CN103987161A - 一种风光互补智能型太阳能led路灯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统，包括系统中心、包括若干集中控制器的集中控制层以及包括若干单灯控制器的单灯控制层。本发明将风光互补路灯的控制及通信模块整合起来，用于管理风光互补智能路灯。

Description

一种风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统

技术领域

本发明涉及太阳能LED路灯控制系统领域，具体地说，属于一种风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统。

背景技术

风光互补LED路灯的出现和发展凸显了2l世纪节能环保型工业社会的发展方向，但这种路灯的控制方式基本上还停留依靠光电控制或值班人员进行手动控制的阶段。这些控制方式带来了不稳定、低可靠性，严重阻碍了风光互补LED路灯系统的普及和推广。应用于普通路灯的物联网智能控制方式可以应用与风光互补路灯，但是由于其物联网模块与风光互补控制模块是分开的，因此控制中心无法读取风光互补路灯的蓄电池、风机、太阳能板等部件的状态信息，也就无法进一步判断其健康状态。如何保证路灯的安全稳定可靠运行、及时检测和了解路灯的运行情况将成为新的问题和难点。

发明内容

为解决背景技术中的问题，本发明提供一种解决了通讯距离，管理模式，连续阴雨天工作能力差等诸多问题，实现远程无线集中控制风光互补路灯，达到智能管理目的的风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统。

本发明的技术方案是：

一种风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统，包括系统中心、包括若干集中控制器的集中控制层以及包括若干单灯控制器的单灯控制层；系统中心包括处理器，处理器连接有数据库储存模块和实时采集控制模块；集中控制层包括若干集中控制器，集中控制器包括电路板，电路板上设置有处理器，处理器电连接有设置在电路板上的ZigBee通信模块、GPRS模块、Flasn模块和RAM；所述ZigBee通信模块和GPRS模块分别连接有天线；单灯控制层包括若干单灯控制器，单灯控制器包括电路板，电路板电连接处理器，处理器电连接有设置在电路板上的ZigBee通信模块、数据采集模块、升压横流驱动模块、BUCK变化器、BOOST变换器；所述ZigBee通信模块连接有天线；单灯控制器、集中控制器和系统中心通过无线信号连接。

作为一种优化的技术方案，所述单灯控制器中的BUCK变化器连接有太阳能发电装置，BOOST变换器连接有风力发电装置，所述BUCK变化器和BOOST变换器连接有蓄电池，蓄电池连接升压横流驱动模块，升压横流驱动模块电连接LED路灯；所述LED路灯内设置有传感器，传感器电连接数据采集模块，数据采集模块电连接处理器。

作为一种优化的技术方案，所述集中控制器用于接收单灯控制器内的ZigBee通信模块发出的信号，把ZigBee转成GPRS信号传输到系统中心；或者接收系统中心的GPRS命令信号，转换成ZigBee信号，传输给单灯控制器实现对LED路灯进行控制。

作为一种优化的技术方案，所述系统中心用于收集集中控制器传输过来的LED路灯的数据信息；所述系统中心中的处理器包括服务器和WEB服务器，服务器连接有数据库储存模块、实时采集控制模块、大屏幕投影显示设备、路灯智能测控系统软件以及打印机，负责实时监控LED路灯的工作情况、查询工作记录和对路灯的实时控制。

作为一种优化的技术方案，所述LED路灯内设置有位移传感器和振动传感器，位移传感器和振动传感器电连接处理器。

本发明还详细说明了风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统的工作原理，原理如下：

1）、组建网络：系统中心、集中控制层以及单灯控制层上电，系统中心内服务器的控制软件组建网络，并且等待集中控制器中的ZigBee通信模块加入，等到验证结束后加入到网络；集中控制器中的ZigBee通信模块通过无线信号连接单灯控制器内的ZigBee通信模块；单灯控制器具有唯一的身份编码，上电后首先寻找指定的协议器加入网络，如果加入网络不成功，会不停寻找协调器申请加入网络，直到加入网络；

2）、计算剩余电量：系统中心的WEB服务器抽取若干单灯控制器内蓄电池的数据，取平均值，从而判断蓄电池总体剩余电量，并结合天气预报，控制LED路灯的工作电流；

3）、单灯控制：单灯控制器内的处理器将数据采集模块、BUCK变化器和BOOST变换器中的信号传输给ZigBee通信模块，ZigBee通信模块通过天线将信号传递给集中控制器；

