太陽能路燈智能控制系統(tǒng)設計

潘洪濤，楊雷

（天津中德應用技術大學，天津，300350）

引言

隨著社會經濟的迅速發(fā)展，無論是城市還是鄉(xiāng)村，路燈的電能消耗大，利用率低，效能不高。而隨著人們的環(huán)保節(jié)能意識的逐漸增強，提供一種減少照明時間并且節(jié)約用電，而且還可以降低管理支出的智能型路燈對城市建設和鄉(xiāng)村建設顯得極為重要。本系統(tǒng)設計將物聯(lián)網技術應用于路燈控制系統(tǒng)中，充分利用太陽能達到節(jié)能效果，通過太陽能電池板白天獲得能量，暫儲在蓄電池中，晚上或者白天光線暗淡的時候通過蓄電池給路燈供電，點亮路燈，達到節(jié)能的目的。通過智能控制實現(xiàn)路燈的節(jié)能控制，基本實現(xiàn)路燈智能開閉。具有對時間的設置、對白天光線強弱感知的設置、對冬夏時至不同節(jié)氣晝夜時間上的設置、對利用超聲波檢測人與路燈距離從而實現(xiàn)路燈智能開閉的功能；通過太陽能電池板的逐日控制及電量監(jiān)測、遠程云平臺的監(jiān)控以及近端手機監(jiān)控的功能達到管理智能化和便捷化的目的。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)原理與設計

系統(tǒng)功能圖如圖1所示，先由感知層通過傳感器采集到各種的物理信號并轉換成電信號傳送到嵌入式控制板，然后嵌入式控制板將相關數(shù)據(jù)通過無線傳播輸送給網關，之后網關將數(shù)據(jù)從 internet 網傳輸?shù)椒掌鳌Ｎ覀兛梢酝ㄟ^手機、PC等設備訪問服務器實現(xiàn)路燈的設置與控制，整套系統(tǒng)可以通過自動控制及手動控制路燈的智能開閉從而控制能耗，PC 機和手機不僅可以接收到服務器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，還可以反饋數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)實時傳輸、實時監(jiān)控。手機客戶端可以訪問到服務器，能夠實現(xiàn)對路燈的設置與控制，從而有利于保證道路交通安全、方便行人生活、提高交通運輸效率、并達到美化環(huán)境的目的。

太陽能路燈智能控制系統(tǒng)主要由路燈智能節(jié)能控制系統(tǒng)、遠程監(jiān)控太陽能控制系統(tǒng)兩大系統(tǒng)組成。我們首先根據(jù)系統(tǒng)的功能進行了系統(tǒng)方案設計，與其他的物聯(lián)網系統(tǒng)一樣，我們的太陽能路燈智能控制系統(tǒng)主要有感知層、傳輸層和應用層三個部分組成。感知層作為物聯(lián)網的基礎，負責感知、收集外部信息，是整個物聯(lián)網的信息源。傳輸層位于整個體系的中間位置，包括各個通信網絡形成的融合網絡，該部分目前是技術最為成熟的部分。應用層位于整個體系的最上層，將物聯(lián)網技術與行業(yè)專業(yè)技術相結合，通過對網絡層發(fā)送的信息進行存儲、挖掘、處理和應用，實現(xiàn)廣泛智能化應用的解決方案集成。

整個系統(tǒng)是按照如下方式運行的：首先由感知層通過傳感器采集到各種的物理信號并轉換成電信號傳送到嵌入式控制板，然后嵌入式控制板將相關數(shù)據(jù)通過傳輸層的 WiFi 通信設備傳輸給網關，之后網關將數(shù)據(jù)從 internet網傳輸?shù)椒掌鳎⑶铱梢酝ㄟ^應用層的手機、 PC等設備訪問服務器實現(xiàn)路燈的設置與控制，此外 PC 機和手機不僅可以接收到服務器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，還可以向服務器發(fā)送反饋數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)實時傳輸、實時監(jiān)控。手機客戶端可以實現(xiàn)對路燈的近端控制，從而降低了管理街道路燈的難度，并且可以檢測太陽能路燈的好壞。

圖1 系統(tǒng)功能圖

1.1 路燈節(jié)能控制的實現(xiàn)

根據(jù)時間設置實現(xiàn)路燈智能開閉：通過對RTC的讀寫，設置路燈的工作時間；在手機APP上對路燈開啟/關閉時間進行設置；根據(jù)白天光線設置實現(xiàn)路燈智能開閉：通過對光敏傳感器的實時數(shù)據(jù)，設置光照強度的門限值，來實現(xiàn)白天時陰天情況下路燈運行或者關閉。如圖2 所示：

圖2 路燈起停控制功能圖

根據(jù)冬夏時制設置實現(xiàn)路燈智能開閉：通過對RTC的讀寫，設置路燈不同時令的工作時間；在手機APP上設置路燈冬夏制開啟/關閉的時間。路燈控制器能根據(jù)日期自動控制路燈開啟和關停。每日路燈工作時間設置：根據(jù)日歷信息（晝夜時間長短），分別設置冬天和夏天的每天開啟、關閉路燈的時間。如冬天工作時間設置為：18:00～6：00；夏天工作時間設置為：20:00～5:00。根據(jù)超聲波檢測人與路燈距離實現(xiàn)路燈智能開閉：超聲波來檢測人體的靠近時，在自動模式下，如果有人靠近，且路燈處在節(jié)能（未開啟狀態(tài)），能自動開啟路燈，為路人亮燈。如圖3所示：

