太阳能路灯联网监控节能系统方案

1.1 引言

在人类文明的历史长河中，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，由地球在长达50万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40年左右，天然气约60年，煤可望达200年。全球能源消耗的年增长率约为2%，近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。这些都提醒人们注意到必须开发新的能源。

常规能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。到20世纪末人们开始意识到：由于每年燃烧常规能源所产生的CO2排放量约210亿吨左右，已经使地球严重污染，而且目前CO2的年排放量还在呈上升趋势。CO2造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖1.5～4.5℃,最严重的后果是海平面将上升25～145cm，沿海低洼地区将被淹没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。此外，大量燃烧矿物燃料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田，目前全球已有数以千计的湖泊酸性度不断提高，并已接近鱼类无法生存的地步；酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀金属结构，甚至进入饮用水源，释放出潜在的毒性金属（如镉、铅、汞、锌、铜等），威胁人类健康。因此，人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的反差。

针对以上情况开发和使用新能源(可再生能源和无污染绿色能源)已是人类目前迫切需要解决的重要问题。虽然目前人类可利用的新能源，如太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形式都是可以满足要求的。但从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为最为理想的可再生能源和无污染能源。

太阳能电池发电与火力、水力、柴油发电比较具有许多优点，如安全可靠、无噪声、无污染，能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、无需架设输电线路、可以方便地与建筑物相结合等，因此，无论从近期还是远期，无论从能源环境的角度还是从边远地区和特殊应用领域需求的角度来考虑，太阳能电池发电都极具吸引力。目前，太阳能电池发电系统大规模应用的唯一障碍是其成本高，预计到21世纪中叶，太阳能电池发电的成本将会下降到同常规能源发电相当。届时，太阳能电池发电将成为人类电力的重要来源之一。

1.2 项目背景/选题动机

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，以解决这些地区人们的家用照明问题。

太阳能灯是光电转换技术的一种应用产品，具有节能、环保、安全、无需布线、安装简便、自动控制、可根据需要随时变换插放的位置等优点。太阳能灯具的主要类型有太阳能庭院灯、太阳能路灯、太阳能草坪灯、太阳能景观灯、太阳能信号灯。  

在太阳能路灯实际应用中，很多地方的太阳能路灯不能满足正常照明需要，尤其在阴雨天更为突出，因此,这就要求太阳能路灯在工作时能够根据行人情况对自身功率进行动态调整,在满足正常工作的同时能够节省更多的电力,保证系统的长时间工作；此外，现有的太阳能路灯无法实现对自身工作状态和外围电路参数的检测和故障诊断，无法组成远程监控网络，因而需要一个远程无线监控系统对太阳能路灯电路参数进行检测，并对出现的故障实现诊断和报警功能，实现路灯的智能化管理

二、需求分析

2.1 功能要求

       1、系统全部采用太阳能电池和蓄电池供电，绿色环保无污染；

       2、太阳能电池能自动跟踪太阳光，实现太阳能利用的最大化；

       3、天黑时候路灯能够自动亮灯，并且能够根据有人经过和没人经过的情况动态调整路灯功率，实现节能效果；晚上十二点后，由于行人稀少，路灯将处于半激活状态，当有人经过时才亮灯，没人经过则不亮灯，在保证给少量行人照明的同时实现节能；到了早上再次进入正常发光模式，直到天亮的时候熄灭，进入蓄能阶段。

       4、系统具有自动监测功能，能够对路灯及其外围电路的运作进行监测，一旦有异常情况出现，从机通过无线网络发到主机，主机汇总后通过GSM网络发给监控中心通知技术人员进行维修，保证检修的快速性。

2.2 性能要求

       1、ADC转换精度为10位；

    2、无线传输有效距离100m（可根据实际需要选用不同的无线模块实现远距离传输数据）；

    3、GSM超远传输距离，只要有信号的地方就可以收到数据；

    4、一个监控中心可监测多个主机，一个主机可监测多个从机。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

系统机构框图

系统由监控中心、主机和从机三大部分组成，监控中心通过GSM网络实现与主机的远程通讯，而主机与从机距离较近，故采用2.4GHz无线网络进行通讯。

监控中心硬件结构框图

监控中心主要负责各主机汇总情况分析、显示，同时可通过现场或者发短信的方式通知工作人员路灯的损坏情况，此外还可以对系统参数进行设置，其主要由AVR单片机、GSM模块、光传感器、人体红外感应模块、矩阵键盘、声光报警、位置检测电阻、电机模块、液晶显示器、电源管理、实时时钟电路DS1302、后备电源、太阳能电池和蓄电池组成。

主机硬件结构框图

主机负责收集从机和自身监控数据，是监控中心和从机通讯的桥梁，主要由AVR单片机、GSM模块、无线传输模块、光传感器、人体红外感应模块、位置检测电阻、电机模块、电源管理、实时时钟电路DS1302、后备电源、太阳能电池和蓄电池组成。[page]

从机硬件结构框图

从机负责对自身太阳能路灯进行控制处理并对电路进行监测，发现异常情况就会进行故障诊断，并将通过主机将结果发给监控中心进行处理，其主要由AVR单片机、无线传输模块、光传感器、人体红外感应模块、位置检测电阻、电机模块、电源管理、实时时钟电路DS1302、后备电源、太阳能电池和蓄电池组成。

