城市或者有人居住的区域一般电磁环境比较复杂，而无线电监测设备对各种电磁信号比较敏感，因此监测基站通常设在人员活动较少或不便的地区。这些地区由于自身所处环境的限制，难以架设供电线路，很难获得电网市电的供应。
    风能和太阳能作为可再生能源，分布广泛，越来越受到人们的重视，而且风能和太阳能不论在地域还是时间上的分布都具有一定的互补性。基于风能和太阳能的这些特点，采用风光互补可以理想地实现基站的离网供电。本文介绍了一种具有低功耗、对监测设备无污染、功能丰富等特点的风光互补电源控制系统[1]。
1 原理与设计
1.1 系统总体构架
    系统大致可以分为电源管理、以太网无线数据传输和液晶显示三个部分。
    (1)电源管理部分：系统具有4组分布式电池组，风机和太阳能电池板产生的电能先储存到4组蓄电池组中，两组为无线电监测设备供电，另外两组作为控制器的电源。主控芯片通过LIN总线获得风机、太阳能电池板和各组蓄电池的实时状态，以此为根据实现对蓄电池的充放电控制。
    (2)以太网无线传输部分：系统通过SPI接口实现和以太网控制器ENC28J60的数据交换，进而通过无线AP与工作站互相连接通信。工作站可据此获得基站的实时状态，进而实现对基站的远程控制。
    (3)液晶显示部分：具有3个可切换的显示界面。液晶屏具有较高的功耗，现场无人时不需要开启，因此系统设有2个垂直放置的双元探头热释电模块，当检测到现场有人时启动显示屏。
    系统结构示意图如图1所示。

1.2 主控芯片
    主控芯片采用了基于ARM的32 bit Cortex-M3 MCU系列的STM32L152VBT6芯片。此芯片最大的特点是低功耗，在低功耗模式下，工作频率为32 kHz时其电流消耗只有9 μA，睡眠模式下只有4.4 μA。STM32L152VBT6芯片工作电压为1.65 V～3.6 V，具有24通道12 bit的A/D转换器，模数转换速率最高可达1 MS/s，采集精度和速度均可满足电压电流检测所需的A/D数据采集。
1.3 电源管理部分
1.3.1 电压电流检测
    风机、太阳能电池板和分布式电池组均有电压电流检测部分。使用霍尔电压传感器HFV10-25AS和霍尔电流传感器ACS712实现对电压电流的检测。HFV10-25AS内部线圈匝比为2 500:1 000，能输出与检测的电压成比例的电压信号，线性度0.2%FS，响应时间快(只有40 μs)，失调电压温漂±1.0 mV。ACS712内置有精确的地偏置线性霍尔传感器电路，能输出与检测电流成比例的电压信号，噪声低，响应时间快(5 μs输出上升时间，对应步进输入电流)，总输出误差最大为4%，输出灵敏度高(66 mV/A~185 mV/A)[2]。电压电流检测电路(1路)原理图如图2所示。

    I_IN+和U_IN+为需要检测的电流电压进口端，I_ADC和U_ADC为经过霍尔传感器变换后输出的相应的电压值，与控制器的A/D转换器通道相连。霍尔传感器的应用可以精确快速地实现电压电流的检测，且应用方便、性价比高。
1.3.2 分布式电池组数据传输及控制
    主控芯片通过LIN总线获取各个部分的电压电流等实时状态信息。LIN总线是一个低速的A类串行总线协议，只需要一根12 V的单线总线，最高数据传输速度为20 KBaud，最大传输距离为40 m，一个LIN网络最大可挂载16个节点。LIN总线可以简单方便地实现对传输速度和实时性要求不高、功能简单、性能指标要求较低的节点的数据传输和控制[3]，而且其较低的数据传输速度和单总线可以减少总线上的功耗，有效降低由总线带来的电磁干扰。LIN总线应用的结构图如图3所示。

