CN107062142A - 一种太阳能路灯智能控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能路灯智能控制系统，所述系统包括：太阳能路灯控制器，安装于太阳能路灯上，用于收集太阳能路灯的控制信息并向太阳能路灯发送控制命令；ZigBee协调器，与太阳能路灯控制器连接，用于通过ZigBee网络与太阳能路灯控制器连接，统一与所有太阳能路灯控制器进行控制信息的交互；移动通信基站，与ZigBee协调器连接，用于实现ZigBee网络下的数据信息和IPv6网络下的数据信息的格式转换以及控制信息的传输；太阳能路灯管理平台，与移动通信基站连接，用于通过移动通信基站实现对太阳能路灯的监测与远程控制。与现有技术相比，本发明具有集成控制性能强、可远程控制以及自适应调节性能强等优点。

Description

一种太阳能路灯智能控制系统
技术领域
本发明涉及控制领域，尤其是涉及一种太阳能路灯智能控制系统。
背景技术
近年来，随着新能源技术、无线传感器网络技术和物联网技术的发展，以及能源越来越紧张的趋势，路灯控制正在朝着高效、节能、数字化、无线网络化发展。传统的太阳能路灯单盏自成一个系统，通过自身配置的控制设备，管理路灯的充电和自动开关灯，虽然太阳能路灯整个发电和供电过程实现了自动控制管理，达到了一定程度的智能化水平，但路灯初始安装后，运行过程中不便于调整控制模式，初始设置的控制模式将一直维持至路灯运行寿命终点。再者，这种控制模式不能满足一些特殊状况下的控制，例如临时的路灯景观效果，这就必须要远程的人为发送控制信号，远程控制对于特殊情况下路灯的开关能够实现灵活的控制，更适合于现代智能化控制。对于难于管理的路灯、公共照明等设备，由于线路复杂、数量大、距离分散、供电具有一定间歇性，要实现远程控制，这样就要求控制装置在技术上具有低功耗、低成本、组网能力强、数据安全、通信可靠。
目前，太阳能路灯控制方式单一固定，主要有人工控制，时钟定时方式，电力载波控制等。人工控制是指路灯管理人员根据开关灯的时间表手动进行开关灯的操作，时钟定时方式是以时间作为开关灯的唯一根据，电力载波控制易受电力线强磁场的干扰。若采用有线网络对路灯系统进行控制，整个系统布线复杂，工程造价费用太高，而且投入使用后系统运行模式单一，不能适应复杂多变的外界环境的需要。再者，现有的太阳能光伏板通过安装在底座固定在灯柱上，不能实现太阳能光伏板角度的自动调整，整个路灯控制系统通过固定角度的太阳板采集太阳能给系统供电，由于太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，导致太阳光伏板不能实现对太阳光最大效率采集。
专利CN201420525632.5所述的一种路灯集中控制器，该实用新型涉及无线组网通讯及数据采集、开关控制、事件处理的智能控制的技术领域，尤其涉及一种路灯集中控制器。其安装在路灯供配电柜中并包括CPU、SRAM/flash模块、液晶显示与操作键盘模块、电量检测模块、I/O输入输出模块、ZigBee无线通讯模块、电源模块、时钟模块，CPU分别与SRAM/flash模块、液晶显示与操作键盘模块、电量检测模块、I/O输入输出模块、ZigBee无线通讯模块、电源模块、时钟模块连接，路灯数据通过路灯处的ZigBee无线通讯模块与该路灯集中控制器的ZigBee无线通讯模块进行收发，电源模块为I/O输入输出模块供电。这种控制系统的弊端在于只能实现短距离、小范围区域内的传感器网络无线控制，当路灯管理中心距离路灯较远时通讯的效果比较差，同时也没有光照强度控制的功能等。
专利CN201610995738.5所述的一种太阳能路灯集中控制系统，提供一种方便太阳能路灯集中控制的系统，采用的技术方案是：一种太阳能路灯集中控制系统，包括：太阳能路灯集控中心计算机和太阳能路灯控制器，所述太阳能路灯集控中心计算机安装在路灯监控中心，所述太阳能路灯控制器有多个，太阳能路灯控制器分别安装在太阳能路灯上，太阳能路灯控制器通过无线通讯网络与太阳能路灯集控中心计算机相连进行通讯。该发明只是单个的路灯安装控制器，单向进行通讯，没有实现太阳能路灯整个系统的管理与远程控制，也没有介绍采取何种技术方案实现无线通讯等。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种太阳能路灯智能控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种太阳能路灯智能控制系统，所述系统包括：