3.2 硬件平台选用及资源配置

硬件平台选用EVK1100,串口用于与GSM模块通讯,PWM用于背光变频,光照传感器用于检测环境周围光度,液晶显示器用于显示各种信息,SPI用于与DS1302通讯，ADC用于太阳能电池电压检测、蓄电池电压检测、环境光度检测、太阳能电池位置检测和太阳位置检测，1个通用输入输出口用于人体红外检测模块，4个通用输入输出口用于电机控制，8个通用输入输出口用于4*4矩阵键盘。

3.3系统软件架构

3.4 系统软件流程

监控中心程序运行流程图

系统上电后先对系统和GSM模块进行初始化，接着更新系统时间，然后判断现在是不是白天，如果是就继续判断系统是否收到信息，如果不是则检查是否有新信息到来；在晚上，有新信息表示主机或者从机出现问题，系统进入信息处理阶段，根据用户设置有本地通知和短信通知两种方式，如果用户设置为短信通知，则系统只会通过短信通知用户，而不会在本地发警报通知用户；接着进行按键检测，有按键按下则进入按键处理程序，对系统进行设置或者查看状态；然后检测有没人接近，有则开液晶显示器和背光，没有则将它们关掉；接着又检测是不是白天，如此循环；在白天，系统检查是否有信息，有信息则发警报通知用户，并将信息删除；接着检测太阳位置和太阳能电池电压，如果太阳能电池电压低于设定值，标志位置位；如果太阳能电池电压没有问题，系统则驱动电机将太阳能电池转向阳光最大处，如果太阳能电池在规定时间内转不到指定位置则说明转向系统出现问题，接着判断太阳能电池是否有问题，如果有，说明太阳能电池个电机模块有问题，如果没有则再次对太阳能电池电压进行采样，将其与上一次采样电压进行比较，两次电压相差不大，说明电机有问题；两次电压相差大，说明位置检测电阻有问题，然后，报警通知用户，至此程序完成一次循环。当前面太阳能电池转动后到达指定位置后，系统进入定时循环状态，此时如果系统收到主机入网请求，则对主机进行入网处理；没有收到请求则会判断是否有按键按下，有则进行按键处理，没有则检测有没人接近，有则开液晶显示器和背光，没有则将它们关掉；如此循环，直到定时时间到。

主机程序运行流程图

系统上电后先对系统、GSM模块和2.4GHz无线模块进行初始化，接着向监控中心发送联网请求，直到收到监控中心应答信号，允许入网。接着通过监控中心发回信号更新系统时间，然后判断现在是不是白天，如果是就判断系统是否有错误信息，如果不是则发信息查询从机状态。在晚上，首先向从机发送查询信息，如果在规定时间内收不到从机应答信号，说明从机有问题，错误标志置位；如果收到信息，系统亮灯，并对蓄电池电压进行检测，如果蓄电池电压小于设定值，说明蓄电池有问题，错误标志置位；如果蓄电池电压大于设定值，则判断路灯是否亮，路灯不亮，错误标志置位；路灯亮，判断是否有错误置位，如果有，则想监控中心发送错误代码直到收到监控中心应答信号，接着判断主机是否有错误，有则进入待机模式等待检修，没有则进入路灯工作模式。首先检测是否有人通过，有则进行功率调整，使路灯处于正常发光模式，没有则判断是否到了晚上十二点，是则进行功率调整，使路灯处于触发工作模式，只有人经过的时候才会亮灯；如果不是则判断是否到了早上，是则进行功率调整，使路灯处于正常工作模式，否则判断是否到了白天，如果到了白天，则路灯熄灭，进入白天储能阶段。如果还没有到白天，则检测没有人经过路灯的时间是否大于预定值，是则对路灯进行功率调整，降低功耗；没有则返回路人检测程序段，如此循环；在白天，系统检查是否有错误信息，有则不执行下面程序，直到晚上；如果没有错误信息，则接着检测太阳位置和太阳能电池电压，如果太阳能电池电压低于设定值，标志位置位；如果太阳能电池电压没有问题，系统则驱动电机将太阳能电池转向阳光最大处，如果太阳能电池在规定时间内转不到指定位置则说明转向系统出现问题，接着判断太阳能电池是否有问题，如果有，说明太阳能电池个电机模块有问题，如果没有则再次对太阳能电池电压进行采样，将其与上一次采样电压进行比较，两次电压相差不大，说明电机有问题；两次电压相差大，说明位置检测电阻有问题，然后，报警通知用户，至此程序完成一次循环。当前面太阳能电池转动后到达指定位置后，系统进入定时循环状态，此时如果系统收到从机联网请求，则对从机进行联网处理；如此循环，直到定时时间到。

从机程序运行流程图

       从机程序运行流程图与主机程序运行流程图类似，在此不再复述。

3.5 系统预计实现结果

在白天，太阳能路灯处于蓄能状态，控制电路通过光传感器探知太阳所在位置，并控制电机转动太阳能电池跟踪太阳，使其能获取更多的太阳能转换成电能储存在蓄电池内；在晚上，从机首先进行自检，并将结果通过无线网络发送到主机，主机收到的同时也进行自检，将结果汇集后通过GSM网络向监控中心报告，监控中心发现问题则通知管理人员处理；自检结束后，从机和主机进入照明模式，人体红外感应模块工作。当有人经过，路灯进入正常照明模式；当一段时间没人经过，则路灯进入节能模式，发光强度有所下降。到了晚上十二点，由于该时段行人稀少，故路灯进入触发工作模式，只在有人经过的情况下才会发光；到了早上路灯再次进入正常照明模式直到天亮。