智能太陽能路燈系統的分析與設計*

劉曉青

(楚雄師范學院信息科學與技術學院，云南 楚雄 675000)

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智能太陽能路燈系統的分析與設計*

劉曉青

(楚雄師范學院信息科學與技術學院，云南 楚雄 675000)

太陽能路燈近年在道路照明，交通發光指示標志等領域廣泛使用，太陽能路燈節能環保，施工方便。即免除了架設市政用電的麻煩，還降低了用電成本。大部分路燈的實際使用照明時間在2-8小時之間，可提供的持續照明時間除了取決于蓄電池的容量外還取決于不同光照條件下的充電效率，所以夜間的工作時間也在發生變化。本系統通過對太陽能電池板的方向控制，讓太陽能電池板能夠隨著光線強弱的變化轉動，無論陰天還是晴天都能保持一個最佳的充電效率，以獲得最好的充電效果，延長夜間照明的時間。

太陽能路燈；單片機

1.引言

當前隨著我國城市化建設進程的加速以及城市基建設施建設的加快，城市對照明產品的市場需求逐漸擴大。在能源緊張的大背景下，傳統照明設備耗能巨大，且存在巨大的能源浪費，還影響城市生態環境，這明顯不符合我國能源利用的發展方向，同時也極大的限制了照明設備的利用效率。而太陽能路燈的出現，有效的彌補了上述不足。[1]

如果將我國2000萬盞路燈全部改用太陽能路燈，則可以減少2580萬噸二氧化碳的排放，相當于103億美元二氧化碳減排成本。因此，投資太陽能路燈行業可以產生較大的社會效益與經濟效益。

太陽能路燈發展的主要障礙在于成本，相對于普通路燈，太陽能路燈具有太陽能板，蓄電池，控制板三大部件，其中太陽能板占據了大量成本。為了降低成本，部分廠商采用面積更小的太陽能板，降低充電功率，但這也導致路燈的照明時間降低，實用價值下降。

本文介紹的系統通過讓太陽能板智能轉向，產生最大化的充電效率。使太陽能路燈可以使用面積更小的太陽能板來實現更高的充電效率，降低太陽能路燈的成本，從而緩解太陽能路燈高成本的困難，促進太陽能路燈的普及使用。[2]

2.系統總體構架圖

通過自行設計的360°光線傳感器陣列獲取各個方位上的光照強度模擬信號，單片機讀取到信號后進行模數轉換，并使用傳感器校正算法進行運算和校正。判斷出光照強度最大的方向，然后通過驅動電路控制隨動系統使太陽能電池板轉向，對正光照強度最強的方位。同時，充電控制系統也在監測太陽能電池板產生的電壓，當太陽能電池板產生的電壓滿足充電需求時，打開充電電路為電池組進行充電。[1]

圖1 系統總體架構圖

3.系統功能概述

3.1光照強度追蹤

要讓太陽能電池板能夠面對光線最強的那一個方向，系統必須在所處的環境中尋找到最強光源方向。使用單片機讀取傳感器陣列上的32個光敏傳感器數值，并且使用校正算法進行校正后，找到光線最強的方向，確定太陽能電池板需要面向的方向。[3]

3.2充電及充電控制

太陽能電池只有在有光照的環境下才能產生電力，把這些能量收集起來，在需要的時候來使用它，也就是夜間的路燈照明。太陽能電池板在陰天以及其他非陽光直射環境下，也是能夠產生一定的電流和電壓的，有時能滿足充電條條件，有時則不能。如果滿足條件而沒有充電，會導致充電效率低下，浪費太陽能資源。反之如果不滿足條件時打開了充電電路，反而會造成電流倒流，太陽能電池板變為用電設備，導致太陽能電池板發熱或者燒毀。[4]

所以必須讓系統監控太陽能電池板產生的電壓值和光敏傳感器的讀數，只有條件滿足時才可以打開電路充電。

3.3人機交互

簡單的交互系統利于故障時的判斷和檢修，在一個簡單的液晶顯示屏上顯示出光照強度讀數、太陽能電池板電壓、系統運行狀態等系統信息，可以讓安裝和維護人員快速的進行安裝實施和故障排除。[5]

3.4太陽能電池板方向控制

當確定了光線最強的方向后，單片機還需要控制隨動系統，讓太陽能電池板轉動，面向光線最強的方向，產生最大的電壓和電流，以達到最佳充電效率。

4.硬件系統設計

4.1光線感應系統設計

在室外環境，太陽能電池板所能利用的光線的所有方向大概是一個半球形，所以組建一個半球形傳感器陣列就可以監測到整個環境中的有效光線的光照強度情況。

將一個半球形物體以經緯線的劃分為多個區域，每個區域對應一個光線的入射區域，在每個區域中心打孔安裝光敏傳感器，監測對應區域的光線強度我們就能夠知道哪片區域是光線強度最大的，如果需要更高的精度，則進行更加精細的劃分，安裝更多傳感器即可，對于智能路燈來說，32個傳感器已經完全滿足其精度需求。[6]如圖2所示：

