基于太陽能的智能庭院燈設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張　易,李錫華

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院,浙江 杭州　310027)

?

基于太陽能的智能庭院燈設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張易,李錫華

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院,浙江 杭州310027)

摘要針對家庭院子里庭院燈布線不便和功能需求問題,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于太陽能電池板供能的智能庭院燈系統(tǒng)。對于普通庭院燈進(jìn)行了功能上的改進(jìn),提升用戶體驗(yàn)。采用STM32F103單片機(jī)作為主控芯片,根據(jù)人體熱釋電和光感傳感器采集信息進(jìn)行智能控制,并通過溫濕度、雨水檢測等傳感器采集數(shù)據(jù),使用藍(lán)牙發(fā)送到上位機(jī)。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,功耗較低,可滿足實(shí)際生活需求。

關(guān)鍵詞太陽能;庭院燈;藍(lán)牙通信;STM32

目前家庭庭院燈多為電線供電,安裝復(fù)雜,通常需要澆筑預(yù)埋件、挖電纜溝、鋪設(shè)電纜等過程,存在安全隱患[1]。本文設(shè)計(jì)的太陽能智能庭院燈融合嵌入式技術(shù)和無線通訊技術(shù),在實(shí)現(xiàn)免除布線的太陽能供能的同時(shí),也通過光感和紅外熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)晝夜情況下的智能感應(yīng)。并通過藍(lán)牙技術(shù)和上位機(jī)通信,提供室外的溫濕度、雨感、光照等信息,使用戶即可實(shí)時(shí)精確了解庭院的環(huán)境。也作為設(shè)置在庭院里的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn),以藍(lán)牙通信為媒介,為之后的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供接口和擴(kuò)展功能。

1庭院燈的工作原理

庭院燈在默認(rèn)處于待機(jī)狀態(tài),通過太陽能電池板給聚合物電芯充電。全天通過傳感器采集溫濕度、雨感、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù),固定間隔通過藍(lán)牙發(fā)送給上位機(jī)。夜晚時(shí),LED燈處于微亮狀態(tài),若傳感器檢測到附近3～5 m內(nèi)有人出現(xiàn)時(shí),LED漸變?yōu)楦吡?在人離開后數(shù)秒內(nèi),燈光漸變?yōu)槲⒘?減少功耗。庭院燈總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　庭院燈總體構(gòu)架

2硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由MCU(Microcontroller Unit)及傳感器電路、太陽能供能電路、LED恒流驅(qū)動(dòng)電路組成。

2.1功耗計(jì)算及硬件選型

作為獨(dú)立的系統(tǒng),本設(shè)計(jì)主要使用太陽能供電,對于能耗的要求較嚴(yán)格。

LED為主要照明設(shè)備,采用3×1 W的350 mA LED燈珠串聯(lián)連接,使用PWM調(diào)制亮度。MCU選用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6,是無需操作系統(tǒng)的ARM 32位嵌入式微處理器[2],其工作溫度范圍廣、功耗低。因LED亮度過強(qiáng),系統(tǒng)不會(huì)全功率開啟,最大功率<3 W,微亮模式功耗<0.5 W。供能模塊使用單晶硅太陽能電池板5 V,500 mA和3.7 V,4 000 mAh聚合物電芯,以有效光照時(shí)間4 h計(jì)算,一天約10 W·h,理論上滿充一天可微光照明20 h。

2.2太陽能供能模塊

太陽能電池板即利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。其中單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高,其光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)性質(zhì)等均勻一致,特別適合切割成小片制作小型消費(fèi)產(chǎn)品[3]。

用于儲(chǔ)能的聚合物電芯需要適當(dāng)?shù)碾娫垂芾硇酒峁┛上蘖鞯某潆婋娏骱涂煽氐某潆婋妷簛磉M(jìn)行管理和保護(hù)[4]。本設(shè)計(jì)對于輸出功率的要求較低,對于效率要求較高,且需要測量電芯的剩余電量,使用TP4221B芯片,設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2　TP4221電源管理電路