4）、集中控制：集中控制器中的ZigBee通信模块接收到相关区域内单灯控制器传输过来的ZigBee信号，并将ZigBee信号信号转换成GPRS信号，GPRS信号传输给系统中心；

5）、系统中心控制：系统中心的服务器内设置有路灯智能测控系统软件，路灯智能测控系统软件通过实时采集控制模块接收的GPRS信号，根据GPRS信号分析出LED路灯的实时数据信息；路灯智能测控系统软件分为实时数据采集与控制、数据存储管理以及Web服务管理三大模块；

其中实时采集数据与控制模块负责通过GPRS采集各个LED路灯的实时状态数据，以及对各个LED路灯的工作模式进行设置；数据存储管理模块负责LED路灯、用户、区域、实时状态数据信息的数据库管理操作，以及数据缓冲区的管理；Web服务模块提供服务器应用程序模块的访问界面和LED路灯的信息访问和控制界面；另外，Web服务模块还要对监控端的访问权限进行控制，过滤监控端的请求，并控制信息，处理多个监控端的请求和控制的同步和优先级问题，从而保证系统的安全性和稳定性。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比较，本发明采用Zigbee技术与GPRS技术相结合无线簇状网络架构作为数据传输媒介，包含单灯控制器、集中控制器及监控中心三层，也同时包含了相对应的软件系统。

本发明将风光互补路灯的控制及通信模块整合起来，用于管理风光互补智能路灯，智能管理蓄电池充放电、电流电压监控、整体监控，单灯监控，定时监控，故障回报，参数采集，历史查询，收集路灯发送过来的带有路灯工作状态的数据信息，管理整个城市的路灯。

本发明能够节省大量电费。一盏120WLED的风光互补太阳能路灯可相当于一盏300W高压钠灯，一年节省电费1000-1300元。

本发明维护费用低，传统灯具每年更换一到二次为例，每年可节省维护成本约2000元左右。

本发明通过天气预报结合蓄电池剩余电量，智能调节路灯电流，延长连续阴雨天的工作时间。

本发明节省了大量铺设电线的费用及建设变电站的费用，节能环保，智能控制系统代替传统的人工控制，节省大量的人力物力。

附图说明

图1为本发明一种实施例中单灯控制器的结构原理框图；

图2为本发明一种实施例中集中控制器的结构原理框图。

具体实施方式

实施例

如图1、图2所示，一种风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统，包括系统中心、包括若干集中控制器的集中控制层以及包括若干单灯控制器的单灯控制层。系统中心包括处理器，处理器连接有数据库储存模块和实时采集控制模块；集中控制层包括若干集中控制器，集中控制器包括电路板，电路板上设置有处理器，处理器电连接有设置在电路板上的ZigBee通信模块、GPRS模块、Flasn模块和RAM；所述ZigBee通信模块和GPRS模块分别连接有天线；单灯控制层包括若干单灯控制器，单灯控制器包括电路板，电路板电连接处理器，处理器电连接有设置在电路板上的ZigBee通信模块、数据采集模块、升压横流驱动模块、BUCK变化器、BOOST变换器；所述ZigBee通信模块连接有天线；单灯控制器、集中控制器和系统中心通过无线信号连接。

所述单灯控制器中的BUCK变化器连接有太阳能发电装置，BOOST变换器连接有风力发电装置，所述BUCK变化器和BOOST变换器连接有蓄电池，蓄电池连接升压横流驱动模块，升压横流驱动模块电连接LED路灯；所述LED路灯内设置有传感器，传感器电连接数据采集模块，数据采集模块电连接处理器。

所述集中控制器用于接收单灯控制器内的ZigBee通信模块发出的信号，把ZigBee转成GPRS信号传输到系统中心；或者接收系统中心的GPRS命令信号，转换成ZigBee信号，传输给单灯控制器实现对LED路灯进行控制。

所述系统中心用于收集集中控制器传输过来的LED路灯的数据信息；所述系统中心中的处理器包括服务器和WEB服务器，服务器连接有数据库储存模块、实时采集控制模块、大屏幕投影显示设备、路灯智能测控系统软件以及打印机，负责实时监控LED路灯的工作情况、查询工作记录和对路灯的实时控制。

