發(fā)布時(shí)間:2018/11/19 8:52:41 來(lái)源:本站
路燈不但是城市夜景的點(diǎn)綴,也是夜間行人和車(chē)輛外出活動(dòng)的主要輔助工具。近年來(lái)隨著城市化的不斷推進(jìn),對(duì)路燈的需求越來(lái)越大,然而實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中傳統(tǒng)路燈在智能控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控方面存在短板問(wèn)題。因此開(kāi)發(fā)一款智能太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外智能照明領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。對(duì)此,國(guó)外不少公司較早地開(kāi)展了相關(guān)研究,并且開(kāi)發(fā)出了不少相應(yīng)產(chǎn)品,澳大利亞邦奇的Dynality系統(tǒng)、Clipsal公司的C-Bus、瑞士ABB公司的I-bus,有線(xiàn)監(jiān)控方案會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本的增加,因此各大公司開(kāi)始設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控運(yùn)行方案,Afreen N.Shaikh利用運(yùn)營(yíng)商提供的GPRS服務(wù)遠(yuǎn)程傳輸路燈工作參數(shù),提出了一種無(wú)線(xiàn)監(jiān)控運(yùn)行方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該方案后路燈節(jié)能效率提高了50%[1]。Leslie R.Adrian等人提出的方案通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)車(chē)輛和行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),當(dāng)行人和車(chē)輛靠近時(shí)打開(kāi)路燈,離開(kāi)時(shí)關(guān)閉路燈,此方案能進(jìn)一步節(jié)約能源,但傳感器靈敏度成為限制系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素[2]。在國(guó)內(nèi)許多大學(xué)、公司、研究所(如廣州中國(guó)科學(xué)院軟件應(yīng)用技術(shù)研究所,北京嘉復(fù)欣科技有限公司,中易物聯(lián)等)也在智能照明控制系統(tǒng)方面開(kāi)展了大量研究。盡管現(xiàn)階段在路燈智能控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控方面取得了一定的效果,但系統(tǒng)總體成本高、穩(wěn)態(tài)精度低等問(wèn)題還沒(méi)有從根本上得到解決。
本文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能LED路燈控制系統(tǒng),利用STM32系列單片機(jī)作為路燈主控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)智能調(diào)整系統(tǒng)工作狀態(tài),并增加無(wú)線(xiàn)通信芯片實(shí)時(shí)傳輸路燈工作參數(shù)到中控器,中控器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,服務(wù)器再轉(zhuǎn)發(fā)到PC機(jī)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制路燈工作狀態(tài)的目的。此種設(shè)計(jì)將大大節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)成本并且提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度。
本系統(tǒng)采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的ZigBee協(xié)議棧完成小范圍路燈組網(wǎng),中控器搭建基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[3],通過(guò)STM32單片機(jī)輸出脈沖寬度調(diào)制(Pulse width modulation,PWM)信號(hào)調(diào)節(jié)充電電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池板的高效利用,在路燈照明方面采用另一路PWM信號(hào)調(diào)節(jié)路燈的照明亮度以達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示,STM32單片機(jī)作為主控制器,通過(guò)A/D分別采集太陽(yáng)電池板電壓、太陽(yáng)電池板輸出電流、蓄電池組電壓,根據(jù)太陽(yáng)電池板輸出電壓和蓄電池電壓大小決定是否對(duì)鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電以及采用何種工作方式充電,根據(jù)太陽(yáng)電池板輸出電壓和STM32實(shí)時(shí)時(shí)鐘共同決定是否改變系統(tǒng)的工作狀態(tài);通過(guò)DS18b20溫度采集芯片分別采集鉛酸蓄電池溫度和路燈燈頭溫度,根據(jù)鉛酸蓄電池溫度調(diào)節(jié)電池的最大容量從而對(duì)電池溫度進(jìn)行補(bǔ)償,根據(jù)路燈燈頭溫度調(diào)節(jié)路燈工作參數(shù),使路燈工作在安全區(qū)域,避免因燈頭過(guò)熱而損壞路燈;通過(guò)AT45DB161D存儲(chǔ)芯片備份路燈工作參數(shù),增加系統(tǒng)的可靠性;通過(guò)串口將采集到的系統(tǒng)工作參數(shù)傳輸?shù)絑igBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊,進(jìn)而將路燈系統(tǒng)的工作參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,工作人員可以根據(jù)上位機(jī)界面提示,完成調(diào)整路燈的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的工作參數(shù)等一系列工作。系統(tǒng)采用三端可調(diào)集成電路AS1117芯片和匹配的電容組成電源電路,為微控制器STM32、無(wú)線(xiàn)通信芯片CC2530、溫度傳感器芯片DS18b20提供安全穩(wěn)定的3.3 V工作電壓。
圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
2.1 微控制器選型與設(shè)計(jì)
在微控制器的選取中,為符合太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用要求,考慮到IO引腳數(shù)量、芯片內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)成本、開(kāi)發(fā)周期等因素,選擇了高性能、低成本、低功耗的STM32系列單片機(jī),該單片機(jī)基于高性能的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核,集成了4兆位/秒的UART,12位的μs級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器(16通道),以及極其豐富的片內(nèi)外設(shè),為系統(tǒng)的升級(jí)提供了方便。
2.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊
基于物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是全球公用免注冊(cè)的網(wǎng)段,減少了申請(qǐng)網(wǎng)段的負(fù)擔(dān),方便系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。選用CC2530芯片作為無(wú)線(xiàn)通信模塊,CC2530負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)處理,該芯片與TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的低功耗射頻前端CC2591配合使用,將使網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍大幅度提高[4-5]。
2.3 充電控制電路
本系統(tǒng)充電控制電路是在傳統(tǒng)的BUCK降壓電路的基礎(chǔ)上增加調(diào)諧網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管的零電流的開(kāi)啟,以及零電壓斷開(kāi),進(jìn)而可以減少開(kāi)關(guān)過(guò)程中場(chǎng)效應(yīng)管的能量消耗[6]。充電控制電路中通過(guò)PWM信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)閉來(lái)調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池板輸出電壓和電流。充電電路原理圖如圖2所示,B1:太陽(yáng)電池板,B2:蓄電池組。PWM控制波形以及場(chǎng)效應(yīng)管柵極波形如圖3所示,圖中PWM占空比為50%,黃色波形為場(chǎng)效應(yīng)管柵極波形,藍(lán)色波形為STM32單片機(jī)輸出的PWM波形。
圖2 充電電路原理圖
圖3 PWM控制波形和場(chǎng)效應(yīng)管柵極波形
2.4 中控器選型與設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中控器選擇三星公司生產(chǎn)的ARM11核心板S3C-6410作為總控制器,這款處理器為16/32位微處理器。主頻可達(dá) 667 MHz、支持 WinCE6.0 R2/R3 和 Linux2.6.28、Android 操作系統(tǒng),支持Nandflash、SD卡、Norflash啟動(dòng),支持4路高速串口,其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力完全滿(mǎn)足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,并且也為后續(xù)完善系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)。
3.1 終端控制軟件
程序采用keil作為終端監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),選用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā),方便了程序的編寫(xiě),提高了工作效率。終端控制軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,主要包括主程序、溫度采集模塊、時(shí)鐘模塊、A/D測(cè)量模塊、PWM信號(hào)模塊和MPPT算法模塊。終端控制器上電后,進(jìn)入主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,配置寄存器;調(diào)用A/D測(cè)量模塊采集太陽(yáng)電池板電壓、太陽(yáng)電池板輸出電流、蓄電池組電壓;調(diào)用溫度采集模塊采集鉛酸蓄電池組溫度和路燈燈頭溫度。在充電過(guò)程中選擇MPPT算法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池板最大功率點(diǎn)的跟蹤,使太陽(yáng)電池板工作在最佳狀態(tài),實(shí)現(xiàn)最大限度利用太陽(yáng)電池板的目的。MPPT算法模塊通過(guò)STM32單片機(jī)控制器計(jì)算出最大功率點(diǎn)的位置,調(diào)用PWM信號(hào)模塊調(diào)節(jié)輸出占空比,繼而調(diào)節(jié)充電電路的等效電阻,使充電電路和太陽(yáng)電池板的阻抗相匹配,實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤;在放電過(guò)程中主程序讀取系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和太陽(yáng)電池板電壓作為判斷夜晚路燈照明工作的開(kāi)始標(biāo)志,并根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘做出判斷,午夜之前全功率照明,午夜之后采用半功率照明。為了提高系統(tǒng)使用壽命,主程序不斷讀取鉛酸蓄電池組的電壓避免鉛酸蓄電池組進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)。此智能控制方法不但節(jié)約能源,還可以延長(zhǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)間?刂平K端軟件流程圖如圖4所示。
