CN103338549A - 基于物联网的自适应太阳能路灯结构 - Google Patents

基于物联网的自适应太阳能路灯结构 Download PDF

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潘雷
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王秀丽
彭桂力
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Abstract

本发明提供一种基于物联网的自适应太阳能路灯结构，该结构通过网关与监控中心无线连接，所述自适应太阳能路灯结构包括有太阳能电池板、DC/DC变换电路、蓄电池、LED灯头、控制模块及无线通信模块；太阳能电池板的输出与DC/DC变换电路相连，经调节后的输出一路与蓄电池相连，另一路与LED灯头相连，控制模块与DC/DC变换电路、蓄电池、太阳能电池板及无线通信模块相连。本发明的效果是提高了太阳能电池板的转化效率，使太阳能电池板的面积减少20%，整机生产成本下降12%；节约能源，减少二氧化碳排放量；全面提升道路照明的管理效率，管理人员可获得准确的路灯管理信息，节省人工巡灯工作以及相关的各种开支。

Description

基于物联网的自适应太阳能路灯结构
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电技术，特别是一种基于物联网的自适应太阳能路灯结构。
背景技术
随着环境污染、生态破坏及资源枯竭的日趋严重。近年来，世界各国竞相实施了可持续发展的能源策略，其中利用太阳提供能量的光伏发电最受瞩目。太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区。
太阳能路灯的关键部件之一—太阳能电池板，其较高造价占整个太阳能路灯系统造价的比重很大，且转换效率还比较低。若能提高太阳能电池板的效率，太阳能路灯的成本便会随之下降；随着网络技术的成熟，基于各种网络的智能型太阳能路灯已成为发展趋势。在基于ZigBee和GPRS的太阳能路灯照明系统中，经常由于传输网络的拥塞，造成一些控制信息丢失，影响控制系统的使用质量。
发明内容
针对上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于物联网的自适应太阳能路灯结构，采用神经网络自适应方法跟踪太阳能电池板的最大功率输出，以利于提高太阳能电池板的转化效率，降低路灯成本，并根据环境的变化自动调整路灯亮度，还可以对所有路灯进行实时监控，提升道路照明的管理效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于物联网的自适应太阳能路灯结构，该结构通过ZigBee/GPRS网关与监控中心无线连接，其中：所述自适应太阳能路灯结构包括有太阳能电池板、DC/DC变换电路、蓄电池、LED灯头、控制模块及无线通信模块；太阳能电池板的输出与DC/DC变换电路相连，经调节后的输出一路与蓄电池相连，另一路与LED灯头相连，控制模块与DC/DC变换电路、蓄电池、太阳能电池板及无线通信模块相连。
本发明的效果是通过实时准确地跟踪太阳能电池板的最大功率输出，提高了太阳能电池板的转化效率，使太阳能电池板的面积减少20%，整机生产成本下降12%；根据环境的变化自动调整路灯亮度；节约能源，减少二氧化碳排放量；通过路由算法解决了由于网络的拥塞导致的一些控制信息在传输过程中的丢失；全面提升道路照明的管理效率，管理人员可获得准确的路灯管理信息，节省人工巡灯工作以及相关的多种开支。
附图说明
图1为本发明的主机结构示意图；
图2为本发明的DC/DC变换电路；
图3为本发明的OIF-Elman神经网络结构图；
图4为本发明的MPPT系统控制原理图；
图5为本发明的ZigBee/GPRS网关示意图；
图6为本发明的通信平台示意图；
图7为本发明的网络路由的流程图。
图中：
1、太阳能电池板  2、DC/DC变换电路  3、蓄电池  4、LED灯头
5、控制模块      6、无线通信模块
具体实施方式
结合附图对本发明的基于物联网的自适应太阳能路灯结构加以说明。
本发明的基于物联网的自适应太阳能路灯结构设计思想是采用智能神经网络控制策略实现优化控制，着重解决光伏器件模型辨识方法的广泛的自适应性，设计出具有通用性的控制器，使之具有在日照强度及环境温度大范围变化时，仍然可以快速、准确地跟踪到太阳能电池的最大功率点，以提高其利用率，并根据环境变化自动调整亮度，具有较好的稳定性，对于降低整个太阳能路灯系统造价有着重要意义。针对我国市区照明系统中存在的路灯控制器路由算法、监控不便等问题，通过基于蚁群算法和传统路由算法相结合的单灯调光节能控制器动态路由算法，采用Zigbee与GPRS进行数据传输，实现了单灯智能化远程实时无线监控，并解决了由于网络的拥塞导致的一些控制信息在传输过程中的丢失。
本发明的基于物联网的自适应太阳能路灯结构，在该结构中,每一盏太阳能路灯通过本身的ZigBee无线通信模块6与相邻路灯的ZigBee无线通信模块6组成自组织传感网，并通过ZigBee/GPRS网关与监控中心无线连接，所述自适应太阳能路灯结构包括有太阳能电池板1、DC/DC变换电路2、蓄电池3、LED灯头4、控制模块5及无线通信模块6。
所述太阳能电池板1的输出与DC/DC变换电路2相连，经调节后的输出一路与蓄电池3相连，另一路与LED灯头4相连，控制模块5与DC/DC变换电路2、蓄电池3、太阳能电池板1及无线通信模块6相连。所述太阳能电池板1为功率30W*2、开路电压17.2V的多晶硅。所述DC/DC变换电路2即直流/直流变换电路为Cuk电路。所述蓄电池3为DC12V、100Ah的深循环硅胶电池，环境温度为-45℃-50℃。所述LED灯头4为DC12V、30W，电流1.67A，色温3600K。所述控制模块5为DC12V电源、MSP430F149的单片机。所述无线通信模块6为利用ZigBee/GPRS技术由CC2530芯片和SIM900B模块及单片机构成的通信模块实现与监控中心的无线数据通信。
