基于Lora通信的太陽能路燈控制系統(tǒng)研究與設(shè)計

譚承恒 廖志賢 石佳怡 莫宏培 蔣品群

摘? 要：系統(tǒng)采用STM32F030芯片作為主控芯片，DC/DC變換器作為充放電主電路，利用MPPT最大功率點追蹤技術(shù)，使太陽能的利用更加高效。采用SX1278芯片作為Lora通信的微處理器，實現(xiàn)路燈自組網(wǎng)后再利用集中器連接因特網(wǎng)，并開發(fā)了相應(yīng)的APP遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，通過采用多時段控制以及對路面行人的檢測，路燈智能調(diào)節(jié)亮度，實現(xiàn)路燈智能化管理和高效的能源利用。

關(guān)鍵詞：Lora;太陽能;路燈;智能控制

中圖分類號：TM923 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）14-0078-02

Abstract： The system uses STM32F030 chip as the main control chip， DC/DC converter as the main circuit of charging and discharging， and uses MPPT maximum power point tracking technology to make the utilization of solar energy more efficient. The SX1278 chip is used as the microprocessor of Lora communication to realize the street lamp ad hoc network and then connect to the Internet by using concentrator， and the corresponding APP remote monitoring software is developed. By adopting multi-period control and the detection of road pedestrians， the brightness of street lamp is adjusted intelligently to realize the intelligent management and efficient energy utilization of street lamp.

Keywords： Lora; solar energy; street lamp; intelligent control

引言

隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到路燈等照明系統(tǒng)中[1-2]，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈得到了越來越廣泛的關(guān)注[3-4]，為了解決傳統(tǒng)路燈只能進(jìn)行分時段照明和人工控制的問題，本文研究設(shè)計了一種太陽能智能路燈的控制系統(tǒng)，分時段分功率的工作模式以及路況檢測功能，使得路燈對于能源的分配更加合理。同時，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到太陽能智能路燈控制系統(tǒng)中，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈運行狀況以及能源使用情況，不需要人為的報修，使路燈的維護(hù)變得更具高效、智能化。

1 太陽能路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過中央處理單元控制DC/DC變換器進(jìn)行MPPT（最大功率點追蹤），將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并存儲到蓄電池中，同時中央處理器結(jié)合太陽能電池板的輸出電壓、內(nèi)部時鐘，對當(dāng)前光環(huán)境進(jìn)行判斷，自動實現(xiàn)充電、照明兩種模式之間的轉(zhuǎn)換。通過Lora模塊，將路燈的位置，太陽能電池板的相關(guān)信息，蓄電池的電能等信息發(fā)送到Lora集中器，再由集中器通過4G移動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心。太陽能路燈系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖1所示，本系統(tǒng)硬件電路采用STM32F030C8T6芯片作為核心控制器，主電路由DC/DC變換器，供電電路，采樣電路組成。由DC/DC變換器負(fù)責(zé)蓄電池的充放電。由于路燈系統(tǒng)所處環(huán)境的光強(qiáng)度基本依靠太陽光，因此設(shè)計采樣電路采集太陽能板的輸出電壓可以對當(dāng)前光環(huán)境進(jìn)行檢測，采樣電路同時對太陽能板，蓄電池以及節(jié)能燈管的電流，電壓進(jìn)行采樣。Lora通信模塊負(fù)責(zé)將路燈設(shè)置的參數(shù)以及路燈運行狀況和環(huán)境信息發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器。為滿足各個模塊工作電壓不同的需要，設(shè)計選用LM2596作為第一級穩(wěn)壓芯片，蓄電池電壓經(jīng)其輸出12V的穩(wěn)定電壓，供各個模塊使用。再通過第二級穩(wěn)壓芯片LM317，使電壓穩(wěn)定輸出3.3V。為提高穩(wěn)壓電路最大輸出功率，保證各個模塊供電穩(wěn)定，將兩個LM317模塊并聯(lián)，可增加其輸出能力

