无线传感装置的太阳能供电系统研究

宋丽青+刘冲+张志新+梁帮伟+刘洋+李以辉

摘 要： 为了能够实现对安装在无缝钢轨上的无线传感装置无间断供电，详细介绍一种太阳能无间断供电系统的设计方案。供电系统以充放电控制器为核心，采用免维护铅酸蓄电池作为备用电源，实现了对无线传感装置的无间断供电系统设计。在完成系统的同时，还充分考虑了雷击影响，以及无线传感装置电压的远程监控问题，为此，增加了电池防雷模块以及GSM短信开关，保证了该系统的安全可靠性。经现场测试，蓄电池能够在阴雨天气持续作业达7天，该系统具有安全、可靠、防雷击、远程监控等特点。

关键词： 太阳能供电； 充放电控制器； 防雷器； GSM短信开关

中图分类号： TN98 文献标识码： A 文章编号： 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

无线传感装置被安装在野外的铁路钢轨上，它利用传感器获取钢轨信息，通过无线通信将获取的感知信息传送给远端的监控终端，可以及时地对铁路的安全进行监测、预警等。在无线传感装置中，电源是整个系统的重要组成部分。目前，无线传感器多采用传统的化学电池供电，使用寿命有限。在野外环境下，无法期望对多个监测节点进行频繁的电池更换操作，考虑到我国的许多地区太阳光照充分，若利用太阳能对无线传感装置供电则不失为一种较好的选择[1]。

太阳能是一种取之不尽，用之不竭的资源，并且是一种绿色节能环保的新能源。利用太阳能可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失，安装简单，维护方便，适合于无人值守情况下使用。本文设计的太阳能供电系统可为安装在无缝钢轨上的无线传感装置提供安全、可靠、稳定的低电压输出，从而保证无线传感装置在持续长久作业时的稳定性，克服了铁路现场供电困难的问题。太阳能供电系统不仅解决了野外长时间无人监护的网络节点供电问题而且还具有供电持久环保节能和便于维护等优点，具有良好的应用前景。

1 供电系统简介

由于太阳能电池板的输出电压不稳定，传统的太阳能供电系统往往因为蓄电池充放电管理不合理导致蓄电池使用寿命大大缩短，且太阳能供电系统安装在户外，容易在雷雨天气遭遇雷电干扰而使整个系统发生故障。无线传感装置安装在钢轨上，工作人员无法长期在现场对其进行看护，当传感装置工作出现异常时，不能够及时有效地对其供电单元进行故障分析和判断，这就急需一种能够有效对其进行远程控制的装置来获取供电系统的运转状况。

本文提出了一种基于太阳能的无线装置的太阳能供电系统。主要由太阳能电池板，蓄电池，充放电控制器，防雷器和GSM短信开关五部分组成。该系统能够自动管理蓄电池的充电过程并进行有效的能量储存，通过对电池电压的监测避免蓄电池过度放电以达到延长蓄电池寿命的目的。太阳能供电系统的核心单元是充放电控制器，它不仅能够根据太阳光照射的条件来完成太阳能供电到蓄电池的控制，对蓄电池的过充和过放进行保护，并且能够输出稳定的电压给负载[2]。防雷模块的使用可以抗击雷电的干扰从而对整个系统进行保护，保证了供电系统的安全稳定性[3]。GSM短信开关的安装可有效解决传感装置工作出现异常时对其进行重新上电或断电来实现复位重启。通过发送不同功能指令的短信到GSM短信开关卡，既能够查询当前蓄电池的电压状况，又能够实现对传感装置进行远程重新上电或断电功能，同时，当供电系统出现异常时，短信开关又能够及时地向绑定的手机号码发送报警功能。

