基于zigbee的太陽(yáng)能自動(dòng)追光燈與電子廣告牌的設計，軟硬件系統解決方案
加入技術(shù)交流群
一、項目概述
1.1 引言
太陽(yáng)能作為一種新興能源，現廣泛應用于太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能水泵、太陽(yáng)熱水器、太陽(yáng)能建筑、太陽(yáng)能干燥、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能制冷空調，還有可以用來(lái)淡化海水，利用太陽(yáng)光催化治理化境，培養能源植物，，在通訊、運輸、農業(yè)、防災、陰極保護、消費、電子產(chǎn)品等諸多方面。
然而，各國謀求發(fā)展帶來(lái)全球性能源危機，世界普遍開(kāi)始重視可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用。太陽(yáng)能作為一種新興清潔無(wú)污染的綠色能源，以其永不枯竭、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的推廣應用。目前太陽(yáng)能路燈應用廣泛，但是絕大多數存在著(zhù)密度低、間歇性、光照方向和強度隨時(shí)間、隨季節不斷變化等問(wèn)題，一方面，傳統太陽(yáng)能電池板都采用固定安裝，即電池板固定在某個(gè)位置，不隨地球自轉的變化而變化，這樣嚴重影響光電轉換效率，據測算：如果發(fā)電系統與太陽(yáng)光線(xiàn)角度有25度偏差，就會(huì )因垂直入射的輻射能下降10%左右；另一方面，傳統太陽(yáng)能路燈后期維護大多數處在“無(wú)人問(wèn)津”狀態(tài)，有可能造成維修費用更高，更有可能使新能源環(huán)保理念在人們心目中形象大打折扣。
為此，要實(shí)現創(chuàng )新與環(huán)保，必須更好的利用光能，做到兩方面，第一，電池板東西能自動(dòng)追光，以克服每日太陽(yáng)光的不垂直入射；第二，電池板南北能自動(dòng)追光，以克服季節的更替；資料顯示，單軸太陽(yáng)能跟蹤系統比固定式系統能增加25%的功率輸出，而雙軸太陽(yáng)能跟蹤系統能增加41%左右；
還有，想到如果把每盞路燈都連成網(wǎng)，有利于更好的控制；
最后，如果在路燈旁加上廣告牌設計，例如提醒居民小心路滑、路段名稱(chēng)、安全駕駛等等，如果是安置在校園當中，提醒同學(xué)保護環(huán)境、愛(ài)惜花草、注意衛生等等，這就使得方案設計更加人性化；
示意圖如下圖:
1.2 項目背景
我們地球所接受到的太陽(yáng)能，只占太陽(yáng)表面發(fā)出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當于全球所需總能量的3-4萬(wàn)倍，真可謂“取之不盡，用之不竭”。
國外背景：據了解，1974年至1997年，美日等發(fā)達國家硅半導體光電池發(fā)電成本降低了一個(gè)數量級；最近俄羅斯在太陽(yáng)能研究方面取得進(jìn)展，利用熱泵和熱管技術(shù)將太陽(yáng)能和地熱、居室廢熱綜合利用起來(lái)，是太陽(yáng)能發(fā)電的成本大大降低；
國內背景：我國比較成熟太陽(yáng)能產(chǎn)品有太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統和太陽(yáng)能熱水系統；使用光伏產(chǎn)品發(fā)電的經(jīng)濟性相對不足，因此長(cháng)期以來(lái)我國光伏產(chǎn)品主要用于解決偏遠無(wú)電地區的電氣化問(wèn)題，以及偏遠地區電信基站的供電問(wèn)題，值得一提的是，在我國，西藏西部太陽(yáng)能資源最豐富，最高達2333 KWh/㎡ （日輻射量6.4KWh/㎡ ），居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。
綜上所述，基于自動(dòng)跟蹤、路燈控制、無(wú)線(xiàn)通信、電子廣告牌設計等特點(diǎn)，本次比賽定項目為基于zigbee太陽(yáng)能自動(dòng)追光燈與電子廣告牌的設計。
二、需求分析
