無線自組網(wǎng)太陽能路燈控制器設計

楊超 王雷

(山東大學控制科學與工程學院，山東 濟南 250061)

0 引言

目前，路燈已成為城市基礎設施中必不可少的組成部分。太陽能路燈因具有一次性投資，無需專人管理和控制等優(yōu)點，越來越受到人們的歡迎［1－2］。但是，隨著太陽能路燈使用規(guī)模的不斷擴大，也逐漸暴露出一些不足之處，如難以進行集中監(jiān)控，故障發(fā)現(xiàn)不及時［3］;無法根據(jù)天氣變化對蓄電池進行合理的管理［4］;光敏元件的分散性會造成開關燈時間不一致等［5］。傳統(tǒng)路燈監(jiān)控方式難以用于離散布設的太陽能路燈的監(jiān)控。

無線自組網(wǎng)的迅速發(fā)展［6］為解決上述問題提供了一條新的途徑。無線自組網(wǎng)是由大量的傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的網(wǎng)絡，可感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域監(jiān)測對象的信息，并將這些信息發(fā)送給觀察者。無線自組網(wǎng)一般由監(jiān)控中心、匯聚節(jié)點和控制節(jié)點這3部分構成［7－8］。通過無線網(wǎng)絡，人們可以實時獲得蓄電池充放電、路燈狀態(tài)等信息，同時也可以準確地控制太陽能路燈，從而使太陽能路燈的管理更加方便、快捷。

1 控制器構成

控制器主要由無線自組網(wǎng)節(jié)點和測控部分組成。無線自組網(wǎng)節(jié)點安裝在燈桿上部、太陽能電池板背向位置，測控部分安裝于燈桿基座位置，大部分路燈的燈桿高約10 m。雖然各燈之間的距離較近，但路燈所處環(huán)境復雜，氣候變化對其運行也有較大影響，為了保證無線自組網(wǎng)節(jié)點和測控部分通信可靠，選擇傳輸距離較遠的RS-485串口通信。

控制器原理如圖1所示。

圖1 控制器原理圖Fig.1 Schematic of the controller

測控部分主要由路燈控制器微控制單元、RS-485串口通信模塊、路燈運行控制模塊、蓄電池充放電管理模塊、數(shù)碼管顯示/指示燈模塊、時鐘頻率模塊、電壓/電流采樣模塊以及電源模塊構成。

采用具有RS-485串口的無線自組網(wǎng)節(jié)點，主要具有以下兩方面作用:一方面能夠完成自組網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信;另一方面能與測控部分進行RS-485串口通信，實現(xiàn)測控信息的雙向傳輸。

2 控制器設計

控制器不但需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲和通信等功能，而且還要在保證正常工作的情況下盡量降低功耗，這就要求微控制器具有較強的運算處理能力和多種低功耗工作模式。本設計采用Microchip公司生產(chǎn)的高性能單片機PIC24FJ64GA002作為路燈控制器微控制單元的CPU。該CPU具有如下性能。

①具有低電壓、低電流的工作特性，其工作電壓范圍為 2.0 ～3.6 V，典型工作電流為 650 μA(2.0 V)，典型休眠電流為150 nA(2.0 V);

②具有休眠、空閑、打盹和備用時鐘等多種功耗管理模式，在工作時能顯著降低功耗。

通過分析以上性能可知，PIC24FJ64GA002單片機能夠滿足高速度、低成本、低功耗的要求。

下面就控制器中的蓄電池充放電管理模塊、路燈運行控制模塊、RS-485串口通信模塊設計作重點分析和介紹。

2.1 蓄電池充放電管理模塊

蓄電池充放電管理模塊的功能主要包括充放電的控制和電壓的檢測。采用MOS管來控制充放電電路，并實時采樣太陽能電池板兩端的電壓和蓄電池兩端的電壓。當檢測到太陽能電池板兩端的電壓高于蓄電池電壓時，蓄電池開始充電;當檢測到蓄電池的電壓高于其最大電壓時，充電停止。太陽能電池板和蓄電池采用非共地模式，當太陽能電池板兩端的電壓小于蓄電池兩端的電壓時，由于二極管的單向性，充電過程自動停止。當夜晚來臨時，蓄電池向路燈供電。當檢測到蓄電池的電壓低于設定最低電壓時，蓄電池停止供電，防止蓄電池過放。蓄電池充放電管理模塊如圖2所示。

圖2 充放電模塊原理圖Fig.2 Schematic of the charging and discharging module

檢測蓄電池的電壓是為保護蓄電池提供依據(jù)，蓄電池的電壓有一定的正常范圍，如超出該范圍繼續(xù)使用，則會縮短蓄電池的使用壽命。因此，需要根據(jù)蓄電池的電壓進行相應的控制。當檢測到電壓低于正常范圍時，停止蓄電池的放電;當檢測到電壓高于正常范圍時，停止對蓄電池的充電，從而起到保護蓄電池的作用。

2.2 路燈運行控制模塊

路燈運行控制模塊主要用于亮燈模式的控制，采用繼電器實現(xiàn)路燈運行控制。繼電器型號為943-1C-12DS，具有響應快(≤10 ms)、壽命長(100萬次)等特點。當控制信號輸出高電平時，三極管導通，路燈電源輸入與常閉點輸出相連，路燈開啟;當控制信號輸出低電平時，三極管關斷，路燈電源輸入與常開點輸出相連，路燈關閉。路燈運行控制模塊原理如圖3所示。