2 Lora通信技術(shù)

2.1 Lora通信

本設(shè)計采用SX1278芯片作為Lora通信電路的控制器。SX1278芯片通過SPI協(xié)議與中央處理單元進(jìn)行通信，將內(nèi)部存儲器中的智能路燈各個工作模式參數(shù)及實時數(shù)據(jù)發(fā)送至Lora集中器。

2.2 組網(wǎng)方式

各個太陽能路燈之間通過Lora模塊相互通信，自組成網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點與集中器匯集，將數(shù)據(jù)發(fā)送至集中器，集中器根據(jù)各個路燈的唯一標(biāo)識ID對路燈進(jìn)行識別。若其中某節(jié)點距離集中器距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致集中器之間通信質(zhì)量較差，則選擇通過其他路燈作為中介，將數(shù)據(jù)及路燈唯一標(biāo)識ID打包發(fā)送至通信質(zhì)量較好的路燈，再由該路燈將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至集中器，最后發(fā)送至遠(yuǎn)程控制端。集中器與服務(wù)器通過MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議進(jìn)行通信，根據(jù)不同的集中器唯一ID標(biāo)識符發(fā)布主題，對應(yīng)的集中器訂閱該主題，可同時實現(xiàn)識別集中器以及集中器與APP雙向通信。

3 軟件控制程序設(shè)計

系統(tǒng)通過控制DC/DC變換器實現(xiàn)充電模式和照明模式相互轉(zhuǎn)換。將電池種類、充電模式參數(shù)和照明模式參數(shù)存儲在RAM中，當(dāng)接收到遠(yuǎn)程終端傳來的指令時，按照指令對各個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并保存。參數(shù)設(shè)定完成后，通過采樣電路讀取太陽能板和電池的電流、電壓。在太陽能板輸出電壓低于設(shè)定的電壓時，若時間超過18時則視為天黑，轉(zhuǎn)換至照明模式，否則視為陰天，繼續(xù)工作在充電模式。

在充電模式下，按電池種類和蓄電池的電量的設(shè)置多種合理有效的充電策略，例如鉛酸電池有浮充，快充，均流等多種模式。按照不同充電策略的參數(shù)對DC/DC變換器輸出電壓電流進(jìn)行控制，同時通過MPPT最大功率追蹤使DC/DC變換器在設(shè)定輸出電壓范圍內(nèi)以最大功率輸出。對電池電量進(jìn)行實時監(jiān)控，確保電池不過充，科學(xué)合理的保護(hù)蓄電池的壽命。

在照明工作模式下，按照設(shè)置的路燈工作模式參數(shù)，將夜晚劃分為多個時段，每個時段按參數(shù)中設(shè)置的功率工作，從天黑開始進(jìn)入第一工作時段，一直延續(xù)到天亮。天亮?xí)r根據(jù)中央處理單元的RTC實時時鐘將天亮?xí)r間保存在RAM中，連續(xù)存儲前一周天亮?xí)r間來預(yù)測第二天的天亮?xí)r間。實時對路況進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到行人時，路燈工作在大功率照明模式，若沒有檢測到行人，則工作在低功率模式，保證基礎(chǔ)照明。

根據(jù)系統(tǒng)實時時鐘，在每天0點將一天累計充電電量，用電電量及光照環(huán)境等數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程終端，在電流電壓異常時發(fā)出警報，實現(xiàn)智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使路燈的維護(hù)及管理更加人性化。

4 終端軟件設(shè)計

遠(yuǎn)程終端軟件設(shè)計如圖3所示，通過定位系統(tǒng)定位每個路燈位置，選擇對應(yīng)路燈即可對路燈參數(shù)進(jìn)行設(shè)置以及讀取路燈數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本研究設(shè)計了一種智能路燈控制系統(tǒng)，通過以STM32F030為控制單元的DC/DC變換電路實現(xiàn)太陽能充電及路燈的智能化管理，實現(xiàn)了蓄電池電能科學(xué)合理利用。利用Lora技術(shù)實現(xiàn)低功耗，遠(yuǎn)距離的路燈節(jié)點與集中器之間的自組網(wǎng)絡(luò)，再由集中器遠(yuǎn)程終端建立連接，通過遠(yuǎn)程終端對路燈系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)了路燈的智能化，人性化的科學(xué)管理。

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