太阳能路灯控制器，安装于太阳能路灯上，用于收集太阳能路灯的控制信息并向太阳能路灯发送控制命令；
ZigBee协调器，与太阳能路灯控制器连接，用于通过ZigBee网络与太阳能路灯控制器连接，统一与所有太阳能路灯控制器进行控制信息的交互；
移动通信基站，与ZigBee协调器连接，用于实现ZigBee网络下的数据信息和IPv6网络下的数据信息的格式转换以及控制信息的传输；
太阳能路灯管理平台，与移动通信基站连接，用于通过移动通信基站实现对太阳能路灯的监测与远程控制。
所述太阳能路灯控制器包括：
ZigBee无线通讯模块，与ZigBee协调器连接，用于实现太阳能路灯控制器与ZigBee协调器之间的信息传输；
信息采集模块，用于采集外界的太阳光光照信息和时间信息；
微控制器，分别与ZigBee无线通讯模块和信息采集模块，用于接收信息采集模块的采集信息和ZigBee无线通讯模块的控制信息，按照控制信息和采集信息对太阳能路灯依次下达控制命令，同时在太阳能路灯状态发生变化时向ZigBee无线通讯模块传输太阳能路灯的状态信息；
控制执行模块，分别与微控制器和太阳能路灯连接，用于根据微控制器下达的控制命令实现对太阳能路灯的控制。
所述信息采集模块包括：
左右光照采集组件，分别与太阳能路灯内部的太阳能光伏板和微控制器连接，用于采集太阳能光伏板左右两端的光照信息并转化为电信号；
光照强度采集组件，分别与太阳能路灯和微控制器连接，用于采集当前的外界光照强度并转化为电信号；
时间信息采集器，与微控制器连接，用于向微控制器传递当前的时间信息；
电压信息采集组件，分别与太阳能光伏板和微控制器连接，用于采集太阳能光伏板的电压状态。
所述左右光照采集组件包括并联的左端光照转化电路和右端光照转化电路，所述左端光照转化电路包括串联的第一光敏二极管和第一滑动变阻器，所述右端光照转化电路包括串联的第二光敏二极管和第二滑动变阻器。
所述光照强度采集组件包括第三光敏二极管、电位器和比较器，所述第三光敏二极管与电位器组成分压电路，所述分压电路的中间抽头与比较器的反相输入端连接，所述电位器的中间抽头与比较器的同相输入端连接，所述比较器的输出端与微控制器连接。
所述电压信息采集组件包括依次连接的分压电路、运算放大电路和AD转换芯片，所述分压电路与太阳能光伏板连接，所述AD转换芯片与微控制器连接。
所述控制执行模块包括：
太阳能光伏板执行组件，分别与微控制器和太阳能光伏板连接，用于控制太阳能光伏板的偏转；
路灯照明执行组件，分别与微控制器和太阳能路灯的照明模块连接，用于控制太阳能路灯的亮度；
电源执行组件，分别与微控制器、太阳能路灯内部的太阳能光伏板和太阳能路灯内部的蓄电池连接，用于实现蓄电池的稳压充电。
所述太阳能光伏板执行组件包括控制电机，用于根据微控制器的控制命令，驱动太阳能光伏板向光照强度高的一侧偏转。
所述路灯照明执行组件包括光照强度控制器，用于根据微控制器的控制命令调节太阳能路灯的亮度。
所述电源执行组件包括选择通断的升降压电路，用于实现太阳能光伏板向蓄电池的恒压充电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过将太阳能路灯控制器与ZigBee协调器和移动通信基站结合，与远程的太阳能路灯管理平台共同构成太阳能路灯的智能控制系统，可以实现太阳能路灯的远程和自然控制，首先通过ZigBee协调器可以将所有太阳能路灯控制器共同组成ZigBee网络，实现近距离快速控制，同时移动通信基站可以作为ZigBee网络与IPv6网络之间的通讯媒介，使得太阳能路灯管理平台可以在不影响信息传输速度的情况下对太阳能路灯控制器进行统一的远程控制。
(2)太阳能路灯控制器中的信息采集模块、微控制器和控制执行模块可以共同实现对太阳能路灯的自适应控制，根据光照强度和时间调整太阳能路灯，一方面使得太阳能路灯的太阳能光伏板可以自动调节保证光电转换效率最高，另一方面使得太阳能的路灯的亮度可以根据光照强度进行自动调节，自动化程度高。