太陽(yáng)能跟蹤系統能顯著(zhù)增加光伏模塊接收的太陽(yáng)能,提高日用功率和年輸出功率,但比固定式系統成本高且更復雜。在商業(yè)領(lǐng)域,太陽(yáng)能跟蹤系統有單軸系統、雙軸機械跟蹤定位系統及準雙軸系統。單軸系統只能自東向西跟蹤太陽(yáng)；雙軸系統能在自東向西跟蹤太陽(yáng)的同時(shí),太陽(yáng)能板傾斜角度也隨太陽(yáng)高度變化而變化，從而準確跟蹤太陽(yáng)位置；而準雙軸跟蹤系統選取單軸的低價(jià)優(yōu)勢、雙軸的精確優(yōu)勢，集中體現低價(jià)高效等特點(diǎn)，但適用范圍較雙軸跟蹤窄。太陽(yáng)跟蹤系統存在產(chǎn)品系統可靠性不能滿(mǎn)足要求、跟蹤誤差大、成本過(guò)高等問(wèn)題，如何選擇性?xún)r(jià)比及發(fā)電增益高的太陽(yáng)跟蹤系統，既提高發(fā)電量，又降低投資成本成為投資光伏發(fā)電市場(chǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題。
光伏產(chǎn)業(yè)目前在新能源中發(fā)電成本最高，但潛力巨大，多種技術(shù)路線(xiàn)加速進(jìn)展，呈現百花齊放的特點(diǎn)，同時(shí)投資規模的擴大，成本有較大下降空間，產(chǎn)業(yè)將在2012年開(kāi)始形成高速增長(cháng)的拐點(diǎn)。2012年以后光伏市場(chǎng)增長(cháng)幅度會(huì )加快，年復合增長(cháng)率將超過(guò)60%，預計2014年市場(chǎng)需求量將達到37GW。其中德國、西班牙、美國、意大利和日本的合計份額仍將保持在85%以上，仍是主要需求地區。我國是能源生產(chǎn)和消費大國，隨著(zhù)經(jīng)濟持續快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快，我國的電力需求也快速增長(cháng)。到2020年，我國光伏累計裝機容量將達到1.8GW。光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將帶動(dòng)太陽(yáng)能跟蹤系統的高速發(fā)展。因此，本方案可以盡最大可能的實(shí)現上述目標，將能源最大化的利用。
2.1 功能要求
太陽(yáng)能電池板：
利用太陽(yáng)能電池板將光能最大效率轉化成電能；
太陽(yáng)能電池板模塊實(shí)現對收集的的太陽(yáng)能進(jìn)行轉換，由光能轉化為電能并存儲在蓄電池中，在夜間作為電源為路燈提供能量。本模塊采用太陽(yáng)能多晶硅發(fā)電板：
蓄電池：在白天，對公園或者居民小區中的路燈的蓄電池進(jìn)行充電，除了對AVR單片機、步進(jìn)電機供電外，其它的盡量保持低耗能；在夜間蓄電池對無(wú)線(xiàn)通信模塊、AVR單片機、LED燈提供電力照明，無(wú)需采用傳統的交流電的供電方式進(jìn)行對路燈的供電；
太陽(yáng)能控制器:控制器完成功率調節，反接，短路，過(guò)流，電氣保護，線(xiàn)損補償，以及散熱功能；
Zigbee模塊：實(shí)現當某人在街道上行走（車(chē)輛行駛）時(shí)，利用控制紅外線(xiàn)自動(dòng)檢測后的信號來(lái)實(shí)時(shí)控制路燈（當然離不開(kāi)AVR單片機），實(shí)現路燈的控制全自動(dòng)化和能源利用最優(yōu)化，為做好融入物聯(lián)網(wǎng)而做好“有行”的接口；
AVR單片機：
AVR單片機控制系統是整個(gè)電路的控制核心部分，接收來(lái)自光敏傳感器模塊和光控開(kāi)關(guān)的信號，通過(guò)相關(guān)的編程計算，確定何時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉路燈，實(shí)時(shí)的調整自動(dòng)跟蹤步進(jìn)電機模塊，實(shí)現太陽(yáng)能電池板以最佳方位面向太陽(yáng)，實(shí)現對系統的總體控制。
光控開(kāi)關(guān)模塊：
本模塊功能在于在何種情況下啟動(dòng)路燈照明，當在白天光強較強的時(shí)候，切斷蓄電池對路燈的供電路徑，從而使得路燈熄滅；當在夜晚來(lái)臨時(shí)，光強逐漸變弱，此時(shí)光控模塊自動(dòng)接通路燈的電源，從而實(shí)現路燈照明。同時(shí)本模塊實(shí)現在白天時(shí)切斷對通信模塊和紅外檢測模塊的供電路徑，實(shí)現能源的節約。
光敏傳感器模塊：
本模塊實(shí)現對太陽(yáng)光的自動(dòng)采集功能，并確定具體哪一個(gè)的方向和方位光強最強，并將采集到的信號發(fā)送到AVR單片機，從而由單片機決定自動(dòng)跟蹤模塊如何進(jìn)行調節。