    图3中的TJA1020收发器是一个物理媒体连接，它是LIN主机/从机协议控制器和LIN传输媒体之间的接口。主控芯片通过串口与协议控制器交换数据。主控芯片的发送数据流被LIN收发器转换成总线信号，而且电平转换速率和波形都受到限制，以减少电磁辐射（EME）。TJA1020的接收器检测到LIN总线上的数据流时通过RXD引脚发送至主控芯片。不需要时可使TJA1020处于睡眠模式，此时功耗非常低；需要时，TJA1020收发器可以直接通过由主控芯片控制的NSLP引脚激活。
1.3.3 蓄电池组充放电控制
    控制器根据LIN总线接收到的各个部分的实时状态信息，控制由继电器组成的开关阵列，实现对蓄电池组的充放电控制。
    控制系统需要的多种电压值电源经过整流斩波得到，在此过程中不可避免地会在电源处产生干扰。如若控制系统和无线电监测设备都直接使用风机、太阳能电池板产生的电能，无线电监测设备就有可能在电源上受到干扰，影响监测数据和结果。因此风机和太阳能电池板产生的电能首先存储到蓄电池组中，且采用不同的电池组分别为控制系统和无线电监测设备供电，其中为无线电监测设备供电的两组蓄电池组采取了充放电不同时的控制方案，即对于J1和J2，若J1与触点1导通，则J2与触点2导通；若J1与触点2导通，则J2与触点1导通。采取这种供电方式，可杜绝电源处的干扰对监测设备的影响。考虑到各地各时的风能和太阳能分布情况有所不同，设计的风能和太阳能的配比为2:1，可以通过控制J3和J4选择合适的配比，提高对能源的利用率。电源切换示意图如图4所示。

    系统所用继电器为一绕组双触点闭锁型继电。继电器通电动作以后，自动锁定其状态，只有为控制线圈通反向电流才可以改变触点状态。闭锁型继电器的使用，只需在继电器切换的瞬间为控制线圈通电，从而可有效减少驱动继电器所带来的功耗。
1.4 以太网无线传输部分
    由于基站所处位置和环境，铺设有线线路基本不可能实现，只能依靠无线通信。在此选用5.8G无线AP，因为其频段由于应用较少，因此数据传输更安全可靠，干扰也较低。主控芯片通过SPI接口与以太网控制芯片ENC28J60实现数据交换，进而通过无线AP实现与工作站的连接和数据传输。当不需要进行远程数据传输时，可使ENC28J60进入休眠模式，可以显著地降低系统的功耗。
1.5 液晶显示部分
    显示屏为5英寸800×480图形点阵，工作电压为5 V，背光关闭时电流为180 mA，开背光时电流最大将达到600 mA，功耗较大，因此只有在热释电模块感应到现场有人或者其他需要的情况时，才予以上电使液晶屏工作，其他时间都处于断电状态。系统中使用双MOSFET芯片来控制液晶显示屏地与系统地的连接，实现对屏上电与否的控制。
1.6 软件设计
    系统程序设计在Keil uVision 4编译环境下使用C语言编写，软件流程图如图5所示。

    系统开机复位初始化后首先运行数据采集子程序，随后进入电源切换子程序。电源切换子程序运行时，首先根据检测到的风机和太阳能电池板电压电流情况控制图4中所示J3和J4的配比，为需要的电池组进行充电。各电池组根据采集到的电池组电压数据与设定的电压阈值VMAX、VMIN做比较，若VBAT&le;VMIN则控制充电，若VMIN<VBAT<VMAX则可选择此电池组供电[4]。对于显示子程序，根据热释电的输出信号对显示屏的通断进行控制。以太网子程序设计每半小时与工作站连接一次互相进行数据传输，传输完毕后选择让以太网控制器ENC28J60进入休眠模式。
2 实验
    经测试，LIN总线最大传输距离可达40 m，足以实现基站各个部分之间的数据传输；热释电模块最远感应距离可达7 m，两个垂直交叉放置的热释电模块可以实现对超过40 m2范围的感应，可有效实现对基站内有人与否的监控。
    LIN总线的主/从机节点在睡眠模式下只有3 &mu;A消耗，LIN发生故障对地短接时也才只有100 &mu;A的消耗。热释电模块也具有较低的功耗，静态电流小于50 &mu;A，液晶屏选择合适的背光亮度，实际工作电流在480 mA。以太网控制芯片ENC28J60工作电流为250 mA，当进入休眠模式时，电流消耗降为微安级别。当显示屏和以太网控制芯片同时工作时，系统的功耗最高，达到3.23 W；而当显示屏处于关断和以太网控制芯片处于休眠模式时，功耗只有0.06 W，系统绝大部分时间都运行在此状态，故有着极低的功耗。
    经实际测试及运用，不论风能和太阳能充足与否，控制系统均可满足负载的用电需求，且运行平稳有效，能源利用率较高，能够理想地解决离网的无线电监测基站的供电问题；对监测设备无干扰，且系统有着极低的功耗；设计人性化，可实现远程监控与控制等功能。
参考文献
[1] 曹阳.小型高效风光互补电源的研究[D].贵阳：贵州大学，2009.
[2] 董建怀.电流传感器ACS712的原理与应用[J].中国科技信息，2010(5)：1-2.
[3] 汪淼.基于LIN总线的车身控制系统设计[J].合肥工业大学学报，2009，32(1)：1-2.
[4] 王宇.风光互补电源控制系统的开发与应用[J].电源技术，2007(8)：3-4.