(3)微控制器按照控制信息和采集信息对太阳能路灯依次下达控制命令，即微控制器具有按照远程控制和自适应控制的优先级对太阳能路灯实现控制，只有在远程控制下放控制权限时，路灯才会进入自然控制模式，使得路灯控制更加精确、稳定和智能化，更加便于管理。
(4)太阳能路灯控制器可以对太阳能光伏板左右两端的光照进行采集，继而可以控制太阳能光伏板向着光照强度强的方向转动，使得太阳能光伏板可以最大限度的接收到太阳能，使得太阳能路灯的太阳能利用率达到最高。
(5)太阳能路灯控制器的光照强度采集组件配合太阳能光伏板执行组件，可以对外界的光照强度进行检测，从而控制太阳能路灯在光照弱时调高光照强度，在光照强时调低光照强度，避免了在外界光照强时太阳能路灯保持强光照而导致的能源浪费。
(6)太阳能路灯控制器的时间信息采集器配合路灯照明执行组件，可以向微控制器传递当前的时间信息，微控制器根据接收的时间信息，在自然控制的情况下，白天时段以光强为第一优先控制级，夜晚时段以时间控制为第一优先控制器，保证了在深夜及凌晨通过单灯照明节省电能，进一步节省了能源。
(7)太阳能路灯的电压信息采集组件配合电源执行组件，可以使得太阳能光伏电池板对蓄电池实现稳压充电，使得充电电流更加快捷、平稳和高效，继而延长蓄电池的使用寿命。
附图说明
图1为太阳能路灯智能控制系统的结构示意图；
图2为太阳能路灯控制器的结构示意图；
图3为左右光照采集组件的电路图；
图4为蓄电池为太阳能路灯智能控制系统供电的电路图；
图5为光照强度采集组件的电路图；
图6为对太阳能路灯的控制优先级流程图；
其中，1为太阳能路灯管理平台，2为移动通信基站，3为ZigBee协调器，4为太阳能路灯控制器，41为微控制器，42为ZigBee无线通讯模块，43为信息采集模块，44为控制执行模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，为一种太阳能路灯智能控制系统，包括：太阳能路灯管理平台1、移动通信基站2、ZigBee协调器3和太阳能路灯控制器4。太阳能路灯控制器4有多个，分别安装在太阳能路灯上，太阳能路灯控制器4通过ZigBee无线通讯模块42中的ZigBee终端来实现与ZigBee协调器3的无线组网通讯，ZigBee协调器将ZigBee终端节点收集来的数据信息打包成规定的用户层串口数据格式，然后通过USART0接口以异步串口通信UART模式发送到移动通信基站2，移动通信基站2通过RS-232接口接收ZigBee协调器3发送来的串口数据，并按照规定格式的用户层串口数据进行信息的提取和处理，移动通信基站2具有IPv6协议栈的代理，能够通过现有的IP网络连接至互联网中，并且具有串口通信功能以连接与IP网络异构的网络，它作为ZigBee专用网络与IPv6网络之间连接的桥梁，通过RS-232接口接收ZigBee协调器3发送来的串口数据，并按照规定格式的用户层串口数据进行信息的提取和处理，实现ZigBee与IPv6之间的数据包转换，然后在IPv6网络中将收到的数据信息发送到太阳能路灯管理平台1的服务器中，完成与太阳能路灯管理平台1之间的无线通讯，管理人员通过电脑查看服务器上的数据信息或发送相应控制指令实现对太阳能路灯状况的监测与远程控制。
如图2所示，太阳能路灯控制器4包括：ZigBee无线通讯模块42、信息采集模块43、微控制器41和控制执行模块44，其中信息采集模块43包括左右光照采集组件、光照强度采集组件、时间信息采集器和电压信息采集组件；控制执行模块44包括太阳能光伏板执行组件、路灯照明执行组件和电源执行组件。
其中，微控制器41采用STC89C52芯片，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。
左右光照采集组件，如图3所示，利用光敏二极管采集不同方位光照强度，它由电源、光敏二级管、滑动变阻器构成回路，光敏二极管在光线强度变化下引起电路中电流变化，从而引起滑动变阻器两端的端电压发生变化，输出端的电压也相应发生变化，基于分压原理即可将光照强度转化为电压值的大小，再将采集电压送给ADC0809转换器进行AD转换后传给微控制器41，从而微控制器41控制太阳能光伏板执行组件带动太阳能光伏板转动，实现太阳能光伏板角度的调整。