本发明的基于物联网的自适应太阳能路灯结构功能是这样实现的：
1、本发明的基于物联网的自适应太阳能路灯结构包括有：太阳能电池板1、DC/DC变换电路2、蓄电池3、LED灯头4、控制模块5和无线通信模块6。如图1所示的主机结构，太阳能电池板1输出经DC/DC变换电路调节后，直接与蓄电池3连接。系统主控芯片采用MSP430F149单片机，实现太阳能电池板1电压采集、蓄电池3电压采集，控制DC/DC变换电路2输出，以调整蓄电池3的充电过程及LED灯头4的亮度，并实现基于物联网的LED灯头4与监控中心的无线连接。
2、光伏电源的最大功率点跟踪
为了使在负载变化较大时系统有较大的灵活性和较高的转换效率，本基于物联网的自适应太阳能路灯结构的DC/DC变换电路2主电路采用如图2所示的Cuk电路，使得输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入，输出进行滤波。
由于光阵列受光照、环境温度、摆放位置、角度等因素的影响，工作特性变化很大，采用一般经验或其他跟踪方法，难以有效跟踪光阵列的最大功率输出点。神经网络理论上可以逼近任意非线性函数，从而实现太阳能照明系统的建模、辨识和控制。本基于物联网的自适应太阳能路灯结构采用OIF-Elman神经网络算法的最大功率跟踪（MPPT）控制，即将太阳能电池板1和MPPT系统作为一个整体，直接根据负载电压、电流的变化来控制Cuk变换器的占空比从而实现MPPT控制。神经网络的四个输入信号为光照强度L、采样电压Vout、采样电流Iout及电池板的温度T。经训练后的神经网络得到一组优化模型。将优化模型中的数据作为最大功率输出时的目标电压值
Figure BDA00003157951900041
该值与实际反馈电压Vout比较，经PI调节器输出Vin去控制Cuk电路的输出电压，使太阳能电池板始终输出最大了功率。并且神经网络具有在线学习的功能，使系统在日照强度及环境温度大范围变化时仍可以快速、准确地跟踪太阳能电池板的最大功率点自适应能力强。OIF-Elman神经网络结构图如图3所示。和传统的Elman神经网络相比,OIF-Elman神经网络增加了输出层对输入层的反馈,并将该反馈信号一同参与训练和计算,使神经网络从有限的训练样本中获得更多特征信息。由于采用OIF-Elman神经网络，使系统在训练样本较少的情况下仍有良好的稳定性。MPPT系统控制原理图如图4所示。
3、系统通信平台
该系统以ZigBee/GPRS混合通信的方式组成有线与无线相结合的广域通信网络。
Zighee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它的底层采用IEEE802.15.4标准,工作在2.4GHz频段，数据传输速率最高可以达到25OKb/s，即2.4GHz,通常有效传输距离在100米以内，由于相邻两个路灯间距离一般不超过50米，需要传输的控制信令和状态信息很少，因此Zighee技术完全可以满足单灯控制的需求。每个路灯上均装有与ZigBee控制模块相连的无线通信模块6，用于采集该路灯所要上传的路灯状态信息和接受由监控中心下传该路灯的控制命令。每个路灯的ZigBee模块与邻近路灯的ZigBee控制模块组成自组织无线传感网络。
GPRS技术充分利用了GSM宝贵的无线信道资源，提高了信道的利用率。GSM优秀的网络覆盖面，保证GPRS数据传输稳定，对于路灯节能控制是一个优秀的通信资源。
每条路灯线路上的无线通信模块6至少有一个是ZigBee/GPRS网关。ZigBee/GPRS网关示意图如图5所示。网关由单片机、ZigBee模块和GPRS模块组成，其中ZigBee控制模块负责与该路段中所有路灯上的无线终端进行信息传递，将接收到的数据转发给单片机进行处理，或者将来自单片机的数据无线发送给其他所有的无线终端或某一个无线终端，这样就实现了对路灯的检测和控制。单片机会将这些检测和控制数据进行处理，GPRS模块负责网关与监控中心之间的数据传输。监控中心基于静态IP建立互联网出入口。监控主机设备实现基于GSM公网实现与互联网(Internet)的数据交换。采用上述组网技术，管理者可以在任何一个可进入互联网的地方对系统进行有效的调度和信息查询，可以通过登录操作读取所管理的市区中任何一盏路灯的状态信息，并可以对它进行调光控制。通信平台示意图如图6所示。
4、动态路由算法
根据蚁群算法的正反馈机制，采用基于蚁群算法和一般路由算法相结合的单灯调光控制动态路由算法，以便网络性能尽可能地发挥得更好。
采用蚁群算法解决一般网络路由问题的歩骤：
（1）发现所有能够将信号源节点和目的节点之间连接的路径。
（2）根据路径信息素、网络路由等综合考虑指标，运用概率决策规则来确定当前蚂蚁通过的路径。
（3）按照当前蚂蚁通过的路径，从源节点开始到目标节点返回，同时在经过的道路上留下信息素。
（4）需要决定是否启用蒸发函数来蒸发所有路径上的信息素的功能。
蚁群算法实现网络路由流程图，如图7所示。
5、调度功能
该系统可以根据指令对任意一盏或多盏灯的功率进行调光或熄灭,可在监控终端上设置多种调光预案，并自动执行，而不依赖监控中心。采用精确控制技术达到精细管理效果，从而实现按需照明。
6、监控功能
系统可以对每一盏单灯的工作状态进行检测，对于单盏路灯的故障能及时发现并进行统计，代替了传统的人工巡检工作。
7、主要技术指标
Figure BDA00003157951900071

