一种太阳能供电水务网关

技术领域

本发明涉及太阳能供电水务网关，可广泛应用于供水数据采集，及其于水务相关系统的数据采集，公建能耗采集系统，按装布置不受现场电源限制，稳定可靠。

背景技术

目前，随着物联网技术的发展和大数据分析技术的进步，对各种水务基础数据的采集变得越来越重要。现实的生产环节中对给中物理量的实时采集，运用到对现场的运维管理也是越来越受到重视。所以各种采集物理量的传感器被运用到实际工程中，传感器得到的数据就需要一种采集设备采集和处理数据，同时通过无线或者有线的方式传送到远端控制系统。所以数据采集设备是一个承上启下的中转设备，在物联网技术的发展中是一个重要环节。

在所有的需要数据通讯的应用场合，几乎都离不开数据采集器。在一些特殊的应用场景中采集器的安装维护变得困难，尤其在一些没有电源偏远山区无人值守的设备，在一些远离建筑物的窖井中，由于没有电源连接或者离电源比较源，单独为设备架线供电施工量大，费用高，还存在着许多不可控的因素。电池供电是一个不错的选择，解决了上面的问题，但是由于电池的电量有限，不适合功耗交大的设备，为了减低功耗设备只能在大部分时间处于低功耗状态或者是休眠状态，这就导致了设备不能实时的工作。

近几年国家大力推动节能减排和可再生能源的利用，太阳能应用的广泛深入，其应用场景越来越广泛，利用太阳能供电的设备是个不错的选在。既可以解决用电的需求，也可以让设备不降低功耗，实时数据采集上传。

发明内容

针对以上问题本发明提供太阳能供电水务网关，包括：

一网关内置微处理器，检测PV和电池状态，充电管理MPPT算法，数据收发；

一基准电压电路，为采样电路提供采样的基准；

一485通讯模块，和传感器进行数据通讯；

一蓄电池状态检测单元，低功耗管理；

一充电电流检测单元，实时测量PV对电池的充电电流；

一PV状态检测单元，蓄电池充放电管理；

一充电控制单元，蓄电池充放电管理；

一电源变换单元，为整个系统提供电源管理；

一GPRS物联网通讯技术，把数据上传到网关远程控制系统；

微处理器U2的VCC脚接电源V5，其VSS脚接电源地，构成稳定的供电电路；其XOUT脚和XIN脚之间接4M高速晶振电路，高速晶振的连个管脚分别接C6和C7电容后接地，电阻R14和电容C15构成阻容复位电路，此复位电路连接微处理器U2的RST脚连。

芯片TL431U5的3号管脚提供5V的稳定电压，为微处理器U2的采样电路提供基准，通过电阻R46连接10V电源。芯片TL431U5的1号管脚通过电阻R15同连接管脚3，通过电阻R55接地。

微处理器U2的RX1脚、TX1脚和分别接MAX487通讯模块U3的RO脚、DI脚，其PA11脚接MAX487通讯模块的RE脚和DE脚，MAX487的RO脚，DI脚，RE脚，并分别通过上拉电阻R17接电源V5。

放大器芯片U4A的8号管脚接电源5V，通过电容C11接地；芯片的4号管脚直接接地；放大器芯片U4A的3号同相输入端通过并联稳压管D8，电容C14和电阻R35接地，通过电阻R30连接蓄电池的正极；放大器芯片U4A的2号反相输入端连接放大器芯片1号管脚；放大器芯片U4A的1号通过电阻R32连接微处理器U2的V_BAT管脚，V_BAT管脚通过电容C10接地滤波。

放大器芯片U4B5号管脚连接电阻R39,电阻R39通过电容C15接地连接电阻R38，电阻R38连接熔断器F2同时连接采样电阻R37和采样电阻R40，采样电阻再连接蓄电池的负极；放大器芯片U4B的7号管脚连接微处理器U2的ICHARGE管脚。

