太陽能路燈智能控制系統設計研究

曲哲+鹿巖松+呂珂瑋

（1.山東省煙臺市萊州市天晟亮化工程處 山東煙臺 261400 2.山東省煙臺市萊州市路燈管理處 山東煙臺 261400）

摘要：基于無線操作網絡的智能路燈系統，采用先進的路由終端wifi組網技術，搭建無線傳感器網絡，ESP8266為開發平臺，通過傳感器實現光線強度采集控制，路燈單獨開關控制，自動調光，分組和集體控制并帶有自動報警功能。該系統可以手動控制路燈的開關，還可以根據光線的強弱變化自動控制路燈的開關，具有性能可靠、安全環保、方便快捷等優點。

關鍵詞：太陽能；路燈；智能控制；系統；設計

1導言

隨著社會經濟的迅速發展，城市路燈的電能消耗大，利用率低，效能不高。而隨著人們的環保節能意識的逐漸增強，提供一種減少照明時間并且節約用電，而且還可以降低管理支出的智能型路燈對城市建設顯得極為重要。太陽能路燈集合了太陽能光伏發電和LED固態照明兩種技術，相對于傳統的照明工具來說具有很大的優勢，省去了繁瑣的電纜設備，也節省了人力資源的投入，低成本，高回報，成效十分可觀。

2智能路燈控制系統發展現狀及趨勢

由于政策大力扶持，加之市場廣闊、利潤相對較高等因素，市政領域LED照明成為各大LED應用廠商競相逐鹿的陣地。為避免同質化競爭，提升產品附加值和影響力，研究和發展智能路燈控制系統就成為差異化競爭的首選。經過幾年的發展，全國已經有數十家專門研發路燈控制系統的公司，國內外各大LED照明廠商也紛紛大力開展照明控制系統的研發，并在全國各地建成許多示范基地。

3智能控制系統運行原理

太陽能路燈控制系統在運行的過程中，判定恒流負載輸出主要是利用采集太陽能光伏板的電壓。一旦系統檢測到太陽能板電壓較高，且高出蓄電池額定電壓的時候，MPPT充電模式就會自動開啟，這時STC單片機通過采樣到的太陽能板電壓和電流值通過變步長的電導增量法計算最大功率點，通過PWM信號的占空比調節太陽能板充電電壓大小達到最佳充電功率點。在充電的時候對蓄電池進行實施檢測，防止其電壓發生過充電現象。太陽能板的電壓降低到規定值時，系統則會自動停止沖電，進入分段式恒流負載輸出控制模式。此時主要根據不同的太陽能板電壓值，通過Boost放電電路控制PWM信號的占空比方式控制負載輸出電路輸出不同的電流值。

4太陽能路燈智能控制系統設計

4.1硬件系統設計

設計內容：①在設計太陽路燈智能控制系統時，硬件方面的設計可采用單片機作為控制系統的核心。單片機屬于一種處理器，優點是能耗較低，可將其進行編程以flash的方式存儲；②選擇高密度非易失性存儲器，這樣才能更好的保證系統的使用性能以及工作效率；③太陽能智能控制系統主要的供電能是太陽能，24V的蓄電池電壓在穩壓之后產生5V的固定電壓成為控制主電源，高頻電容旁路將高頻信號接地；④太陽能系統如果出現過度充電、放電現象，為保護蓄電池必須要馬上斷開電路；⑤在設計太陽能自動跟蹤部分的時候“光敏電阻的”設計是主要內容，整個控制工作完全是通過光敏電阻來實現的。根據光線強弱的變化實現自動跟蹤，使得太陽光度強弱的變化完全通過數據顯示出來；⑥將圓筒阻擋物安置在太陽能接收器上，同時根據實際需將多個光面電阻分別放置在圓筒內外，組成一個傳感器，與電池板保持水平放置，一旦電池板發生偏頗，就以此來調整太陽能板的角度。

