基于物聯(lián)網(wǎng)太陽能LED照明智能控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

謝擁軍，鐘 雄，江向東，徐 健

(九洲光電科技股份有限公司，廣東 深圳 518057)

引言

在地球傳統(tǒng)能源面臨枯竭，環(huán)境污染日益嚴(yán)重的背景下，以太陽能光伏技術(shù)、LED照明技術(shù)、智能控制技術(shù)為支撐的太陽能LED智能照明系統(tǒng)逐漸引起人們的關(guān)注[1]。

我國具有豐富的太陽能資源，陸地表面每年接受的太陽輻射能約為(5×1016)MJ，全國各地太陽輻射總量為3350～8370MJ/m2，中值為5860MJ/m2[2]，并且我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了快速擴(kuò)張—洗牌的過程，目前光伏產(chǎn)品質(zhì)量較之前有了更大的提升；LED作為新一代照明光源，整個產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展期，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年我國LED行業(yè)總規(guī)模達(dá)到2059億元，同比增長34%，我國已經(jīng)成為了世界上最重要的、發(fā)展最快的市場[3]；作為太陽能LED智能照明系統(tǒng)的核心部分即控制器的研究尚有很大的提升空間，目前存在的問題是其控制可靠性不高、網(wǎng)絡(luò)智能管理功能有待提升。

1 太陽能LED路燈工作原理

太陽能LED路燈工作原理如圖1所示，白天陽光入射到太陽能電池表面，太陽能電池由于光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能，控制器控制電能給蓄電池充電；夜晚控制器控制蓄電池給LED燈具供電，直到第二天早上，控制器使蓄電池停止向LED燈具供電，并使太陽能電池開始向蓄電池充電，如此循環(huán)往復(fù)。

圖1 太陽能LED路燈工作原理Fig.1 The working principle of solar LED street lamp

2 太陽能LED照明優(yōu)勢

安裝、維修方便：由于太陽能LED路燈使用蓄電池作為儲能設(shè)備，所以其不需與電網(wǎng)相連，與傳統(tǒng)路燈相比，減少了挖溝布線、回填、安裝供配電控制箱等大量基礎(chǔ)工程。因?yàn)闆]有電網(wǎng)，故不會對路過的行人構(gòu)成危險(xiǎn)，若出現(xiàn)故障，只需對單個故障燈具系統(tǒng)進(jìn)行排查，還可以根據(jù)需要對其進(jìn)行移動。對于煤炭之類常規(guī)能源運(yùn)輸路程長或輸電線路長、電力用戶分散的情況下，太陽能LED路燈成本就會低于當(dāng)?shù)仉娔艹杀尽?/p>

智能控制提高系統(tǒng)性能，使照明更加人性化：控制器對太陽能電池板輸出功率進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT：Maximum Power Point Tracking)算法控制，可以實(shí)現(xiàn)在同樣條件下提高太陽能電池板的輸出功率；控制器對蓄電池充放電進(jìn)行管理，可以延長蓄電池的使用壽命；控制器還可以通過分析道路流量、外界亮度等來自行調(diào)節(jié)路燈照明效果。將物聯(lián)網(wǎng)與太陽能LED路燈結(jié)合，不僅可以實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)測，實(shí)時(shí)了解每盞路燈系統(tǒng)的充電電流、蓄電池端電壓、太陽能電池電壓等參數(shù)，及時(shí)排除設(shè)備故障，免去人員巡查成本，還可以根據(jù)具體道路情況，對路燈照明亮度、數(shù)量進(jìn)行控制。

3 太陽能LED照明智能控制統(tǒng)基本功能

現(xiàn)有的太陽能LED照明系統(tǒng)，基本上沒有采用智能控制方案，不能對系統(tǒng)相關(guān)重要的電流電壓信息進(jìn)行采集，更不能無線控制燈的開啟及調(diào)亮度調(diào)節(jié)等功能。本系統(tǒng)將太陽能和蓄電池的電流電壓及環(huán)境光照、溫度等信息進(jìn)行采集，并通過ZigBee無線通信技術(shù)上傳到上位機(jī)監(jiān)控端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與控制，能有效地實(shí)現(xiàn)智能控制、人性化照明、節(jié)約用電，并且本系統(tǒng)的擴(kuò)展性強(qiáng)，可以按實(shí)際應(yīng)用需要添加相應(yīng)的采集模塊或傳感模塊，比如添加位移傳感器，可實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警功能。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能有：