2 太阳能供电系统总体设计

太阳能供电系统的整体设计思路，首先要考虑系统总功耗来选取合适的蓄电池，然后根据蓄电池的容量确定太阳能电池板，最后根据太阳能电池板和蓄电池的充电电压、充电电流等参数选择合适的充放电控制器。基本供电系统搭建以后，再综合传感装置的工作环境等因素，加入防雷模块以及短信开关控制，使系统更加完善可靠。根据传感装置的实际供电需求，搭建的太阳能供电系统如图1所示。

图1 太阳能供电系统结构图

2.1 供电模块选取

系统供电模块包括太阳能电池板和蓄电池，二者的选取应满足无线传感装置不间断工作的需求。

2.1.1 蓄电池的选取

太阳能供电系统的储能装置主要是蓄电池，与太阳能电池板配套使用的蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的电能量比用电负载所需的电能量大得多。同时，蓄电池放在室外，在严冬和酷暑环境下受环境温度的影响较大。因此，要求蓄电池不仅有较好的深循环能力，以及很好的过充和过放能力，而且能够适用不同的环境要求，维护简单，使用寿命长。目前国内被广泛使用的太阳能蓄电池主要有：铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池。因为它们固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适用于性能可靠的太阳能供电系统，特别是无人值守的工作站[4]。从价格低廉角度考虑，本系统最终选用铅酸免维护电池。

无线传感装置对钢轨必须进行全天24小时无间断安全监测，且必须考虑到至少7天阴雨连天以及夜晚无日照情况下能够正常工作。综合多种因素，来选取满足容量要求的蓄电池。

钢轨安全监测所需的一套测量传感装置包括4个传感节点（加速度传感节点，动态应变传感节点，静态应变传感节点，静态温度传感节点），当列车未经过钢轨时传感节点处于低功耗模式，工作电流大约为0.13 A；列车经过时，传感节点全部进入工作模式，工作电流最大约为0.25 A。每天大约经过60次列车，节点每次进行数据采集传输所需时间大约为60 s，所以一套传感节点在一天之内的功耗大约为3.24 A·h。

铅酸蓄电池的容量计算公式如下：

[Bc=QlTlKtDdKs] （1）

式中：[Bc]为铅酸蓄电池的容量；[Ql]为传感节点的日均耗电量，取值为3.24 A·h；[Tl]为最长连续阴雨天数，取值为7天；[Kt]为铅酸蓄电池温度修正系数，一般0 ℃以上为1，0 ℃以下为1.1，取[Kt]=1；[Dd]为铅酸蓄电池放电深度，一般为0.75；[Ks]为安全系数，取[Ks]=1.25。由式（1）计算得到蓄电池容量[Bc]=23.389 A·h，根据通信电源相关工程设计规范以及蓄电池常用规格，本系统最终选择12 V 38 A·H的铅酸蓄电池给无线传感装置供电。

2.1.2 太阳能电池板的选取[5]

选择太阳能电池板的决定因素在于光伏发电系统所需要的功率，另外蓄电池性能和转换电路的损耗等对选取电池板也有一定的影响。根据无线传感装置的工作状况和蓄电池的充电需求，选取所需功率的太阳能电池板。太阳能电池板的功率可由下列公式计算得出：

[Ps=P1T1V1·VsTsη×Ks] （2）

式中，[Ps]为所要计算的太阳能电池板的功率；[P1]为负载最大功率，本文中一套节点的功耗[P1]=12 V×0.25 A=3 W；T1为负载一天所需要工作的时间，取T1=24 h；V1为负载的工作电压，取V1=12 V；Vs为太阳能电池板的平均充电电压，取Vs=14 V；Ts为太阳能电池板每天可以正常工作的时间，北方一般为4～5 h，取Ts=4 h；η为太阳能电池板的充电效率，一般为60%～70%，取η=60%；Ks为保险系数，一般为1.1～1.4，取Ks=1.3。由式（2）计算得到Ps=43 W。由计算可知，太阳能电池板所需功率大约为43 W时才能保证一套无线传感装置的正常工作，实际应用中应留有设计余量。目前常用的太阳能板主要有单晶和多晶电池板两种，同功率的单晶电池板价格要比同功率的多晶板高些，考虑设计成本及太阳能电池板功率规格，本文选用12 V 65 W多晶硅太阳能电池板，其最大工作电压17.6 V，开路电压21.8 V，最大工作电流3.7 A，短路电流4.11 A。

