（12 V 65 W）、蓄電池（12 V 38 A·h）、充放電控制器、防雷模塊、GSM短信開關(guān)、GSM天線、負(fù)載（無線傳感裝置）、數(shù)字萬用表及若干導(dǎo)線。按照供電系統(tǒng)的原理圖搭建如圖4所示測試環(huán)境。

圖4 太陽能供電系統(tǒng)

測試過程：

（1） 天氣晴朗陽光充足，蓄電池初始電壓10.1 V，即放空狀態(tài)情況下，測試充滿蓄電池的時間。所得實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 蓄電池充電數(shù)據(jù)表

（2） 用黑色布遮住太陽能板，模擬連續(xù)陰雨天氣，測試負(fù)載持續(xù)工作時間，所得實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 負(fù)載持續(xù)工作時間表

（3） 測試小結(jié)

太陽能供電系統(tǒng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計的要求和功能，在歷時6 h左右基本達到蓄電池滿充狀態(tài)，并且能夠在陰雨天氣一周內(nèi)保證無線傳感裝置的正常工作。

4 結(jié) 語

目前，研究的太陽能供電系統(tǒng)已應(yīng)用于某線路無縫鋼軌上的無線傳感裝置，經(jīng)過長期實驗測試，該系統(tǒng)能夠在連續(xù)陰雨天氣內(nèi)給負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓，通過手機短信隨時隨地獲取蓄電池電量，同時能夠應(yīng)對雷雨天氣，保障系統(tǒng)安全正?？煽康倪\行。

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[10] 康健太.太陽能供電在無線通信中的應(yīng)用與設(shè)計[J].甘肅科技，2012，28（12）：23?24.

2.3 防雷模塊設(shè)計

無線傳感裝置安裝在戶外進行數(shù)據(jù)傳輸通信，雷擊會給通信設(shè)備及其供電系統(tǒng)造成危害， 導(dǎo)致設(shè)備故障，通信中斷甚至設(shè)備燒毀，釀成嚴(yán)重事故。為減少雷擊浪涌造成的損失， 供電系統(tǒng)必須進行雷擊浪涌保護設(shè)計，如圖1所示供電系統(tǒng)中加入兩級防雷設(shè)備來降低雷電對無線傳感裝置的損傷。在電路設(shè)計中，防雷保護電路圖如圖2所示，主要由三種元器件組成：陶瓷氣體放電管（GDT），聚合物正溫度系數(shù)熱敏電阻（PPTC），瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。

圖2 防雷模塊電路原理圖

當(dāng)幾百伏到一千多伏脈沖擊穿電壓加載到圖2所示輸入端時，陶瓷氣體放電管內(nèi)（G1、G2）氣體電離，放電管導(dǎo)通，沖擊電流被泄放到大地，作為一級保護電路[7]。PPTC在正常情況下阻值很低，當(dāng)通過其電流急劇增大，電路出現(xiàn)異常時，器件的溫度會在瞬間急劇上升迅速產(chǎn)生很高的阻抗，限制異常電流通過，作為二級保護電路。TVS二極管（TVS1，TVS2，TVS3）在承受瞬間高能量脈沖時，能在ns級時間內(nèi)由原來的高阻抗?fàn)顟B(tài)變?yōu)榈妥杩?，并把輸出端電壓箝制到特定的水平，用作電路的三級保護[8]。實驗中使用雷擊浪涌發(fā)生器SKS?0510，浪涌極性分正負(fù)極，對防雷模塊進行共模雷擊浪涌模擬測試，將12 V電源經(jīng)防雷模塊加載到負(fù)載電路（負(fù)載電路為發(fā)光LED燈）。元器件GDT，PPTC，TVS和LED燈的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

實驗分析：所選用的GDT、PPTC、TVS能夠有效的抵擋2 200 V的浪涌干擾，因此，該防雷電路是有效的。

2.4 GSM短信開關(guān)

太陽能供電系統(tǒng)應(yīng)用在鐵路沿線且遠離監(jiān)控中心，操作人員在監(jiān)控中心無法及時了解和掌控?zé)o線傳感裝置的供電和工作狀況。且GSM短信通信具有成本低、可擴展性強等優(yōu)點，受到了廣泛關(guān)注，因此在供電系統(tǒng)中引入了GSM短信開關(guān)[9]。本文選用GSM模塊和單片機為核心的遠程控制器，用戶通過發(fā)送短信的方式遙控千里之外的遠程開關(guān)，時刻查詢蓄電池電壓，并可對負(fù)載進行斷電或重啟，以及供電異常時向手機綁定用戶發(fā)送報警信息[10]。選用的GSM短信開關(guān)輸入電壓為12 V，最大工作電流只有0.3 A，內(nèi)部包含兩個常閉繼電器，觸點最大切換電壓30 V，最大切換電流10 A。實際使用過程中，一個繼電器一端連接12 V的輸入電壓，另一端接負(fù)載（無線傳感裝置）。用戶可通過開關(guān)配置助手進行設(shè)置綁定手機號碼和操控密碼如圖3所示。

