基于風光互補型的智能LED路燈控制器的設計

吳興昊++張曉力++許中陽++付俊英++范怡然

摘要：本文通過對太陽能路燈照明系統的各主要組成部分進行分析，介紹了一種基于單片機技術、以LED為發光源、ZigBee無線傳感網絡進行數據傳輸的風光互補型路燈控制系統該系統通過在每一盞路燈的控制器安裝ZigBee無線傳感網絡發射器從而構建無線網絡實現路燈工作狀態的采集，并在此基礎上對采集出來的數據進行人工或智能分析，從而實現對風光互補路燈系統的智能監控和管理。

關鍵詞：太陽能 風能 控制器 鋰電池 ZigBee MPPT

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0169-02

Abstract：Based on the major components of solar street lighting system is analyzed， introduced a single-chip-based technology to LED as light source， ZigBee wireless sensor network for data transmission scenery complementary street light control system in each of the system through streetlights controller installation ZigBee wireless sensor network transmitters to build wireless networks collect street working conditions， and on the basis of the collected data out manual or intelligent analysis， enabling solar hybrid street lighting system intelligent monitoring and management.

Key Words：Solar Energy；Wind Energy；Lithium battery；Controller；Zigbee；MPPT

引言

如今太陽能和風能作為一種清潔無污染可再生能源得到越來越廣泛的應用。太陽能路燈是太陽能應用之一，目前的太陽能光伏發電有以下特點：過去普通路燈的安裝施工麻煩需要時間長，不僅增加了施工成本，設施設備的維護成本也大幅提升。與此相反，太陽能LED路燈的應用，無需大量鋪設供電電纜，節約了大量人力物力，并且不受應用場合的限制，太陽能LED路燈已成為照明行業的新星。但是，目前太陽能發電研究有一下問題：由于陰雨天氣導致太陽能路燈無法在白天正常充電，從而獲得足夠的電量以供晚上照明電量所用。因此本系統做出了在現有太陽路燈的基礎上做出以下改進：加入風力發電機，Zigbee無線傳感網絡節點以及其所需配置的其他部件組成。Zigbee無線傳感網絡節點構建成無線傳感網絡，將管理機構與每一路燈連接起來，最終實現對每一盞路燈的工作狀況的全方位的分布式自動/人工監視和控制，從而實現風光互補路燈照明工作狀態的智能優化管理。

1 風光互補路燈系統主要硬件介紹

該風光互補LED路燈照明控制系統以微型處理器、Zigbee無線傳感網絡技術為設計核心，由以下幾個部分組成，太陽能電池板，風力發電機，控制器，鋰電池組，Zigbee無線傳感網絡節點，輔助系統（包括光照采集傳感器、GPS模塊、溫濕度傳感器、風速風向傳感器等）以及路燈所需配置的其他部件組成。

1.1 控制器

控制器一方面控制負載的輸出狀態，另一方面還要將多余的電能送往鋰電池組存儲；當發電量不能滿足負載需要時，還要控制鋰電池的電能送往負載；在控制器的控制下，蓄能組件控制放電通路的通斷，防止電池過放，以保證整個系統工作的連續性和穩定性。其中，風力發電控制主要任務是跟蹤風速變化，通過變槳距控制或者雙反饋控制，小型風機大多利用對Boost變換器的控制，實現風力機保持輸出最大功率。光伏發電控制的主要任務是跟蹤輸出功率的變化，使用MPPT算法，使光伏電池始終保持輸出最大功率。

1.2 ZigBee/GPRS網關

ZigBee/GPRS網關主要是接收由ZigBee無線網絡傳輸的數據，并通過網絡將相關數據上傳到遠程監控中心，完成實時監控功能；或者通過ZigBee網絡將遠程控制數據廣播到各路燈控制器節點，以完成相應的控制功能[1]。

1.3 輔助系統

輔助系統用來確保溫濕度傳感器能夠穩定的工作，然后將采集到的溫度數據傳送給主控芯片，然后由主控芯片來控制數據傳輸到ZigBee無線網絡結點上，最后由ZigBee無線網絡傳輸所收集的數據到網絡中心，由網絡中心根據現在的狀態發送指令給ZigBee無線結點，從而調整控制路燈的工作狀態。

2 系統主控制器設計及功能

本文所設計的智能型太陽能路燈控制器是以MSP430系列芯片為控制核心，控制器能對整個系統進行實時監測，通過，以最大輸出功率對鋰電池進行充電；在日間感知陽光使太陽能光伏電池板為蓄能組件進行充電；通過監測周圍環境溫度、光照和風速結合MPPT算法模塊提高太陽能、風能的轉換效率，使其充電最大化；當天黑后自動控制開啟路燈，并根據外界光強度，智能調節并控制LED路燈亮度；在控制器的控制下由蓄能組件控制放電通路的通斷，防止電池過放。控制器的作用是使整個系統各個部件可以協調一致的工作，是整個系統的控制協調中心，對整個系統的穩定、可靠、高效運行起著至關重要的作用。

3 一種改進的MPPT控制方法

在傳統的功率擾動算法中，其擾動步長△D是一個固定值，在MPPT穩態工作時，小的步長△D減少控制器功率的消耗；當計算瞬時的MPPT值時，大的步長△D將會很快的得到新的MPP，但同時也會增加擾動的區間范圍。所以對于傳統的功率擾動算法，選擇合適的步長顯然成了一個很難解決的問題。所以本文設計了一種自適應步長擾動MPPT控制算法，這種算法就是為了權衡追蹤效率和追蹤的準確性才使用的[2]。