2.2 充放电控制器

一般太阳能电池板输出电压不稳定，不能直接应用于负载，而控制器在这个过程中起着枢纽作用，其性能的好坏将会直接影响充电效果和输出负载电压的稳定性。控制器控制太阳能电池板对蓄电池的充电，为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。基于以上设计要求并结合太阳能电池板和蓄电池参数，本系统采用PWM（Pulse Width Modulation）调制方法控制对蓄电池充放电的控制器，该控制器具有温度补偿，过充、过放、负载短路、过载保护等功能，极大的延长蓄电池的使用寿命，保证整个系统的正常工作[6]。其性能参数如表1所示。

表1 充放电控制器性能参数

所选用的充放电控制器在实际应用中具体工作过程如下：

有阳光照射时，如果蓄电池发生过充动作（蓄电池电压超过保护值14.4 V），控制器则会自动断开对蓄电池的充电电路，以防止因过充对蓄电池造成的损害；当电压下降到13.8 V时，太阳能控制器将会重新启动充电电路，从而对蓄电池进行保护。阴雨无光照时，蓄电池对负载供电，同样也要检测蓄电池两端电压，当电压到达设定的最低放电电压10.8 V时，控制器会自动切断负载来保护电池不被过放电。当太阳能极板对蓄电池的充电达到控制器设定值（恢复电压12.2 V）时，负载才会被再次接通。经过多次试验证明，设计中采用充放电控制器，延长了蓄电池的使用寿命，能够为负载提供稳定的输出电压。

2.3 防雷模块设计

无线传感装置安装在户外进行数据传输通信，雷击会给通信设备及其供电系统造成危害， 导致设备故障，通信中断甚至设备烧毁，酿成严重事故。为减少雷击浪涌造成的损失， 供电系统必须进行雷击浪涌保护设计，如图1所示供电系统中加入两级防雷设备来降低雷电对无线传感装置的损伤。在电路设计中，防雷保护电路图如图2所示，主要由三种元器件组成：陶瓷气体放电管（GDT），聚合物正温度系数热敏电阻（PPTC），瞬态电压抑制器（TVS）。

图2 防雷模块电路原理图

当几百伏到一千多伏脉冲击穿电压加载到图2所示输入端时，陶瓷气体放电管内（G1、G2）气体电离，放电管导通，冲击电流被泄放到大地，作为一级保护电路[7]。PPTC在正常情况下阻值很低，当通过其电流急剧增大，电路出现异常时，器件的温度会在瞬间急剧上升迅速产生很高的阻抗，限制异常电流通过，作为二级保护电路。TVS二极管（TVS1，TVS2，TVS3）在承受瞬间高能量脉冲时，能在ns级时间内由原来的高阻抗状态变为低阻抗，并把输出端电压箝制到特定的水平，用作电路的三级保护[8]。实验中使用雷击浪涌发生器SKS?0510，浪涌极性分正负极，对防雷模块进行共模雷击浪涌模拟测试，将12 V电源经防雷模块加载到负载电路（负载电路为发光LED灯）。元器件GDT，PPTC，TVS和LED灯的实验数据如表2所示。

