基于zigbee的太陽能自動追光燈與電子廣告牌的設計，軟硬件系統(tǒng)解決方案
加入技術交流群
一、項目概述
1.1 引言
太陽能作為一種新興能源，現(xiàn)廣泛應用于太陽能發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、太陽能水泵、太陽熱水器、太陽能建筑、太陽能干燥、太陽灶、太陽能制冷空調，還有可以用來淡化海水，利用太陽光催化治理化境，培養(yǎng)能源植物，，在通訊、運輸、農(nóng)業(yè)、防災、陰極保護、消費、電子產(chǎn)品等諸多方面。
然而，各國謀求發(fā)展帶來全球性能源危機，世界普遍開始重視可再生能源的開發(fā)與利用。太陽能作為一種新興清潔無污染的綠色能源，以其永不枯竭、無污染等優(yōu)點，正得到迅速的推廣應用。目前太陽能路燈應用廣泛，但是絕大多數(shù)存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間、隨季節(jié)不斷變化等問題，一方面，傳統(tǒng)太陽能電池板都采用固定安裝，即電池板固定在某個位置，不隨地球自轉的變化而變化，這樣嚴重影響光電轉換效率，據(jù)測算：如果發(fā)電系統(tǒng)與太陽光線角度有25度偏差，就會因垂直入射的輻射能下降10%左右；另一方面，傳統(tǒng)太陽能路燈后期維護大多數(shù)處在“無人問津”狀態(tài)，有可能造成維修費用更高，更有可能使新能源環(huán)保理念在人們心目中形象大打折扣。
為此，要實現(xiàn)創(chuàng)新與環(huán)保，必須更好的利用光能，做到兩方面，第一，電池板東西能自動追光，以克服每日太陽光的不垂直入射；第二，電池板南北能自動追光，以克服季節(jié)的更替；資料顯示，單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)比固定式系統(tǒng)能增加25%的功率輸出，而雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)能增加41%左右；
還有，想到如果把每盞路燈都連成網(wǎng)，有利于更好的控制；
最后，如果在路燈旁加上廣告牌設計，例如提醒居民小心路滑、路段名稱、安全駕駛等等，如果是安置在校園當中，提醒同學保護環(huán)境、愛惜花草、注意衛(wèi)生等等，這就使得方案設計更加人性化；
示意圖如下圖:
1.2 項目背景
我們地球所接受到的太陽能，只占太陽表面發(fā)出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當于全球所需總能量的3-4萬倍，真可謂“取之不盡，用之不竭”。
國外背景：據(jù)了解，1974年至1997年，美日等發(fā)達國家硅半導體光電池發(fā)電成本降低了一個數(shù)量級；最近俄羅斯在太陽能研究方面取得進展，利用熱泵和熱管技術將太陽能和地熱、居室廢熱綜合利用起來，是太陽能發(fā)電的成本大大降低；
國內(nèi)背景：我國比較成熟太陽能產(chǎn)品有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)；使用光伏產(chǎn)品發(fā)電的經(jīng)濟性相對不足，因此長期以來我國光伏產(chǎn)品主要用于解決偏遠無電地區(qū)的電氣化問題，以及偏遠地區(qū)電信基站的供電問題，值得一提的是，在我國，西藏西部太陽能資源最豐富，最高達2333 KWh/㎡ （日輻射量6.4KWh/㎡ ），居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。
