基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏路燈系統(tǒng)設(shè)計

楊秀增，黃秀梅，宋俊慷，肖麗玲

(廣西民族師范學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點實驗室，廣西崇左，532200)

0 引言

隨著化石能源日漸短缺加劇和人類生存環(huán)境日益惡化，太陽能作為一種新的能源，越來越來得到了人們的關(guān)注和重視[1-5]。太陽能光伏路燈是太陽能利用的重要方式之一，隨著我國的城市化進(jìn)程步伐的加速，安裝太陽能光伏路燈的數(shù)量越來越多，在一定程度上，緩解我國的能量短缺和環(huán)境惡化問題[6-7]。然而，由于這些路燈安裝位置分散，光伏路燈的系統(tǒng)維護(hù)變得越來越困難，維護(hù)成本也變得越來越高。因此，研制具有網(wǎng)絡(luò)化和信息化功能的光伏路燈刻不容緩。

針對這一情況，利用現(xiàn)代自動控制技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計一套基于物聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏路燈在線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。采用LoRa無線傳輸技術(shù)，把遠(yuǎn)程光伏路燈各項運行狀態(tài)參數(shù)，通過自建的LoRa網(wǎng)絡(luò)實時傳回到數(shù)據(jù)匯聚中心，并利用LED顯示屏加以顯示，使遠(yuǎn)程路燈的運行狀態(tài)一目了然。并且為了實時網(wǎng)絡(luò)化管理，數(shù)據(jù)匯聚中心再通過4G傳輸模塊網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)匯聚中心的數(shù)據(jù)傳到指定服務(wù)器。用戶可利用移動終端查看光伏路燈狀態(tài)。如路燈出現(xiàn)異常，服務(wù)器應(yīng)用程序把異常情況，通過短信的形式通知路燈維護(hù)工程師及時處理，提高服務(wù)與管理水平。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

圖1為太陽能光伏路燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。本結(jié)構(gòu)框圖主要由路燈控制器，數(shù)據(jù)集中器、通信子網(wǎng)、服務(wù)器和監(jiān)控數(shù)據(jù)中心等部分組成。路燈控制器主要由單片機控制器和LoRa通信模塊組成，單片機控制器是太陽能路燈的控制核心，在白天太陽光充足時，單片機控制器執(zhí)行智能充電程序，把光伏電能儲存在儲電池中；在晚上單片機控制器執(zhí)行智能放電程序，控制放電開關(guān)工作，把儲電池的電能接通給路燈，使LED燈珠發(fā)光照明。同時，單片機控制器還實時采集太陽能光伏路燈充電電流、電壓、放電電流、電池電壓、放電功率等關(guān)鍵參數(shù)，并把這些重要狀態(tài)參數(shù)通過LoRa通信模塊發(fā)送到太陽能路燈的數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器主要由LoRa通信模塊、STC單片機控制器和4G通信模塊組成。數(shù)據(jù)集中器是太陽能光伏路燈的數(shù)據(jù)匯聚中心和轉(zhuǎn)接站，數(shù)據(jù)集中器墜子通過LoRa通信模塊與太陽能光伏路燈控制器進(jìn)行無線通信，還通過4G通信模塊與基站進(jìn)行通信，把太陽能路燈的運行參數(shù)發(fā)給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

圖1 總體設(shè)計總框圖

2 三點比較MPPT算法[8]

太陽能光伏電池是一個典型的非線性隨機系統(tǒng)，輸出功率隨著光照和溫度的變化而變化，因此，采用 MPPT控制策略，提高充電效率。本文采用三點比較MPPT策略，其控制原理如圖2所示，其控制方法如如（1）式所示。