Claims (7)

1.一种基于物联网的自适应太阳能路灯结构，该结构通过ZigBee/GPRS网关与监控中心无线连接，其特征是：所述自适应太阳能路灯结构包括有太阳能电池板（1）、DC/DC变换电路（2）、蓄电池（3）、LED灯头（4）、控制模块（5）及无线通信模块（6）；
太阳能电池板（1）的输出与DC/DC变换电路（2）相连，经调节后的输出一路与蓄电池（3）相连，另一路与LED灯头（4）相连，控制模块（5）与DC/DC变换电路（2）、蓄电池（3）、太阳能电池板（1）及无线通信模块（6）相连。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的自适应太阳能路灯结构，其特征是：所述太阳能电池板（1）为功率30W*2、开路电压17.2V的多晶硅。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的自适应太阳能路灯结构，其特征是：所述DC/DC变换电路（2）即直流/直流变换电路为Cuk电路。
4.根据权利要求1所述的基于物联网的自适应太阳能路灯结构，其特征是：所述蓄电池（3）为DC12V、100Ah的深循环硅胶电池，环境温度为-45℃-50℃。
5.根据权利要求1所述的基于物联网的自适应太阳能路灯结构，其特征是：所述LED灯头（4）为DC12V、30W，电流1.67A，色温3600K。
6.根据权利要求1所述的基于物联网的自适应太阳能路灯结构，其特征是：所述控制模块（5）为DC12V电源、MSP430F149的单片机。
7.根据权利要求1或6所述的基于物联网的自适应太阳能路灯结构，其特征是：所述无线通信模块（6）由为CC2530芯片和SIM900B模块及单片机构成，通过所述ZigBee/GPRS网关与监控中心的无线数据通信。
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