綜上所述，基于自動跟蹤、路燈控制、無線通信、電子廣告牌設計等特點，本次比賽定項目為基于zigbee太陽能自動追光燈與電子廣告牌的設計。
二、需求分析
太陽能跟蹤系統(tǒng)能顯著增加光伏模塊接收的太陽能,提高日用功率和年輸出功率,但比固定式系統(tǒng)成本高且更復雜。在商業(yè)領域,太陽能跟蹤系統(tǒng)有單軸系統(tǒng)、雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)及準雙軸系統(tǒng)。單軸系統(tǒng)只能自東向西跟蹤太陽；雙軸系統(tǒng)能在自東向西跟蹤太陽的同時,太陽能板傾斜角度也隨太陽高度變化而變化，從而準確跟蹤太陽位置；而準雙軸跟蹤系統(tǒng)選取單軸的低價優(yōu)勢、雙軸的精確優(yōu)勢，集中體現(xiàn)低價高效等特點，但適用范圍較雙軸跟蹤窄。太陽跟蹤系統(tǒng)存在產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性不能滿足要求、跟蹤誤差大、成本過高等問題，如何選擇性價比及發(fā)電增益高的太陽跟蹤系統(tǒng)，既提高發(fā)電量，又降低投資成本成為投資光伏發(fā)電市場的關鍵問題。
光伏產(chǎn)業(yè)目前在新能源中發(fā)電成本最高，但潛力巨大，多種技術路線加速進展，呈現(xiàn)百花齊放的特點，同時投資規(guī)模的擴大，成本有較大下降空間，產(chǎn)業(yè)將在2012年開始形成高速增長的拐點。2012年以后光伏市場增長幅度會加快，年復合增長率將超過60%，預計2014年市場需求量將達到37GW。其中德國、西班牙、美國、意大利和日本的合計份額仍將保持在85%以上，仍是主要需求地區(qū)。我國是能源生產(chǎn)和消費大國，隨著經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展和工業(yè)化進程的加快，我國的電力需求也快速增長。到2020年，我國光伏累計裝機容量將達到1.8GW。光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將帶動太陽能跟蹤系統(tǒng)的高速發(fā)展。因此，本方案可以盡最大可能的實現(xiàn)上述目標，將能源最大化的利用。
2.1 功能要求
太陽能電池板：
利用太陽能電池板將光能最大效率轉化成電能；
太陽能電池板模塊實現(xiàn)對收集的的太陽能進行轉換，由光能轉化為電能并存儲在蓄電池中，在夜間作為電源為路燈提供能量。本模塊采用太陽能多晶硅發(fā)電板：
蓄電池：在白天，對公園或者居民小區(qū)中的路燈的蓄電池進行充電，除了對AVR單片機、步進電機供電外，其它的盡量保持低耗能；在夜間蓄電池對無線通信模塊、AVR單片機、LED燈提供電力照明，無需采用傳統(tǒng)的交流電的供電方式進行對路燈的供電；
太陽能控制器:控制器完成功率調節(jié)，反接，短路，過流，電氣保護，線損補償，以及散熱功能；
Zigbee模塊：實現(xiàn)當某人在街道上行走（車輛行駛）時，利用控制紅外線自動檢測后的信號來實時控制路燈（當然離不開AVR單片機），實現(xiàn)路燈的控制全自動化和能源利用最優(yōu)化，為做好融入物聯(lián)網(wǎng)而做好“有行”的接口；
AVR單片機：
AVR單片機控制系統(tǒng)是整個電路的控制核心部分，接收來自光敏傳感器模塊和光控開關的信號，通過相關的編程計算，確定何時開啟和關閉路燈，實時的調整自動跟蹤步進電機模塊，實現(xiàn)太陽能電池板以最佳方位面向太陽，實現(xiàn)對系統(tǒng)的總體控制。
光控開關模塊：