实验分析：所选用的GDT、PPTC、TVS能够有效的抵挡2 200 V的浪涌干扰，因此，该防雷电路是有效的。

2.4 GSM短信开关

太阳能供电系统应用在铁路沿线且远离监控中心，操作人员在监控中心无法及时了解和掌控无线传感装置的供电和工作状况。且GSM短信通信具有成本低、可扩展性强等优点，受到了广泛关注，因此在供电系统中引入了GSM短信开关[9]。本文选用GSM模块和单片机为核心的远程控制器，用户通过发送短信的方式遥控千里之外的远程开关，时刻查询蓄电池电压，并可对负载进行断电或重启，以及供电异常时向手机绑定用户发送报警信息[10]。选用的GSM短信开关输入电压为12 V，最大工作电流只有0.3 A，内部包含两个常闭继电器，触点最大切换电压30 V，最大切换电流10 A。实际使用过程中，一个继电器一端连接12 V的输入电压，另一端接负载（无线传感装置）。用户可通过开关配置助手进行设置绑定手机号码和操控密码如图3所示。

表2 雷击浪涌共模测试结果

图3 短信开关配置助手

实际应用中当短信开关重新上电时，会自动向绑定手机号码发送消息，返回蓄电池当前电压值；短信开关若接收到用户命令，会根据其格式及密码来判断是否为有效命令，执行相应的操作后返回一条消息告知用户当前执行的结果。同时，短信开关通过每分钟模块运行状态自动查询来及时处理死机状态。若发现死机，单片机会自动重启模块供电部分；当GSM模块无法连接网络或者网络信号比较差时，单片机也会自动重启模块供电部分，使得模块重新运行和连接网络。

通过在铁路现场应用GSM短信开关，实现了操作人员在监控中心对负载供电实现远程操控的需求，操作简单方便，可随时查询蓄电池电压，对负载进行断电或重启，以及供电异常时向手机绑定用户发送报警信息。

3 供电系统测试与结果

实验设备包括两块并联的太阳能电池板（12 V 65 W）、蓄电池（12 V 38 A·h）、充放电控制器、防雷模块、GSM短信开关、GSM天线、负载（无线传感装置）、数字万用表及若干导线。按照供电系统的原理图搭建如图4所示测试环境。

图4 太阳能供电系统

测试过程：

（1） 天气晴朗阳光充足，蓄电池初始电压10.1 V，即放空状态情况下，测试充满蓄电池的时间。所得实验数据如表3所示。

表3 蓄电池充电数据表

（2） 用黑色布遮住太阳能板，模拟连续阴雨天气，测试负载持续工作时间，所得实验数据如表4所示。

表4 负载持续工作时间表

（3） 测试小结

太阳能供电系统基本上能够实现设计的要求和功能，在历时6 h左右基本达到蓄电池满充状态，并且能够在阴雨天气一周内保证无线传感装置的正常工作。

4 结 语

目前，研究的太阳能供电系统已应用于某线路无缝钢轨上的无线传感装置，经过长期实验测试，该系统能够在连续阴雨天气内给负载提供稳定的电压，通过手机短信随时随地获取蓄电池电量，同时能够应对雷雨天气，保障系统安全正常可靠的运行。

参考文献

[1] 王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学出版社，2005.

[2] 冯大伟，张明明.太阳能?蓄电池供电系统在无人值守环境监测站的设计与实现[J].黑龙江环境通报，2010，34（3）：28?29.

[3] 周洪伟，罗建，吴英杰，等.低电压太阳能供电系统设计[J].电子测量技术，2011（2）：18?21.

[4] 高云.太阳能充电控制器研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[5] 李以辉.分布式钢轨应力无线监测系统硬件研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[6] 王建文，丁嘉.智能型太阳能充电控制器[J].中小企业管理与科技，2011（7）：291?292.

[7] 范大祥.电子通讯设备的雷击浪涌保护设计[J].质量与可靠性，2011（1）：25?29.

[8] 贺胜民，钱立国.一种防雷击浪用的开关电源电路设计[J].电源技术应用，2009，12（10）：28?30.

[9] 吕利青.基于GSM短信功能的测温系统设计[J].四川兵工学报，2011（7）：102?104.

[10] 康健太.太阳能供电在无线通信中的应用与设计[J].甘肃科技，2012，28（12）：23?24.

