太陽能路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計研究

曲哲+鹿巖松+呂珂瑋

（1.山東省煙臺市萊州市天晟亮化工程處 山東煙臺 261400 2.山東省煙臺市萊州市路燈管理處 山東煙臺 261400）

摘要：基于無線操作網(wǎng)絡(luò)的智能路燈系統(tǒng)，采用先進的路由終端wifi組網(wǎng)技術(shù)，搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，ESP8266為開發(fā)平臺，通過傳感器實現(xiàn)光線強度采集控制，路燈單獨開關(guān)控制，自動調(diào)光，分組和集體控制并帶有自動報警功能。該系統(tǒng)可以手動控制路燈的開關(guān)，還可以根據(jù)光線的強弱變化自動控制路燈的開關(guān)，具有性能可靠、安全環(huán)保、方便快捷等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：太陽能；路燈；智能控制；系統(tǒng)；設(shè)計

1導(dǎo)言

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市路燈的電能消耗大，利用率低，效能不高。而隨著人們的環(huán)保節(jié)能意識的逐漸增強，提供一種減少照明時間并且節(jié)約用電，而且還可以降低管理支出的智能型路燈對城市建設(shè)顯得極為重要。太陽能路燈集合了太陽能光伏發(fā)電和LED固態(tài)照明兩種技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的照明工具來說具有很大的優(yōu)勢，省去了繁瑣的電纜設(shè)備，也節(jié)省了人力資源的投入，低成本，高回報，成效十分可觀。

2智能路燈控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

由于政策大力扶持，加之市場廣闊、利潤相對較高等因素，市政領(lǐng)域LED照明成為各大LED應(yīng)用廠商競相逐鹿的陣地。為避免同質(zhì)化競爭，提升產(chǎn)品附加值和影響力，研究和發(fā)展智能路燈控制系統(tǒng)就成為差異化競爭的首選。經(jīng)過幾年的發(fā)展，全國已經(jīng)有數(shù)十家專門研發(fā)路燈控制系統(tǒng)的公司，國內(nèi)外各大LED照明廠商也紛紛大力開展照明控制系統(tǒng)的研發(fā)，并在全國各地建成許多示范基地。

3智能控制系統(tǒng)運行原理

太陽能路燈控制系統(tǒng)在運行的過程中，判定恒流負載輸出主要是利用采集太陽能光伏板的電壓。一旦系統(tǒng)檢測到太陽能板電壓較高，且高出蓄電池額定電壓的時候，MPPT充電模式就會自動開啟，這時STC單片機通過采樣到的太陽能板電壓和電流值通過變步長的電導(dǎo)增量法計算最大功率點，通過PWM信號的占空比調(diào)節(jié)太陽能板充電電壓大小達到最佳充電功率點。在充電的時候?qū)π铍姵剡M行實施檢測，防止其電壓發(fā)生過充電現(xiàn)象。太陽能板的電壓降低到規(guī)定值時，系統(tǒng)則會自動停止沖電，進入分段式恒流負載輸出控制模式。此時主要根據(jù)不同的太陽能板電壓值，通過Boost放電電路控制PWM信號的占空比方式控制負載輸出電路輸出不同的電流值。

4太陽能路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1硬件系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計內(nèi)容：①在設(shè)計太陽路燈智能控制系統(tǒng)時，硬件方面的設(shè)計可采用單片機作為控制系統(tǒng)的核心。單片機屬于一種處理器，優(yōu)點是能耗較低，可將其進行編程以flash的方式存儲；②選擇高密度非易失性存儲器，這樣才能更好的保證系統(tǒng)的使用性能以及工作效率；③太陽能智能控制系統(tǒng)主要的供電能是太陽能，24V的蓄電池電壓在穩(wěn)壓之后產(chǎn)生5V的固定電壓成為控制主電源，高頻電容旁路將高頻信號接地；④太陽能系統(tǒng)如果出現(xiàn)過度充電、放電現(xiàn)象，為保護蓄電池必須要馬上斷開電路；⑤在設(shè)計太陽能自動跟蹤部分的時候“光敏電阻的”設(shè)計是主要內(nèi)容，整個控制工作完全是通過光敏電阻來實現(xiàn)的。根據(jù)光線強弱的變化實現(xiàn)自動跟蹤，使得太陽光度強弱的變化完全通過數(shù)據(jù)顯示出來；⑥將圓筒阻擋物安置在太陽能接收器上，同時根據(jù)實際需將多個光面電阻分別放置在圓筒內(nèi)外，組成一個傳感器，與電池板保持水平放置，一旦電池板發(fā)生偏頗，就以此來調(diào)整太陽能板的角度。

4.2軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要流程圖分為兩個部分成兩個部分：充電部分和放電部分，其主要思路如圖1所示。充電部分主要通過檢測光線強弱和電壓高低決定是否進行充電；放電部分則是通過檢測光線強弱來控制路燈的開關(guān)。本控制器以單片機為核心。首先完成系統(tǒng)初始化，包括對內(nèi)部資源模塊寄存器和對有關(guān)標(biāo)志位的初始設(shè)置。在白天，周期性的采集太陽能電池和蓄電池的端電壓，系統(tǒng)根據(jù)不同的電壓組合狀態(tài)進入不同的控制流程；在夜間，周期性的采集蓄電池的端電壓及LED燈側(cè)的供電電流，完成路燈的不同功率控制以及蓄電池的放電保護。

