CN112533338A - 一种面向5g通讯的太阳能智慧路灯集成系统 - Google Patents

一种面向5g通讯的太阳能智慧路灯集成系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统。本发明包括太阳能供电子系统、照明子系统、5G微基站子系统、通信子系统、报警子系统、环境监测模块和太阳能路灯主控模块；太阳能供电子系统中的蓄电池为照明子系统、5G微基站子系统、通信子系统、报警子系统、环境监测模块和太阳能路灯主控模块供电。本发明采用太阳能进行供电，太阳能电池板吸收光能，并将光能转换为电能存储在蓄电池中，通过电量检测模块、光强检测模块、红外传感器和声音采集模块进行路况实时监测，实现蓄电池的自动充放电功能，达到自动控制的要求。5G微基站的安装，覆盖面更广，信号更强，使得通信变得更加快捷，解决传统路灯通信难的问题。

Description

一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统
技术领域
本发明属于绿色节能及智能控制领域，具体涉及一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统。
背景技术
人类生产的工业化和生活的现代化都是以能源为基础的，在近300年的时间里，地球所蕴藏的化石能源资源不仅被人类消耗近半，并且能耗速率有增无减，而且导致了环境恶化等一系列环境问题。从能源结构上看，中国和印度以煤炭消耗为主，比例均超过56％。而美国、俄罗斯、日本、加拿大、德国、伊朗均以非煤炭消耗气为主。从能源清洁度来说，俄罗斯、加拿大和伊朗清洁能源消费比例较高，均超过了60％，而中国清洁能源消费比例仅为19.2％。因此，我国急需构建新的能源体系，提高能源利用率，并寻找清洁可替代能源，加大可再生能源的开发与利用力度。而在照明领域，太阳能路灯的供能方式由于其绿色、安全、噪音小等优点而被广泛应用，相比于其他能源供电的路灯，太阳能路灯具有节能、减排、防治大气污染、保护生态环境等很多优点，适应能源开发和环境保护的需求。
供能系统的可靠性、安全性和便捷性是保障微基站系统性正常运行的先决条件。在传统的能量受限的无线网络中，网络节点通常使用电池供电，然而，缺乏稳定可靠地能量来源，导致运行时长受限，更换电池或给电池充电的方法在某些情况下由于成本问题和安全性的考虑通常不能实现。某些特殊场所排线布线困难，应用市电能源审批周期长、成本高，无法根据现场情况而做出个性化应对方式。
除此以外，相较于3G和4G时代，我们使用的是宏基站，其特点为功率大，体积大，不能密集部署，导致了距离近信号强，距离远信号弱。5G时代将使用微基站，即小型基站，能覆盖末梢通信，使得任何角落都能连接网络信号，以应对在移动支付、智慧城市、虚拟社会、VR/AR、智能驾驶及4K“万物互联”等智能化业务。因此便捷可行的微基站载体安装和稳定可靠的供电源是5G基站建设中必须重点考虑的问题。另外，传统路灯常常仅能做到串行控制路灯亮灭，从而使路灯在夜间保持常亮状态，而不能根据实时的场景状态做出调整，而将5G微基站技术应用到路灯上，不仅能快速传输各种不同类型的信息，而且还能实时监控路况，根据路况自动对路灯状态做出及时地调整，从而达到物联网技术的应用。
整体来看，在这样的系统中，从捕获能量角度来看，可以为微基站的运行提供无间断的能量供应。从微基站载体安装可行性角度来看，可以不受布线和电网停电的约束，且分布合理，密集程度符合5G微基站密度要求，大大地提高了微基站部署的灵活性和便利性。因此，发明一种太阳能供能的智慧路灯微基站系统十分必要。
发明内容
本发明的目的是针对传统路灯不智能、不绿色且耗能大这一不足，提供一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统。
本发明由13个模块组成：环境监测模块、蓄电池、太阳能供电模块、供电控制器、照明模块、照明控制器、5G微基站模块、微基站控制器、通信模块、通信控制器、报警模块、报警控制器、太阳能路灯主控模块。
根据不同控制对象本发明整个系统划分为六个子系统：太阳能供电子系统、照明子系统、5G微基站子系统、通信子系统、报警子系统、环境监测子系统。太阳能供电子系统中的蓄电池为其他五个子系统和太阳能路灯主控模块的供电。环境监测子系统向太阳能路灯主控模块传输环境参数，太阳能路灯主控模块分别向六个子系统的控制器传输控制信号，从而控制各个子系统工作。