2.3LED驅(qū)動(dòng)模塊

目前LED驅(qū)動(dòng)主要方式為恒流源驅(qū)動(dòng)和恒壓源驅(qū)動(dòng)。由于LED的發(fā)光亮度是與流過其的正向電流成正比[5],若使用恒壓源驅(qū)動(dòng),則會(huì)因電壓源微小波動(dòng)使得流過LED的電流的發(fā)生波動(dòng),導(dǎo)致閃爍,影響照明效果,所以本設(shè)計(jì)選用PT4115恒流驅(qū)動(dòng)芯片。PT4115最大輸出1.2 A的電流,效率可高達(dá)97%[6]。驅(qū)動(dòng)3個(gè)1 W照明LED,額定電流350 mA,滿足照明需求。電源電壓為5 V,需要升壓電路轉(zhuǎn)為12 V,使用SDB628高效率升壓芯片。電路原理如圖3所示。

圖3　PT4115驅(qū)動(dòng)電路

2.4傳感器及藍(lán)牙

光感傳感器使用BH1750FVI芯片,為數(shù)字16位串行環(huán)境光感芯片,使用I2C協(xié)議,具有較高的分解度。其SDA和SCL接口和MCU的GPIO口相連,對光源的依賴性小,具有更高的精度和穩(wěn)定性。無論是在暗處還是在陽光直射下其均近似于人類視覺感應(yīng)[7]。

雨水感應(yīng)模塊主要用于判斷庭院里是否下雨,然后發(fā)送信息給上位機(jī)。在淋到雨水的情況下,傳感器的阻值發(fā)生變化,通過分壓轉(zhuǎn)換為電壓的變化并通過A/D轉(zhuǎn)換,即可實(shí)現(xiàn)定性的雨水測量。

人體感應(yīng)模塊本設(shè)計(jì)采用紅外熱釋電紅外傳感器HC-SR501,觸發(fā)方式為可重復(fù)觸發(fā),感應(yīng)范圍為5～7 m。人體進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平,人離開感應(yīng)范圍會(huì)延時(shí)幾秒后輸出低電平[8],滿足設(shè)計(jì)需求。

溫濕度傳感器選用DHT11,包括1個(gè)電阻式感濕元件和 1個(gè)NTC測溫元件。僅需占用一個(gè)GPIO口即可傳輸數(shù)據(jù),且能耗較低,長期穩(wěn)定性優(yōu)越[9]。

藍(lán)牙技術(shù)作為一種短距離無線通信技術(shù),具有低成本、低功耗、小尺寸、點(diǎn)對多點(diǎn)連接、語音與數(shù)據(jù)混合傳輸以及高抗干擾等特點(diǎn)[10]。本設(shè)計(jì)使用HC-05串口藍(lán)牙模塊,空曠地傳輸距離可達(dá)10 m,滿足短距離通信的要求。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序軟件

流程圖如圖4所示,可調(diào)整藍(lán)牙數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間間隔來降低功耗。

圖4　主程序流程圖

3.2BH1750光感傳感器軟件設(shè)計(jì)

BH1750使用I2C協(xié)議,STM32使用GPIO和SCL與SDA接口連接。查詢BH1750參考手冊,在讀取數(shù)據(jù)之前需要一些啟動(dòng)信號(hào),具體編碼如下[11]

#define BH1750_ONE 0x20

#define BH1750_RSET 0x07

#define BH1750_ON 0x01

Cmd_Write_BH1750(BH1750_ON);

Cmd_Write_BH1750(BH1750_RSET);

Cmd_Write_BH1750(BH1750_ONE);

地址端口接地時(shí),其地址為0x46,可獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù),通過I2C協(xié)議連續(xù)讀取2 Byte,共16 bit 數(shù)據(jù)。將讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)后除以1.2則得到比較精確的光強(qiáng)值[12]。

3.3藍(lán)牙傳輸軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中藍(lán)牙接收的數(shù)據(jù)以全局變量的方式存在長度為32的char型數(shù)組里,發(fā)送的數(shù)據(jù)類型定義為:b雨感x溫度x濕度x電量x光強(qiáng)e。b代表起始位,e代表終止位。雨感為0/1,表示是否下雨;溫度為兩位數(shù),單位℃;濕度為兩位數(shù),單位“%”;電量為1～4,單位“格”;光強(qiáng)為3～4位數(shù),單位lx。