太阳能光伏板执行组件是由微控制器41控制，将左右光敏二极管采集到的电压进行比较，外界光照越强对应采集的电压值越大，当左边光照强时，则控制电机单步正转，使太阳能板往左偏转，当右边光照强时，则控制电机单步反转，使太阳能板往右偏转，不断比较，如果不同单步调整，直到左右对应采集的光强一致时停止转动。电机选择驱动12V的四相五线式减速永磁步进电机35BYJ46，采用与微处理器相连的ULN2003对信号进行放大到12V驱动电机运转。
电压信息采集组件，是由于太阳能光伏板采集电压大于AD转换的参考电压，故先对太阳能板采集的电压利用LM358构成比例运算放大电路进行2:1缩放，再送AD转换芯片TCL549转换，太阳能光伏板的电压经过分压电路进入运放同相输入端，运放构成的是电压跟随器，输出电压值送给TCL549的输入端，输出端与微控制器41相连。电源执行组件的智能充电包括升压、降压、升降压选择三部分，目的是将太阳能光伏板产生的直流电直接储存起来，供整个系统及路灯模块的LED负载使用，从而实现快捷、平稳、高效充电，延长蓄电池的使用寿命，防止蓄电池过充电和过放电。当太阳能光伏板采集电压小于电池电压时，选择升压方式进行充电，当太阳能光伏板采集电压大于电池电压时，选择降压方式进行充电，从而达到恒压充电，升降压方式都利用芯片MC34063AP1再配合不同的外围电路，升降压电路的正确选择通过微控制器41对继电器的通断进行控制，实现自动选择升降压电路的功能，继电器选用直流SRD-05VDC型，工作电压为5V。除此之外，蓄电池也搭建稳压电路为太阳能路灯智能控制系统供电，因为整个系统供电都需要恒定的直流电+5V，如图4所示，故采用三端稳压器LM7805实现24V蓄电池的恒定输出+5V电压给整个系统提供电源，其中，电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地，电容C1为滤波电容。
时间信息采集器采用DS1302芯片，通过简单的串行接口与微控制器41进行通信。DS1302数据输入输出管脚I/O与微控制器P2.1相连，实现读时间数据与写时间数据，串行时钟SCLK与微控制器P2.2相连控制转换，RST与微控制器P2.3相连。
光照强度采集组件，如图5所示，利用光敏二极管与电位器组成分压电路，直接将电位器中间抽头接入比较器LM339的同相输入端，利用电位器组成分压电路中间抽头接比较器反相输入端，比较器输出端lamp state接入微控制器41，当有光照时，光敏电阻阻值减小，微控制器41采集到高电平，当外界光照弱时，光敏电阻阻值大，微控制器41采集到低电平，微控制器41通过判断采集到的高低电平，从而控制路灯。
ZigBee无线通讯模块42由控制芯片CC2530F256和射频功率放大芯片CC2591组成，与微控制器41以串口形式相连。CC2591芯片主要是用来增强射频信号的传输距离，实现数据的远距离无线通信，CC2530F256作为ZigBee终端，与ZigBee协调器3组建ZigBee无线网络，同时实现数据的串口通信。
本实施例中的路灯开关控制，主要是远程控制、基于时钟与光照强度的自然控制，三种控制方式。如图6所示，远程控制为最高优先级，能够自如的选择远程控制与自然控制两者的切换，自然控制模式中白天时段光强控制为第一优先级控制，主要为应付突然的天气变化使得周围环境黑暗，夜晚时段，时钟控制为第一优先级控制，主要为了在深夜及凌晨单灯照明节省电能。这种优先级设计使得路灯控制更加精确、稳定、智能化，管理更加方便。

Claims (10)

1.一种太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述系统包括：
太阳能路灯控制器，安装于太阳能路灯上，用于收集太阳能路灯的控制信息并向太阳能路灯发送控制命令；
ZigBee协调器，与太阳能路灯控制器连接，用于通过ZigBee网络与太阳能路灯控制器连接，统一与所有太阳能路灯控制器进行控制信息的交互；