进一步的，太阳能供电子系统包括太阳能电池板、DC/DC变换器、电量检测模块、供电控制器以及供电开关；太阳能电池板用于吸收光照蓄电，且太阳能电池板通过DC/DC变换器与蓄电池相连接，电量检测模块的两端分别与蓄电池、太阳能路灯主控模块相连接；电量检测模块用于检测蓄电池蓄电池中的电量，并将测得的电量信息传输给太阳能路灯主控模块；太阳能路灯主控模块根据电量信息判断后，将是否要继续充电的参数信息传输给供电控制器，供电控制器通过控制供电开关，进一步控制DC/DC变换器，达到智能充放电的要求。
所述的电量检测模块、供电控制器的型号分别为CJMCU-LTC4150和MPPT0850-DC。
所述的太阳能路灯主控模块为单片机，型号为STM32系列；
所述的DC/DC变换器将高压直流电转换为低压直流电，并将电能供给蓄电池进行存储；
进一步的，照明子系统包括路灯单元、照明开关、照明控制器、光敏传感器、声音传感器和人体红外传感器(光强检测模块型号：TEMT6000、红外传感器型号：S19-L232B-2和声音采集模块型号：KY038)，蓄电池给整个照明子系统供电，具体的蓄电池给路灯单元、照明开关、照明控制器供电；
光敏传感器、声音传感器和人体红外传感器分别将采集的亮度信息、声音信息和人体红外信息传递给太阳能路灯主控模块；太阳能路灯主控模块对接收到的亮度信息、声音信息和人体红外信息进行判断：
当接收到的亮度信息高于设定亮度阈值最大时，则发送控制信号到照明子系统的照明控制器，通过照明控制器控制照明开关，熄灭路灯单元进入充电模式；
当接收到的亮度信息低于设定亮度最小阈值，同时人体红外信息表示检测到有行人或声音信息高于设定声音阈值，则发送控制亮灯信号到照明子系统的照明控制器，通过照明控制器控制照明开关，开启路灯单元；
当接收到的亮度信息低于设定亮度最小阈值，且超出设定时间阈值人体红外信息仍表示未检测到有行人，且声音信息低于设定声音阈值，则发送控制节能信号到照明子系统的照明控制器，通过照明控制器控制照明开关，路灯单元进入节能模式，即变暗或熄灭，实现智能路灯功能。采用光敏传感器、声音传感器和人体红外传感器等对光强度和道路行人等道路信息进行全方位监控。
进一步的，5G微基站子系统为多通道、单通道或双通道的RRU系列设备；该5G微基站子系统包括主设备和配套设备。主设备包括收发信机等。配套设备包括传输设备、电源设备、天馈线系统、铁塔等。该5G微基站能够全面覆盖各个街区，并实时汇总路灯的各项参数信息。
进一步的，通信子系统由ZigBee模块组成，由于微基站分布广泛，每个微基站均可使用ZigBee模块，可将基站监测的各项数据汇总并传送至太阳能路灯主控模块，主控模块根据实际情况对各个控制器进行调控。
进一步的，报警子系统包括LED灯和报警控制器。路灯主控模块将路灯是否正常工作的信号传递给报警控制器，然后控制器根据路灯主控模块所发出的信号进行调控，当路灯正常工作时，绿灯点亮，当路灯出现故障时，红灯闪烁。
进一步的，环境监测子系统包括空气传感器，内嵌在路灯单元中的路灯中；空气传感器将监测到的空气信息传输给太阳能路灯主控模块。
本发明是一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯。在传统路灯系统中，电能是由市电提供的，需要安装大量电缆，浪费了人力财力，而且在夜间常常保持常亮的状态，从而造成了一定的能量浪费。本系统采用太阳能进行供电，太阳能电池板吸收光能，并将光能转换为电能存储在蓄电池中，通过电量检测模块、光强检测模块、红外传感器和声音采集模块进行路况实时监测，实现蓄电池的自动充放电功能，达到自动控制的要求。5G微基站的安装，覆盖面更广，信号更强，使得通信变得更加快捷，解决传统路灯通信难的问题。
本发明的有益说明：
1.本系统坚持绿色发展理念，利用太阳能进行供电，实现了清洁能源的利用。相较于传统路灯使用市电进行电能输送的方式，此种路灯可实现能量自给自足，耗能量大大减少。同时，利用太阳能这一取之无尽，用之不竭的清洁能源，可最大程度地保护环境，保护资源，达到绿色发展的要求。
2.5G微基站的安装，可覆盖网络盲区，使得数据传输变得更加可靠，不会因为丢失某些信息而造成控制信号的错误传输。同时，5G技术的推广，使得信息传输速率更加迅速，实现信息的高效率、低错误率的安全传送功能。
3.针对传统路灯只能照明的功能，此种智能路灯可挂载一些耗能少的模块，如：环境监测模块、报警模块、通信模块等，使得路灯在照明的基础上可实现环境以及路灯本身的实时监测，符合智慧城市的发展要求。
附图说明
图1为太阳能智慧路灯总体控制框图；
图2为太阳能供电子系统框图；
图3为照明子系统框图；
具体实施方式
下面对本发明进一步说明。
