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太阳能路灯智能控制系统设计研究

作者：曲哲 鹿岩松 吕珂玮

来源：《科学与财富》2017年第20期

（1.山东省烟台市莱州市天晟亮化工程处 山东烟台 261400 2.山东省烟台市莱州市路灯管理处 山东烟台 261400）

摘要：基于无线操作网络的智能路灯系统，采用先进的路由终端wifi组网技术，搭建无线传感器网络，ESP8266为开发平台，通过传感器实现光线强度采集控制，路灯单独开关控制，自动调光，分组和集体控制并带有自动报警功能。该系统可以手动控制路灯的开关，还可以根据光线的强弱变化自动控制路灯的开关，具有性能可靠、安全环保、方便快捷等优点。 关键词：太阳能；路灯；智能控制；系统；设计 1导言

随着社会经济的迅速发展，城市路灯的电能消耗大，利用率低，效能不高。而随着人们的环保节能意识的逐渐增强，提供一种减少照明时间并且节约用电，而且还可以降低管理支出的智能型路灯对城市建设显得极为重要。太阳能路灯集合了太阳能光伏发电和LED固态照明两种技术，相对于传统的照明工具来说具有很大的优势，省去了繁琐的电缆设备，也节省了人力资源的投入，低成本，高回报，成效十分可观。 2智能路灯控制系统发展现状及趋势

由于政策大力扶持，加之市场广阔、利润相对较高等因素，市政领域LED照明成为各大LED应用厂商竞相逐鹿的阵地。为避免同质化竞争，提升产品附加值和影响力，研究和发展智能路灯控制系统就成为差异化竞争的首选。经过几年的发展，全国已经有数十家专门研发路灯控制系统的公司，国内外各大LED照明厂商也纷纷大力开展照明控制系统的研发，并在全国各地建成许多示范基地。 3智能控制系统运行原理

太阳能路灯控制系统在运行的过程中，判定恒流负载输出主要是利用采集太阳能光伏板的电压。一旦系统检测到太阳能板电压较高，且高出蓄电池额定电压的时候，MPPT充电模式就会自动开启，这时STC单片机通过采样到的太阳能板电压和电流值通过变步长的电导增量法计算最大功率点，通过PWM信号的占空比调节太阳能板充电电压大小达到最佳充电功率点。在充电的时候对蓄电池进行实施检测，防止其电压发生过充电现象。太阳能板的电压降低到规定值时，系统则会自动停止冲电，进入分段式恒流负载输出控制模式。此时主要根据不同的太阳能板电压值，通过Boost放电电路控制PWM信号的占空比方式控制负载输出电路输出不同的电流值。

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4太阳能路灯智能控制系统设计 4.1硬件系统设计

设计内容：①在设计太阳路灯智能控制系统时，硬件方面的设计可采用单片机作为控制系统的核心。单片机属于一种处理器，优点是能耗较低，可将其进行编程以flash的方式存储；②选择高密度非易失性存储器，这样才能更好的保证系统的使用性能以及工作效率；③太阳能智能控制系统主要的供电能是太阳能，24V的蓄电池电压在稳压之后产生5V的固定电压成为控制主电源，高频电容旁路将高频信号接地；④太阳能系统如果出现过度充电、放电现象，为保护蓄电池必须要马上断开电路；⑤在设计太阳能自动跟踪部分的时候“光敏电阻的”设计是主要内容，整个控制工作完全是通过光敏电阻来实现的。根据光线强弱的变化实现自动跟踪，使得太阳光度强弱的变化完全通过数据显示出来；⑥将圆筒阻挡物安置在太阳能接收器上，同时根据实际需将多个光面电阻分别放置在圆筒内外，组成一个传感器，与电池板保持水平放置，一旦电池板发生偏颇，就以此来调整太阳能板的角度。 4.2软件设计