表2 雷擊浪涌共模測試結(jié)果

圖3 短信開關(guān)配置助手

實際應(yīng)用中當(dāng)短信開關(guān)重新上電時，會自動向綁定手機號碼發(fā)送消息，返回蓄電池當(dāng)前電壓值；短信開關(guān)若接收到用戶命令，會根據(jù)其格式及密碼來判斷是否為有效命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作后返回一條消息告知用戶當(dāng)前執(zhí)行的結(jié)果。同時，短信開關(guān)通過每分鐘模塊運行狀態(tài)自動查詢來及時處理死機狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)死機，單片機會自動重啟模塊供電部分；當(dāng)GSM模塊無法連接網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)絡(luò)信號比較差時，單片機也會自動重啟模塊供電部分，使得模塊重新運行和連接網(wǎng)絡(luò)。

通過在鐵路現(xiàn)場應(yīng)用GSM短信開關(guān)，實現(xiàn)了操作人員在監(jiān)控中心對負(fù)載供電實現(xiàn)遠程操控的需求，操作簡單方便，可隨時查詢蓄電池電壓，對負(fù)載進行斷電或重啟，以及供電異常時向手機綁定用戶發(fā)送報警信息。

3 供電系統(tǒng)測試與結(jié)果

實驗設(shè)備包括兩塊并聯(lián)的太陽能電池板（12 V 65 W）、蓄電池（12 V 38 A·h）、充放電控制器、防雷模塊、GSM短信開關(guān)、GSM天線、負(fù)載（無線傳感裝置）、數(shù)字萬用表及若干導(dǎo)線。按照供電系統(tǒng)的原理圖搭建如圖4所示測試環(huán)境。

圖4 太陽能供電系統(tǒng)

測試過程：

（1） 天氣晴朗陽光充足，蓄電池初始電壓10.1 V，即放空狀態(tài)情況下，測試充滿蓄電池的時間。所得實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 蓄電池充電數(shù)據(jù)表

（2） 用黑色布遮住太陽能板，模擬連續(xù)陰雨天氣，測試負(fù)載持續(xù)工作時間，所得實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 負(fù)載持續(xù)工作時間表

（3） 測試小結(jié)

太陽能供電系統(tǒng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計的要求和功能，在歷時6 h左右基本達到蓄電池滿充狀態(tài)，并且能夠在陰雨天氣一周內(nèi)保證無線傳感裝置的正常工作。

4 結(jié) 語

目前，研究的太陽能供電系統(tǒng)已應(yīng)用于某線路無縫鋼軌上的無線傳感裝置，經(jīng)過長期實驗測試，該系統(tǒng)能夠在連續(xù)陰雨天氣內(nèi)給負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓，通過手機短信隨時隨地獲取蓄電池電量，同時能夠應(yīng)對雷雨天氣，保障系統(tǒng)安全正?？煽康倪\行。

參考文獻

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[3] 周洪偉，羅建，吳英杰，等.低電壓太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2011（2）：18?21.

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[8] 賀勝民，錢立國.一種防雷擊浪用的開關(guān)電源電路設(shè)計[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2009，12（10）：28?30.

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[10] 康健太.太陽能供電在無線通信中的應(yīng)用與設(shè)計[J].甘肅科技，2012，28（12）：23?24.

2.3 防雷模塊設(shè)計

無線傳感裝置安裝在戶外進行數(shù)據(jù)傳輸通信，雷擊會給通信設(shè)備及其供電系統(tǒng)造成危害， 導(dǎo)致設(shè)備故障，通信中斷甚至設(shè)備燒毀，釀成嚴(yán)重事故。為減少雷擊浪涌造成的損失， 供電系統(tǒng)必須進行雷擊浪涌保護設(shè)計，如圖1所示供電系統(tǒng)中加入兩級防雷設(shè)備來降低雷電對無線傳感裝置的損傷。在電路設(shè)計中，防雷保護電路圖如圖2所示，主要由三種元器件組成：陶瓷氣體放電管（GDT），聚合物正溫度系數(shù)熱敏電阻（PPTC），瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。

圖2 防雷模塊電路原理圖

當(dāng)幾百伏到一千多伏脈沖擊穿電壓加載到圖2所示輸入端時，陶瓷氣體放電管內(nèi)（G1、G2）氣體電離，放電管導(dǎo)通，沖擊電流被泄放到大地，作為一級保護電路[7]。PPTC在正常情況下阻值很低，當(dāng)通過其電流急劇增大，電路出現(xiàn)異常時，器件的溫度會在瞬間急劇上升迅速產(chǎn)生很高的阻抗，限制異常電流通過，作為二級保護電路。TVS二極管（TVS1，TVS2，TVS3）在承受瞬間高能量脈沖時，能在ns級時間內(nèi)由原來的高阻抗?fàn)顟B(tài)變?yōu)榈妥杩梗演敵龆穗妷后橹频教囟ǖ乃?，用作電路的三級保護[8]。實驗中使用雷擊浪涌發(fā)生器SKS?0510，浪涌極性分正負(fù)極，對防雷模塊進行共模雷擊浪涌模擬測試，將12 V電源經(jīng)防雷模塊加載到負(fù)載電路（負(fù)載電路為發(fā)光LED燈）。元器件GDT，PPTC，TVS和LED燈的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