(1)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，燈具開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)；

(2)蓄電池電壓、溫度信息、燈具狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測；

(3)太陽能燈具節(jié)點(diǎn)自由分組、場景控制；

(4)節(jié)點(diǎn)自動組網(wǎng)，無線控制；

(5)燈具照明根據(jù)電池狀態(tài)，智能運(yùn)行點(diǎn)亮；

(6)多種控制策略(光強(qiáng)感應(yīng)、時(shí)段亮度控制等)。

4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 GPRS簡介

GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)是一種新的承載業(yè)務(wù)，提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的數(shù)據(jù)傳輸。GRPS永遠(yuǎn)在線，接入速度快，用戶可隨時(shí)與無線網(wǎng)絡(luò)保持連接，可使遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的效率大幅提高。

4.2 ZigBee簡介

ZigBee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低傳輸速率、低成本的雙向無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備和簡化功能設(shè)備兩種。全功能設(shè)備可以作為協(xié)調(diào)器和路由器使用，可以和簡化功能設(shè)備之間進(jìn)行通訊，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)以及路由。簡化功能設(shè)備一般為終端節(jié)點(diǎn)，互相之間不能通訊，完成信息的發(fā)送和接收。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)、集群樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)洹＞W(wǎng)狀網(wǎng)是一種高可靠性的AdHoc網(wǎng)絡(luò)，與集群樹狀網(wǎng)不同的是，具有路由功能的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行通訊，從而網(wǎng)狀網(wǎng)通過自組織和無線線路的功能可以提供多個數(shù)據(jù)通路。當(dāng)最優(yōu)路徑出現(xiàn)故障時(shí)，冗余的其他通路提供相應(yīng)的路徑。因此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)縮短了信息傳輸?shù)难舆t并提高了通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性[4]。

4.3 系統(tǒng)組成

本路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)是由三層網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示。

圖2 智能太陽能路燈系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent solar street lighting system

其中監(jiān)控層主要由PC監(jiān)控中心及服務(wù)器組成，監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)照明狀態(tài)查詢、故障報(bào)警監(jiān)控、實(shí)時(shí)控制等；服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集，照明系統(tǒng)的配置，實(shí)現(xiàn)多個Zigbee照明子網(wǎng)的接入和管理，數(shù)據(jù)的存儲等。中間層由每個子網(wǎng)的集中控制器組成，包含GPRS及Zigbee協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)了本地區(qū)網(wǎng)絡(luò)的組建，擔(dān)任網(wǎng)關(guān)的功能，通過GPRS通訊技術(shù)將子網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳送到系統(tǒng)服務(wù)器。最后子網(wǎng)內(nèi)采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)太能路燈之間的通訊，每個區(qū)域內(nèi)的太陽能路燈通過ZigBee協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，從而保證將每個節(jié)點(diǎn)上的信息及時(shí)地發(fā)送到相應(yīng)的集中控制器。

該系統(tǒng)的控制流程如下：

(1)用戶通過外網(wǎng)登陸WEB服務(wù)器，WEB服務(wù)器接入到互聯(lián)網(wǎng)，GPRS數(shù)傳模塊與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)IP連接，控制命令通過WEB服務(wù)器下發(fā)到集中控制器的GPRS模塊，集中控制器通過內(nèi)部的協(xié)調(diào)器，發(fā)給內(nèi)網(wǎng)中ZigBee無線通信模塊，由該模塊把命令發(fā)給相應(yīng)的太陽能照明設(shè)備，太陽能照明終端設(shè)備收到命令后作出相應(yīng)的的動作。

(2)太陽能照明終端設(shè)備收到命令后，一是作出相應(yīng)的動作后向上層作出應(yīng)答，二是把上層需要的數(shù)據(jù)通過JN516X模塊傳送給上層設(shè)備集中控制器，集中控制器將對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并上傳到WEB服務(wù)器。

