城市環(huán)境監(jiān)測(cè)太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王云

萊西市亮化管理處 山東青島 266600

太陽能作為一種清潔能源已經(jīng)在人們的生活中得到廣泛應(yīng)用，太陽能路燈就是其中的一種，不管是在繁華的城市道路兩邊，還是偏遠(yuǎn)的山村小路都有其蹤影。太陽能路燈的原理:太陽能板負(fù)責(zé)把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過充電裝置把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能存儲(chǔ)到蓄電池中，電能控制裝置控制電路的通、斷，從而控制路燈的亮、滅，最終完成太陽能到光能的轉(zhuǎn)換。

1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)分為兩大模塊，太陽能路燈系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片，STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。德州儀器公司的CC2530芯片作為主控芯片應(yīng)用于空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，該芯片建立在適應(yīng)2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上，芯片內(nèi)部含有RF收發(fā)器，8KB靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，256KB的閃存塊和18個(gè)中斷源的中斷控制器，具有21個(gè)通用I/O引腳，5通道DMA，32KHz睡眠計(jì)時(shí)器等豐富的外設(shè)接口。

本系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)（傳感器節(jié)點(diǎn)）、協(xié)調(diào)器、上位機(jī)、太陽能電池板、電池以及路燈6部分組成。太陽能電池板吸收太陽光并將太陽輻射能通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換成電能為路燈及整個(gè)系統(tǒng)供電，終端節(jié)點(diǎn)搭載DHT11溫濕度傳感器采集空氣環(huán)境的溫濕度以及GP2Y1014AUpm2.5傳感器采集空氣環(huán)境的pm2.5濃度，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集傳感器所采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)并通過ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過串口傳輸方式發(fā)送給上位機(jī)，最后上位機(jī)將終端節(jié)點(diǎn)所采集的空氣環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示[1]。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

電源模塊由太陽能電池板、升壓電路和電池組成。太陽能電池板發(fā)電的原理是當(dāng)太陽能電池板組件受到陽光照射時(shí)，太陽能電池板組件會(huì)產(chǎn)生直流電壓。太陽能電池板組件產(chǎn)生的電壓作為整個(gè)系統(tǒng)的電源輸入，但是太陽能電池組件產(chǎn)生的電壓容易受到太陽光的影響，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定。調(diào)壓電路用于使輸出電壓穩(wěn)定，為系統(tǒng)供電和給蓄電池充電。當(dāng)太陽能電池組件沒有輸入電壓時(shí)，電池為路燈和空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。

2.2 充放電控制模塊

為了保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，必須控制蓄電池的過充、過放電。過充電控制電路通過檢測(cè)電池電量來判斷太陽能電池組件在對(duì)電池充電時(shí)是否處于過充電狀態(tài)。如果蓄電池處于過充電狀態(tài)，充電電路會(huì)及時(shí)斷開。當(dāng)電池處于過放電控制狀態(tài)時(shí)，判斷電池是否處于過放電狀態(tài)。如果蓄電池處于過放電狀態(tài)，將及時(shí)斷開開路。

2.3 光探測(cè)模塊

光檢測(cè)模塊選擇光敏電阻，也就是光敏電阻或光管。它通常由硫化鎘、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍組成。當(dāng)這些材料受到一定波長(zhǎng)的光照射時(shí)，其電阻值會(huì)立即降低。利用光敏電阻阻值隨光強(qiáng)變化的特性，可以檢測(cè)出周圍環(huán)境中光強(qiáng)的變化。將光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過將輸出電平與比較器設(shè)定的電壓進(jìn)行比較來完成光強(qiáng)檢測(cè)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 太陽能路燈模塊

之后，當(dāng)電池充滿電時(shí)，如果電池沒有充滿電，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)電池是否充滿電，當(dāng)電池電量低時(shí)，放電控制模塊會(huì)保護(hù)電池不過度放電，并關(guān)閉路燈。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)模塊

終端節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后終端節(jié)點(diǎn)開始掃描，找出通信距離內(nèi)是否有協(xié)調(diào)器以及由協(xié)調(diào)器構(gòu)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。如果在通信距離內(nèi)有協(xié)調(diào)器構(gòu)建的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，并獲得協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)絡(luò)短地址。如果連接不成功，則繼續(xù)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)成功進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)讀取傳感器數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將讀取的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后終端節(jié)點(diǎn)周期性地將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器[2]。

3.3 協(xié)調(diào)員模塊

協(xié)調(diào)器上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后協(xié)調(diào)器開始掃描并選擇合適的信道，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符、擴(kuò)展地址、短地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，建立網(wǎng)絡(luò)并啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功建立后，協(xié)調(diào)器允許其他終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)并與之建立綁定。當(dāng)其他終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它建立綁定并分配網(wǎng)絡(luò)地址。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過串口傳輸將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行組裝調(diào)試，系統(tǒng)上電后太陽能路燈模塊通過檢測(cè)光照強(qiáng)度判斷是否需要開啟路燈，空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)并等待終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后周期性的發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)，在上位機(jī)利用串口助手軟件查看環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明太陽能路燈在光照強(qiáng)度弱時(shí)能自動(dòng)開啟路燈，光照強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)能自動(dòng)關(guān)閉路燈，傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確以及上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)和終端節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境數(shù)據(jù)基本一致，有較高可信度。

5 結(jié)語

在傳統(tǒng)太陽能路燈的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，制作了太陽能自適應(yīng)節(jié)能裝置，該裝置安裝方便，只需要串接于電池和路燈之間即可。系統(tǒng)能夠根據(jù)未來天氣情況，結(jié)合蓄電池的剩余電量，對(duì)路燈的點(diǎn)亮?xí)r段及亮度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。