圖3 超聲波傳感器檢測功能圖

1.2 太陽能電池板的逐日控制實現(xiàn)節(jié)能

通過將固定在云臺上的太陽能電池板上附著的光敏傳感器來感應太陽光的能量值（對太陽能的電能信號進行電壓測量，通過A/D轉換，統(tǒng)計出電池板吸收太陽能的實時能量數(shù)據(jù)。）根據(jù)能量值判斷最佳的太陽能位置，并控制舵機或者步進電機的角度（一維），把太陽能電池板的位置自動移動到最佳的位置，實現(xiàn)電池板的逐日控制。光敏傳感器的數(shù)值能夠通過云平臺在PC監(jiān)控端和手機端遠程實時查詢。

1.3 遠程監(jiān)控太陽能控制系統(tǒng)功能及實現(xiàn)

系統(tǒng)通過 WIFI模式接入遠程云平臺，通過網絡傳輸傳感器數(shù)值到云平臺，實現(xiàn)云平臺的監(jiān)控功能。如圖 4所示：

圖4 遠程云平臺監(jiān)控功能圖

設備維護工程師能對路燈進行控制及設置，開發(fā)手機APP應用程序，實現(xiàn)對路燈的近端控制。如：利用手機APP對路燈開啟與關閉，用于檢測路燈好壞。利用手機APP實時監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)。在手機APP上對路燈相關參數(shù)進行設置：對冬夏制開啟/關閉時間的設置（能夠隨時查詢）、對白天開啟需要的光敏度閾值的設置以及對人或車靠近路燈距離的設置。在手機APP上實現(xiàn)實時電量監(jiān)控，選擇電源計劃。

2 軟件設計

太陽能智能控制系統(tǒng)中軟件編程主要包括嵌入式系統(tǒng)編程、服務器端編程、手機APP 編程三部分。管理人員在手機 APP 上通過管理系統(tǒng)實現(xiàn)用戶登錄、時間控制路燈開閉、手動控制路燈開閉（同時檢測路燈的好壞）、自動控制路燈開閉（同時實現(xiàn)對傳感器設備管理）、太陽能電池板實時電量數(shù)據(jù)監(jiān)控。其界面設計如圖5所示：

圖5 手機APP界面設計

太陽能路燈智能控制系統(tǒng)分為四個部分，一是時間控制，是管理人員通過手機或電腦對太陽能路燈的開啟與關閉根據(jù)時令進行時間設定，并能夠隨時進行查詢設定的相關參數(shù)。主要實現(xiàn)對太陽能路燈開啟與關閉時間上的智能控制。二是手動控制，管理人員可以通過手機APP實現(xiàn)太陽能路燈的開啟與關閉。主要實現(xiàn)對太陽能路燈的近端控制，從而降低了管理街道路燈的難度，并且可以檢測太陽能路燈的好壞。三是自動控制，通過超聲波傳感器和光敏傳感器的實時數(shù)據(jù)反饋，當達到設定值時太陽能路燈自動開啟。主要實現(xiàn)太陽能路燈的智能開閉。四是實時監(jiān)控，實時監(jiān)控太陽能電池板的實時電量。

4 結束語

本系統(tǒng)測按照功能分為了根據(jù)時間設置實現(xiàn)路燈智能開閉功能測試、根據(jù)白天光線設置實現(xiàn)路燈智能開閉功能測試、根據(jù)冬夏時制設置實現(xiàn)路燈智能開閉功能測試、根據(jù)超聲波檢測人與路燈距離實現(xiàn)路燈智能開閉功能測試、數(shù)碼管及LCD屏的顯示功能測試、太陽能電池板的逐日控制功能測試以及手機軟件測試部分，各個部分測試功能均達到了預期的要求，為太陽能逐日路燈的應用提供了開發(fā)設計思路。

[1]Ye Hong, Cheng Danpeng, Ge Xinshi, et al.The experimentalverification of the model of radiant floor heating sy stemwith form-stable PCM as the thermal mass and the parameteranalysis[ J].Acta Energiae Solaris Sinica,2004, 25(2): 189-194.

[2]Phene, C.J.Howell, TA.Soil sensor control of high-frequency irrigation systems[J].Trans.ASA, 1984, 27(2): 392-396.

[3]吳理博, 劉建政.用于太陽能照明系統(tǒng)的智能控制器[J].清華大學學報(自然科學版), 2003.

[4]饒鵬, 孫勝利, 葉虎勇.二維程控太陽跟蹤器控制系統(tǒng)的研究[J].控制工程, 2004, (11): 532-536.

[5]楊曉光, 寇臣銳, 汪友華.太陽能 LED 路燈照明控制系統(tǒng)的設計[J].電氣應用, 2009.

[6]劉晶.夏熱冬冷地區(qū)自然通風建筑室內熱環(huán)境與人體熱舒適的研究[D].重慶大學, 2007.

[7]周忠輝.步進電機驅動的實現(xiàn)方法[[J].儀表技術與傳感器, 2004, 11:61-62.

[8]史紅霞, 任超.太陽自動跟蹤裝置計算機控制系統(tǒng)[J].機械制造, 2008,46(11): 120-122.

[9]呂文華, 賀曉雷, 于賀軍, 等.全自動太陽跟蹤器的研制和應用[J].光學精密工程, 2008, 16(12): 2544-2550.

[10]何朝陽, 戴君, 吳立琴.太陽能路燈控制器的設計[J].電力電子技術,2006.