圖2 光線感應系統設計示意圖

光敏電阻是幾乎沒有指向性的，也就是說它對來自于它正面180度范圍內的光線都比較敏感，當光源距離相同但是角度不同的情況下光敏電阻的阻值變化不明顯。[7]

為每個光敏電阻加裝一定長度的遮光管，使光敏傳感器有更好的指向性。如圖3所示：

圖3 光敏電阻安裝示意圖

4.2太陽能電池板隨動系統設計

太陽能電池板需要靈活準確的對準光線最強的位置，除了需要水平方向的轉動，還要能夠調整和控制垂直方向的仰角，使用多個舵機組成可在縱向180°橫向360°范圍內隨意控制太陽能電池板方向的云臺。[8]如圖4所示：

圖4 太陽能電池板隨動系統設計圖

4.3充電系統設計

太陽能電池板產生的電壓和電流并不一定時刻滿足充電所需的條件，必須通過單片機進行判斷，當滿足條件時，才進行充電。為了能夠使充電效率更好，并使充電能夠持續和穩定的進行，使用一個穩壓模塊，讓太陽能電池板的可接受電壓在一個更為寬廣的范圍，陰天光照強度小的時候進行升壓，光線較為強烈的時候則相應降低電壓。[9]

5.軟件系統的實現

5.1模擬傳感器誤差校正算法

光敏傳感器的返回值是一個DC 0-5v的模擬信號，接入相同的+5v電壓，在三個不同逐漸降低強度的光源照射下，得到如下的測量值，如表1所示:

表1 不同光照強度光敏傳感器測量數據

從表中可以看出，部分傳感器存在較大的誤差，需要進行傳感器校正，才能獲得準確的光線強度信息，其具體算法如下：

獲得數據為：

{a1,a2……a14,15}，{b1,b2……b14,b15},{c1,c2……c14,c15},

取平均值為

∑ai/15，其中i=1,2,...,15

∑bi/15，其中i=1,2,...,15

∑ci/15，其中i=1,2,...,15

平均值的差值絕對值

|ai -∑ai/15 |，其中i=1,2,...,15

|bi -∑bi/15|，其中i=1,2,...,15

|ci -∑ci/15|，其中i=1,2,...,15

最后得到每個傳感器在三組數據中與均值的誤差值之和

Δi= (|ai -∑ai/15|)+( |bi -∑bi/15|) +(|ci -∑ci/15|)

結果如表2中的數據：

表2 光敏傳感器測量誤差值之和

誤差值較大的傳感器分別為1，2，3，4，5，14號，需要對這6個傳感器進行數據校正。

排除誤差較大的傳感器之后，用剩下較為準確的傳感器的均值作為校正的參考值

∑ai/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15

∑bi/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15

∑ci/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15

每個需要校正的傳感器對應每組數據都會得到一個誤差值

aj-∑ai/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15；j=1，2，3，4，5，14

bj-∑bi/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15；j=1，2，3，4，5，14

cj-∑ci/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15；j=1，2，3，4，5，14

三個誤差值的平均值為：

Δj= (aj-∑ai/9)+( bj-∑bi/9) +( cj-∑ci/9) 其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15；j=1，2，3，4，5，14

通過計算，得到表3中的數據

表3 光敏傳感器采樣修正值

A/D芯片采樣出來后的數據是采樣值,獲得的傳感器的修正值是以電壓值為基礎的情況下計算出來的，需要把修正值轉換為采樣值后才能進行校正。5v/1024=0.00488,每1單位的采樣值對應0.00488v電壓，計算出采樣修正值，如表4：

表4 光敏傳感器電壓修正值

正數誤差是測量值較實際過大，負數則是測量值較實際過小，修正時正數減去，負數加上。

5.2光線檢測及云臺控制

讀取相應傳感器電壓后使用校正算法進行校正，就知道哪個傳感器接受到的光照強度最大，代碼如下：

void target()//定義尋找最強光源函數

{a22=analogRead(0);//讀取光敏傳感器數值

a23=analogRead(1);

a24=analogRead(2);

a25=analogRead(3);

a22=a22-68;//傳感器校正

a23=a23-55;

a24=a24-111;

a25=a25+84;

a26=a26+74;

a35=a35-49;

highest=max(a22,a23);//查找哪個傳感器數值最大

highest=max(highest,a24);

highest=max(highest,a25);

highest=max(highest,a26);

highest=max(highest,a27);

