引言

城市照明的迅速發(fā)展在改善城市環(huán)境、完善城市功能、提高市民的生活素質(zhì)發(fā)揮重要作用的同時也加大了對能源的需求和消耗，加劇了城市供用電緊張。據(jù)中國照明學(xué)會統(tǒng)計，由于線路損耗、夜間超負荷運行等原因，城市道路照明的電能利用率不到65%,耗電總量占中國發(fā)電總量的2%左右，節(jié)能潛力巨大叫除此之外普通城市照明還存在監(jiān)控管理方式落后,安全性能較低等問題。

我國提出的建設(shè)資源節(jié)約型社會的目標和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的任務(wù)為上述問題的解決提供了很多思路。其中風力與太陽能互補路燈采用風能與太陽能為能源，無需開溝埋線，具有不受供電影響，不消耗常規(guī)電網(wǎng)能源，安裝簡便，綠色環(huán)保，無安全隱患等優(yōu)點，是解決上述問題的一種重要解決方案，具有極高的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

為了保證路燈的正常使用，使路燈始終工作在最優(yōu)狀態(tài),管理機構(gòu)需要對路燈的實時工作狀態(tài)進行監(jiān)控管理。但是在目前通常風光互補路燈的設(shè)計中，為了簡化布線，每個路燈均為一個獨立的光伏系統(tǒng)。圖1所示，每套路燈均由太陽能電池板、風力發(fā)電機、路燈控制器、蓄電池組、路燈燈頭以及架桿組成，各燈之間相互獨立，沒有線路連接，無法以傳統(tǒng)布線的方式對風光互補路燈的進行監(jiān)控和管理。

針對上述問題，論文引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的風光互補路燈照明智能控制系統(tǒng)，通過在每一盞路燈的控制器安裝ZigBee節(jié)點構(gòu)建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并在管理機構(gòu)搭建路燈智能監(jiān)控管理平臺，將管理機構(gòu)與每一桿路燈連接起來，最終實現(xiàn)管理機構(gòu)(監(jiān)管平臺)對每一盞路燈的工作狀況全方位的分布式自動/人工監(jiān)視和控制，進而實現(xiàn)風光互補路燈照明工作狀態(tài)的最優(yōu)化管理。

圖1傳統(tǒng)風光互補路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于ZigBee的道路照明智能控制系統(tǒng)主要由道路照明設(shè)施、ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、輔助決策系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心等幾部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中道路照明設(shè)施與ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)為一體化裝置，其ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由眾多接入相應(yīng)風光互補路燈智能控制器的無線傳感節(jié)點自組網(wǎng)形成，因此ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以完成對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有風光互補道路照明設(shè)施工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集，進而通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，完成對路燈的無線遠程狀態(tài)監(jiān)視；無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)也可以向道路照明設(shè)施控制器發(fā)送從數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)接收到的監(jiān)控中心相關(guān)控制命令，從而完成對路燈的無線遠程控制。

圖2道路照明智能控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

輔助決策系統(tǒng)主要由光照度采集傳感器、GPS模塊、溫濕度傳感器、風速風向傳感器、雨雪傳感器和網(wǎng)絡(luò)攝像機組成,主要用作對相應(yīng)區(qū)域內(nèi)道路照明設(shè)施控制的決策依據(jù)。該系統(tǒng)可以實時的通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將輔助決策數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心根據(jù)當前的氣象狀態(tài)數(shù)據(jù)向相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，從而完成對路燈工作狀態(tài)的控制。

2智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1智能路燈控制器

智能路燈控制器作完成了照明系統(tǒng)的發(fā)電控制、蓄電池供放電控制、路燈照明開閉及亮度控制等，是道路照明智能控制系統(tǒng)的核心部件，對道路照明系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用。考慮到論文設(shè)計的道路照明智能控制系統(tǒng)的光伏及風力發(fā)電的原理、蓄電池充放電工作原理、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)工作方式和道路照明的實際需求，論文設(shè)計了如圖3所示的風光互補路燈控制系統(tǒng)，包括了微處理器模塊、發(fā)電設(shè)備發(fā)電/充電控制管理模塊、蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、電源控制管理模塊、負載狀態(tài)采集模塊和負載輸出驅(qū)動控制模塊等，除此之外風力發(fā)電機、太陽能電池板、蓄電池組、LED路燈燈頭和無線通信模塊與控制器相連，最終與燈桿、燈架等設(shè)備組裝后安裝于道路兩側(cè)實現(xiàn)道路照明功能。

智能路燈控制器能夠完成的具體功能包括：外界氣象條件達到設(shè)備發(fā)電需求時，控制發(fā)電設(shè)備發(fā)電，在經(jīng)過整流、恒壓或升壓后控制向蓄電池組充電或向LED燈頭負載供電；對電池板和風機的電壓、電流進行檢測，通過MPPT算法追蹤其最大輸出功率點，使發(fā)電設(shè)備以最大輸出功率為蓄電池充電;對蓄電池組進行監(jiān)測控制，并控制完成過放電保護、過充電保護、短路保護、反接保護、極性保護和風機失速剎車等;控制節(jié)點自動接入路燈ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送當前節(jié)點的路燈系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，接收遠程監(jiān)控中心的控制命令，完成LED燈頭的開燈、關(guān)燈及亮度調(diào)節(jié)控制，太陽能電池板的朝向角度控制；對蓄電池剩余電量智能檢測，并根據(jù)風機與太陽能板的預(yù)期發(fā)電效率調(diào)整放電時間及光源亮度，盡可能延長照明時間；在發(fā)電設(shè)備發(fā)電量無法滿足LED負載照明時，控制蓄電池放電，驅(qū)動照明。