如图1所示，本专利针对传统路灯不智能、不绿色且耗能大这一不足，发明了一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成方案。该系统由13个模块组成：环境监测系统、蓄电池、太阳能供电系统、供电控制器、照明系统、照明控制器、5G微基站系统、微基站控制器、通信系统、通信控制器、报警系统、报警控制器、太阳能路灯主控模块。
根据不同控制对象，可将整个系统划分为六部分：太阳能供电子系统、照明子系统、5G微基站子系统、通信子系统、报警子系统、环境监测子系统。蓄电池作为六个子系统和太阳能路灯主控模块的供电源。环境监测系统向太阳能路灯主控模块传输环境参数，太阳能路灯主控模块分别向六个子系统控制器传输控制信号，从而控制各个子系统工作。
在照明子系统中，由蓄电池给整个子系统供电，并采用光敏传感器、声音传感器和人体红外传感器等对光强度和道路行人等道路信息进行全方位监控。当系统检测到光线充足时熄灭路灯系统进入充电模式，当检测到路面光线较暗同时通过人体红外传感器检测到有行人时系统则开启太阳能路灯，当光线较暗但是长时间没有行人时路灯变暗或熄灭进入节能模式，实现智能路灯功能。
在5G微基站子系统中，微基站设备主要由主设备和配套设备组成。主设备包括收发信机等。配套设备包括传输设备、电源设备、天馈线系统、铁塔等。在太阳能供能系统下，光伏电能通过DC/DC变换器、蓄电池管理单元、直流配电单元向蓄电池充电，并向直流负载供电，蓄电池通过直流配电单元、单相离网逆变器。实际应用中可以根据基站工作状态对组成系统的单元进行调整。
在通信和报警子系统中，采用ZigBee技术对通信基站环境进行实时监测，由于微基站分布广泛，每个微基站均可使用ZigBee模块，可以将各个基站监测数据汇总分析。本系统要求能够实现对基站环境的温湿度、烟雾、蓄电池电量进行实时监测，并根据实时监测的结果做出相应的处理以及发出警报。本专利的监测系统包括三部分：远程监控单元、服务端和客户端。远程单元的各釆集信息模块以主控芯片为核心，采集微基站环境的各类参数，远程单元中协调器利用网络把数据传输到服务端，管理人员通过客户端能够及时掌握被监控基站的运作情况以及做出相对应的处理。可以实现各路灯之间的通信检测路灯的工作状态，在光线不足的情况下行人通过时路灯可以根据行人的行走方向提前开启部分路灯实现人来灯亮人走灯灭的智能监控效果。
在环境监测子系统中，路灯可通过内嵌的环境监测模块进行周围环境的检测，并将相关数据通过通信系统传递给远程监控服务器，相关部门可根据数据进行环境保护相关工作，达到实时监控，及时处理的目的，有助于城市环境保护相关工作的开展。
本系统是一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯。在传统路灯系统中，电能是由市电提供的，需要安装大量电缆，浪费了人力财力，而且在夜间常常保持常亮的状态，从而造成了一定的能量浪费。本系统采用太阳能进行供电，太阳能电池板吸收光能，并将光能转换为电能存储在蓄电池中，通过电量检测模块、光强检测模块、红外传感器和声音采集模块进行路况实时监测，实现蓄电池的自动充放电功能，达到自动控制的要求。5G微基站的安装，覆盖面更广，信号更强，使得通信变得更加快捷，解决传统路灯通信难的问题。
为使图无歧义，下面开始补充说明。
如图2所示，太阳能电池板吸收光照并将光照转换为电能，通过DC/DC变换器将高电压转换为低电压，将电能存储到蓄电池中。电量监测模块分别连太阳能路灯主控模块和蓄电池，进行电量的检测以及将相关参数传递给太阳能路灯主控模块，主控单元经过信息分析，将是否进行充放电的信号发送给供电控制器，从而对供电开关电路进行控制，使得DC/DC变换器控制蓄电池自动实现充放电功能。
显然，太阳能路灯的供能方式由于其绿色、安全、噪音小等优点而被广泛应用，相比于其他能源供电的路灯，太阳能路灯具有节能、减排、防治大气污染、保护生态环境、取之无尽、用之不竭等很多优点，适应能源开发和环境保护的需求。
如图3所示，光强检测模块、声音采集模块、红外传感器模块可对路况以及光线进行检测，并将相关参数传递给太阳能路灯主控模块，太阳能主控单元通过分析此类信息向照明控制器进行信号的传输，控制器控制蓄电池通过照明开关电路对LED路灯管进行开关控制，从而实现智能照明。

Claims (10)

1.一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统，其特征在于包括太阳能供电子系统、照明子系统、5G微基站子系统、通信子系统、报警子系统、环境监测模块和太阳能路灯主控模块；
