基于GSM的鄉村智能太陽能路燈系統設計

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A

0 引言

鄉村振興計劃后，為切實解決群眾夜間出行不方便、不安全等問題，為村道安裝路燈提上了日程。然而鄉村道路彎曲，電力基礎設施不全，重新布線難度大，遠程監控管理難，并且近年來我國多地多次出現電力緊缺態勢，限電頻發。如果能夠在鄉道推廣使用基于GSM的太陽能路燈，將降低布線施工成本，節約電能和管理成本，最大程度地實現低碳環保。

1 系統總體設計

該系統由太陽能蓄電供電模塊、追光電機驅動模塊、單片機控制模塊、GSM通信模塊、時鐘模塊、光照采樣模塊組成，如圖1所示。STM32處理器控制DC/DC 變換器將太陽能轉化為電能并存儲到蓄電池中；根據日期和時間定時控制追光電機調整太陽能板的傾斜角度，達到最大的發電量；根據蓄電池的電壓、時間信息、當前光照度，系統自動轉換充電、照明2種模式。開燈后，系統根據光照強度調節DC/DC變換器輸出電壓，三擋調節節能燈管的亮度，進一步達到節能效果。

2太陽能板傾斜與旋轉硬件結構設計

路燈結構設計中最重要的是太陽能板傾斜角的設計，這關系到太陽能板的發電量。如：李曉諾等[1]通過在太陽能板四角安裝4個光敏傳感器實時檢測太陽光強度，實時調整太陽能板的角度。該設計在實踐中，對光傳感器要求較高，增加了系統成本，在南方多云天氣下，誤差較大。凌棟寶等提出通過統計全年光輻射總量計算出最佳固定傾斜角。該設計成本低，但發電量不能最大化。李志明等[3]提出根據太陽和地球運動規律設計雙軸全自動調整傾斜角。該設計兼顧了成本和發電量，但是雙軸控制在實際應用中的穩定性難以保證。通過以上分析，本文根據太陽高度角和方位角的變化規律，兼顧太陽能板的穩定性，結合蘇州地區實際情況，提出了手動 + 自動調節傾角的設計方案。

2.1計算太陽高度角和日出日落時間

太陽赤緯角以年為周期，在 ±23^°26^′ 的范圍內移動。赤緯角δ的計算公式如下[4]：

式（1）中： N 為一年中的天數，取值范圍為（1～365）。

太陽時角指地球自轉的角度，用 χ_t 表示，當正午時，時角為 0^° ；上午為負，下午為正。時角 χ_t 的計算公式如下[5]：

t=15π（T-12）/180

式（2）中： T 表示24小時制時間，取值范圍為（0～23）。

正午時太陽高度角最大。根據赤緯角 δ 、時角 χ_t 結合本地緯度 ? ，高度角 h 的計算公式為[]：

h=sin^-1（sin?sinδ+cos?cosδcost）

正午時， ?gt;δ ， h 可以簡化為 90+?-δ 。

太陽方位角指太陽光入射方向和地平面之間的夾角。太陽升起后從東向西運動，方位角從負到正。當太陽在正南方時，太陽方位角為 0^° ；太陽方位角 A 的計算公式為[7]：

A=sin^-1（cosδsint/cosh）

根據太陽高度角和太陽時角的計算公式，地球繞太陽自轉時速為 15^° ，可以推導出太陽日出（ （T₁） 日落（204 （T₂） 時間的計算公式[8]：

根據以上公式，可以計算出蘇州（緯度 31^°11^′ 地區春分、夏至、秋分、冬至的正午時太陽高度角（58^°49^′，82^°15^′，58^°49^′，35^°23^′） 和對應的日出日落時間（6：01/18：09、4：53/19：04、5： 46/17：54、6： 52/16：58）。

