基于物聯網太陽能LED照明智能控制系統的研究和設計

謝擁軍，鐘 雄，江向東，徐 健

(九洲光電科技股份有限公司，廣東 深圳 518057)

引言

在地球傳統能源面臨枯竭，環境污染日益嚴重的背景下，以太陽能光伏技術、LED照明技術、智能控制技術為支撐的太陽能LED智能照明系統逐漸引起人們的關注[1]。

我國具有豐富的太陽能資源，陸地表面每年接受的太陽輻射能約為(5×1016)MJ，全國各地太陽輻射總量為3350～8370MJ/m2，中值為5860MJ/m2[2]，并且我國太陽能光伏產業經歷了快速擴張—洗牌的過程，目前光伏產品質量較之前有了更大的提升；LED作為新一代照明光源，整個產業正處于快速發展期，據統計，2012年我國LED行業總規模達到2059億元，同比增長34%，我國已經成為了世界上最重要的、發展最快的市場[3]；作為太陽能LED智能照明系統的核心部分即控制器的研究尚有很大的提升空間，目前存在的問題是其控制可靠性不高、網絡智能管理功能有待提升。

1 太陽能LED路燈工作原理

太陽能LED路燈工作原理如圖1所示，白天陽光入射到太陽能電池表面，太陽能電池由于光伏效應產生電能，控制器控制電能給蓄電池充電；夜晚控制器控制蓄電池給LED燈具供電，直到第二天早上，控制器使蓄電池停止向LED燈具供電，并使太陽能電池開始向蓄電池充電，如此循環往復。

圖1 太陽能LED路燈工作原理Fig.1 The working principle of solar LED street lamp

2 太陽能LED照明優勢

安裝、維修方便：由于太陽能LED路燈使用蓄電池作為儲能設備，所以其不需與電網相連，與傳統路燈相比，減少了挖溝布線、回填、安裝供配電控制箱等大量基礎工程。因為沒有電網，故不會對路過的行人構成危險，若出現故障，只需對單個故障燈具系統進行排查，還可以根據需要對其進行移動。對于煤炭之類常規能源運輸路程長或輸電線路長、電力用戶分散的情況下，太陽能LED路燈成本就會低于當地電能成本。

智能控制提高系統性能，使照明更加人性化：控制器對太陽能電池板輸出功率進行最大功率點跟蹤(MPPT：Maximum Power Point Tracking)算法控制，可以實現在同樣條件下提高太陽能電池板的輸出功率；控制器對蓄電池充放電進行管理，可以延長蓄電池的使用壽命；控制器還可以通過分析道路流量、外界亮度等來自行調節路燈照明效果。將物聯網與太陽能LED路燈結合，不僅可以實現路燈的遠程監測，實時了解每盞路燈系統的充電電流、蓄電池端電壓、太陽能電池電壓等參數，及時排除設備故障，免去人員巡查成本，還可以根據具體道路情況，對路燈照明亮度、數量進行控制。

3 太陽能LED照明智能控制統基本功能

現有的太陽能LED照明系統，基本上沒有采用智能控制方案，不能對系統相關重要的電流電壓信息進行采集，更不能無線控制燈的開啟及調亮度調節等功能。本系統將太陽能和蓄電池的電流電壓及環境光照、溫度等信息進行采集，并通過ZigBee無線通信技術上傳到上位機監控端，實現數據的顯示與控制，能有效地實現智能控制、人性化照明、節約用電，并且本系統的擴展性強，可以按實際應用需要添加相應的采集模塊或傳感模塊，比如添加位移傳感器，可實現防盜報警功能。

本系統設計實現的功能有：

(1)遠程實時控制，燈具開關、亮度調節；

(2)蓄電池電壓、溫度信息、燈具狀態實時監測；

(3)太陽能燈具節點自由分組、場景控制；

(4)節點自動組網，無線控制；

(5)燈具照明根據電池狀態，智能運行點亮；

(6)多種控制策略(光強感應、時段亮度控制等)。

4 系統方案設計

4.1 GPRS簡介

GPRS通用分組無線業務是一種新的承載業務，提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務，特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的數據傳輸。GRPS永遠在線，接入速度快，用戶可隨時與無線網絡保持連接，可使遠程數據采集的效率大幅提高。

