基于物聯網和新型儲能系統的太陽能LED智慧照明系統

邱定 王超 楊澤明 喻賽球 孫兆輝

摘 要 近年來，太陽能LED照明系統由于其節能環保的優點得到廣泛應用。但是在使用的過程中，太陽能LED照明系統也暴露出一些嚴重的問題，歸納起來有如下兩方面：（1）太陽能LED照明系統所用的鉛酸電池等儲能系統壽命太短，嚴重影響了整個太陽能LED照明系統的使用壽命；（2）目前市面上的太陽能LED照明系統是一個孤立的系統，其可控性較差。本文所研究設計的基于物聯網和新型儲能系統的太陽能LED智慧照明系統較好地解決了以上兩個問題，將對太陽能LED照明系統的推廣普及起到積極的推動作用。

關鍵詞 物聯網 太陽能 超級電容 LED

中圖分類號：TM923.4 文獻標識碼：A

Solar LED Wisdom Lighting Systems Based on

Things and New Energy Storage Systems

QIU Ding， WANG Chao， YANG Zeming， YU Saiqiu， SUN Zhaohui

（Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Recently， solar LED lighting systems are used widely because of their energy-saving and environment friendly characteristics. But there are also some Key problems in current solar LED lighting systems， such as follows： First， the lifetime of lead-acid battery is too short so that the whole system lose efficacy soon； Second， current solar LED lighting systems usually are isolated systems， so its controllability is worse. This paper propose a new solar LED intelligent lighting systems based on Internet of Things and Supercapacitor ，which can tackle these two problems better， so the solar LED intelligent lighting systems will advance applications of solar LED lighting systems.

Key words internet of things； solar power； Supercapacitor， LED

0 引言

在當今時代，環保節能已成為人們的共識。太陽能光伏發電是一種綠色新能源，LED照明是一種綠色節能產品，且兩者都工作在直流電模式，很適合搭配使用，因此，近年來，太陽能LED照明產品如雨后春筍般在世界各地呈現，掀起一股綠色科技旋風。在我國，政府也推出了“金太陽工程”，“十城萬盞LED路燈”等計劃，旨在推動太陽能LED照明產品的發展，促進資源節約型、環境友好型社會建設。在太陽能LED照明產品中，太陽能LED路燈是最具代表性、要求較嚴格、有較大市場潛力的一類產品。最近幾年，在政府的大力支持、業界同仁的大力努力下，太陽能LED路燈已經在全國各大城市初步發展起來，取得了一些可喜的成績。我們可以看到，太陽能LED路燈應用市場現在已經在國內外開始啟動，隨著技術的進步、生產的進步，太陽能LED路燈的價格會進一步下降，效率會進一步提高，壽命也會進一步延長，同時隨著人們環保意識的加強，對太陽能LED路燈的認同也越來越高，所以有理由相信，在今后若干年，太陽能LED路燈的市場一直會保持快速增長的態勢。展望太陽能LED路燈的未來，令人鼓舞和欣慰，但是，我們也應該清醒地看到，在最近幾年的應用中，太陽能LED路燈也暴露出了一些問題，如果我們不能及時解決好這些問題，勢必會影響太陽能LED路燈產業的發展。太陽能LED路燈暴露出的問題有如下這些：（1）太陽能LED照明系統所用的鉛酸電池等儲能系統壽命太短，嚴重影響了整個太陽能LED照明系統的使用壽命；（2）目前市面上的太陽能LED照明系統是一個孤立的系統，其可控性很差。這些問題如果得不到及時的解決，將嚴重影響太陽能LED照明系統的推廣普及。

1 基于物聯網和新型儲能系統的太陽能LED智慧照明系統的組成結構

為了解決這些困擾太陽能LED照明系統產業發展的問題，本文設計了一種基于物聯網和新型儲能系統的太陽能LED智慧照明系統（如圖1）。太陽能LED智慧照明系統用新型超級電容儲能代替了傳統鉛酸蓄電池，大大提高了系統的壽命；同時太陽能LED智慧照明系統用無線物聯網將一盞盞孤立的路燈變成了一個統一可控的整體，并加入了傳感檢測和智能運算，使得系統可以很方便地實現多種亮燈方式。該智慧照明系統還可以根據有無行人的情況，自動開關燈，還可以根據運動物體的方向和速度，決定開燈的數量和移動方向。