實驗分析：所選用的GDT、PPTC、TVS能夠有效的抵擋2 200 V的浪涌干擾，因此，該防雷電路是有效的。

2.4 GSM短信開關(guān)

太陽能供電系統(tǒng)應(yīng)用在鐵路沿線且遠離監(jiān)控中心，操作人員在監(jiān)控中心無法及時了解和掌控?zé)o線傳感裝置的供電和工作狀況。且GSM短信通信具有成本低、可擴展性強等優(yōu)點，受到了廣泛關(guān)注，因此在供電系統(tǒng)中引入了GSM短信開關(guān)[9]。本文選用GSM模塊和單片機為核心的遠程控制器，用戶通過發(fā)送短信的方式遙控千里之外的遠程開關(guān)，時刻查詢蓄電池電壓，并可對負(fù)載進行斷電或重啟，以及供電異常時向手機綁定用戶發(fā)送報警信息[10]。選用的GSM短信開關(guān)輸入電壓為12 V，最大工作電流只有0.3 A，內(nèi)部包含兩個常閉繼電器，觸點最大切換電壓30 V，最大切換電流10 A。實際使用過程中，一個繼電器一端連接12 V的輸入電壓，另一端接負(fù)載（無線傳感裝置）。用戶可通過開關(guān)配置助手進行設(shè)置綁定手機號碼和操控密碼如圖3所示。

表2 雷擊浪涌共模測試結(jié)果

圖3 短信開關(guān)配置助手

實際應(yīng)用中當(dāng)短信開關(guān)重新上電時，會自動向綁定手機號碼發(fā)送消息，返回蓄電池當(dāng)前電壓值；短信開關(guān)若接收到用戶命令，會根據(jù)其格式及密碼來判斷是否為有效命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作后返回一條消息告知用戶當(dāng)前執(zhí)行的結(jié)果。同時，短信開關(guān)通過每分鐘模塊運行狀態(tài)自動查詢來及時處理死機狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)死機，單片機會自動重啟模塊供電部分；當(dāng)GSM模塊無法連接網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)絡(luò)信號比較差時，單片機也會自動重啟模塊供電部分，使得模塊重新運行和連接網(wǎng)絡(luò)。

通過在鐵路現(xiàn)場應(yīng)用GSM短信開關(guān)，實現(xiàn)了操作人員在監(jiān)控中心對負(fù)載供電實現(xiàn)遠程操控的需求，操作簡單方便，可隨時查詢蓄電池電壓，對負(fù)載進行斷電或重啟，以及供電異常時向手機綁定用戶發(fā)送報警信息。

3 供電系統(tǒng)測試與結(jié)果

實驗設(shè)備包括兩塊并聯(lián)的太陽能電池板（12 V 65 W）、蓄電池（12 V 38 A·h）、充放電控制器、防雷模塊、GSM短信開關(guān)、GSM天線、負(fù)載（無線傳感裝置）、數(shù)字萬用表及若干導(dǎo)線。按照供電系統(tǒng)的原理圖搭建如圖4所示測試環(huán)境。

圖4 太陽能供電系統(tǒng)

測試過程：

（1） 天氣晴朗陽光充足，蓄電池初始電壓10.1 V，即放空狀態(tài)情況下，測試充滿蓄電池的時間。所得實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 蓄電池充電數(shù)據(jù)表

（2） 用黑色布遮住太陽能板，模擬連續(xù)陰雨天氣，測試負(fù)載持續(xù)工作時間，所得實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 負(fù)載持續(xù)工作時間表

（3） 測試小結(jié)

太陽能供電系統(tǒng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計的要求和功能，在歷時6 h左右基本達到蓄電池滿充狀態(tài)，并且能夠在陰雨天氣一周內(nèi)保證無線傳感裝置的正常工作。

4 結(jié) 語

目前，研究的太陽能供電系統(tǒng)已應(yīng)用于某線路無縫鋼軌上的無線傳感裝置，經(jīng)過長期實驗測試，該系統(tǒng)能夠在連續(xù)陰雨天氣內(nèi)給負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓，通過手機短信隨時隨地獲取蓄電池電量，同時能夠應(yīng)對雷雨天氣，保障系統(tǒng)安全正?？煽康倪\行。

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[9] 呂利青.基于GSM短信功能的測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].四川兵工學(xué)報，2011（7）：102?104.

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