4.2軟件設計

本系統主要流程圖分為兩個部分成兩個部分：充電部分和放電部分，其主要思路如圖1所示。充電部分主要通過檢測光線強弱和電壓高低決定是否進行充電；放電部分則是通過檢測光線強弱來控制路燈的開關。本控制器以單片機為核心。首先完成系統初始化，包括對內部資源模塊寄存器和對有關標志位的初始設置。在白天，周期性的采集太陽能電池和蓄電池的端電壓，系統根據不同的電壓組合狀態進入不同的控制流程；在夜間，周期性的采集蓄電池的端電壓及LED燈側的供電電流，完成路燈的不同功率控制以及蓄電池的放電保護。

4.3智能路燈系統的應用

我國一直高度重視資源節約和生態環境保護工作，堅持節約資源和保護環境的基本國策。伴隨著LED照明技術的不斷發展，各種控制技術手段的不斷成熟，LED智能照明技術已經在全國各地逐漸鋪開。同時各傳感設備的功能逐漸強大，產品性價比逐漸提高，使得互動感知層的建設也變得更加便利。建立智能照明一體化平臺，將電力、通訊、應用發布、公共服務等功能集成在智能照明產品中，為智慧城市建設的推進邁出堅實的第一步。通過在道路、停車場、商業辦公園區中建設智能路燈照明系統，利用過PLC或是ZigBee等通訊技術實現對每盞路燈狀態的監控，亮度的調整，可以實現人來燈亮，人走燈暗的效果，進一步的節省能源。根據不同季節的情況對燈光色溫進行調節，讓人們感覺更加舒適。比如在冬季采用較為溫暖的色溫，大約為2700～3000K。在夏季可以采用較為接近日光的色溫，大約為4500～5000K。

通過集成在智能路燈系統中的多媒體設備，可以及時準確的為周邊公眾提供移動通訊、無線寬帶網絡、多媒體照明、廣告屏、互動屏、充電樁、應急報警、視頻監控、天氣、環境信息采集發布、公共交通信息采集發布、公交查詢、實時路況、周邊餐飲及服務設施查詢、團購促銷、公共安全和管理的政策宣傳、信息發布、應急誘導等服務的智慧照明全景圖。

4.4系統調光控制

4.4.1路燈自檢

路燈自檢體系指到路燈開啟時間段后，路燈亮度不足或無法亮起，自檢體系開始工作。自檢系統自動檢測來自LED路燈光源的光強信號，當光強低于設定值時，可判定路燈已無法正常工作，并反饋故障信息。

4.4.2自主調光

路燈正常通電工作后，系統可預設光路燈常亮值（默認PWM輸出占空比為30%）。當環境光強度小于50LUX時，路燈系統正常通電工作。當環境光強度在50-150LUX時，路燈系統采用PWM調光方式。當路燈系統感應人體經過時，系統輸出PWM占空比為70%，并長亮至人體信號消失。當環境光強大于300LUX時，路燈系統關閉，太陽能發電系統正常工作。

4.5智能系統測試

4.5.1自動跟蹤模塊測試

以30min為基本單位，在某個固定位置使用太陽路燈智能控制系統對太陽的高度和光源方位進行跟蹤。實施測試之前需要設置好初始位置和初始時間，同時對電機的轉動方向、轉動速度、轉動力量進行實時監測并詳細記錄，做好系統偏轉角與太陽實際角度的對比工作。根據實際測試結果可以看出，使用太陽能路燈智能控制系統可以對太陽光的方向和高度進行精準的跟蹤，同時根據實際需要自行調節，測試過程中所有的誤差均在規定范圍之內。

4.5.2過充過放模塊測試

選定一處位置對蓄電池進行外接負載的過充過放模塊測試。測量并分析太陽電池板電壓與電池電壓的線性關系，同時對白天時候蓄電池的電壓以及黑夜蓄電池電壓的維持狀態等進行實施監測和記錄。測試結果顯示太陽能路燈智能控制系統中蓄電池的充放電功能良好，系統運行控制一切正常。

結束語

綜上所述，智能照明系統將有利于市政對城市照明的有效監管，以及市民對便民信息的及時獲取，同時支持用戶在本項目研發的系統上開發各種服務應用與集成。智能路燈系統的控制終端可由手機端控制，解決了現有系統路燈的控制平臺的不便，并實現自動調光，故障報警的多功能，具有應用價值和推廣前景。

參考文獻

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