基于物聯網和新型儲能系統的太陽能LED智慧照明系統由32位嵌入式控制芯片構成的主控模塊、無線收發模塊、新型超級電容管理儲能模塊、PIR傳感器檢測及感光模塊、LED驅動模塊等組成（如圖2）。白天太陽能電池給新型超級電容充電儲能，晚上新型超級電容給LED路燈供電；感光和PIR傳感器模塊把周圍環境的光照和周圍的行人等環境信息傳給單片機，經單片機分析來控制LED 的光照強度和照明時間；無線收發模塊由單片機控制來通信，使各個獨立的路燈之間相互傳遞信息、共享信息資源和統一接受指令。整個太陽能LED智慧照明系統在功能上較為完善，非常節能和人性化。

圖1 太陽能LED智慧照明系統通信方框圖

圖2 太陽能LED智慧照明系統主電路方框圖

2 太陽能LED智慧照明系統的各模塊介紹

2.1 主控電路

太陽能LED智慧照明系統的主控電路由32位嵌入式控制芯片STM32F103C8T6構成，該芯片基于ARM內核，成本低，性能優異，并且具有豐富的外設接口。主控電路是太陽能LED智慧照明系統中最重要的核心部分，該控制電路功能主要包括：通過控制雙向DC/DC變換電路來對超級電容的充放電進行管理；運行自主開發的一個簡單的物聯網協議，實現燈具的組網；可以實時的監測燈的運行情況，完成電路的電流電壓等參數采樣與檢測。

2.2 超級電容管理電路

超級電容器，又叫雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，因此超級電容器可以反復充放電數十萬次。相比之下，鉛酸蓄電池的充放電次數只有500～1000次。因此，使用超級電容，可以極大地提高太陽能LED智慧照明系統的壽命。本系統采用數字控制的雙向DC/DC變換電路來對超級電容的充放電進行管理，由STM32F103C8T6輸出控制PWM信號，并根據反饋的電壓、電流信號對PWM信號進行調節，從而達到恒壓或恒流的放電特性，并在充電時實現MPPT（最大功率點跟蹤）功能。

2.3 PIR傳感器電路

人體有恒定的37度的體溫，會發出特定波長10um左右的紅外線，被動式紅外探頭即PIR傳感器就是靠探測人體發射的10um左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10um左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到PIR紅外感應源上。PIR紅外感應源上的熱釋電元件在接收到人體紅外輻射，溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能傳給單片機控制信號，去控制路燈亮的時間和亮度。通過PIR傳感器，可以有效地檢測到行人的信息。對于車輛，本系統后續將探討利用聲音傳感器及電磁傳感器等來進行檢測。

2.4 無線通信電路

無線收發模塊采用STM32F103C8T6和nRF24L01兩塊芯片組合而成的電路實現無線通信網絡系統。nRF24L01 是一款工作在 2.4到2.5GHz 世界通用 ISM 頻段的單片無線收發器，可以通過SPI 接口進行設置。由nRF24L01可以構成成本低，性能好的無線通信硬件平臺。在該硬件平臺上，自主開發了一個簡單的物聯網協議，可以實現消息的中繼轉發，從而延長無線通信的距離；并可以對每一盞燈進行尋址，靈活地實現各種亮燈模式。通過多盞燈的檢測和智能運算，還可以判斷出人的運動方向和速度，從而在人的運動軌跡上提前點亮相應數量的燈。

3 結論與展望

太陽能是新型綠色能源，LED是新型第四代綠色照明光源，太陽能LED照明系統的發展盡管目前面臨一些困境，從長遠來看，其前途是充滿陽光的。本文所述的基于物聯網和新型儲能系統的太陽能LED智慧照明系統，運用新型超級電容儲能和物聯網技術，較好地破解了太陽能LED照明系統面臨的兩個難題：壽命短和可控性差，必將進一步推動太陽能LED照明系統的普及。當然在目前的技術經濟條件下，本文所述的超級電容儲能價格還較貴，在對價格比較敏感的場合可以使用傳統的蓄電池來代替。隨著技術發展及生產規模擴大，相信超級電容儲能的價格也會像液晶電視一樣快速下降，基于物聯網和新型儲能系統的太陽能LED智慧照明系統必將大規模普及，點亮人們的美好生活！

參考文獻

[1] 李勇，洪志剛，李泳湛等.AVR 單片機在 LED 遙控照明中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（7）：37-38.

[2] 程安寧，王晉，尚相榮等.白光LED的PWM驅動方式分析[J].電子設計工程，2010（2）：109-111.

[3] 江磊，蔣曉波，陳郁陽，劉木清等.一種低成本無線照明控制系統的設計[J].光源與照明，2009（2）：36-42.