移动通信基站，与ZigBee协调器连接，用于实现ZigBee网络下的数据信息和IPv6网络下的数据信息的格式转换以及控制信息的传输；
太阳能路灯管理平台，与移动通信基站连接，用于通过移动通信基站实现对太阳能路灯的监测与远程控制。
2.根据权利要求1所述的太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述太阳能路灯控制器包括：
ZigBee无线通讯模块，与ZigBee协调器连接，用于实现太阳能路灯控制器与ZigBee协调器之间的信息传输；
信息采集模块，用于采集外界的太阳光光照信息和时间信息；
微控制器，分别与ZigBee无线通讯模块和信息采集模块，用于接收信息采集模块的采集信息和ZigBee无线通讯模块的控制信息，按照控制信息和采集信息对太阳能路灯依次下达控制命令，同时在太阳能路灯状态发生变化时向ZigBee无线通讯模块传输太阳能路灯的状态信息；
控制执行模块，分别与微控制器和太阳能路灯连接，用于根据微控制器下达的控制命令实现对太阳能路灯的控制。
3.根据权利要求2所述的太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述信息采集模块包括：
左右光照采集组件，分别与太阳能路灯内部的太阳能光伏板和微控制器连接，用于采集太阳能光伏板左右两端的光照信息并转化为电信号；
光照强度采集组件，分别与太阳能路灯和微控制器连接，用于采集当前的外界光照强度并转化为电信号；
时间信息采集器，与微控制器连接，用于向微控制器传递当前的时间信息；
电压信息采集组件，分别与太阳能光伏板和微控制器连接，用于采集太阳能光伏板的电压状态。
4.根据权利要求3所述的太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述左右光照采集组件包括并联的左端光照转化电路和右端光照转化电路，所述左端光照转化电路包括串联的第一光敏二极管和第一滑动变阻器，所述右端光照转化电路包括串联的第二光敏二极管和第二滑动变阻器。
5.根据权利要求3所述的太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述光照强度采集组件包括第三光敏二极管、电位器和比较器，所述第三光敏二极管与电位器组成分压电路，所述分压电路的中间抽头与比较器的反相输入端连接，所述电位器的中间抽头与比较器的同相输入端连接，所述比较器的输出端与微控制器连接。
6.根据权利要求3所述的太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述电压信息采集组件包括依次连接的分压电路、运算放大电路和AD转换芯片，所述分压电路与太阳能光伏板连接，所述AD转换芯片与微控制器连接。
7.根据权利要求2所述的太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述控制执行模块包括：
太阳能光伏板执行组件，分别与微控制器和太阳能光伏板连接，用于控制太阳能光伏板的偏转；
路灯照明执行组件，分别与微控制器和太阳能路灯的照明模块连接，用于控制太阳能路灯的亮度；
电源执行组件，分别与微控制器、太阳能路灯内部的太阳能光伏板和太阳能路灯内部的蓄电池连接，用于实现蓄电池的稳压充电。
8.根据权利要求7所述的太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述太阳能光伏板执行组件包括控制电机，用于根据微控制器的控制命令，驱动太阳能光伏板向光照强度高的一侧偏转。
9.根据权利要求7所述的太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述路灯照明执行组件包括光照强度控制器，用于根据微控制器的控制命令调节太阳能路灯的亮度。
10.根据权利要求7所述的太阳能路灯智能控制系统，其特征在于，所述电源执行组件包括选择通断的升降压电路，用于实现太阳能光伏板向蓄电池的恒压充电。
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