紅外線(xiàn)檢測模塊：
紅外線(xiàn)檢測模塊實(shí)現對所經(jīng)過(guò)的物體或者人進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，當有人來(lái)到時(shí)，自動(dòng)點(diǎn)亮行人所在街道上的路燈，然后在固定的時(shí)間比如5分鐘后自動(dòng)熄滅。當光照低于5lux時(shí)，路燈的使能端有效，每一段道路兩頭的路燈設置兩個(gè)紅外線(xiàn)檢測器，此時(shí)紅外線(xiàn)檢測到行人汽車(chē)則持續亮5分鐘，然后自動(dòng)熄滅（在此過(guò)程中如果又檢測到行人，重新持續亮5分鐘）；同時(shí)等待下一位行人。本模塊的啟動(dòng)和關(guān)閉由光控開(kāi)關(guān)控制。
步進(jìn)電機控制模塊：
自動(dòng)跟蹤步進(jìn)電機控制模塊實(shí)現對太陽(yáng)能方位的定位，包含兩個(gè)步進(jìn)電機和一個(gè)光敏檢測裝置，一個(gè)步進(jìn)電機用于調整太陽(yáng)能電池板的角度，另一個(gè)用于調整電池板對太陽(yáng)的方位；利用步進(jìn)電機實(shí)現太陽(yáng)能電池板的東西、南北轉動(dòng)，以實(shí)現光電轉換的最大化。
Zigbee模塊：
本模塊包含街道兩頭的無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊和若干接收模塊，在夜晚當檢測到行人到來(lái)時(shí)，發(fā)射模塊發(fā)射相應的啟動(dòng)信號，接收模塊接收到相應的信號后，啟動(dòng)路燈（本模塊的啟動(dòng)和關(guān)閉由光控開(kāi)關(guān)控制）；當有模塊不正常工作時(shí)，無(wú)線(xiàn)模塊向控制中心（例如小區控制中心）匯報異常情況；另外，AVR單片機應留有Zigbee模塊接口；
LED點(diǎn)陣屏：
實(shí)現對廣告語(yǔ)的動(dòng)態(tài)顯示；白天不工作，晚上一直工作。
2.2 性能要求
1．太陽(yáng)能電池板模塊：
（1）基本參數
最大功率 | 尺寸 | 重量 | 峰值電流 | 短路電流 | 峰值電壓 | 開(kāi)路電壓 |
10wp | 292×322×35mm | 1.5Kg | 0.83A | 0.87A | 12.05V | 14.6V |
（2）使用條件：
標準測試條件：（AM1.5）輻照度＝1000W／m2，電池溫度＝25℃
絕緣電壓：≥1000V
邊框接地電阻：≤10hm
迎風(fēng)壓強：2400Pa
填充因子：73％
短路電流溫度系數：＋0.4mA／℃
開(kāi)路電壓溫度系數：-60mV／℃
工作溫度：-40℃～＋90℃
2．蓄電池模塊：
基本參數
額定容量 | 外形尺寸 | 最大重量 | 極柱 |
100Ah | 138×61×266（mm） | 4.3Kg | M16 |
常溫性能
放電電流（A） | 終止電壓（V） | 放電時(shí)間 |
0.2C5 | 1.0 | ≥5h |
1C5 | 0.9 | ≥60min |
5C5 | 0.8 | ≥8min |
10C5 | 0.8 | ≥2min |
（3）低溫性能（－18℃）
放電條件 | 放電電流 A | 0.2C5 | 1C5 | 2C5 |
終止電壓 V | 1.0 | 0.9 | 0.9 | |
放電時(shí)間 | 3h45min | 40min | 12min | |
（3）荷電保持能力： 常溫下全充電電池，開(kāi)路擱置28d，然后以0.2C5A電流放至終止電壓1.0V，放電時(shí)間不少于3.5h。
（4） 機械性能： 常溫下全充電電池，經(jīng)頻率50～100次/min，加速度39.2m/S2(4g)沖擊10000次，然后在頻率940次/min，振幅2.5mm下振動(dòng)1h，不應有機械損傷，同時(shí)以1C5A電流放電至終止電壓0.9V，放電時(shí)間不少于54min。
（5）循環(huán)壽命： 蓄電池在20℃±5℃下充放電循環(huán)次數不少于550次，壽命實(shí)驗期間，任一個(gè)第50次循環(huán)，蓄電池放電時(shí)間不少于3h30min。
（6）保存期： 蓄電池在環(huán)境溫度20℃±10℃，濕度45%～75%條件下保存3年，經(jīng)恢復容量后，性能應符合6.1規定。
3．AVR單片機控制模塊：
Flash/K | 16 | Vcc/V | 2.7～5.5 | RTC | Yes | 在線(xiàn)編程ISP | Yes |