圖4 控制終端軟件流程圖
3.2 無(wú)線(xiàn)傳輸軟件
將ZigBee協(xié)議棧移植到CC2530中完成系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng),在協(xié)議棧中選擇Mesh型網(wǎng)絡(luò),ZigBee協(xié)議棧中Mesh型網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)功能,節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)過(guò)程無(wú)需人為干涉,全部由此芯片自動(dòng)完成。這種自組網(wǎng)方式很適合在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用,當(dāng)節(jié)點(diǎn)斷電或者其他的各種因素脫離網(wǎng)絡(luò)之后,此節(jié)點(diǎn)再次恢復(fù)正常之后可啟動(dòng)AODVjr和Cluster-Tree路由算法,通過(guò)洪泛(Flooding)機(jī)制查找一條最短路由,使該節(jié)點(diǎn)又加入網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸。
3.3 上位機(jī)軟件
中控器軟件為QT開(kāi)發(fā)集成環(huán)境所開(kāi)發(fā),主要完成的任務(wù)為接收基于物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器所傳輸來(lái)的數(shù)據(jù),分析顯示之后上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈工作狀態(tài)的目的。PC機(jī)軟件也是在QT開(kāi)發(fā)集成環(huán)境下完成的。上位機(jī)首先初始化系統(tǒng),再調(diào)用子函數(shù)接收路燈節(jié)點(diǎn)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù),判斷是否接收到所有路燈節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),顯示接收到路燈節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)。通過(guò)上位機(jī)按預(yù)定義的通信協(xié)議將控制指令發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn),接收到指令的終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)議按所接收的指令調(diào)整路燈的工作狀態(tài)。所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)上位機(jī)上可以實(shí)時(shí)查看每個(gè)終端路燈的歷史數(shù)據(jù)以及電池欠壓次數(shù)和路燈的地理位置。上位機(jī)軟件流程圖如圖5所示。
圖5 上位機(jī)軟件流程圖
搭建好系統(tǒng)硬件電路后,對(duì)所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前,連接并設(shè)置好各通信端口,系統(tǒng)測(cè)試圖如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)測(cè)試圖
性能測(cè)試表明:
(1)太陽(yáng)能LED路燈可以滿(mǎn)足夜間城市路面照明,根據(jù)連續(xù)觀察路燈工作狀態(tài),此系統(tǒng)可以在連續(xù)三天陰雨天氣狀況下完成照明要求;
(2)系統(tǒng)讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘根據(jù)設(shè)定的時(shí)間可以自動(dòng)完成改變工作狀態(tài),在午夜之前人流和車(chē)流都比較大的情況下可以實(shí)現(xiàn)全功率的工作提高照明效果,午夜之后人流和車(chē)流減少的情況下半功率工作提高能源利用率;
(3)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸終端節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)供上位機(jī)顯示達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈的目的;
(4)通過(guò)對(duì)上位機(jī)的操作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈工作狀態(tài)的調(diào)整,并且能及時(shí)發(fā)現(xiàn)損壞路燈的地理位置,以最快的速度維修損壞路燈,方便市民出行;
(5)系統(tǒng)能記錄歷史數(shù)據(jù)并且能快速地檢測(cè)蓄電池欠壓狀況以及欠壓時(shí)間。
基于以上測(cè)試結(jié)果,所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)不但可以很好地實(shí)現(xiàn)照明應(yīng)用,在節(jié)能方面也有很好的表現(xiàn),并且其遠(yuǎn)程監(jiān)控功能可以實(shí)時(shí)查看歷史數(shù)據(jù),方便了維護(hù)人員維護(hù)路燈。此方案的應(yīng)用可以改變城市傳統(tǒng)照明路燈能源消耗大,遠(yuǎn)程監(jiān)控的困難局面。
|
||