太阳能供电子系统包括太阳能电池板、DC/DC变换器、电量检测模块、供电控制器以及供电开关；太阳能电池板用于吸收光照蓄电，且太阳能电池板通过DC/DC变换器与蓄电池相连接，电量检测模块的两端分别与蓄电池、太阳能路灯主控模块相连接；电量检测模块用于检测蓄电池蓄电池中的电量，并将测得的电量信息传输给太阳能路灯主控模块；太阳能路灯主控模块根据电量信息判断后，将是否要继续充电的参数信息传输给供电控制器，供电控制器通过控制供电开关，进一步控制DC/DC变换器，达到智能充放电的要求；
太阳能供电子系统中的蓄电池为照明子系统、5G微基站子系统、通信子系统、报警子系统、环境监测模块和太阳能路灯主控模块供电；
环境监测模块向太阳能路灯主控模块传输环境参数，太阳能路灯主控模块分别向太阳能供电子系统、照明子系统、5G微基站子系统、通信子系统、报警子系统、环境监测模块传输控制信号，从而控制各个子系统和模块工作。
2.根据权利要求1所述的一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统，其特征在于所述的电量检测模块的型号为CJMCU-LTC4150；供电控制器的型号为MPPT0850-DC。
3.根据权利要求3所述的一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统，其特征在于所述的太阳能路灯主控模块为单片机，型号为STM32系列。
4.根据权利要求1或3所述的一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统，其特征在于照明子系统包括路灯单元、照明开关、照明控制器、光敏传感器、声音传感器和人体红外传感器，蓄电池给整个照明子系统、路灯单元、照明开关、照明控制器供电；
光敏传感器、声音传感器和人体红外传感器分别将采集的亮度信息、声音信息和人体红外信息传递给太阳能路灯主控模块；太阳能路灯主控模块对接收到的亮度信息、声音信息和人体红外信息进行判断：
当接收到的亮度信息高于设定亮度阈值最大时，则发送控制信号到照明子系统的照明控制器，通过照明控制器控制照明开关，熄灭路灯单元进入充电模式；
当接收到的亮度信息低于设定亮度最小阈值，同时人体红外信息表示检测到有行人或声音信息高于设定声音阈值，则发送控制亮灯信号到照明子系统的照明控制器，通过照明控制器控制照明开关，开启路灯单元；
当接收到的亮度信息低于设定亮度最小阈值，且超出设定时间阈值人体红外信息仍表示未检测到有行人，且声音信息低于设定声音阈值，则发送控制节能信号到照明子系统的照明控制器，通过照明控制器控制照明开关，路灯单元进入节能模式，即变暗或熄灭，实现智能路灯功能；采用光敏传感器、声音传感器和人体红外传感器等对光强度和道路行人等道路信息进行全方位监控。
5.根据权利要求4所述的一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统，其特征在于光敏传感器的型号为TEMT6000、红外传感器的型号为S19-L232B-2和声音采集器的型号为KY038。
6.根据权利要求5所述的一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统，其特征在于所述的DC/DC变换器将高压直流电转换为低压直流电，并将电能供给蓄电池进行存储。
7.根据权利要求5所述的一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统，其特征在于所述的5G微基站子系统为多通道、单通道或双通道的RRU系列设备；该5G微基站子系统包括主设备和配套设备。
8.根据权利要求5所述的一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统，其特征在于通信子系统由ZigBee模块组成，由于5G微基站子系统分布广泛，每个5G微基站子系统均使用ZigBee模块，可将5G微基站子系统监测的各项数据汇总并传送至太阳能路灯主控模块。
9.根据权利要求5所述的一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统，其特征在于报警子系统包括LED灯和报警控制器；太阳能路灯主控模块将路灯是否正常工作的信号传递给报警控制器，然后报警控制器根据路灯主控模块所发出的信号对LED灯进行调控，当路灯正常工作时，LED灯为绿灯常亮，当路灯出现故障时，LED灯为红灯闪烁。
10.根据权利要求5所述的一种面向5G通讯的太阳能智慧路灯集成系统，其特征在于环境监测子系统包括空气传感器，内嵌在路灯单元的每个路灯中；空气传感器将监测到的空气信息传输给太阳能路灯主控模块。
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