圖3道路照明智能控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

其中控制器微處理器采用德州儀器推出的ZigBee新一代SOC芯片CC2530,支持IEEE802.15.4標準/ZigBee/ZigBeeRF4CE和能源的應(yīng)用，芯片內(nèi)集成了ZigBee無線模塊，結(jié)合了一個完全集成的，高性能的RF收發(fā)器與一個業(yè)界標準增強型8051MCU，8KB的RAM，32/64/128/256KB閃存［3］。主要控制完成各個檢測數(shù)據(jù)的采集、太陽跟蹤算法的實現(xiàn)、步進電機的驅(qū)動以及相應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送和控制命令的接收等路燈控制器功能。

電力拖動模塊采用的步進電機控制電池板在高度角和方位角上進行變化，并通過限位傳感器判斷電機的轉(zhuǎn)動停止位置。并配置合適的蝸輪蝸桿減速機，由于蝸桿軸向力較大,機構(gòu)具有自鎖性，可實現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動蝸輪,而不能由蝸輪帶動蝸桿，防止電池板在大風天氣下反向拖動步進電機。

2.2ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)

ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)集成了ZigBee匯聚節(jié)點與GPRS網(wǎng)關(guān)模塊（或直接接入有線Internet網(wǎng)絡(luò)），主要作為ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)控中心的通信樞紐完成監(jiān)控中心控制命令的下傳和各路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)的上傳等工作，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)主要是通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接收太陽能板的旋轉(zhuǎn)角度、發(fā)電電壓和蓄電池充放電狀態(tài)等數(shù)據(jù),并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)控中心，完成實時監(jiān)控功能；或者通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將遠程控制數(shù)據(jù)廣播到各路燈控制器節(jié)點，以完成相應(yīng)的控制功能。

其中MCU+ZigBee模塊同樣采用新一代SOC芯片CC2530,E2PROM采用EEPROM24C系列存儲芯片，按鍵與顯示模塊完成人機交互。GPRS模塊采用HC-GPRS/232/T,該模塊是GPRS透明傳輸終端，內(nèi)置工業(yè)級GPRS模塊，具有RS232接口的工業(yè)設(shè)備無需更改任何軟件即可通過GPRS無線聯(lián)網(wǎng)，支持點對點、點對多通信。

3智能控制系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1太陽自動追蹤策略

由于地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的影響，太陽的高度角和方位角會在一年四季內(nèi)按照固定的規(guī)律發(fā)生變化，而太陽光在與太陽能電池板成垂直角度照射時，電池板接收光照強度最高，發(fā)電效率最好，因此論文以路燈套件中的電力拖動模塊為基礎(chǔ)設(shè)計了電池板的太陽追蹤策略，構(gòu)建太陽追蹤系統(tǒng)，保證太陽能板工作時始終處于較高的發(fā)電效率狀態(tài)［4］?？紤]到實際應(yīng)用需求，論文將太陽追蹤策略分為如流程圖3種工作狀態(tài)：

自動回位

在日落時，風光互補路燈主要依靠風機發(fā)電，若風機發(fā)電不足則依靠蓄電池組供電照明。此時需要太陽能電池板以限位傳感器為基準旋轉(zhuǎn)到初始垂直位置，等待次日的繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

自動控制模式

當遠程監(jiān)控中心通過布置于某區(qū)域的輔助決策系統(tǒng)監(jiān)測到該區(qū)域當前的氣象條件適合電池板正常發(fā)電時，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)向該區(qū)域各路燈控制器控制器發(fā)送控制命令，使其切換至自動控制模式。

在自動控制模式下，各路燈控制器定時通過固化于其存儲器中的自動控制策略根據(jù)當?shù)氐木暥?、當前的日期時間和太陽運行規(guī)律公式計算出任意時刻的太陽高度方位角，然后通過二維極軸電力拖動模塊，控制電池板旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的角度，實現(xiàn)高度角-方位角的全稱追蹤。

(3)遠程控制模式

當遠程監(jiān)控中心通過某區(qū)域的輔助決策系統(tǒng)監(jiān)測到該區(qū)域當前的氣象條件(如陰雨天氣等)無需電池板進行視日追蹤時，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)向該區(qū)域各路燈控制器控制器發(fā)送控制命令，使其切換至遠程控制模式。

此時路燈控制器根據(jù)遠程監(jiān)控中心管理系統(tǒng)或管理人員發(fā)出的控制命令，使電池板旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的位置，并在氣象條件無法滿足電池板發(fā)電條件時使其開路停止發(fā)電。

3.2ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計主要完成路燈ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在采用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)時，為了減少GPRS數(shù)據(jù)流量，在路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)時則不再實時上傳數(shù)據(jù)，而改為查詢方式，即只需要在上位機遠程監(jiān)控中心需要查看當時數(shù)據(jù)時，上傳相關(guān)數(shù)據(jù)叫其軟件流程如圖5所示。

圖5ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)的軟件流程圖

4結(jié)語

論文設(shè)計的基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的風光互補路燈照明智能控制系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的管理平臺使城市照明管理機構(gòu)對傳統(tǒng)獨立式安裝的每一盞路燈的工作狀況實現(xiàn)全方位的分布式自動/人工監(jiān)視和控制，實現(xiàn)風光互補路燈照明工作狀態(tài)的最優(yōu)化管理，提高了道路照明的智能化程度。

20211223_61c45df335b94__基于ZigBee的道路照明智能控制系統(tǒng)的設(shè)計