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基于Lora通信的太陽能路燈控制系統(tǒng)研究與設計

時間:2019年08月09日 分類:電子論文 次數(shù):

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,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)了相應的APP遠程監(jiān)控軟件,通過采用

  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,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)了相應的APP遠程監(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。

  關鍵詞:Lora;太陽能;路燈;智能控制

照明工程學報

  引言

  隨著太陽能光伏發(fā)電技術的不斷發(fā)展,太陽能光伏發(fā)電技術已經(jīng)被應用到路燈等照明系統(tǒng)中[1-2],基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能路燈得到了越來越廣泛的關注[3-4],為了解決傳統(tǒng)路燈只能進行分時段照明和人工控制的問題,本文研究設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)技術應用到太陽能智能路燈控制系統(tǒng)中,可以遠程監(jiān)控路燈運行狀況以及能源使用情況,不需要人為的報修,使路燈的維護變得更具高效、智能化。

  1太陽能路燈控制系統(tǒng)結構

  系統(tǒng)通過中央處理單元控制DC/DC變換器進行MPPT(最大功率點追蹤),將太陽能轉化為電能并存儲到蓄電池中,同時中央處理器結合太陽能電池板的輸出電壓、內(nèi)部時鐘,對當前光環(huán)境進行判斷,自動實現(xiàn)充電、照明兩種模式之間的轉換。通過Lora模塊,將路燈的位置,太陽能電池板的相關信息,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)絡將信息發(fā)送到遠程控制中心。

  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變換器負責蓄電池的充放電。由于路燈系統(tǒng)所處環(huán)境的光強度基本依靠太陽光,因此設計采樣電路采集太陽能板的輸出電壓可以對當前光環(huán)境進行檢測,采樣電路同時對太陽能板,蓄電池以及節(jié)能燈管的電流,電壓進行采樣。

  Lora通信模塊負責將路燈設置的參數(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。

  2Lora通信技術

  2.1Lora通信

  本設計采用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,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)各個路燈的唯一標識ID對路燈進行識別。若其中某節(jié)點距離集中器距離過遠,導致集中器之間通信質量較差,則選擇通過其他路燈作為中介,將數(shù)據(jù)及路燈唯一標識ID打包發(fā)送至通信質量較好的路燈,再由該路燈將數(shù)據(jù)轉發(fā)至集中器,最后發(fā)送至遠程控制端。集中器與服務器通過MQTT(MessageQueuingTelemetryTransport)協(xié)議進行通信,根據(jù)不同的集中器唯一ID標識符發(fā)布主題,對應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,當接收到遠程終端傳來的指令時,按照指令對各個參數(shù)進行設置并保存。參數(shù)設定完成后,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定的電壓時,若時間超過18時則視為天黑,轉換至照明模式,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行控制,同時通過MPPT最大功率追蹤使DC/DC變換器在設定輸出電壓范圍內(nèi)以最大功率輸出。

  對電池電量進行實時監(jiān)控,確保電池不過充,科學合理的保護蓄電池的壽命。在照明工作模式下,按照設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)中設置的功率工作,從天黑開始進入第一工作時段,一直延續(xù)到天亮。天亮時根據(jù)中央處理單元的RTC實時時鐘將天亮時間保存在RAM中,連續(xù)存儲前一周天亮時間來預測第二天的天亮時間。

  實時對路況進行檢測,當檢測到行人時,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)送到遠程終端,在電流電壓異常時發(fā)出警報,實現(xiàn)智能化的遠程監(jiān)控,使路燈的維護及管理更加人性化。

  4終端軟件設計

  遠程終端軟件設計,通過定位系統(tǒng)定位每個路燈位置,選擇對應路燈即可對路燈參數(shù)進行設置以及讀取路燈數(shù)據(jù)。

  5結束語

  本研究設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)了蓄電池電能科學合理利用。利用Lora技術實現(xiàn)低功耗,遠距離的路燈節(jié)點與集中器之間的自組網(wǎng)絡,再由集中器遠程終端建立連接,通過遠程終端對路燈系統(tǒng)進行監(jiān)控,實現(xiàn)了路燈的智能化,人性化的科學管理。

  參考文獻:

  [1]張志宏,華前斌.基于MPPT光伏LED路燈照明系統(tǒng)設計[J].中國新技術新產(chǎn)品,2018(1):35-36.

  [2]陳國棟,羅素芹,劉文斌,等.基于改進相似日的光伏系統(tǒng)日發(fā)電量預測[J].照明工程學報,2018,29(3).

  [3]李家熹.太陽能風能在高速公路中的應用分析[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),2018(5X):5-6.

  [4]黃進.智能全功率MPPT風光互補路燈控制器設計[J].測控技術,2018,37(06):138-144.

  相關刊物推薦:《照明工程學報》(CHINA ILLUMINATING ENGINEERING JOURNAL)于1992年創(chuàng)刊,是中國照明學會主辦的全國性學術刊物,被中國學術期刊網(wǎng)絡出版總庫、中國數(shù)字化期刊群、中文科技期刊數(shù)據(jù)庫、中國學術期刊文摘、中郵閱讀網(wǎng)等收錄,2009年入選為中文核心期刊,2012年入選中國核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫。CN 11-3029/TM,ISSN 1004-440X。