太陽(yáng)能路燈遠程無(wú)線(xiàn)監控節能系統方案設計

　　一、概述

　　太陽(yáng)能路燈是一種利用太陽(yáng)能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開(kāi)溝埋線(xiàn)，不消耗常規電能，只要陽(yáng)光充足就可以就地安裝等特點(diǎn)，因此受到人們的廣泛關(guān)注，又因其不污染環(huán)境，而被稱(chēng)為綠色環(huán)保產(chǎn)品。太陽(yáng)能路燈即可用于城鎮公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經(jīng)濟不發(fā)達、缺乏常規燃料，難以用常規能源發(fā)電，但太陽(yáng)能資源豐富的地區，以解決這些地區人們的家用照明問(wèn)題。

　　太陽(yáng)能燈是光電轉換技術(shù)的一種應用產(chǎn)品，具有節能、環(huán)保、安全、無(wú)需布線(xiàn)、安裝簡(jiǎn)便、自動(dòng)控制、可根據需要隨時(shí)變換插放的位置等優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)能燈具的主要類(lèi)型有太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能草坪燈、太陽(yáng)能景觀(guān)燈、太陽(yáng)能信號燈。

　　在太陽(yáng)能路燈實(shí)際應用中，很多地方的太陽(yáng)能路燈不能滿(mǎn)足正常照明需要，尤其在陰雨天更為突出，因此，這就要求太陽(yáng)能路燈在工作時(shí)能夠根據行人情況對自身功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，在滿(mǎn)足正常工作的同時(shí)能夠節省更多的電力，保證系統的長(cháng)時(shí)間工作；此外，現有的太陽(yáng)能路燈無(wú)法實(shí)現對自身工作狀態(tài)和外圍電路參數的檢測和故障診斷，無(wú)法組成遠程監控網(wǎng)絡(luò )，因而需要一個(gè)遠程無(wú)線(xiàn)監控系統對太陽(yáng)能路燈電路參數進(jìn)行檢測，并對出現的故障實(shí)現診斷和報警功能，實(shí)現路燈的智能化管理。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　1、系統全部采用太陽(yáng)能電池和蓄電池供電，綠色環(huán)保無(wú)污染；

　　2、太陽(yáng)能電池能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光，實(shí)現太陽(yáng)能利用的最大化；

　　3、天黑時(shí)候路燈能夠自動(dòng)亮燈，并且能夠根據有人經(jīng)過(guò)和沒(méi)人經(jīng)過(guò)的情況動(dòng)態(tài)

　　調整路燈功率，實(shí)現節能效果；晚上十二點(diǎn)后，由于行人稀少，路燈將處于半激活狀態(tài)，當有人經(jīng)過(guò)時(shí)才亮燈，沒(méi)人經(jīng)過(guò)則不亮燈，在保證給少量行人照明的同時(shí)實(shí)現節能；到了早上再次進(jìn)入正常發(fā)光模式，直到天亮的時(shí)候熄滅，進(jìn)入蓄能階段。

　　4、系統具有自動(dòng)監測功能，能夠對路燈及其外圍電路的運作進(jìn)行監測，一旦有異常情況出現，從機通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)到主機，主機匯總后通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)給監控中心通知技術(shù)人員進(jìn)行維修，保證檢修的快速性。

　　2.2 性能要求

　　1、ADC轉換精度為10位；

　　2、無(wú)線(xiàn)傳輸有效距離100m（可根據實(shí)際需要選用不同的無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現遠距離傳輸數據）；

　　3、GSM超遠傳輸距離，只要有信號的地方就可以收到數據；

　　4、一個(gè)監控中心可監測多個(gè)主機，一個(gè)主機可監測多個(gè)從機。

　　三、方案設計

　　3.1 系統功能實(shí)現原理

　　圖1：系統機構框圖

　　系統由監控中心、主機和從機三大部分組成，監控中心通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )實(shí)現與主機的遠程通訊，而主機與從機距離較近，故采用2.4GHz無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通訊。

　　圖2：監控中心硬件結構框圖

　　監控中心主要負責各主機匯總情況分析、顯示，同時(shí)可通過(guò)現場(chǎng)或者發(fā)短信的方式通知工作人員路燈的損壞情況，此外還可以對系統參數進(jìn)行設置，其主要由AVR 單片機、GSM模塊、光傳感器、人體紅外感應模塊、矩陣鍵盤(pán)、聲光報警、位置檢測電阻、電機模塊、液晶顯示器、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS1302、后備電源、太陽(yáng)能電池和蓄電池組成。

