城市環境監測太陽能路燈系統設計

王云

萊西市亮化管理處 山東青島 266600

太陽能作為一種清潔能源已經在人們的生活中得到廣泛應用，太陽能路燈就是其中的一種，不管是在繁華的城市道路兩邊，還是偏遠的山村小路都有其蹤影。太陽能路燈的原理:太陽能板負責把太陽能轉換為電能，通過充電裝置把電能轉變為化學能存儲到蓄電池中，電能控制裝置控制電路的通、斷，從而控制路燈的亮、滅，最終完成太陽能到光能的轉換。

1 系統整體方案

系統分為兩大模塊，太陽能路燈系統采用STC89C52RC單片機作為主控芯片，STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節系統可編程Flash存儲器。德州儀器公司的CC2530芯片作為主控芯片應用于空氣環境監測系統中，該芯片建立在適應2.4GHzIEEE802.15.4標準協議上，芯片內部含有RF收發器，8KB靜態隨機存儲器，256KB的閃存塊和18個中斷源的中斷控制器，具有21個通用I/O引腳，5通道DMA，32KHz睡眠計時器等豐富的外設接口。

本系統由終端節點（傳感器節點）、協調器、上位機、太陽能電池板、電池以及路燈6部分組成。太陽能電池板吸收太陽光并將太陽輻射能通過光電效應或者光化學效應直接或間接轉換成電能為路燈及整個系統供電，終端節點搭載DHT11溫濕度傳感器采集空氣環境的溫濕度以及GP2Y1014AUpm2.5傳感器采集空氣環境的pm2.5濃度，終端節點負責收集傳感器所采集到的環境數據并通過ZigBee無線傳輸網絡將數據發送給協調器，協調器負責建立ZigBee無線傳輸網絡以及接收終端節點發送的環境數據并將數據通過串口傳輸方式發送給上位機，最后上位機將終端節點所采集的空氣環境數據進行實時的顯示[1]。

2 系統硬件模塊設計

2.1 電源模塊

電源模塊由太陽能電池板、升壓電路和電池組成。太陽能電池板發電的原理是當太陽能電池板組件受到陽光照射時，太陽能電池板組件會產生直流電壓。太陽能電池板組件產生的電壓作為整個系統的電源輸入，但是太陽能電池組件產生的電壓容易受到太陽光的影響，導致電壓不穩定。調壓電路用于使輸出電壓穩定，為系統供電和給蓄電池充電。當太陽能電池組件沒有輸入電壓時，電池為路燈和空氣環境監測系統供電。

2.2 充放電控制模塊

為了保護蓄電池，延長蓄電池的使用壽命，必須控制蓄電池的過充、過放電。過充電控制電路通過檢測電池電量來判斷太陽能電池組件在對電池充電時是否處于過充電狀態。如果蓄電池處于過充電狀態，充電電路會及時斷開。當電池處于過放電控制狀態時，判斷電池是否處于過放電狀態。如果蓄電池處于過放電狀態，將及時斷開開路。

2.3 光探測模塊

光檢測模塊選擇光敏電阻，也就是光敏電阻或光管。它通常由硫化鎘、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍組成。當這些材料受到一定波長的光照射時，其電阻值會立即降低。利用光敏電阻阻值隨光強變化的特性，可以檢測出周圍環境中光強的變化。將光強度信號轉換為電壓信號，通過將輸出電平與比較器設定的電壓進行比較來完成光強檢測。

3 系統軟件設計

3.1 太陽能路燈模塊

之后，當電池充滿電時，如果電池沒有充滿電，系統會檢測電池是否充滿電，當電池電量低時，放電控制模塊會保護電池不過度放電，并關閉路燈。

3.2 終端節點模塊

終端節點上電后，首先進行系統初始化，然后終端節點開始掃描，找出通信距離內是否有協調器以及由協調器構建的ZigBee網絡。如果在通信距離內有協調器構建的Zigbee網絡，終端節點申請加入Zigbee網絡，并獲得協調器分配的網絡短地址。如果連接不成功，則繼續申請加入網絡。終端節點成功進入網絡后，終端節點讀取傳感器數據，通過ZigBee網絡將讀取的傳感器數據發送給協調器，然后終端節點周期性地將數據發送給協調器[2]。

3.3 協調員模塊

協調器上電后，首先進行系統初始化，然后協調器開始掃描并選擇合適的信道，設置網絡標識符、擴展地址、短地址等網絡參數，建立網絡并啟動網絡。新的ZigBee網絡成功建立后，協調器允許其他終端節點加入ZigBee網絡并與之建立綁定。當其他終端節點申請加入網絡時，它建立綁定并分配網絡地址。終端節點加入網絡后，協調器通過ZigBee網絡接收終端節點發送的數據，并通過串口傳輸將接收到的數據發送給主機。

4 系統測試

系統設計完成后進行組裝調試，系統上電后太陽能路燈模塊通過檢測光照強度判斷是否需要開啟路燈，空氣環境監測模塊的協調器負責建立網絡并等待終端節點入網，終端節點入網后周期性的發送環境數據，在上位機利用串口助手軟件查看環境數據。系統測試結果表明太陽能路燈在光照強度弱時能自動開啟路燈，光照強度強時能自動關閉路燈，傳感器采集環境數據較準確以及上位機顯示數據和終端節點所處環境數據基本一致，有較高可信度。

5 結語

在傳統太陽能路燈的基礎上進行升級改造，制作了太陽能自適應節能裝置，該裝置安裝方便，只需要串接于電池和路燈之間即可。系統能夠根據未來天氣情況，結合蓄電池的剩余電量，對路燈的點亮時段及亮度進行自適應調節。