2.3 防雷模块设计

无线传感装置安装在户外进行数据传输通信，雷击会给通信设备及其供电系统造成危害， 导致设备故障，通信中断甚至设备烧毁，酿成严重事故。为减少雷击浪涌造成的损失， 供电系统必须进行雷击浪涌保护设计，如图1所示供电系统中加入两级防雷设备来降低雷电对无线传感装置的损伤。在电路设计中，防雷保护电路图如图2所示，主要由三种元器件组成：陶瓷气体放电管（GDT），聚合物正温度系数热敏电阻（PPTC），瞬态电压抑制器（TVS）。

图2 防雷模块电路原理图

当几百伏到一千多伏脉冲击穿电压加载到图2所示输入端时，陶瓷气体放电管内（G1、G2）气体电离，放电管导通，冲击电流被泄放到大地，作为一级保护电路[7]。PPTC在正常情况下阻值很低，当通过其电流急剧增大，电路出现异常时，器件的温度会在瞬间急剧上升迅速产生很高的阻抗，限制异常电流通过，作为二级保护电路。TVS二极管（TVS1，TVS2，TVS3）在承受瞬间高能量脉冲时，能在ns级时间内由原来的高阻抗状态变为低阻抗，并把输出端电压箝制到特定的水平，用作电路的三级保护[8]。实验中使用雷击浪涌发生器SKS?0510，浪涌极性分正负极，对防雷模块进行共模雷击浪涌模拟测试，将12 V电源经防雷模块加载到负载电路（负载电路为发光LED灯）。元器件GDT，PPTC，TVS和LED灯的实验数据如表2所示。

实验分析：所选用的GDT、PPTC、TVS能够有效的抵挡2 200 V的浪涌干扰，因此，该防雷电路是有效的。

2.4 GSM短信开关

太阳能供电系统应用在铁路沿线且远离监控中心，操作人员在监控中心无法及时了解和掌控无线传感装置的供电和工作状况。且GSM短信通信具有成本低、可扩展性强等优点，受到了广泛关注，因此在供电系统中引入了GSM短信开关[9]。本文选用GSM模块和单片机为核心的远程控制器，用户通过发送短信的方式遥控千里之外的远程开关，时刻查询蓄电池电压，并可对负载进行断电或重启，以及供电异常时向手机绑定用户发送报警信息[10]。选用的GSM短信开关输入电压为12 V，最大工作电流只有0.3 A，内部包含两个常闭继电器，触点最大切换电压30 V，最大切换电流10 A。实际使用过程中，一个继电器一端连接12 V的输入电压，另一端接负载（无线传感装置）。用户可通过开关配置助手进行设置绑定手机号码和操控密码如图3所示。

表2 雷击浪涌共模测试结果

图3 短信开关配置助手

实际应用中当短信开关重新上电时，会自动向绑定手机号码发送消息，返回蓄电池当前电压值；短信开关若接收到用户命令，会根据其格式及密码来判断是否为有效命令，执行相应的操作后返回一条消息告知用户当前执行的结果。同时，短信开关通过每分钟模块运行状态自动查询来及时处理死机状态。若发现死机，单片机会自动重启模块供电部分；当GSM模块无法连接网络或者网络信号比较差时，单片机也会自动重启模块供电部分，使得模块重新运行和连接网络。

通过在铁路现场应用GSM短信开关，实现了操作人员在监控中心对负载供电实现远程操控的需求，操作简单方便，可随时查询蓄电池电压，对负载进行断电或重启，以及供电异常时向手机绑定用户发送报警信息。

3 供电系统测试与结果

实验设备包括两块并联的太阳能电池板（12 V 65 W）、蓄电池（12 V 38 A·h）、充放电控制器、防雷模块、GSM短信开关、GSM天线、负载（无线传感装置）、数字万用表及若干导线。按照供电系统的原理图搭建如图4所示测试环境。