本系统主要流程图分为两个部分成两个部分：充电部分和放电部分，其主要思路如图1所示。充电部分主要通过检测光线强弱和电压高低决定是否进行充电；放电部分则是通过检测光线强弱来控制路灯的开关。本控制器以单片机为核心。首先完成系统初始化，包括对内部资源模块寄存器和对有关标志位的初始设置。在白天，周期性的采集太阳能电池和蓄电池的端电压，系统根据不同的电压组合状态进入不同的控制流程；在夜间，周期性的采集蓄电池的端电压及LED灯侧的供电电流，完成路灯的不同功率控制以及蓄电池的放电保护。 4.3智能路灯系统的应用

我国一直高度重视资源节约和生态环境保护工作，坚持节约资源和保护环境的基本国策。伴随着LED照明技术的不断发展，各种控制技术手段的不断成熟，LED智能照明技术已经在全国各地逐渐铺开。同时各传感设备的功能逐渐强大，产品性价比逐渐提高，使得互动感知层的建设也变得更加便利。建立智能照明一体化平台，将电力、通讯、应用发布、公共服务等功能集成在智能照明产品中，为智慧城市建设的推进迈出坚实的第一步。通过在道路、停车场、商业办公园区中建设智能路灯照明系统，利用过PLC或是ZigBee等通讯技术实现对每盏路灯状态的监控，亮度的调整，可以实现人来灯亮，人走灯暗的效果，进一步的节省能源。根据不同季节的情况对灯光色温进行调节，让人们感觉更加舒适。比如在冬季采用较为温暖的色温，大约为2700～3000K。在夏季可以采用较为接近日光的色温，大约为4500～5000K。 通过集成在智能路灯系统中的多媒体设备，可以及时准确的为周边公众提供移动通讯、无线宽带网络、多媒体照明、广告屏、互动屏、充电桩、应急报警、视频监控、天气、环境信息采集发布、公共交通信息采集发布、公交查询、实时路况、周边餐饮及服务设施查询、团购促销、公共安全和管理的政策宣传、信息发布、应急诱导等服务的智慧照明全景图。

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4.4系统调光控制 4.4.1路灯自检

路灯自检体系指到路灯开启时间段后，路灯亮度不足或无法亮起，自检体系开始工作。自检系统自动检测来自LED路灯光源的光强信号，当光强低于设定值时，可判定路灯已无法正常工作，并反馈故障信息。 4.4.2自主调光

路灯正常通电工作后，系统可预设光路灯常亮值（默认PWM输出占空比为30%）。当环境光强度小于50LUX时，路灯系统正常通电工作。当环境光强度在50-150LUX时，路灯系统采用PWM调光方式。当路灯系统感应人体经过时，系统输出PWM占空比为70%，并长亮至人体信号消失。当环境光强大于300LUX时，路灯系统关闭，太阳能发电系统正常工作。 4.5智能系统测试 4.5.1自动跟踪模块测试

以30min为基本单位，在某个固定位置使用太阳路灯智能控制系统对太阳的高度和光源方位进行跟踪。实施测试之前需要设置好初始位置和初始时间，同时对电机的转动方向、转动速度、转动力量进行实时监测并详细记录，做好系统偏转角与太阳实际角度的对比工作。根据实际测试结果可以看出，使用太阳能路灯智能控制系统可以对太阳光的方向和高度进行精准的跟踪，同时根据实际需要自行调节，测试过程中所有的误差均在规定范围之内。 4.5.2过充过放模块测试

选定一处位置对蓄电池进行外接负载的过充过放模块测试。测量并分析太阳电池板电压与电池电压的线性关系，同时对白天时候蓄电池的电压以及黑夜蓄电池电压的维持状态等进行实施监测和记录。测试结果显示太阳能路灯智能控制系统中蓄电池的充放电功能良好，系统运行控制一切正常。 结束语

综上所述，智能照明系统将有利于市政对城市照明的有效监管，以及市民对便民信息的及时获取，同时支持用户在本项目研发的系统上开发各种服务应用与集成。智能路灯系统的控制终端可由手机端控制，解决了现有系统路灯的控制平台的不便，并实现自动调光，故障报警的多功能，具有应用价值和推广前景。 参考文献