圖3 路燈運行控制模塊原理圖Fig.3 Principle of streetlight running control module

檢測單元(電流采樣模塊)用于采集路燈的電流和蓄電池的電壓，為實現(xiàn)故障報警等功能提供依據(jù)，也為保護蓄電池提供依據(jù)。路燈工作時，其工作電流有一定的正常范圍，一旦檢測到電流值超出了正常范圍，則發(fā)出故障信息，WSN節(jié)點就會將路燈當前狀態(tài)反饋到監(jiān)控中心，進行報警。電流采樣模塊電路原理如圖4所示。

圖4 電流采樣模塊原理圖Fig.4 Current sampling module

在不影響路燈正常工作的情況下，采用阻值較小的精密電阻R1來測量路燈的工作電流。由于R1兩端的電壓較小，需要先經(jīng)過放大器放大，路燈電流I為:

式中:Ud為系統(tǒng)采樣得到的數(shù)字電壓;uc為A/D的參考電壓;R1為康銅絲電阻;N0為放大器放大倍數(shù);N為A/D的采樣精度。

2.3 通信模塊

RS-485串口通信部分采用平衡驅動器和差分收發(fā)器，其中差分收發(fā)器采用SN65 LBC184，其帶有內置高能量瞬變噪聲保護裝置，用來提高數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)目煽啃?。差分收發(fā)器將傳輸信號轉換成差分信號，+2～+6 V表示“0”，－6～－2 V表示“1”。采用差分方式傳輸信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差即可，從而減弱了共模干擾對信號的影響。該模塊主要用來完成數(shù)據(jù)通信功能。為了防止信號轉化過程中產(chǎn)生過高的電壓，從而影響芯片的正常運行，采用光電耦合器實現(xiàn)輸入端與輸出端的電氣隔離。通信模塊原理如圖5所示。

圖5 通信模塊原理圖Fig.5 Principle of the communication module

3 性能測試

目前對山東省某市的路燈現(xiàn)場進行了性能測試。路寬約20 m，兩路燈之間的距離約為35 m，共38盞路燈，天氣晴朗;WSN節(jié)點波特率為2.4 kbit/s，發(fā)射功率為0.001 26 W，通過轉換蓄電池電壓供電，固定在太陽能路燈的太陽能電池板下面，離地約8 m。

性能測試過程具體如下。

首先，進行了遠程控制試驗，設計了不同的亮燈模式進行網(wǎng)絡控制。網(wǎng)絡響應時間具體如表1所示。

表1 網(wǎng)絡響應時間Tab.1 Network response time

由試驗結果可知，通過無線傳感器網(wǎng)絡，可較準確地控制路燈的亮滅，基本解決了由于光敏元件分散性而導致的太陽能路燈不能開關同步的問題。

其次，進行了夜間合理亮燈模式的試驗。按照實際生活的需求，把路燈一天的工作時間分成多個時段，不同的時段采用不同的亮燈模式。亮燈開始時間可根據(jù)環(huán)境亮度調整。假設路燈一天的亮燈時間是從下午18:00到第二天上午6:00，共12個小時，可按時段設定亮燈模式。具體的亮燈模式設定如表2所示。

表2 亮燈模式設定Tab.2 Setting of the lighting pattern

傳統(tǒng)光控模式下的太陽能路燈12個小時一直處于工作狀態(tài)，本系統(tǒng)在不同工作時段采用不同的亮燈模式。18:00～22:00時段，行人比較多，所有的路燈處于正常工作狀態(tài);22:00到第二天5:00時段，行人較少，采用循環(huán)機制，只讓一部分燈工作，每隔一段時間(如1 h)，改變路燈的工作狀態(tài);第二天5:00～6:00時段，行人開始增多，此時所有路燈處于正常工作狀態(tài)。由實際測試可知，采用上述亮燈模式時，蓄電池可節(jié)能35%，從而延長了蓄電池的使用時間。

最后，模擬連續(xù)陰天的情況并進行了相應的亮燈試驗。在陰天的情況下，由于光照不足，蓄電池的電量得不到補充，此時太陽能蓄電池一般能工作5 d左右。如果連續(xù)陰天超過5 d，則太陽能路燈由于蓄電量不足而無法正常工作，從而影響了路燈的正常使用。在實際測試中發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)陰天的情況下，路上行人較少，特別是在22:00以后，路上人流量接近于0。在不影響路況的情況下，通過合理的亮燈管理，減少亮燈時間，可使太陽能路燈工作時間延長至10 d以上。這種亮燈模式特別適用于南方連續(xù)陰天的狀況，從而有助于解決太陽能路燈難以在南方普及的瓶頸問題。

4 結束語

本文設計了一種無線自組網(wǎng)太陽能路燈控制器，相比傳統(tǒng)太陽能路燈控制器，其采用串口通信和節(jié)點技術，通過無線網(wǎng)絡，可準確控制太陽能路燈。通過實際測試，本設計在滿足太陽能路燈正常使用的前提下，可使蓄電池減少35%左右的耗電量，從而延長了蓄電池的使用時間。該設計適用于連續(xù)陰天的南方地區(qū)，對于太陽能路燈的推廣具有一定的意義。

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