　　圖3：主機硬件結構框圖

　　主機負責收集從機和自身監控數據，是監控中心和從機通訊的橋梁，主要由AVR單片機、GSM模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、光傳感器、人體紅外感應模塊、位置檢測電阻、電機模塊、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS1302、后備電源、太陽(yáng)能電池和蓄電池組成。

　　圖4：從機硬件結構框圖

　　從機負責對自身太陽(yáng)能路燈進(jìn)行控制處理并對電路進(jìn)行監測，發(fā)現異常情況就會(huì )進(jìn)行故障診斷，并將通過(guò)主機將結果發(fā)給監控中心進(jìn)行處理，其主要由AVR單片機、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、光傳感器、人體紅外感應模塊、位置檢測電阻、電機模塊、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS1302、后備電源、太陽(yáng)能電池和蓄電池組成。

　　3.2 硬件平臺選用及資源配置

　　硬件平臺選用EVK1100，串口用于與GSM模塊通訊，PWM用于背光變頻，光照傳感器用于檢測環(huán)境周?chē)舛?，液晶顯示器用于顯示各種信息，SPI用于與DS1302通訊，ADC用于太陽(yáng)能電池電壓檢測、蓄電池電壓檢測、環(huán)境光度檢測、太陽(yáng)能電池位置檢測和太陽(yáng)位置檢測，1個(gè)通用輸入輸出口用于人體紅外檢測模塊，4個(gè)通用輸入輸出口用于電機控制，8個(gè)通用輸入輸出口用于4*4矩陣鍵盤(pán)。

　　3.3系統軟件架構

　　圖5：系統軟件架構

　　3.4 系統軟件流程

　　圖6：監控中心程序運行流程圖

　　系統上電后先對系統和GSM模塊進(jìn)行初始化，接著(zhù)更新系統時(shí)間，然后判斷現在是不是白天，如果是就繼續判斷系統是否收到信息，如果不是則檢查是否有新信息到來(lái)；在晚上，有新信息表示主機或者從機出現問(wèn)題，系統進(jìn)入信息處理階段，根據用戶(hù)設置有本地通知和短信通知兩種方式，如果用戶(hù)設置為短信通知，則系統只會(huì )通過(guò)短信通知用戶(hù)，而不會(huì )在本地發(fā)警報通知用戶(hù)；接著(zhù)進(jìn)行按鍵檢測，有按鍵按下則進(jìn)入按鍵處理程序，對系統進(jìn)行設置或者查看狀態(tài)；然后檢測有沒(méi)人接近，有則開(kāi)液晶顯示器和背光，沒(méi)有則將它們關(guān)掉；接著(zhù)又檢測是不是白天，如此循環(huán)。

　　在白天，系統檢查是否有信息，有信息則發(fā)警報通知用戶(hù)，并將信息刪除；接著(zhù)檢測太陽(yáng)位置和太陽(yáng)能電池電壓，如果太陽(yáng)能電池電壓低于設定值，標志位置位；如果太陽(yáng)能電池電壓沒(méi)有問(wèn)題，系統則驅動(dòng)電機將太陽(yáng)能電池轉向陽(yáng)光最大處，如果太陽(yáng)能電池在規定時(shí)間內轉不到指定位置則說(shuō)明轉向系統出現問(wèn)題，接著(zhù)判斷太陽(yáng)能電池是否有問(wèn)題，如果有，說(shuō)明太陽(yáng)能電池個(gè)電機模塊有問(wèn)題，如果沒(méi)有則再次對太陽(yáng)能電池電壓進(jìn)行采樣，將其與上一次采樣電壓進(jìn)行比較，兩次電壓相差不大，說(shuō)明電機有問(wèn)題；兩次電壓相差大，說(shuō)明位置檢測電阻有問(wèn)題，然后，報警通知用戶(hù)，至此程序完成一次循環(huán)。當前面太陽(yáng)能電池轉動(dòng)后到達指定位置后，系統進(jìn)入定時(shí)循環(huán)狀態(tài)，此時(shí)如果系統收到主機入網(wǎng)請求，則對主機進(jìn)行入網(wǎng)處理；沒(méi)有收到請求則會(huì )判斷是否有按鍵按下，有則進(jìn)行按鍵處理，沒(méi)有則檢測有沒(méi)人接近，有則開(kāi)液晶顯示器和背光，沒(méi)有則將它們關(guān)掉；如此循環(huán)，直到定時(shí)時(shí)間到。