2.2太陽能板傾斜角度與旋轉角度控制設計思路

太陽能板對太陽的追蹤分為高度角跟蹤和方位角跟蹤2種方式[9]。高度角跟蹤是調節太陽能板在南-北方向上追蹤太陽，以年為單位循環。方位角跟蹤是在東-西方向上追蹤太陽，以日為單位循環。雙軸跟蹤時2個軸均為活動狀態，將導致機械結構穩定性不足。同時鑒于蘇州為低緯度地區，高度角變化不大，兼顧市政每年會對太陽能板進行4次表面灰塵的清理和電路結構的檢修，本文設計了高度角手動三擋推桿，水平角自動跟隨方案，如圖2所示。根據計算出的高度角，將高度角跟蹤設計為3擋手動調節，通過圖2的 ⑤ 三擋手動推桿分別在春分（秋分）、夏至、冬至日附近，將太陽能板的南北方向支撐桿的傾斜角度調整為 60^°，82^°，40^° ，調節后可以鎖緊固定?？紤]到蘇州地區天氣多變，一年中 43.4% 為多云， 27.8% 為有雨，只有 13.6% 為晴天，如果采用實時監測光照度確定跟蹤太陽角度，只要一片云飄過，就會產生較大誤差，所以本系統方位角根據地球自轉規律自動跟蹤，根據計算出的每天日出日落時間和方位角數據，通過圖2中的 ⑨ 驅動方位角電機控制太陽能板跟蹤太陽的光線。

圖2智能路燈結構

3智能控制系統硬件設計

3.1太陽能蓄電供電模塊設計

假設光源功率30W，平均每天亮燈10小時（4小時足功率，6小時半功率），每天耗電量 210Wh^[10] （20一般情況下，鋰電池的陰雨天支持天數為2～3天，但實際運用中，在充滿電的情況下能用到4～5天。因此，按3個陰雨天計算，蓄電池的儲電量 Σ=Σ 每天耗電量 × 陰雨天支持天數，為 630Wh ，選擇 12V 蓄電池的容量為 53Ah 。

太陽能板的功率 Σ=Σ 光源功率 × 日照峰值時數。蘇州的日照峰值為3.8，因此，太陽能板的功率為114W 。此為峰值數，根據太陽能板的型號，本文選取100W的太陽能板。

天亮且鋰電池電壓不足時，太陽能電池板將太陽能轉化成電能，輸入定制的雙向DC/DC變換器，整流濾波后將電能送人 12V 的蓄電池進行充電。天黑后或者光照度不足時，雙向DC/DC變換器將蓄電池存儲的電能整流濾波后送給節能燈管進行照明。供電電路將蓄電池電能降壓為 3.3V 輸出給STM32控制系統。

3.2追光電機驅動模塊

系統根據日出日落時間啟動電機，太陽能板水平轉速只要每小時完成 15^° 即可，對電機的轉速要求不高；但太陽能板重量 10kg ，對電機扭矩要求大并且須要高空安裝，電機重量要輕。本系統選用微型調速直流減速電機模塊驅動太陽能板的旋轉。電機驅動電壓直流 12V ，輸出扭矩不小于 15kg/cm ，每分鐘最高10轉即可滿足需要?？梢再徺I電機配套的調速驅動板，STM32處理器可以直接對其進行控制，如圖3所示。根據單片機計算的日出時間、方位角數據和檢測的方位角傳感器數據，啟動電機帶動太陽能板旋轉相應的角度。到達落日時間后，計算后一天日出時間和起始方位角，電機自動帶動太陽能板慢速反轉返回，第二天日出再次正轉。其中，時間模塊選用DS1302時鐘芯片，對時間進行計算并保存。

3.3自動開燈關燈節能照明模塊

部分智能路燈設計思路是通過人體紅外感應模塊檢測是否有人通過，當無人時，路燈發弱光，若有人則發強光，達到節能目的。但考慮流浪貓狗較多，容易誤觸發；同時考慮到成本，便宜的人體傳感器感應范圍和靈敏度有限，導致感應到行人之前很長一段路程光度不足，最終導致節能效果、使用體驗并不好。本系統是根據日出和日落時間自動關閉和開啟路燈，并且配備光電傳感器，能夠在光照度不夠的陰雨天自動開燈。