4.2 ZigBee簡介

ZigBee是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低傳輸速率、低成本的雙向無線組網通訊技術，ZigBee網絡中的設備分為全功能設備和簡化功能設備兩種。全功能設備可以作為協調器和路由器使用，可以和簡化功能設備之間進行通訊，主要負責網絡的組建和維護以及路由。簡化功能設備一般為終端節點，互相之間不能通訊，完成信息的發送和接收。

ZigBee網絡支持星型網、集群樹狀網和網狀網三種拓撲。網狀網是一種高可靠性的AdHoc網絡，與集群樹狀網不同的是，具有路由功能的節點之間可以進行通訊，從而網狀網通過自組織和無線線路的功能可以提供多個數據通路。當最優路徑出現故障時，冗余的其他通路提供相應的路徑。因此網狀結構縮短了信息傳輸的延遲并提高了通訊網絡的可靠性[4]。

4.3 系統組成

本路燈節能監控系統是由三層網絡來實現的，如圖2所示。

圖2 智能太陽能路燈系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent solar street lighting system

其中監控層主要由PC監控中心及服務器組成，監控中心實現照明狀態查詢、故障報警監控、實時控制等；服務器實現數據的實時收集，照明系統的配置，實現多個Zigbee照明子網的接入和管理，數據的存儲等。中間層由每個子網的集中控制器組成，包含GPRS及Zigbee協調器，實現了本地區網絡的組建，擔任網關的功能，通過GPRS通訊技術將子網內的數據信息傳送到系統服務器。最后子網內采用ZigBee網狀網絡來實現太能路燈之間的通訊，每個區域內的太陽能路燈通過ZigBee協議棧中的網絡層來實現Mesh網絡的構建，從而保證將每個節點上的信息及時地發送到相應的集中控制器。

該系統的控制流程如下：

(1)用戶通過外網登陸WEB服務器，WEB服務器接入到互聯網，GPRS數傳模塊與互聯網實現IP連接，控制命令通過WEB服務器下發到集中控制器的GPRS模塊，集中控制器通過內部的協調器，發給內網中ZigBee無線通信模塊，由該模塊把命令發給相應的太陽能照明設備，太陽能照明終端設備收到命令后作出相應的的動作。

(2)太陽能照明終端設備收到命令后，一是作出相應的動作后向上層作出應答，二是把上層需要的數據通過JN516X模塊傳送給上層設備集中控制器，集中控制器將對數據進行處理，并上傳到WEB服務器。

5 集中控制器設計

集中控制器承擔監控中心與太陽能照明節點的通信橋梁，承擔網關的作用，保證上位機能夠與太陽能節點進行實時通信；同時在遠程網絡出現故障時實現報警信息上報，能夠對本地的太陽能節點進行狀態監測、控制，如定時開關機、亮度調節、場景控制等，同時預留傳感器通信接口，通過亮度等傳感信息的采集，實現多樣化的智能控制。

集中控制器設計主要包括軟件設計和硬件設計。

5.1 硬件設計

集中控制器包含GPRS模塊、JN5168 Zigbee收發模塊、以太網接口芯片、ARM主控芯片LPC3240、NAND flash存儲器。主要硬件架構圖見圖3。

圖3 集中控制器硬件架構Fig.3 The hardware architecture of centralized controller

GPRS模塊采用SIM300，它是一種三頻緊湊型封裝GSM/GPRS模塊，可以工作在900/1800/1900MHz頻段，可以低功耗地實現語音、短信息和數據及傳真通訊，SIM300模塊通過SIM卡座和SIM卡相連并通過微型天線卡座連接9dB天線，實現SIM300模塊和GSM基站之間的信號發送和接收。本設計僅僅使用了SIM300的GPRS功能，該GPRS功能是通過SIM300和主控制器之間的UART通訊實現的。

主控制器為NXP 的LPC3240 ARM 32位處理器芯片，采用NAND Flash作為程序存儲器，程序在SDRAM中運行。本次設計基于LINUX操作系統，便于擴展功能及模塊化設計。

