基于ZigBee 動態光伏發電的智能路燈系統★

黎俊賓， 吳雨桁， 史春笑

（華南農業大學珠江學院 信息工程學院， 廣州 從化 510900）

1 研究背景及意義

基于ZigBee 動態光伏發電的智能路燈系統是依據傳統的路面交通車流狀況、路燈用電狀況以及新能源使用進行創新。

1.1 研究背景

隨著我國城市化的快速推進，城市路燈作為城市建設的重要主題，雖然美化了城市形象，但是因為城市路燈的使用進而消耗了大量的電力，綠色環保和可持續發展是當今世界的主題，因此城市綠色照明的建設是必不可少的。本次設計使用了PLC、STM32、ZigBee 等相關處理器對路燈進行控制，使系統更加穩定可靠，更能體現出路燈的智能化與節能化。

1.2 研究目的與方向

鑒于目前的路燈使用狀況，設計了基于ZigBee動態光伏發電的智能路燈系統。通過實時監測環境的光線強度，進行動態管理路燈的開關；通過使用云臺與光敏電阻設計出動態光伏發電的智能太陽能板，太陽能板隨時朝向太陽光的方向，進而大大提高發電效率；設定合理的遠程控制程序，讓路燈系統能夠在使用時操作簡易、方便且造價低、能耗小、效率高，符合低能耗產品的要求。

2 機械結構設計方案

基于ZigBee 動態光伏發電的智能路燈系統的結構設計是結合實際情況，針對提高傳統太陽能路燈的發電效率與降低路燈耗電而開發出的新型智能路燈系統。在功能設計、元器件配置以及控制面板等設計上，充分考慮實際情況，做出了較為詳細的設計。

1）通過SolidWorks 和AutoCAD 進行路燈的3D結構設計，并通過SolidWorks Simulation 進行結構受力仿真，并導出3D 圖紙的STL 格式進行3D 打印。圖1 為路燈的繪制模型進行3D 切片處理示意圖。

2）利用ZigBee 模塊進行組網設計，實現遠程無線控制，圖2 為ZigBee 物聯網模塊示意圖。

3）為了更好地利用太陽能，本系統中設計使用太陽能追蹤模塊，該模塊設計使用四個光照傳感器，通過使用方向傳感器，制作太陽能跟蹤模塊。將兩套方向傳感器分別安裝在凹面鏡上的不同位置，方向傳感器原理圖如圖3 所示，遮光板與凹面鏡的軸線平行，并使遮光板兩側的傳感器的連線分別指向東西和南北方向。傳感器根據遮光板兩邊光強差將不同的信號送到控制器，控制器根據輸入信號向驅動器發送不同的控制信號，從而控制電機的轉動，進而實現對太陽的跟蹤，跟蹤系統的跟蹤狀態用指示燈表示出來。在機械系統中設定限位開關，當旋轉到跟蹤的極限位置后，可自動復位到初始位置。在傳感器系統中設置一個光強檢測器，當太陽光沒有跟蹤價值的時候，系統能夠自動停止運行，只要光強達到設定值又能自行啟動。通過傳感器和軟件程序的結合使太陽能追蹤系統具有快速追蹤的功能。儲熱容器中安裝溫度傳感器，并于控制系統相連接，當溫度達到上限時，模塊會自動停止對太陽能的采集，該模塊還設置了一塊控制面板，以便于控制。動態追蹤太陽能發電裝置實物圖如圖4 所示。動態追蹤太陽能發電裝置設計示意圖如圖5 所示，圖中的橫坐標表示太陽能板所處的水平位置，縱坐標表示太陽能板的仰角的角度，由于該裝置處于試驗階段，所以其單位均以厘米進行計算。

3 理論設計計算

3.1 節能分析

由于車流量與時間滿足正態分布，通過Matlab仿真軟件進行模擬，使用蒙特卡洛算法進行計算，得出相對應的車流量模擬圖，隨后根據模擬圖編寫STM32 單片機的代碼，并進行燒錄，進行實時模擬車流量，并通過車流量的變化來控制路燈的變化。圖6為使用Matlab 仿真軟件模擬得出的車流模擬圖。

表1 常用路燈性能相關參數

3.2 使用年限與成本分析

該系統在設計上使用太陽能板、PLC、ZigBee、STM32 等相關元器件，考慮到長時間使用的問題，該系統還在控制電路的電箱中加入幾個小型風扇用于散熱，以提高該系統相關元器件的使用年限。通過查閱資料得知，太陽能板、PLC、ZigBee、STM32 等元器件的使用年限，均在3年及以上，所以該系統可長時間使用且不容易損壞。在保證元器件能正常運作的情況下，通過合理的控制成本，在提高路燈使用效率的同時也降低了路燈的建設成本，符合設計理念。成本細化表如表2 所示。

表2 成本細化表

4 工作原理及性能分析

結構上，使用低功耗以CROTEX M4 為核心的STM32 F4 系列單片機作為主控MCU，以及三菱Fx3U 系列的PLC，結合各種傳感器模塊，滿足本系統對于所處環境進行檢測和調節的要求。在控制方面，使用ZigBee 等相關處理器進行控制，使系統更加穩定可靠；通過控制變量法，當路燈處于相同的環境情況下，通過判斷使用動態追蹤太陽能發電與不使用動態追蹤太陽能發電兩者的能耗大小，根據圖9 測得的數據表明，該系統相對于傳統的太陽能路燈節能10%，相對于傳統的太陽能發電效率提高了10%。路燈使用能耗對比圖如圖9 所示。

4.1 創新點

1）該路燈系統相對于國內路燈控制而言，屬于較為新穎的一種方式；

2）使用了PLC、STM32、ZigBee 作為處理器進行科學高效的控制；

3）建立相關數學模型進行模擬。

4.2 應用前景

與國內的傳統太陽能路燈進行對比，該系統設計使用了蒙特卡洛模擬算法，模擬車流量與時間的關系，將不同的車流量與不同的時間段進行模擬，得出對應控制的路燈數量。該系統使用了太陽能動態追蹤模塊，從而大大提高了該系統的太陽能發電效率。該系統相對于傳統的太陽能路燈節能10%，相對于傳統的太陽能發電效率提高了10%。該系統的應用前景較為廣泛，且限制較少，在城市或鄉村兩種不同的環境下均可建設使用，使用的方式較為簡單。智能路燈系統的設計可以有效地減少能源使用，更科學高效地控制路燈開關，在降低建設成本的同時，促進城市的發展建設，實現綠色環保和節能減排的可持續發展。