為了節能，本文選擇節能且光效高的LED燈照明。調查發現大部分傳統路燈只有亮和滅2個狀態，資源浪費嚴重。本系統根據光照傳感器采集的亮度數據，通過DC/DC變換器調節蓄電池輸出的電壓，調節LED燈的亮度，進一步達到節能的目的。本系統根據實際照明需求，設置了三擋亮度（低于 40lx 微亮、低于 20lx 中亮、低于 10lx 高亮）。日落后，亮度低于一檔設定值時路燈微亮，隨著外界光照強度的降低，達到預先設置值時，調節對應的輸出電壓，逐步提高路燈的亮度。當光電傳感器由于灰塵、雨雪或者故障，在設定時間內傳來的數據誤差較大時，系統僅根據日出和日落時間進行路燈的開啟與關閉。

光照傳感器選用的是OPT3006YMFR傳感器，它內部有一個32bit的ADC轉換器，能直接將光電二極管的光學信號轉換成對應的數字信號。

3.4遠程GSM通信模塊

從穩定性和使用成本考慮，本系統采用SIM800CGSM模塊進行遠程發送和接收數據。雖然GSM模塊無法發送傳感器生成的大量數據，但是GSM模塊只需要一張SIM卡，就可以實現可靠的長距離、少量數據的傳輸。本系統設置的報警有2個：第一個是太陽能電源轉換發生故障，導致電壓不足；第二個是光電傳感器采集的數據和單片機中預設的數據誤差較大達到一定次數。使用時要注意這是一個2G的GSM模塊，僅支持移動或聯通的2G、3G、4G卡，但是只支持2G的網絡，包括所有的電信卡不支持。GSM模塊和單片機的連接方式非常簡單，只要將GSM模塊的TXD＼RXD連接單片機的RXD＼TXD即可。

4軟件設計

本系統采用模塊化編程。系統上電后，STM32單片機對各個外圍電路進行初始化，然后獲取系統時間。根據日期計算每天的日出日落時間，檢測電池電壓，控制太陽能板自動充電。根據實時時間計算太陽方位角，控制電機驅動太陽能板跟隨太陽的運動，日落后控制太陽能板的復位。路燈的亮滅不需要實時響應，為防止光電傳感器的誤操作，系統設置每分鐘采樣一次光照度，根據采樣5次的數據和實時時間判斷是否開燈并選擇節能燈的亮度。

5 實驗模擬

選取一個晴朗天（10：00—16：00），2個同樣大小的 10W 太陽能板進行模擬測試。樣本一：按本系統設計方案水平旋轉;樣本二：水平角度為當日正午最佳角度固定。2塊太陽能板同時放置在戶外，穩壓模塊的電壓為5V，每 10min 測量一次充電電流，然后計算2塊太陽能板的瞬時功率。功率變化如圖4所示，可見本系統的充電功率遠遠大于角度固定系統。

6結語

總體而言，本系統結構簡單、結構穩定、成本低、效率高。后續可以添加無線網絡升級功能，方便根據路燈的安裝位置，如緯度的變化，路燈處人群上下班和生活規律等，及時調整開關燈時間和亮度?？紤]到蘇州地區的臺風天氣，系統還可以安裝風力傳感器，設置大風模式。在大風天氣，可鎖緊電機保證太陽能板的穩定性。

圖4轉動與固定角度功率對比

參考文獻

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（編輯 王雪芬）

Abstract：In response to the inconvenienceofunified wiring，energy shortage，and insufficient inteligence of existing rural street lights，this intellgent solar stree light system has been designed.The system uses STM32F103C8T6 chip as the core，combined with GSM communication module，light sensor module，chasing motor drive module，solar energy storage power suply module，clock module and other modules，to achieve remote monitoring of street lamp status，automaticchasingand storageofsolarpanelsaccording tothelawsof Earth'srevolutionandrotation，automatic switchingof lights，automaticadjustmentofbrightnessandother functions.Especiallyinconjunctionwith the municipal maintenance design，the height angle manual three speed push rodand horizontal angleautomatic following scheme save costs，ensure the stability of the street lighting system structure，and greatly improve the solar power generation.

Key words： solar energy； stret lamps; GSM communication module; remote monitoring; light sensor module; tracking motor drive module