5 集中控制器設(shè)計(jì)

集中控制器承擔(dān)監(jiān)控中心與太陽能照明節(jié)點(diǎn)的通信橋梁，承擔(dān)網(wǎng)關(guān)的作用，保證上位機(jī)能夠與太陽能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信；同時(shí)在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息上報(bào)，能夠?qū)Ρ镜氐奶柲芄?jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、控制，如定時(shí)開關(guān)機(jī)、亮度調(diào)節(jié)、場景控制等，同時(shí)預(yù)留傳感器通信接口，通過亮度等傳感信息的采集，實(shí)現(xiàn)多樣化的智能控制。

集中控制器設(shè)計(jì)主要包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。

5.1 硬件設(shè)計(jì)

集中控制器包含GPRS模塊、JN5168 Zigbee收發(fā)模塊、以太網(wǎng)接口芯片、ARM主控芯片LPC3240、NAND flash存儲器。主要硬件架構(gòu)圖見圖3。

圖3 集中控制器硬件架構(gòu)Fig.3 The hardware architecture of centralized controller

GPRS模塊采用SIM300，它是一種三頻緊湊型封裝GSM/GPRS模塊，可以工作在900/1800/1900MHz頻段，可以低功耗地實(shí)現(xiàn)語音、短信息和數(shù)據(jù)及傳真通訊，SIM300模塊通過SIM卡座和SIM卡相連并通過微型天線卡座連接9dB天線，實(shí)現(xiàn)SIM300模塊和GSM基站之間的信號發(fā)送和接收。本設(shè)計(jì)僅僅使用了SIM300的GPRS功能，該GPRS功能是通過SIM300和主控制器之間的UART通訊實(shí)現(xiàn)的。

主控制器為NXP 的LPC3240 ARM 32位處理器芯片，采用NAND Flash作為程序存儲器，程序在SDRAM中運(yùn)行。本次設(shè)計(jì)基于LINUX操作系統(tǒng)，便于擴(kuò)展功能及模塊化設(shè)計(jì)。

Zigee模塊使用JN516X芯片，工作在2.4GHz頻率，采用串口和主控LPC3240通訊，自帶協(xié)議棧，作為協(xié)調(diào)器角色使用。

以太網(wǎng)采用DP83848芯片，在條件允許的情況下，可以用以太網(wǎng)環(huán)境中使用。

Zigbee協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器電路圖Fig.4 The circuit diagram of coordinator

DIO6為RXD，DIO7為TXD，這兩者為與主控制器的串口通信端口，命令及數(shù)據(jù)通過該接口實(shí)現(xiàn)交互，并發(fā)送到各ZigBee的太陽能LED照明控制器節(jié)點(diǎn)。

5.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于Linux操作系統(tǒng)，架構(gòu)如圖5所示。

圖5 集中控制器軟件架構(gòu)Fig.5 The software architecture of centralized controller

集中控制器扮演IP網(wǎng)絡(luò)與 ZigBee交互的網(wǎng)關(guān)，WEB服務(wù)器的數(shù)據(jù)通過該集中控制器下發(fā)到各個照明子節(jié)點(diǎn)。

6 太陽能LED照明控制器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

太陽能LED照明 控制器是組成網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點(diǎn)，是網(wǎng)絡(luò)通訊的載體，是系統(tǒng)中的關(guān)鍵，其主要功能是實(shí)現(xiàn)信息的采集、無線通訊以及照明控制、蓄電池與太陽能板充放電控制。主要包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。

6.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

太陽能LED照明控制器以JN516X為主要的硬件平臺實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。JN516X是NXP 公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。在整個芯片上集成了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器和AES協(xié)同處理器、ZigBee協(xié)議棧、PWM發(fā)生器等外設(shè)，支持2.4 GHz，IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議[5]，如圖6所示。

圖6 太陽能LED照明節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)Fig.6 The hardware architecture of solar LED lighting node