它的工作原理是通過調整擾動值并觀察負載曲線的電流。然后根據負載電流，自適應決定的擾動值△D。在得到△D的值之后，太陽能光伏電池板的功率占空比的值將會被得到的△D值進行修改，并且在等待時間T之后，MPPT控制器將開始下一次的擾動。在該算法的擾動周期內，DC-DC轉換器的占空比和其攜帶負載電流分別記作和。前一擾動時刻的電源轉換器的占空比和負載電流分別記作和。負載電流和占空比的變化從一個工作周期到另一個工作周期可以被定義為：和。如果信號和是一樣的，則占空比△D將增加，并且變量X將被設置為“1”，為了使算法能夠記住在這一次占空比最后一次擾動的方向。如果信號和是相反的，則在占空比將減少和變量X被設置為“0”，為了使算法能夠記住在這一次占空比最后一次擾動的方向。變量X的值則用于在時，此時由于A/D 轉換器的分別率不是足夠的高，這樣就能夠看到在上一個工作周期上擾動負載電流變化的結果。在這樣的條件下，在該占空比內將被擾動以同樣的方向作為上一次的迭代擾動，并且電流值也不會改變。這一步等效于將占空比的擾動步長增加了。但占空比的值總是在被比較，它的最小值為Dmin，最大值Dmax[3]。

4 控制器軟件設計

在智能型太陽能LED路燈照明系統中，路燈控制器主要控制太陽能電池板獲得的光輻射能轉化為電能，并存儲在鋰電池中，然后鋰電池里的電向負載進行供電。當光敏電阻檢測到外界光照發生變化時，即進入夜間后，驅動LED燈變得更亮，并開始照明。如果鋰電池的電壓不足，則由電池管理芯片TP4056對其進行管理，檢測其是否充電條件，若滿足條件則開始進入充電模式，否則則進入待機模式。

由于MPPT算法在軟件設計上比較復雜，并且其外圍的硬件電路也要根據需求而進行改進，所以在本系統中所實現的MPPT是用一硬件芯片來進行設計的，這款硬件芯片是 XLSEMI公司的一款固定頻率PWM升降壓DC-D變換器，其型號為XL6009。

5 系統測試結果及分析

5.1 測試系統的組成

本設計的太陽能路燈系統，為一般性模擬測試課題，所以無需考慮野外作業。本設計是基于 STC12C5A602S2 設計的智能型太陽能 LED 路燈控制器，并設計了以該控制器為核心的簡易路燈系統，路燈的亮度能夠根據外界光照的變化，從而實現自動調節。

5.2 系統控制器測試結果

通過實驗，該系統控制器工作模式有以下幾種：

（1）強光照模式（Vpv≥4.4V），當SOC≥95%時，鋰電池以浮充方式充電；當SOC<95%時，以MPPT方式對鋰電池充電。

（2）弱光照模式（Vpv<4.4V），當SOC≥50%時，鋰電池向LED負載供電；當SOC<50%時，關閉鋰電池。

（3）強光弱（強）風模式，同強光模式。

（4）弱光弱（強）風模式在弱風情況下，如弱光照模式；而在強風模式下，如強光照模式。

6 結語

本系統設計創新之處，在于其運用并結合了微處理器、ZigBee無線傳感網絡、鋰電池和風光互補的技術[4]，實現了風光互補路燈照明智能系統。該系統既可以通過無線傳感網絡對每一盞路燈的工作狀況實現全方位的分布式人工監視和控制，也可以利用單片機進行自動控制；其次，對太陽能光伏電池板的輸出功率特性以及常用MPPT 算法進行了分析，并提出了一種新型的MPPT算法，但在經費允許的情況下使用了一種直接用硬件實現的MPPT算法，而不需要在軟件上進行設計與改進，即直接用硬件內部資源里固定頻率的PWM波控制 DC/DC 變換器實現MPPT算法。本文設計的內容涉及到多個學科的知識，但在許多問題上并未能深入研究，所以系統設計存在的不足之處，也是下一步要繼續改進和完善的內容。因此，在本文的基礎上，今后可以進一步開展以下工作：

如何設計優化MPPT算法，提高太陽能光伏電池板的輸出功率；是否能使太陽能光伏電池板結合機械結構的設計，使其能跟著太陽的運動方位變化而進行位置的移動；對風光互補發電系統的能量輸出模型進行設計，修訂和完善；采用合適的算法求解風速的Weibull 分布參數，然后根據風力發電機功率特性，建立風力發電的能量輸出模型。而這些問題也將會成為以后關注的重點。

參考文獻：

[1]段現星.光伏太陽能LED路燈照明系統設計[J].機電一體化，2011（7）77-79.

[2]王潤民，王健.基于ZigBee的道路照明智能控制系統的設計[J].陜西：長安農業大學，2014.

[3]閔江威.光伏發電系統的最大功率點跟蹤控制技術研究[D].武漢：華中科技大學，2006.

[4]孫濱，郭瑞，付華，李楠.無線測控技術在太陽能路燈綜合管理中的應用[J].遼寧：遼寧工程技術大學，2010.

收稿日期：2016-09-26

作者簡介：吳興昊（1993—），男，貴州凱里人，本科畢業，研究方向：信息工程。