}

知道光線強度最大的傳感器是哪個后，就知道了太陽能電池板需要面對的方位，這時單片機只需要通過串口向控制系統發送指令就可以使太陽能電池板指向相應位置，核心代碼示例如下：

if (highest==a22)// 當22號傳感器為最大值傳感器時

{Serial.println("#2P1397#18P1513#30P1563T2000");//發送對應的9個舵機的位置信息

num=22; }//最大值傳感器是22

if (highest==a23) //當23號傳感器為最大值傳感器時

{Serial.println("#0P522#1P799#2P1121#16P518#17P677#18P1741#28P525#29P905#30P1741T2000");//發送對應的9個舵機的位置信息

num=23; }//最大值傳感器是23

5.3電壓監測及充電控制

void control()//定義函數

{if (highest>400)//當太陽能電池板產生的電壓大于4V時打開開關

{ digitalWrite(sw1,LOW);//充電開關打開

if (flag==0);//標志變量

{flag=1;}

else

{ digitalWrite(sw1,HIGH) };//充電開關關閉

if (highest<30)//如果最大光線值小于30

{digitalWrite(sw2,LOW) };//打開led開關

else

{ digitalWrite(sw2,HIGH) };}//關閉led開關

5.4主函數

功能分為三個函數：

found()--尋找光線最強的方向并改變太陽能電池板方向

lcd()—人機交互界面顯示數據刷新

switch()—充放電控制系統讀取環境參數并且自動進行調整

在主函數中設置10秒延遲，每10秒鐘進行一次光線變化的采樣，并且根據采樣結果調整太陽能電池板位置，更新人機交互界面的顯示信息，在條件滿足的情況下打開充電電路，或者打開路燈照明，主函數如下：

void loop(){//主函數

found();

lcd();

switch();

delay(10000); }//延遲2秒

6.系統測試

系統調試結束后，對不同類型的光源位置進行測試，并記錄數據最大傳感器返回的電壓，得到表6.1的數據：

表5 不同環境與光照條件下系統測試數據

結果顯示,智能太陽能路燈系統工作正常,完成了設計時的基本要求。

7.總結

通過在制作出系統模型后的多次測試中，傳感器陣列設計合理，模擬傳感器相互校正準確，整個系統的運轉良好。本文所設計的傳感器陣列及校正算法都能夠精確的支持智能路燈系統的運行，不管在哪種天氣環境中，系統都能運轉正常。[10]

[1]徐文燦，袁俊,等．太陽能自動跟蹤系統的探索與實驗[J]．物理實驗，2003，23(09)：45―48.

[2]陳是權.并行計算在光線追蹤中的應用[J].微型電腦應用，2002,28(09):20―22.

[3]宋元杰,王璐,孟祥旭.采用Intel集成眾核架構的并行光線追蹤加速方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2015,27(12):2313―2322.

[4]黃濤．光線追蹤的OpenCL加速實現研究[J].計算機與現代化，2011,(02):65―69.

[5]殷宏博.基于51單片機的光線追蹤系統[J].有色金屬文摘2015,30(06):129,131.

[6]岳田爽,等.基于CUDA的光線追蹤優化算法研究與實現[J].計算機應用與軟件,2015,32(01):161―162,19.

[7]苗玉,等.基于POV-ray逆向光線追蹤模型模擬地表反射率圖像[J].科學技術與工程,2015,15(09):211―215.

[8]張倫,等.基于光線追蹤的尺度效應分析[J].計算機工程,2014,40(04):242―246.

[9]林承華,覃青生.基于GSM的遠程控制系統[J].電氣自動化,2012,34(01):40―42.

[10]顧陳耀,胡志強,等.溫室大棚卷簾機無線遠程控制系統的設計[J].現代電子技術,2011,34(09):44―45,48.

(責任編輯 劉洪基)

Analysis and Design of Intelligent Solar Street Lighting System

LIU Xiaoqing

(SchoolofInformationScience&Technology,ChuxiongNormalUniversity,Chuxiong, 675000,YunnanProvince)

In recent years，solar street lighting in the road, the traffic signs light is widely used in areas such as solar energy saving lamp, convenient construction .That exempts for the erection of municipal electricity trouble, but also reduces the electricity costs. Most of the time the actual use of street lighting in between 2-8hours,lighting time can be provided in addition to depending on the battery capacity, and partly because different charging efficiency changes caused by weather conditions, so the night working time also taking place variety. The system by solar panels directional control, so that solar panels can be rotated with the light intensity changes, whether cloudy or sunny, maintains an optimum charging efficiency, charging to get the best results, extend the night illumination time. AVR microcontroller-based system used a controller chip, the whole column using a plurality of photosensitive sensor , sensor array to get the data of the light panel position ,make the solar panels keep facing the strongest light for better chaging efficiency, to gather more power, longer aloe lights at night time. Compared with traditional lights, the introduction of microprocessor controlled intelligent lights, providing superior intelligence, scalability, solar street light provides a better performance, low-cost solution.

Solar street lamp; Singlechip

云南省教育廳科研基金項目，項目編號：2012Y132；楚雄師范學院校級科研項目，項目編號：11YJRC08。

2016 - 05 - 15

劉曉青(1981―)，女，講師，研究方向：網絡工程。

TS956.299

A

1671 - 7406(2016)09 - 0049 - 08

系統運用一個AVR單片機為主控制芯片，使用多個光敏傳感器組成整列，傳感器陣列獲取光線強度數據后，單片機進行采樣判斷，然后控制隨動系統調整太陽能板的位置，讓太陽能電池板時刻保持正對光線最強的地方，獲得更好的充電效率，收集更多電能，讓路燈在夜間工作時間更長。

與傳統路燈相比，引入單片機控制的智能路燈，提供了優異的智能性、可擴展性，為太陽能路燈提供了一種性能更佳，價格更為低廉的解決方案。