控制器節(jié)點(diǎn)主要由電壓電流采集模塊、功率調(diào)節(jié)模塊、JN516X無線通訊模塊組成。其中電流電壓采集模塊是通過相應(yīng)的采集電路將信號轉(zhuǎn)化到JN516X接受的范圍，利用JN516X中的ADC模塊來進(jìn)行采樣，從而獲得系統(tǒng)電流和電壓的信息；功率調(diào)節(jié)模塊是利用JN516X中的PWM輸出腳輸出占空比不同的脈沖，調(diào)節(jié)DIM引腳上的電壓，從而調(diào)節(jié)路燈的照明亮度，最終實(shí)現(xiàn)對路燈的監(jiān)控。圖7為JN516X控制中心的原理圖。

圖7 太陽能LED照明節(jié)點(diǎn)控制圖Fig.7 The control graph of solar LED lighting node

ADC1為電壓采集通道，負(fù)責(zé)太陽能電池板對蓄電池的充電電流檢測，采集太陽能光伏輸出電壓，DIO8負(fù)責(zé)開啟或關(guān)斷太陽能對蓄電池的充電，DIO2負(fù)責(zé)太陽電池充電電流大小、最大輸出功率MPPT控制。ADC3端口采集蓄電池電壓，為工作環(huán)境提供參考，保護(hù)蓄電池。IOT_PWM1為PWM輸出端口，用來控制調(diào)節(jié)LED太陽能路燈的亮度輸出，從而控制蓄電池工作在最佳的狀態(tài)，DIO4、DIO5通過接口檢測當(dāng)前的工作溫度、照度等信息，監(jiān)測系統(tǒng)有無異常，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，照度傳感器的接入，可以監(jiān)測環(huán)境光的明暗情況，在環(huán)境光不能滿足基本照度需求情況下，照明自動開啟，實(shí)現(xiàn)按需照明，避免采用定時(shí)開啟而地理經(jīng)緯度不同帶來的不便，同時(shí)在太陽能電池正常工作時(shí)，可以讀取照度傳感器數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)路燈亮度，達(dá)到恒亮度輸出目的。

6.2 軟件設(shè)計(jì)

6.2.1 通信管理與監(jiān)控

在控制節(jié)點(diǎn)之間，利用ZigBee通訊組成自組織的Mesh網(wǎng)絡(luò)。該設(shè)計(jì)采用NXP公司發(fā)布ZigBee的協(xié)議棧，來簡化系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)，其中程序的主要組成包括協(xié)議棧的配置以及驅(qū)動函數(shù)的編寫。軟件部分是在ECLIPSE環(huán)境中JNOS操作系統(tǒng)上編程。首先在用戶應(yīng)用層中初始化相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的配置以及相關(guān)事件處理的函數(shù)，然后在系統(tǒng)中添加任務(wù)。

在系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)終端為監(jiān)控設(shè)備，配置為路由節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)的組建。終端設(shè)備包含的功能：與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信管理、路燈輸出PWM控制輸入當(dāng)前路燈亮度、路燈輸出電流檢測、太陽能MPPT調(diào)節(jié)、蓄電池充放電管理。

節(jié)點(diǎn)通過接受或發(fā)送事件、消息與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)照明控制、照明狀態(tài)、電池狀態(tài)、報(bào)警等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

節(jié)點(diǎn)設(shè)備的程序流程圖如圖8所示。

圖8 太陽能LED照明節(jié)點(diǎn)程序Fig.8 The program of Solar LED lighting node

6.2.2 太陽能電池輸出特性及最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT算法

在相同環(huán)境溫度，不同陽光輻射強(qiáng)度條件下，太陽能電池的輸出特性如圖9所示，其中輻射強(qiáng)度φ1>φ2>φ3，可見陽光輻射強(qiáng)度增大，太陽能電池短路電流增大，峰值功率(P=IU)對應(yīng)的電壓值發(fā)生改變。

圖9 環(huán)境溫度相同條件下，太陽能電池輸出I-U、P-U特性曲線Fig.9 The characteristic curve of solar cell output I-U, P-U under the same ambient temperature