圖2 三點比較MPPT原理圖

3 硬件設(shè)計

3.1 路燈控制器硬件設(shè)計

圖3為路燈控制器硬件設(shè)計原理框圖，主要由DC-DC降壓器、單片機控制器、儲電池、DC-DC升壓器、取樣電阻、調(diào)理電路、LED指示器、LORA通信模塊組成。太陽能電池板發(fā)出的電流，流過取樣電阻R1,在取樣電阻上產(chǎn)生電壓U1,經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行處理產(chǎn)生電壓和電流信號，被送到單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。單片機根據(jù)這兩個信號，計算出太陽能電池板的輸出功率，通過調(diào)節(jié)DC-DC降壓器的輸入PWM信號的占空比，動態(tài)跟蹤太陽電池板的最大輸出功率點，使控制器充電效率最好。到晚上，儲電池中的電能，通過DC-DC升壓器和取樣電阻R2，流過LED燈。同理，當(dāng)輸出電流流過取樣電阻R2時，同樣產(chǎn)生電壓U2，被調(diào)理電路處理之后，產(chǎn)生電壓與電流信號，同樣，單片機可以根據(jù)電壓信號與電流信號，計算出LED燈的功率，并且，單片機根據(jù)采集到的儲電池電壓，動態(tài)調(diào)輸出功率的大小，防止電池過度放電。

圖3 控制器原理框圖

3.2 數(shù)據(jù)集中器硬件電路設(shè)計

圖4,為數(shù)據(jù)集中器硬件框圖，主要由控制器、觸摸屏顯示器、MAX232接口、4G通信模塊、LORA通信模塊等組成。控制器采用高速單片機STC15W4K32S4。單片機的UART0用于PC機通信，用于程序下載和設(shè)備調(diào)試。UART1與LoRa無線通信模塊相連，用于LoRa無線通信。UART2與觸摸屏顯示器相連，用于顯示數(shù)據(jù)。UART3與4G通信模塊相連，用于4G網(wǎng)絡(luò)通信，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

圖4 數(shù)據(jù)集中器框圖

4 軟件設(shè)計

4.1 路燈控制器程序設(shè)計

單片機執(zhí)行三點比較MPPT算法動態(tài)跟蹤太陽能電池板的最大輸出功率，算法流程圖如圖5所示。

圖5 三點比較MPPT算法流程圖

首先，單片機啟動AD轉(zhuǎn)換電路，計算當(dāng)前狀態(tài)的太陽能電池板的當(dāng)前功率PA,占空值DPWMU減1，使工作點沿右移動，單片機啟動AD轉(zhuǎn)換，計算此點太陽能電池板的當(dāng)前功率PB,然后，占空值DPWMU加1，使工作點沿左移動，單片機再啟動AD轉(zhuǎn)換，計算此點太陽能電池板的左邊功率PC。最后比較三點的功率大小，如果功率滿足：PC＜PA≤PB時，工作點要右邊移動，占空比值加1，相反，如果三點的功率滿足PC≤PA

4.2 數(shù)據(jù)集中器程序設(shè)計

圖6為數(shù)據(jù)集中器主程序算法流程圖。當(dāng)單片機上電時，單片機建立起LoRa無線網(wǎng)絡(luò)，向各節(jié)點周期性地發(fā)送器數(shù)據(jù)發(fā)回命令。當(dāng)接收到新的數(shù)據(jù)，單片機把數(shù)據(jù)存在內(nèi)存，然后再判斷是否所有節(jié)點發(fā)送完成，如果所有的節(jié)點發(fā)送完，把發(fā)送節(jié)點地址清零，最后，才把所有的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包形式通過4G通信模塊發(fā)送服務(wù)器，以便遠(yuǎn)程用戶通過智能終端查詢，統(tǒng)計和分析。

圖6 數(shù)據(jù)集中器程序算法流程圖

5 系統(tǒng)測試

根據(jù)以上技術(shù)方案，設(shè)計4只太陽能光伏路燈測試系統(tǒng)各項性能指標(biāo)。在測試中可以打開自主研發(fā)的手機遠(yuǎn)程監(jiān)控程序，進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄，觀察路燈的運行情況。圖7為數(shù)據(jù)集中器LCD上看到數(shù)據(jù)界面。

圖7 用戶采集終端顯示界面

6 結(jié)束語

隨著我國的城市化進(jìn)程步伐的加速，安裝太陽能光伏路燈的數(shù)量越來越多，維護(hù)成本越來越高。本文利用現(xiàn)代自動控制技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計具遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的物聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏路，能實現(xiàn)路燈網(wǎng)絡(luò)化和信息化管理，提高管理水平。

本項目得到2019年度廣西民族師范學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點實驗室資助。