EEPROM/K | 0.5 | 16位定時(shí)器 | 1個(gè) | SPI | 1 | 10位ADC | 8 |
I/O 數 | 32個(gè) | 8位定時(shí)器 | 2個(gè) | UART | 1 | 模擬比較器 | Yes |
系統時(shí)鐘 MHz | 16 | PWM | 4 | TWI | Yes | 掉電檢測BOD | Yes |
看門(mén)狗 | Yes | 片內震蕩器 | Yes | 中斷 | 20 | 硬件乘法 | Yes |
外部中斷 | 3 | 自編程SPM | Yes | SRAM (B)快速寄存器 | 1024 | ||
4．光控開(kāi)關(guān)模塊：
輸入電壓 | 5～18V |
功耗電流 | 3mA |
產(chǎn)品規格 | 49×27×17mm |
5．光傳感器模塊：
類(lèi)型 | HC-SR501 普通型 | 電平輸出 | 高3.3V，低0V |
工作電壓 | 5V～20V | 感應范圍 | 小于120度錐角，7米以?xún)?/p> |
靜態(tài)功耗 | 65 mW | 工作溫度 | -15度～+70度 |
6．紅外線(xiàn)線(xiàn)檢測模塊：
紅外線(xiàn)傳感器
價(jià)格 | 20元 | 工作電流(5V時(shí)) | 典型電流6mA |
類(lèi)型 | 熱釋電紅外傳感器 | 電壓范圍 | 3.8V～5.5V |
7．Zigbee模塊：
工作頻率 | 2.4GHz～2.5GHz ISM 微波段 |
識別距離 | 有效識別距離可達1500m |
識別速度 | 最高識別速度可達200公里/小時(shí) |
識別能力 | 同時(shí)識別 200 張標簽 |
識別方式 | 全方向識別、定向識別 |
環(huán)境溫度 | 在-40℃～85℃ |
使用壽命 | 30年 |
抗干擾性 | 抗干擾性 |
安全性能 | 防水、防雷、防沖擊，滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境要求 |
通信接口 | RS232/RS485/RJ45 |
電 源 | 9V/12V～3A DC電源 |
數據速率 | 最高10M bit/s |
外形尺寸 | 15.5cm×14cm×5.5cm |
8.LED點(diǎn)陣屏
類(lèi)型 | 共陽(yáng) |
顏色 | 紅綠雙色 |
點(diǎn)陣數 | 2*8*8 |
尺寸 | 22mm*22mm |
厚度 | 1.9mm |
9．步進(jìn)電機機控制模塊
型號 | 17PU-H501-P1 | 引線(xiàn)數 | 4根 |
步距角 | 1.8度 | 電流 | 0.5mA |
機身長(cháng) | 38cm | 相電阻 | 6.8Ω |
靜力距 | 0.21N×M | 重量 | 0.24Kg |
10．LED燈：
產(chǎn)品品牌 | 西普萊特 | 功 率 | 3W |
產(chǎn)品型號 | MR16-12V-303 | LED數量 | 3PCS |
工作電壓 | 12V（燈杯內置恒流驅動(dòng)電源） | 產(chǎn)品重量 | 0.25Kg |
產(chǎn)品材質(zhì) | 精工車(chē)鋁外殼，精工車(chē)鋁散熱型材 | ||
三、方案設計
3.1 系統功能實(shí)現原理（除圖片外需有文字介紹）
太陽(yáng)能路燈由以下幾部分組成：太陽(yáng)電池、蓄電池、步進(jìn)電機、Zigbee模塊、LED發(fā)光體。 太陽(yáng)能路燈是一個(gè)自動(dòng)控制的工作系統。
系統硬件結構框圖
3.2 硬件平臺選用及資源配置
3.3系統軟件架構
3.4 系統軟件流程
程序運行流程圖
3.5 系統預計實(shí)現結果
本設計預期實(shí)現以下功能：
在白天模式：太陽(yáng)能電池板會(huì )隨著(zhù)太陽(yáng)光線(xiàn)相對的偏移而進(jìn)行自動(dòng)跟蹤校正，同時(shí)將轉化的電能存儲到蓄電池中；
在黑夜模式：太陽(yáng)能電池板停止轉動(dòng)，進(jìn)入休眠模式；單片機會(huì )根據紅外線(xiàn)的檢測（行人等）通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊使整條街道路燈點(diǎn)亮，直至路上無(wú)行人；而電子廣告牌會(huì )一直工作，起到顯示作用；
當然，還包括，有異常情況出現時(shí)，及時(shí)通知物聯(lián)網(wǎng)控制中心。
評論