圖9表明，太陽能電池輸出特性受陽光輻射強(qiáng)度影響較大，無法保持一直工作在峰值功率點(diǎn)上，這就導(dǎo)致了太陽能電池轉(zhuǎn)換電能的損失[6]。目前普遍的解決方案為采用MPPT(Maximum Power Point Tracking)技術(shù)，即當(dāng)太陽能電池輸出峰值功率隨外界條件而發(fā)生改變時(shí)，通過燈具中的控制器來調(diào)整電池的輸出電壓，使電池的輸出功率回到峰值值功率點(diǎn)上[7]。MPPT有多種算法，本次設(shè)計(jì)采用擾動觀測法,其原理為：首先探測出太陽能電池的輸出電壓值U1和輸出功率P1，再使光伏電池輸出電壓增加△U，即U2=U1+△U，并測得此時(shí)輸出功率P2。如果P2>P1，則表示增量方向正確，應(yīng)繼續(xù)增加輸出電壓；如果P2

6.2.3 充放電管理

節(jié)點(diǎn)采用三段式充電方法來盡量減弱充電過程對蓄電池的損害，具體過程如下：

(1)充電初始階段

蓄電池處于深度饋電狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)最大限度地利用太陽能，即使太陽能電池工作在MPPT狀態(tài)對蓄電池快速充電。隨著充電過程的進(jìn)行，蓄電池的端電壓會迅速增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界端電壓(即高于此電壓，極板就會產(chǎn)生大量氣體)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)即入恒壓充電階段。

(2)恒壓充電階段

此階段控制器控制太陽能電池輸出恒壓對蓄電池進(jìn)行充電，蓄電池電壓會緩慢增加，充電電流會逐漸減小，當(dāng)蓄電池的電壓或電流達(dá)到設(shè)定的浮充閾值時(shí)，系統(tǒng)即進(jìn)入浮充階段。

(3)浮充階段

浮充電壓值選擇適中，既能補(bǔ)充蓄電池自放電損失的電能，又能避免對蓄電池的損害。[8]

在夜晚太陽能LED路燈工作時(shí)，控制器應(yīng)穩(wěn)定蓄電池的輸出電壓或電流，保證LED路燈能夠正常照明。

7 服務(wù)器軟件

服務(wù)器軟件采用B/S架構(gòu)，任何互聯(lián)網(wǎng)上的PC監(jiān)控終端，通過瀏覽器，憑密碼登陸到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)太陽能照明的狀態(tài)監(jiān)測、燈具實(shí)時(shí)控制、照明設(shè)備的分組管理、每個節(jié)點(diǎn)的配置管理等功能。在此不作詳細(xì)描述。

8 分析結(jié)果

在以上終端設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了Mesh網(wǎng)絡(luò)的建立、通訊以及互操作性的測試，解決了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。實(shí)驗(yàn)表明能夠在部分路燈節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，同樣能夠?qū)⑺璧男畔魉偷郊锌刂破魃?。在此平臺上設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了太陽能LED路燈照明遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而達(dá)到節(jié)能、延長蓄電池及照明燈具壽命目的。

由于太陽能照明一般應(yīng)用與野外道路，會有雷擊現(xiàn)象，因此在安裝時(shí)，考慮天線輸入端增加天線防雷器，專門用于保護(hù)無線模塊天線饋電單元和收發(fā)系統(tǒng)，使其免受雷電過壓和感應(yīng)過電壓所造成的損壞。

9 結(jié)論

本文介紹了基于ZigBee及GPRS相結(jié)合的遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用—無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的太陽能LED照明監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合路燈分布的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出無線的監(jiān)控方案，在方便安裝的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。滿足了太陽能照明的通訊要求，最終解決了太陽能LED路燈照明節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)電、電池管理、故障監(jiān)控等問題，有效地自動維護(hù)監(jiān)控蓄電池；系統(tǒng)中具有智能化、信息化的特點(diǎn)，在滿足人們照明要求的同時(shí)，避免了不必要的用電浪費(fèi)，減少了人工維護(hù)成本，最終實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的，延長了系統(tǒng)工作的壽命。

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