图4 太阳能供电系统

测试过程：

（1） 天气晴朗阳光充足，蓄电池初始电压10.1 V，即放空状态情况下，测试充满蓄电池的时间。所得实验数据如表3所示。

表3 蓄电池充电数据表

（2） 用黑色布遮住太阳能板，模拟连续阴雨天气，测试负载持续工作时间，所得实验数据如表4所示。

表4 负载持续工作时间表

（3） 测试小结

太阳能供电系统基本上能够实现设计的要求和功能，在历时6 h左右基本达到蓄电池满充状态，并且能够在阴雨天气一周内保证无线传感装置的正常工作。

4 结 语

目前，研究的太阳能供电系统已应用于某线路无缝钢轨上的无线传感装置，经过长期实验测试，该系统能够在连续阴雨天气内给负载提供稳定的电压，通过手机短信随时随地获取蓄电池电量，同时能够应对雷雨天气，保障系统安全正常可靠的运行。

参考文献

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[2] 冯大伟，张明明.太阳能?蓄电池供电系统在无人值守环境监测站的设计与实现[J].黑龙江环境通报，2010，34（3）：28?29.

[3] 周洪伟，罗建，吴英杰，等.低电压太阳能供电系统设计[J].电子测量技术，2011（2）：18?21.

[4] 高云.太阳能充电控制器研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[5] 李以辉.分布式钢轨应力无线监测系统硬件研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[6] 王建文，丁嘉.智能型太阳能充电控制器[J].中小企业管理与科技，2011（7）：291?292.

[7] 范大祥.电子通讯设备的雷击浪涌保护设计[J].质量与可靠性，2011（1）：25?29.

[8] 贺胜民，钱立国.一种防雷击浪用的开关电源电路设计[J].电源技术应用，2009，12（10）：28?30.

[9] 吕利青.基于GSM短信功能的测温系统设计[J].四川兵工学报，2011（7）：102?104.

[10] 康健太.太阳能供电在无线通信中的应用与设计[J].甘肃科技，2012，28（12）：23?24.

2.3 防雷模块设计

无线传感装置安装在户外进行数据传输通信，雷击会给通信设备及其供电系统造成危害， 导致设备故障，通信中断甚至设备烧毁，酿成严重事故。为减少雷击浪涌造成的损失， 供电系统必须进行雷击浪涌保护设计，如图1所示供电系统中加入两级防雷设备来降低雷电对无线传感装置的损伤。在电路设计中，防雷保护电路图如图2所示，主要由三种元器件组成：陶瓷气体放电管（GDT），聚合物正温度系数热敏电阻（PPTC），瞬态电压抑制器（TVS）。

图2 防雷模块电路原理图

当几百伏到一千多伏脉冲击穿电压加载到图2所示输入端时，陶瓷气体放电管内（G1、G2）气体电离，放电管导通，冲击电流被泄放到大地，作为一级保护电路[7]。PPTC在正常情况下阻值很低，当通过其电流急剧增大，电路出现异常时，器件的温度会在瞬间急剧上升迅速产生很高的阻抗，限制异常电流通过，作为二级保护电路。TVS二极管（TVS1，TVS2，TVS3）在承受瞬间高能量脉冲时，能在ns级时间内由原来的高阻抗状态变为低阻抗，并把输出端电压箝制到特定的水平，用作电路的三级保护[8]。实验中使用雷击浪涌发生器SKS?0510，浪涌极性分正负极，对防雷模块进行共模雷击浪涌模拟测试，将12 V电源经防雷模块加载到负载电路（负载电路为发光LED灯）。元器件GDT，PPTC，TVS和LED灯的实验数据如表2所示。