放大器芯片U1A的8号管脚接电源5V，通过电容C2接地；放大器芯片U1A的4号管脚直接接地；放大器芯片U1A的3号同相输入端连接电阻R5，电阻R5通过和电阻R4和PV的负极PV_GND相连；放大器芯片U1A的2号反相输入端通过电阻R15连接1号管脚，通过电阻R11接地；放大器芯片U1A的1号管脚连接微处理器U2的IL管脚；IL管脚通过电阻R6连接放大器芯片U1B的同相输入端5号管脚，通过并联电容C4和电阻R9接地；放大器芯片U1B的同相输入端5号管脚通过串联电阻R10和二极管D1连接放大器芯片U1B的7号管脚；放大器芯片U1B的方向输入端6号管脚通过上拉电阻R1连接5V电源，通过电阻R3接地。

微处理器U2的PWM管脚通过电阻R44连接三极管Q1的基极；三极管Q7的发射极连接5V电源，三极管(Q7)的集电极通过电阻R45和三极管Q8的基极相连；三极管Q8的集电极和MOSFETQ9,Q10的栅极相连，通过电阻R43和电源V10相连；三极管Q8的发射机和MOSFETQ9,Q10源极相连，通过电阻R47和基地相连；MOSFETQ9的漏极和PV的负极相连，MOSFETQ10的漏极和蓄电池的负极相连，构成充电回路给蓄电池充电。

蓄电池的正极Vin通过防反二极管D13和电源芯片U6的8号管脚相连，通过并联电容E1,C21接地进行滤波；电源芯片U6的2，3，6，7管脚之间直接短接后通过并联稳压管D14和电容E4接地，通过电阻R57和电源芯片U6的1号管脚连接；电源芯片U6输出直流10V通过并联电容E2,C22接地；直流10V电源和电源芯片U1的8号管脚相连；电源芯片U7的2，3，6，7管脚之间直接短接后接地；电源芯片U7的1号管脚输出直流5V通过并联电容E3,C23接地。

GPRS模块U10的PWR_KEY管脚、GPIO_1管脚、UART_RXD管脚和UART_TXD管脚，分别同微处理器U2PWR_KEY管脚、LOW_POWER管脚、URX管脚和UTX管脚直接相连，进行数据通讯；GPRSU10的RESET管脚连接三极管Q6的漏极相连，三极管Q6的源极接地；三极管Q6的栅极同微处理器U2的CON管脚相连，控制模块的复位；GPRS模块U10的VSIM管脚、SIM_RST管脚、SIM_CLK管脚和SIM_DATA管脚分别同SIM卡P2的VCC管脚RST管脚和CLK IO管脚直接相连。

本发明太阳能供电水务网关具有以下优点：

(1)采用太阳能供电方式，不需要外接电源，施工方便。

(2)太阳能给蓄电池的充电方式采用MPPT算法，效率高。

(3)采用实时的蓄电池能源管理，根据电池的电量，选择系统最佳工作状态。

(4)对能源有效管理，有效的延长蓄电池的使用寿命。

(5)采用485总线方式，抗干扰能力强，数据通讯稳定。

(6)采用GPRS模块进行数据远传，信号覆盖范围广，稳定可靠。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明网关内置微处理器原理图；

图3为本发明基准电压电路原理图；

图4为本发明485通讯模块原理图；

图5为本发明蓄电池状态检测单元原理图；

图6为本发明充电电流检测单元原理图；

图7为本发明PV状态检测单元原理图；

图8为本发明充电控制单元原理图；

图9为本发明电源变换单元原理图；

图10为本发明GPRS物联网通讯原理图；

具体实施方式

一种太阳能供电水务网关，如图1所示，包括：内置微处理器，检测PV和电池状态，充电管理，数据收发；基准电压电路，为采样电路提供采样的基准；485通讯模块，和传感器进行数据通讯；蓄电池状态检测单元，低功耗管理；充电电流检测单元，实时测量PV对电池的充电电流，计算MPPT；PV状态检测单元，蓄电池充放电管理；充电控制单元，蓄电池充放电管理；电源变换单元，为整个系统提供电源管理；GPRS物联网通讯技术，把数据上传到网关远程控制系统；

如图2所示，微处理器U2的VCC脚接电源V5，其VSS脚接电源地，构成稳定的供电电路；其XOUT脚和XIN脚之间接4M高速晶振电路，高速晶振的连个管脚分别接C6和C7电容后接地，电阻R14和电容C15构成阻容复位电路，此复位电路连接微处理器U2的RST脚连。