所述LED路灯内设置有位移传感器和振动传感器，位移传感器和振动传感器电连接处理器。

本发明还详细说明了风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统的工作原理，原理如下：

1）、组建网络：系统中心、集中控制层以及单灯控制层上电，系统中心内服务器的控制软件组建网络，并且等待集中控制器中的ZigBee通信模块加入，等到验证结束后加入到网络；集中控制器中的ZigBee通信模块通过无线信号连接单灯控制器内的ZigBee通信模块；单灯控制器具有唯一的身份编码，上电后首先寻找指定的协议器加入网络，如果加入网络不成功，会不停寻找协调器申请加入网络，直到加入网络；

2）、计算剩余电量：系统中心的WEB服务器抽取若干单灯控制器内蓄电池的数据，取平均值，从而判断蓄电池总体剩余电量，并结合天气预报，控制LED路灯的工作电流；

3）、单灯控制：单灯控制器内的处理器将数据采集模块、BUCK变化器和BOOST变换器中的信号传输给ZigBee通信模块，ZigBee通信模块通过天线将信号传递给集中控制器；

4）、集中控制：集中控制器中的ZigBee通信模块接收到相关区域内单灯控制器传输过来的ZigBee信号，并将ZigBee信号信号转换成GPRS信号，GPRS信号传输给系统中心；

5）、系统中心控制：系统中心的服务器内设置有路灯智能测控系统软件，路灯智能测控系统软件通过实时采集控制模块接收的GPRS信号，根据GPRS信号分析出LED路灯的实时数据信息；路灯智能测控系统软件分为实时数据采集与控制、数据存储管理以及Web服务管理三大模块；

其中实时采集数据与控制模块负责通过GPRS采集各个LED路灯的实时状态数据，以及对各个LED路灯的工作模式进行设置；数据存储管理模块负责LED路灯、用户、区域、实时状态数据信息的数据库管理操作，以及数据缓冲区的管理；Web服务模块提供服务器应用程序模块的访问界面和LED路灯的信息访问和控制界面；另外，Web服务模块还要对监控端的访问权限进行控制，过滤监控端的请求，并控制信息，处理多个监控端的请求和控制的同步和优先级问题，从而保证系统的安全性和稳定性。

下面将详细说明上述软硬件条件下的其中一种工作方式。特别说明的是，下述工作方式只是其中一种，而不是唯一的工作方式。

具体工作时，本实施例采用的是Zigbee技术与GPRS技术相结合无线簇状网络架构作为数据传输媒介，包含单灯控制器、集中控制器及监控中心三层，也同时包含了相对应的软件系统。

单灯控制器除了实现与控制中心的通信功能以外，还承担着充放电管理的任务，主要包括风电管理、光电管理和蓄电池充放电管理三部分，这些任务的驱动全部在单片机中。单片机根据从系统中心来的天气信息控制风力发电机组、太阳能电池阵列的运行方式和开断情况，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，一方面把调整后的电能直接送往直流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，从而保证负载的正常供电以及系统各个部分的安全运行和整个系统工作的连续性和稳定性。同时单片机通过ZigBee通信模块不断把路灯各部件的状态信息发送到系统中心，使得其可以及时了解各部件的异常。例如，当风机的速度超过设定最高值时，系统会发出警报，工作人员或者系统进行自动判断是否要启动卸荷电路。单片机还负责对蓄电池进行全面的管理，根据各部件的健康状况，可以方便地更改及设定各个关键参数点，比如蓄电池的过充点、过放点，恢复连接点等。

简单地说，单灯控制器就是一个“开关”。对于风力发电部分，当风力发电机发出的交流电经整流后，如蓄电池电压低于系统设定的电压时，控制器使充电电路接通，风力发电机向蓄电池充电，当蓄电池电压上升达到保护电压时，充电控制开关电路截止，风力发电机停止向蓄电池充电，以免蓄电池过充电。但是，根据蓄电池的充电特性，这时，蓄电池电压会慢慢下降，为防止蓄电池充电不足，当其电压下降到一定值时，充电控制开关导通，对蓄电池进行自动补充充电，该状态一直保持到下一次充电保护为止。

由于太阳能、风能在各时段、季节分布是不均匀的，为了保证照明的不间断稳定运行，避免出现电量耗尽，路灯不亮的情况，本发明结合系统中心发出的天气预报信号，实现智能控制，在天气状况较差的情况下，智能调节蓄电池输出电流，延长路灯使用时间。