Zigee模塊使用JN516X芯片，工作在2.4GHz頻率，采用串口和主控LPC3240通訊，自帶協議棧，作為協調器角色使用。

以太網采用DP83848芯片，在條件允許的情況下，可以用以太網環境中使用。

Zigbee協調器硬件設計如圖4所示。

圖4 協調器電路圖Fig.4 The circuit diagram of coordinator

DIO6為RXD，DIO7為TXD，這兩者為與主控制器的串口通信端口，命令及數據通過該接口實現交互，并發送到各ZigBee的太陽能LED照明控制器節點。

5.2 軟件設計

本系統設計基于Linux操作系統，架構如圖5所示。

圖5 集中控制器軟件架構Fig.5 The software architecture of centralized controller

集中控制器扮演IP網絡與 ZigBee交互的網關，WEB服務器的數據通過該集中控制器下發到各個照明子節點。

6 太陽能LED照明控制器節點設計

太陽能LED照明 控制器是組成網絡的基本節點，是網絡通訊的載體，是系統中的關鍵，其主要功能是實現信息的采集、無線通訊以及照明控制、蓄電池與太陽能板充放電控制。主要包括軟件設計和硬件設計。

6.1 控制器硬件設計

太陽能LED照明控制器以JN516X為主要的硬件平臺實現系統的設計。JN516X是NXP 公司推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統。在整個芯片上集成了模擬數字轉換器、定時器和AES協同處理器、ZigBee協議棧、PWM發生器等外設，支持2.4 GHz，IEEE 802.15.4/ZigBee協議[5]，如圖6所示。

圖6 太陽能LED照明節點硬件架構Fig.6 The hardware architecture of solar LED lighting node

控制器節點主要由電壓電流采集模塊、功率調節模塊、JN516X無線通訊模塊組成。其中電流電壓采集模塊是通過相應的采集電路將信號轉化到JN516X接受的范圍，利用JN516X中的ADC模塊來進行采樣，從而獲得系統電流和電壓的信息；功率調節模塊是利用JN516X中的PWM輸出腳輸出占空比不同的脈沖，調節DIM引腳上的電壓，從而調節路燈的照明亮度，最終實現對路燈的監控。圖7為JN516X控制中心的原理圖。

圖7 太陽能LED照明節點控制圖Fig.7 The control graph of solar LED lighting node

ADC1為電壓采集通道，負責太陽能電池板對蓄電池的充電電流檢測，采集太陽能光伏輸出電壓，DIO8負責開啟或關斷太陽能對蓄電池的充電，DIO2負責太陽電池充電電流大小、最大輸出功率MPPT控制。ADC3端口采集蓄電池電壓，為工作環境提供參考，保護蓄電池。IOT_PWM1為PWM輸出端口，用來控制調節LED太陽能路燈的亮度輸出，從而控制蓄電池工作在最佳的狀態，DIO4、DIO5通過接口檢測當前的工作溫度、照度等信息，監測系統有無異常，保證系統的正常運行，照度傳感器的接入，可以監測環境光的明暗情況，在環境光不能滿足基本照度需求情況下，照明自動開啟，實現按需照明，避免采用定時開啟而地理經緯度不同帶來的不便，同時在太陽能電池正常工作時，可以讀取照度傳感器數據，通過調節路燈亮度，達到恒亮度輸出目的。

6.2 軟件設計

6.2.1 通信管理與監控

在控制節點之間，利用ZigBee通訊組成自組織的Mesh網絡。該設計采用NXP公司發布ZigBee的協議棧，來簡化系統的軟件部分設計，其中程序的主要組成包括協議棧的配置以及驅動函數的編寫。軟件部分是在ECLIPSE環境中JNOS操作系統上編程。首先在用戶應用層中初始化相關節點信息的配置以及相關事件處理的函數，然后在系統中添加任務。

在系統中節點終端為監控設備，配置為路由節點，從而實現Mesh網絡的組建。終端設備包含的功能：與協調器節點通信管理、路燈輸出PWM控制輸入當前路燈亮度、路燈輸出電流檢測、太陽能MPPT調節、蓄電池充放電管理。

節點通過接受或發送事件、消息與協調器進行通信，實現照明控制、照明狀態、電池狀態、報警等信息的實時監控。

節點設備的程序流程圖如圖8所示。

圖8 太陽能LED照明節點程序Fig.8 The program of Solar LED lighting node

6.2.2 太陽能電池輸出特性及最大功率點跟蹤MPPT算法

在相同環境溫度，不同陽光輻射強度條件下，太陽能電池的輸出特性如圖9所示，其中輻射強度φ1>φ2>φ3，可見陽光輻射強度增大，太陽能電池短路電流增大，峰值功率(P=IU)對應的電壓值發生改變。