如图3所示，芯片TL431U5的3号管脚提供5V的稳定电压，为微处理器U2的采样电路提供基准，通过电阻R46连接10V电源。芯片TL431U5的1号管脚通过电阻R15同连接管脚3，通过电阻R55接地。

如图4所示，微处理器U2的RX1脚、TX1脚和分别接MAX487通讯模块U3的RO脚、DI脚，其PA11脚接MAX487通讯模块的RE脚和DE脚，MAX487的RO脚，DI脚，RE脚，并分别通过上拉电阻R17接电源V5。

如图5所示，放大器芯片U4A的8号管脚接电源5V，通过电容C11接地；芯片的4号管脚直接接地；放大器芯片U4A的3号同相输入端通过并联稳压管D8，电容C14和电阻R35接地，通过电阻R30连接蓄电池的正极；放大器芯片U4A的2号反相输入端连接管脚1号管脚；放大器芯片U4A的1号通过电阻R32连接微处理器U2的V_BAT管脚，V_BAT管脚通过电容C10接地滤波。

如图6所示，放大器芯片U4B5号管脚连接电阻R39,电阻R39通过电容C15接地连接电阻R38，电阻R38连接熔断器F2同时连接采样电阻R37和采样电阻R40，采样电阻再连接蓄电池的负极；放大器芯片U4B的7号管脚连接微处理器U2的ICHARGE管脚。

如图7所示，放大器芯片U1A的8号管脚接电源5V，通过电容C2接地；放大器芯片U1A的4号管脚直接接地；放大器芯片U1A的3号同相输入端连接电阻R5，电阻R5通过和电阻R4和PV的负极PV_GND相连；放大器芯片U1A的2号反相输入端通过电阻R15连接1号管脚，通过电阻R11接地；放大器芯片U1A的1号管脚连接微处理器U2的IL管脚；IL管脚通过电阻R6连接放大器芯片U1B的同相输入端5号管脚，通过并联电容C4和电阻R9接地；放大器芯片U1B的同相输入端5号管脚通过串联电阻R10和二极管D1连接放大器芯片U1B的7号管脚；放大器芯片U1B的方向输入端6号管脚通过上拉电阻R1连接5V电源，通过电阻R3接地。

如图8所示，微处理器U2的PWM管脚通过电阻R44连接三极管Q1的基极；三极管Q7的发射极连接5V电源，三极管Q7的集电极通过电阻R45和三极管Q8的基极相连；三极管Q8的集电极和MOSFETQ9,Q10的栅极相连，通过电阻R43和电源V10相连；三极管Q8的发射机和MOSFETQ9,Q10源极相连，通过电阻R47和基地相连；MOSFETQ9的漏极和PV的负极相连，MOSFETQ10的漏极和蓄电池的负极相连，构成充电回路给蓄电池充电。

如图9所示，蓄电池的正极Vin通过防反二极管D13和电源芯片U6的8号管脚相连，通过并联电容E1,C21接地进行滤波；电源芯片U6的2，3，6，7管脚之间直接短接后通过并联稳压管D14和电容E4接地，通过电阻R57和电源芯片U6的1号管脚连接；电源芯片U6输出直流10V通过并联电容E2,C22接地；直流10V电源和电源芯片U1的8号管脚相连；电源芯片U7的2，3，6，7管脚之间直接短接后接地；电源芯片U7的1号管脚输出直流5V通过并联电容E3,C23接地。

如图10所示，GPRS模块U10的PWR_KEY管脚、GPIO_1管脚、UART_RXD管脚和UART_TXD管脚，分别同微处理器U2PWR_KEY管脚、LOW_POWER管脚、URX管脚和UTX管脚直接相连，进行数据通讯；GPRSU10的RESET管脚连接三极管Q6的漏极相连，三极管Q6的源极接地；三极管Q6的栅极同微处理器U2的CON管脚相连，控制模块的复位；GPRS模块U10的VSIM管脚、SIM_RST管脚、SIM_CLK管脚和SIM_DATA管脚分别同SIM卡P2的VCC管脚RST管脚和CLK IO管脚直接相连。