4.3智能路燈系統(tǒng)的應(yīng)用

我國一直高度重視資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護工作，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策。伴隨著LED照明技術(shù)的不斷發(fā)展，各種控制技術(shù)手段的不斷成熟，LED智能照明技術(shù)已經(jīng)在全國各地逐漸鋪開。同時各傳感設(shè)備的功能逐漸強大，產(chǎn)品性價比逐漸提高，使得互動感知層的建設(shè)也變得更加便利。建立智能照明一體化平臺，將電力、通訊、應(yīng)用發(fā)布、公共服務(wù)等功能集成在智能照明產(chǎn)品中，為智慧城市建設(shè)的推進邁出堅實的第一步。通過在道路、停車場、商業(yè)辦公園區(qū)中建設(shè)智能路燈照明系統(tǒng)，利用過PLC或是ZigBee等通訊技術(shù)實現(xiàn)對每盞路燈狀態(tài)的監(jiān)控，亮度的調(diào)整，可以實現(xiàn)人來燈亮，人走燈暗的效果，進一步的節(jié)省能源。根據(jù)不同季節(jié)的情況對燈光色溫進行調(diào)節(jié)，讓人們感覺更加舒適。比如在冬季采用較為溫暖的色溫，大約為2700～3000K。在夏季可以采用較為接近日光的色溫，大約為4500～5000K。

通過集成在智能路燈系統(tǒng)中的多媒體設(shè)備，可以及時準(zhǔn)確的為周邊公眾提供移動通訊、無線寬帶網(wǎng)絡(luò)、多媒體照明、廣告屏、互動屏、充電樁、應(yīng)急報警、視頻監(jiān)控、天氣、環(huán)境信息采集發(fā)布、公共交通信息采集發(fā)布、公交查詢、實時路況、周邊餐飲及服務(wù)設(shè)施查詢、團購促銷、公共安全和管理的政策宣傳、信息發(fā)布、應(yīng)急誘導(dǎo)等服務(wù)的智慧照明全景圖。

4.4系統(tǒng)調(diào)光控制

4.4.1路燈自檢

路燈自檢體系指到路燈開啟時間段后，路燈亮度不足或無法亮起，自檢體系開始工作。自檢系統(tǒng)自動檢測來自LED路燈光源的光強信號，當(dāng)光強低于設(shè)定值時，可判定路燈已無法正常工作，并反饋故障信息。

4.4.2自主調(diào)光

路燈正常通電工作后，系統(tǒng)可預(yù)設(shè)光路燈常亮值（默認(rèn)PWM輸出占空比為30%）。當(dāng)環(huán)境光強度小于50LUX時，路燈系統(tǒng)正常通電工作。當(dāng)環(huán)境光強度在50-150LUX時，路燈系統(tǒng)采用PWM調(diào)光方式。當(dāng)路燈系統(tǒng)感應(yīng)人體經(jīng)過時，系統(tǒng)輸出PWM占空比為70%，并長亮至人體信號消失。當(dāng)環(huán)境光強大于300LUX時，路燈系統(tǒng)關(guān)閉，太陽能發(fā)電系統(tǒng)正常工作。

4.5智能系統(tǒng)測試

4.5.1自動跟蹤模塊測試

以30min為基本單位，在某個固定位置使用太陽路燈智能控制系統(tǒng)對太陽的高度和光源方位進行跟蹤。實施測試之前需要設(shè)置好初始位置和初始時間，同時對電機的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動力量進行實時監(jiān)測并詳細記錄，做好系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)角與太陽實際角度的對比工作。根據(jù)實際測試結(jié)果可以看出，使用太陽能路燈智能控制系統(tǒng)可以對太陽光的方向和高度進行精準(zhǔn)的跟蹤，同時根據(jù)實際需要自行調(diào)節(jié)，測試過程中所有的誤差均在規(guī)定范圍之內(nèi)。

4.5.2過充過放模塊測試

選定一處位置對蓄電池進行外接負載的過充過放模塊測試。測量并分析太陽電池板電壓與電池電壓的線性關(guān)系，同時對白天時候蓄電池的電壓以及黑夜蓄電池電壓的維持狀態(tài)等進行實施監(jiān)測和記錄。測試結(jié)果顯示太陽能路燈智能控制系統(tǒng)中蓄電池的充放電功能良好，系統(tǒng)運行控制一切正常。

結(jié)束語

綜上所述，智能照明系統(tǒng)將有利于市政對城市照明的有效監(jiān)管，以及市民對便民信息的及時獲取，同時支持用戶在本項目研發(fā)的系統(tǒng)上開發(fā)各種服務(wù)應(yīng)用與集成。智能路燈系統(tǒng)的控制終端可由手機端控制，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)路燈的控制平臺的不便，并實現(xiàn)自動調(diào)光，故障報警的多功能，具有應(yīng)用價值和推廣前景。

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