圖9 環境溫度相同條件下，太陽能電池輸出I-U、P-U特性曲線Fig.9 The characteristic curve of solar cell output I-U, P-U under the same ambient temperature

圖9表明，太陽能電池輸出特性受陽光輻射強度影響較大，無法保持一直工作在峰值功率點上，這就導致了太陽能電池轉換電能的損失[6]。目前普遍的解決方案為采用MPPT(Maximum Power Point Tracking)技術，即當太陽能電池輸出峰值功率隨外界條件而發生改變時，通過燈具中的控制器來調整電池的輸出電壓，使電池的輸出功率回到峰值值功率點上[7]。MPPT有多種算法，本次設計采用擾動觀測法,其原理為：首先探測出太陽能電池的輸出電壓值U1和輸出功率P1，再使光伏電池輸出電壓增加△U，即U2=U1+△U，并測得此時輸出功率P2。如果P2>P1，則表示增量方向正確，應繼續增加輸出電壓；如果P2

6.2.3 充放電管理

節點采用三段式充電方法來盡量減弱充電過程對蓄電池的損害，具體過程如下：

(1)充電初始階段

蓄電池處于深度饋電狀態，此時應最大限度地利用太陽能，即使太陽能電池工作在MPPT狀態對蓄電池快速充電。隨著充電過程的進行，蓄電池的端電壓會迅速增大，當到達臨界端電壓(即高于此電壓，極板就會產生大量氣體)時，系統應即入恒壓充電階段。

(2)恒壓充電階段

此階段控制器控制太陽能電池輸出恒壓對蓄電池進行充電，蓄電池電壓會緩慢增加，充電電流會逐漸減小，當蓄電池的電壓或電流達到設定的浮充閾值時，系統即進入浮充階段。

(3)浮充階段

浮充電壓值選擇適中，既能補充蓄電池自放電損失的電能，又能避免對蓄電池的損害。[8]

在夜晚太陽能LED路燈工作時，控制器應穩定蓄電池的輸出電壓或電流，保證LED路燈能夠正常照明。

7 服務器軟件

服務器軟件采用B/S架構，任何互聯網上的PC監控終端，通過瀏覽器，憑密碼登陸到服務器，實現太陽能照明的狀態監測、燈具實時控制、照明設備的分組管理、每個節點的配置管理等功能。在此不作詳細描述。

8 分析結果

在以上終端設計的基礎上實現了Mesh網絡的建立、通訊以及互操作性的測試，解決了網絡結構不穩定的問題。實驗表明能夠在部分路燈節點出現故障時，同樣能夠將所需的信息傳送到集中控制器上。在此平臺上設計，實現了太陽能LED路燈照明遠程實時監控，從而達到節能、延長蓄電池及照明燈具壽命目的。

由于太陽能照明一般應用與野外道路，會有雷擊現象，因此在安裝時，考慮天線輸入端增加天線防雷器，專門用于保護無線模塊天線饋電單元和收發系統，使其免受雷電過壓和感應過電壓所造成的損壞。

9 結論

本文介紹了基于ZigBee及GPRS相結合的遠程物聯網應用—無線網絡技術的太陽能LED照明監控系統，結合路燈分布的特點設計出無線的監控方案，在方便安裝的同時，提高了系統的穩定性。滿足了太陽能照明的通訊要求，最終解決了太陽能LED路燈照明節能系統的節電、電池管理、故障監控等問題，有效地自動維護監控蓄電池；系統中具有智能化、信息化的特點，在滿足人們照明要求的同時，避免了不必要的用電浪費，減少了人工維護成本，最終實現了節能目的，延長了系統工作的壽命。

[1] 陳萍，陳白瑤.風光互補智能化半導體室外照明工程[J].建設科技，2007，14：64-65 .

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[3]呂海軍.我國LED產業發展現狀及未來發展展望[J].照明工程學報，2013，23(4)：6-10.

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[5] NXP JN-AN-1194-ZigBee-IoT-Gateway-Control-Bridge:2013.

[6]黃克亞.獨立光伏LED照明系統研究與設計[J].照明工程學報，2012，23(4)：84-89.

[7]王桂英，史金玲，紀飛，等.光伏并網發電的最大功率點跟蹤算法研究[J].現代農業科技，2010，7.

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