实验分析：所选用的GDT、PPTC、TVS能够有效的抵挡2 200 V的浪涌干扰，因此，该防雷电路是有效的。

2.4 GSM短信开关

太阳能供电系统应用在铁路沿线且远离监控中心，操作人员在监控中心无法及时了解和掌控无线传感装置的供电和工作状况。且GSM短信通信具有成本低、可扩展性强等优点，受到了广泛关注，因此在供电系统中引入了GSM短信开关[9]。本文选用GSM模块和单片机为核心的远程控制器，用户通过发送短信的方式遥控千里之外的远程开关，时刻查询蓄电池电压，并可对负载进行断电或重启，以及供电异常时向手机绑定用户发送报警信息[10]。选用的GSM短信开关输入电压为12 V，最大工作电流只有0.3 A，内部包含两个常闭继电器，触点最大切换电压30 V，最大切换电流10 A。实际使用过程中，一个继电器一端连接12 V的输入电压，另一端接负载（无线传感装置）。用户可通过开关配置助手进行设置绑定手机号码和操控密码如图3所示。

表2 雷击浪涌共模测试结果

图3 短信开关配置助手

实际应用中当短信开关重新上电时，会自动向绑定手机号码发送消息，返回蓄电池当前电压值；短信开关若接收到用户命令，会根据其格式及密码来判断是否为有效命令，执行相应的操作后返回一条消息告知用户当前执行的结果。同时，短信开关通过每分钟模块运行状态自动查询来及时处理死机状态。若发现死机，单片机会自动重启模块供电部分；当GSM模块无法连接网络或者网络信号比较差时，单片机也会自动重启模块供电部分，使得模块重新运行和连接网络。

通过在铁路现场应用GSM短信开关，实现了操作人员在监控中心对负载供电实现远程操控的需求，操作简单方便，可随时查询蓄电池电压，对负载进行断电或重启，以及供电异常时向手机绑定用户发送报警信息。

3 供电系统测试与结果

实验设备包括两块并联的太阳能电池板（12 V 65 W）、蓄电池（12 V 38 A·h）、充放电控制器、防雷模块、GSM短信开关、GSM天线、负载（无线传感装置）、数字万用表及若干导线。按照供电系统的原理图搭建如图4所示测试环境。

图4 太阳能供电系统

测试过程：

（1） 天气晴朗阳光充足，蓄电池初始电压10.1 V，即放空状态情况下，测试充满蓄电池的时间。所得实验数据如表3所示。

表3 蓄电池充电数据表

（2） 用黑色布遮住太阳能板，模拟连续阴雨天气，测试负载持续工作时间，所得实验数据如表4所示。

表4 负载持续工作时间表

（3） 测试小结

太阳能供电系统基本上能够实现设计的要求和功能，在历时6 h左右基本达到蓄电池满充状态，并且能够在阴雨天气一周内保证无线传感装置的正常工作。

4 结 语

目前，研究的太阳能供电系统已应用于某线路无缝钢轨上的无线传感装置，经过长期实验测试，该系统能够在连续阴雨天气内给负载提供稳定的电压，通过手机短信随时随地获取蓄电池电量，同时能够应对雷雨天气，保障系统安全正常可靠的运行。

参考文献

[1] 王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学出版社，2005.

[2] 冯大伟，张明明.太阳能?蓄电池供电系统在无人值守环境监测站的设计与实现[J].黑龙江环境通报，2010，34（3）：28?29.

[3] 周洪伟，罗建，吴英杰，等.低电压太阳能供电系统设计[J].电子测量技术，2011（2）：18?21.

[4] 高云.太阳能充电控制器研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[5] 李以辉.分布式钢轨应力无线监测系统硬件研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[6] 王建文，丁嘉.智能型太阳能充电控制器[J].中小企业管理与科技，2011（7）：291?292.

[7] 范大祥.电子通讯设备的雷击浪涌保护设计[J].质量与可靠性，2011（1）：25?29.

[8] 贺胜民，钱立国.一种防雷击浪用的开关电源电路设计[J].电源技术应用，2009，12（10）：28?30.

[9] 吕利青.基于GSM短信功能的测温系统设计[J].四川兵工学报，2011（7）：102?104.

[10] 康健太.太阳能供电在无线通信中的应用与设计[J].甘肃科技，2012，28（12）：23?24.