例如:B1X25X60X2X450E代表檢測到下雨,溫度25 ℃,濕度60%,電量剩余2格,光強(qiáng)450 lx。因此,通過該方式進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn),可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4系統(tǒng)測試

整體示意板工作良好,光照較暗時(shí)工作在微光模式,如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中上位機(jī)使用STM32和串口HMI屏幕來接收和顯示庭院燈發(fā)來的數(shù)據(jù),驗(yàn)證庭院燈藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù),顯示如圖6所示。

圖5　庭院燈示意板

圖6　上位機(jī)接收并顯示數(shù)據(jù)

在白天時(shí),LED關(guān)閉,僅上位機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)值;遮擋住光感模塊,感應(yīng)到人體后,LED逐漸亮起,直至高亮模式并保持。人走開后幾秒鐘,LED緩緩變暗至微亮模式,移開光感模塊遮擋物,LED逐漸熄滅,滿足實(shí)際要求。

經(jīng)測試,太陽能電池板在正常光照下輸出電流即可滿足充電需求。使用穩(wěn)壓5 V電源測試充電電流為1.03 A,滿足快速充電要求。使用信號(hào)發(fā)生器和12 V穩(wěn)壓電源測試恒流驅(qū)動(dòng)LED,串聯(lián)一個(gè)LED的總輸出功率為1.2 W,LED電流約340 mA,效率1/1.2=83%。串聯(lián)3個(gè)LED的效率>85%。

5結(jié)束語

基于太陽能供能設(shè)計(jì)了一種智能感應(yīng)庭院燈,無需繁瑣的電源布線,可根據(jù)光照環(huán)境和人體感應(yīng)智能調(diào)節(jié)亮度。并提供了藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)的接口,可與智能家居的上位機(jī)進(jìn)行通訊,作為在室外的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn),為后期拓展提供接口。整個(gè)系統(tǒng)具有成本低廉、操作簡單、效率較高、擴(kuò)展性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳正明.庭院燈的施工及應(yīng)用[J].今日科苑,2014(12):104.

[2]孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2010,31(12):59-63.

[3]王瑤.單晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝的研究[D].長沙:湖南大學(xué),2010.

[4]劉偉達(dá).便攜式設(shè)備鋰電池充電技術(shù)研究[D].杭州:杭州電子科技大學(xué),2014.

[5]鄭凌霄.大功率LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2012.

[6]華潤矽威科技(上海)有限公司.PT4115 30V/1.2A、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)器[M].上海:華潤矽威科技(上海)有限公司,2014.

[7]何安科.基于STM32與光感傳感器BH1750的無線路燈控制系統(tǒng)[J].企業(yè)科技與發(fā)展2011(20):15-17.

[8]王曉龍,穆春陽,張盼盼,等.基于STM32的智能筆筒設(shè)計(jì)[J].電子科技,2015,28(18):43-46.

[9]倪天龍.單總線傳感器 DHT11 在溫濕度測控中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用2010(6):60-62.

[10]張振環(huán).基于藍(lán)牙的無線測量系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2008.

[11]ROHM.BH1710FVC/BH1750FVI應(yīng)用手冊[M].日本:ROHM,2009.

[12]孫穎,侯艷波,張利利,等.基于MP2481和BH1710的自調(diào)光 LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].電子器件,2013,36(1):105-108.

Design and Implementation of a Smart Garden Light Based on Solar Energy

ZHANG Yi,LI Xihua

(College of Information Science & Electronic Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

AbstractA system of the intelligent garden light based on the solar panel is designed and realized for family yards with easy arrangement of wire.This system improves the ordinary garden light functionally to enhance user’s experience.In addition,the system applies the STM32F103 as the main control chip,realizes the intelligent control based on the information collected by human pyroelectric and light sensor and collects data through the temperature and humidity sensor and rain detection sensor with Bluetooth sending the data to host computer.Test results show that the system is stable and the power consumption is low,which meet the needs of practical life.

Keywordssolar energy;garden lamp;Bluetooth communication;STM32

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.002

收稿日期:2015-10-02

作者簡介:張易(1996—),男,本科。研究方向:嵌入式應(yīng)用等。

中圖分類號(hào)TM914.4;TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)05-005-04