　　圖7：主機程序運行流程圖

　　系統上電后先對系統、GSM模塊和2.4GHz無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行初始化，接著(zhù)向監控中心發(fā)送聯(lián)網(wǎng)請求，直到收到監控中心應答信號，允許入網(wǎng)。接著(zhù)通過(guò)監控中心發(fā)回信號更新系統時(shí)間，然后判斷現在是不是白天，如果是就判斷系統是否有錯誤信息，如果不是則發(fā)信息查詢(xún)從機狀態(tài)。在晚上，首先向從機發(fā)送查詢(xún)信息，如果在規定時(shí)間內收不到從機應答信號，說(shuō)明從機有問(wèn)題，錯誤標志置位；如果收到信息，系統亮燈，并對蓄電池電壓進(jìn)行檢測，如果蓄電池電壓小于設定值，說(shuō)明蓄電池有問(wèn)題，錯誤標志置位；如果蓄電池電壓大于設定值，則判斷路燈是否亮，路燈不亮，錯誤標志置位；路燈亮，判斷是否有錯誤置位，如果有，則想監控中心發(fā)送錯誤代碼直到收到監控中心應答信號，接著(zhù)判斷主機是否有錯誤，有則進(jìn)入待機模式等待檢修，沒(méi)有則進(jìn)入路燈工作模式。

　　首先檢測是否有人通過(guò)，有則進(jìn)行功率調整，使路燈處于正常發(fā)光模式，沒(méi)有則判斷是否到了晚上十二點(diǎn)，是則進(jìn)行功率調整，使路燈處于觸發(fā)工作模式，只有人經(jīng)過(guò)的時(shí)候才會(huì )亮燈。如果不是則判斷是否到了早上，是則進(jìn)行功率調整，使路燈處于正常工作模式，否則判斷是否到了白天，如果到了白天，則路燈熄滅，進(jìn)入白天儲能階段。如果還沒(méi)有到白天，則檢測沒(méi)有人經(jīng)過(guò)路燈的時(shí)間是否大于預定值，是則對路燈進(jìn)行功率調整，降低功耗；沒(méi)有則返回路人檢測程序段，如此循環(huán)。

　　在白天，系統檢查是否有錯誤信息，有則不執行下面程序，直到晚上；如果沒(méi)有錯誤信息，則接著(zhù)檢測太陽(yáng)位置和太陽(yáng)能電池電壓，如果太陽(yáng)能電池電壓低于設定值，標志位置位；如果太陽(yáng)能電池電壓沒(méi)有問(wèn)題，系統則驅動(dòng)電機將太陽(yáng)能電池轉向陽(yáng)光最大處，如果太陽(yáng)能電池在規定時(shí)間內轉不到指定位置則說(shuō)明轉向系統出現問(wèn)題，接著(zhù)判斷太陽(yáng)能電池是否有問(wèn)題，如果有，說(shuō)明太陽(yáng)能電池個(gè)電機模塊有問(wèn)題，如果沒(méi)有則再次對太陽(yáng)能電池電壓進(jìn)行采樣，將其與上一次采樣電壓進(jìn)行比較，兩次電壓相差不大，說(shuō)明電機有問(wèn)題；兩次電壓相差大，說(shuō)明位置檢測電阻有問(wèn)題，然后，報警通知用戶(hù)，至此程序完成一次循環(huán)。當前面太陽(yáng)能電池轉動(dòng)后到達指定位置后，系統進(jìn)入定時(shí)循環(huán)狀態(tài)，此時(shí)如果系統收到從機聯(lián)網(wǎng)請求，則對從機進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)處理；如此循環(huán)，直到定時(shí)時(shí)間到。

　　圖8：從機程序運行流程圖

　　從機程序運行流程圖與主機程序運行流程圖類(lèi)似，在此不再復述。

　　3.5 系統預計實(shí)現結果

　　在白天，太陽(yáng)能路燈處于蓄能狀態(tài)，控制電路通過(guò)光傳感器探知太陽(yáng)所在位置，并控制電機轉動(dòng)太陽(yáng)能電池跟蹤太陽(yáng)，使其能獲取更多的太陽(yáng)能轉換成電能儲存在蓄電池內；在晚上，從機首先進(jìn)行自檢，并將結果通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到主機，主機收到的同時(shí)也進(jìn)行自檢，將結果匯集后通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )向監控中心報告，監控中心發(fā)現問(wèn)題則通知管理人員處理；自檢結束后，從機和主機進(jìn)入照明模式，人體紅外感應模塊工作。當有人經(jīng)過(guò)，路燈進(jìn)入正常照明模式；當一段時(shí)間沒(méi)人經(jīng)過(guò)，則路燈進(jìn)入節能模式，發(fā)光強度有所下降。到了晚上十二點(diǎn)，由于該時(shí)段行人稀少，故路燈進(jìn)入觸發(fā)工作模式，只在有人經(jīng)過(guò)的情況下才會(huì )發(fā)光；到了早上路燈再次進(jìn)入正常照明模式直到天亮。