延长路灯使用时间的具体控制策略如下：系统中心在开灯前抽样读取某几个蓄电池的电压，取平均值，从而判断蓄电池的整体剩余电量，并结合天气预报，来控制路灯的工作电流。I=pCI0，其中I是实时供电电流；I0为原设定的路灯供电电流，即在天气晴朗，风力充足，路灯的供电电流；p为蓄电池剩余电量百分比；本系统中，将天气状况和风速的大小分别分级，并按照实验结果将天气情况Cq及风力等级Cf的赋值，如表1所示，C为天气系数，                                                分别描述了未来n天天气及风力情况，并使得1≥pC≥0.4（pC大于1.0的当作1，小于0.4的作0.4）。

表1 天气系数C _q 及风力系数C _f 的值

天气状况	C q	风力等级	C f
				晴朗	1.5	大于6级	1.4
多云	0.8	5级	1.0
				阴	0.5	4级	0.7
雨	0.3	3级	0.4
				阴雨	0.1	2级	0.2
		1级	0.08
						0级	0

根据这几个参数，可以智能地调节路灯电流，从而延长路灯的工作时间。例如60W的路灯，在天气晴朗，风力充足的条件下，设定的初始电流为1.2A，半夜1点后半功率电流为0.6A。现在假设蓄电池剩余电量为80%，未来五天，晴朗天气为1天，多云天气为1天，剩余3天阴雨天气。而风力等级为4的有2天，等级为3的有3天。则I=80%×(1.5+0.8+0.1×3+0.7×2+0.4×3)/5×I0=0.83 I0，即开灯时初始电流为1A，半功率电流为0.5A。

ZigBee 模块与单片机经串口通信，负责与该路段中所有路灯上的无线终端进行信息传递，单片机将接收到的路灯信息数据以及环境信息传输到ZigBee 通信模块，ZigBee 通信模块将信息数据无线发送到集中控制器，同时ZigBee 通信模块将接收到控制命令转发给单片机进行处理，这样就实现了对路灯的检测和控制。单灯控制器ZigBee终端还起到了ZigBee网络中的路由作用，可在ZigBee网络中转发信息，扩大同络的覆盖范围。

在本实施例中，每一个单灯控制器还有一个固定独一的身份编码．用于身份识别和控制。单灯控制器上电后，会首先寻找指定的协议器加入网络，如果加入网络不成功终端会不停寻找协调器申请加入网络，否则该终端就不受系统监控。成功加入网络后，终端就在系统监控状态下。各个终端同时可承担命令传递的功能，能够将系统的通讯距离无限延伸。终端在监控状态下，主要执行协调器下发的命令．执行通过控制路灯的亮度，上传路灯工作信息，上传现场照度信息等操作。

在风光互补路灯扩展到一定的范围，例如一整条街道上，会有一个配电柜，配电柜中装配集中控制器，集中控制中采用GPRS公共无线网络与ZigBee无线集群结合的模式，由MCU完成两种通信协议的转换。

集中控制上电后，首先组建网络，等待网络内的规定的ZigBee终端的加入，如果终端申请加入网络将会首先对其身份进行验证，验证通过后允许加入网络。同时协调器将服务器端的控制命令和控制规则进行解析，根据服务器的要求将控制命令发送给相应的终端，比如配置路灯控制信息，读取路灯状态，读取传感器信息，设置照度等。

基于windows的程序开发。采用浏览器/服务器（B/S）与客户机/服务器（C/S）相结合的组网方案，并支持Internet远程查询和访问。服务器采用Windows  XP/WIN7中文版操作系统和SQL Server 2000数据库平台，可以与Internet实现连接，实现远程访问。监控中心客户端和集中控制器通过GPRS网络TCP／IP协议进行通讯。

根据系统的总体结构，路灯远程监控软件可分为实时数据采集与控制、数据存储管理以及Web服务管理三大模块，其逻辑结构见图。其中实时采集数据与控制模块负责通过GPRS采集各个路灯结点的实时状态数据，以及对个路灯结点的工作模式等进行设置；数据存储管理模块负责路灯结点、用户、区域、实时状态数据等信息的数据库管理操作，以及数据缓冲区的管理；Web服务模块提供服务器应用程序模块的访问界面和路灯结点的信息访问和控制界面。另外，该模块还要对监控端的访问权限进行控制，过滤监控端的请求，并控制信息，处理多个监控端的请求和控制的同步和优先级问题，从而保证系统的安全性和稳定性。监控端通过Web页面激活服务器的相应应用程序模块，传递信息服务请求和控制命令。

本发明不局限于上述的优选实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或者相近似的技术方案，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统，包括系统中心、包括若干集中控制器的集中控制层以及包括若干单灯控制器的单灯控制层；

系统中心包括处理器，处理器连接有数据库储存模块和实时采集控制模块；

集中控制层包括若干集中控制器，集中控制器包括电路板，电路板上设置有处理器，处理器电连接有设置在电路板上的ZigBee通信模块、GPRS模块、Flasn模块和RAM；所述ZigBee通信模块和GPRS模块分别连接有天线；

单灯控制层包括若干单灯控制器，单灯控制器包括电路板，电路板电连接处理器，处理器电连接有设置在电路板上的ZigBee通信模块、数据采集模块、升压横流驱动模块、BUCK变化器、BOOST变换器；所述ZigBee通信模块连接有天线；

单灯控制器、集中控制器和系统中心通过无线信号连接。

2.根据权利要求1中所述的风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统，其特征在于：所述单灯控制器中的BUCK变化器连接有太阳能发电装置，BOOST变换器连接有风力发电装置，所述BUCK变化器和BOOST变换器连接有蓄电池，蓄电池连接升压横流驱动模块，升压横流驱动模块电连接LED路灯；所述LED路灯内设置有传感器，传感器电连接数据采集模块，数据采集模块电连接处理器。

3.根据权利要求2中所述的风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统，其特征在于：所述集中控制器用于接收单灯控制器内的ZigBee通信模块发出的信号，把ZigBee转成GPRS信号传输到系统中心；或者接收系统中心的GPRS命令信号，转换成ZigBee信号，传输给单灯控制器实现对LED路灯进行控制。

4.根据权利要求3中所述的风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统，其特征在于：所述系统中心用于收集集中控制器传输过来的LED路灯的数据信息；所述系统中心中的处理器包括服务器和WEB服务器，服务器连接有数据库储存模块、实时采集控制模块、大屏幕投影显示设备、路灯智能测控系统软件以及打印机，负责实时监控LED路灯的工作情况、查询工作记录和对路灯的实时控制。

5.根据权利要求4中所述的风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统，其特征在于：所述LED路灯内设置有位移传感器和振动传感器，位移传感器和振动传感器电连接处理器。

6.根据权利要求5中所述的风光互补智能型太阳能LED路灯控制系统的工作步骤，其特征在于：步骤如下：

1）、组建网络：系统中心、集中控制层以及单灯控制层上电，系统中心内服务器的控制软件组建网络，并且等待集中控制器中的ZigBee通信模块加入，等到验证结束后加入到网络；集中控制器中的ZigBee通信模块通过无线信号连接单灯控制器内的ZigBee通信模块；单灯控制器具有唯一的身份编码，上电后首先寻找指定的协议器加入网络，如果加入网络不成功，会不停寻找协调器申请加入网络，直到加入网络；

2）、计算剩余电量：系统中心的WEB服务器抽取若干单灯控制器内蓄电池的数据，取平均值，从而判断蓄电池总体剩余电量，并结合天气预报，控制LED路灯的工作电流；

3）、单灯控制：单灯控制器内的处理器将数据采集模块、BUCK变化器和BOOST变换器中的信号传输给ZigBee通信模块，ZigBee通信模块通过天线将信号传递给集中控制器；

4）、集中控制：集中控制器中的ZigBee通信模块接收到相关区域内单灯控制器传输过来的ZigBee信号，并将ZigBee信号信号转换成GPRS信号，GPRS信号传输给系统中心；

5）、系统中心控制：系统中心的服务器内设置有路灯智能测控系统软件，路灯智能测控系统软件通过实时采集控制模块接收的GPRS信号，根据GPRS信号分析出LED路灯的实时数据信息；路灯智能测控系统软件分为实时数据采集与控制、数据存储管理以及Web服务管理三大模块；

其中实时采集数据与控制模块负责通过GPRS采集各个LED路灯的实时状态数据，以及对各个LED路灯的工作模式进行设置；数据存储管理模块负责LED路灯、用户、区域、实时状态数据信息的数据库管理操作，以及数据缓冲区的管理；Web服务模块提供服务器应用程序模块的访问界面和LED路灯的信息访问和控制界面；另外，Web服务模块还要对监控端的访问权限进行控制，过滤监控端的请求，并控制信息，处理多个监控端的请求和控制的同步和优先级问题，从而保证系统的安全性和稳定性。