本模塊功能在于在何種情況下啟動路燈照明，當在白天光強較強的時候，切斷蓄電池對路燈的供電路徑，從而使得路燈熄滅；當在夜晚來臨時，光強逐漸變?nèi)?，此時光控模塊自動接通路燈的電源，從而實現(xiàn)路燈照明。同時本模塊實現(xiàn)在白天時切斷對通信模塊和紅外檢測模塊的供電路徑，實現(xiàn)能源的節(jié)約。
光敏傳感器模塊：
本模塊實現(xiàn)對太陽光的自動采集功能，并確定具體哪一個的方向和方位光強最強，并將采集到的信號發(fā)送到AVR單片機，從而由單片機決定自動跟蹤模塊如何進行調節(jié)。
紅外線檢測模塊：
紅外線檢測模塊實現(xiàn)對所經(jīng)過的物體或者人進行實時監(jiān)測，當有人來到時，自動點亮行人所在街道上的路燈，然后在固定的時間比如5分鐘后自動熄滅。當光照低于5lux時，路燈的使能端有效，每一段道路兩頭的路燈設置兩個紅外線檢測器，此時紅外線檢測到行人汽車則持續(xù)亮5分鐘，然后自動熄滅（在此過程中如果又檢測到行人，重新持續(xù)亮5分鐘）；同時等待下一位行人。本模塊的啟動和關閉由光控開關控制。
步進電機控制模塊：
自動跟蹤步進電機控制模塊實現(xiàn)對太陽能方位的定位，包含兩個步進電機和一個光敏檢測裝置，一個步進電機用于調整太陽能電池板的角度，另一個用于調整電池板對太陽的方位；利用步進電機實現(xiàn)太陽能電池板的東西、南北轉動，以實現(xiàn)光電轉換的最大化。
Zigbee模塊：
本模塊包含街道兩頭的無線發(fā)射模塊和若干接收模塊，在夜晚當檢測到行人到來時，發(fā)射模塊發(fā)射相應的啟動信號，接收模塊接收到相應的信號后，啟動路燈（本模塊的啟動和關閉由光控開關控制）；當有模塊不正常工作時，無線模塊向控制中心（例如小區(qū)控制中心）匯報異常情況；另外，AVR單片機應留有Zigbee模塊接口；
LED點陣屏：
實現(xiàn)對廣告語的動態(tài)顯示；白天不工作，晚上一直工作。
2.2 性能要求
1．太陽能電池板模塊：
（1）基本參數(shù)
最大功率 | 尺寸 | 重量 | 峰值電流 | 短路電流 | 峰值電壓 | 開路電壓 |
10wp | 292×322×35mm | 1.5Kg | 0.83A | 0.87A | 12.05V | 14.6V |
（2）使用條件：
標準測試條件：（AM1.5）輻照度＝1000W／m2，電池溫度＝25℃
絕緣電壓：≥1000V
邊框接地電阻：≤10hm
迎風壓強：2400Pa
填充因子：73％
短路電流溫度系數(shù)：＋0.4mA／℃
開路電壓溫度系數(shù)：-60mV／℃
工作溫度：-40℃～＋90℃
2．蓄電池模塊：
基本參數(shù)
額定容量 | 外形尺寸 | 最大重量 | 極柱 |
100Ah | 138×61×266（mm） | 4.3Kg | M16 |
常溫性能
放電電流（A） | 終止電壓（V） | 放電時間 |
0.2C5 | 1.0 | ≥5h |
1C5 | 0.9 | ≥60min |
5C5 | 0.8 | ≥8min |
10C5 | 0.8 | ≥2min |
（3）低溫性能（－18℃）
放電條件 | 放電電流 A | 0.2C5 | 1C5 | 2C5 |
終止電壓 V | 1.0 | 0.9 | 0.9 | |
放電時間 | 3h45min | 40min | 12min | |
（3）荷電保持能力： 常溫下全充電電池，開路擱置28d，然后以0.2C5A電流放至終止電壓1.0V，放電時間不少于3.5h。
（4） 機械性能： 常溫下全充電電池，經(jīng)頻率50～100次/min，加速度39.2m/S2(4g)沖擊10000次，然后在頻率940次/min，振幅2.5mm下振動1h，不應有機械損傷，同時以1C5A電流放電至終止電壓0.9V，放電時間不少于54min。
（5）循環(huán)壽命： 蓄電池在20℃±5℃下充放電循環(huán)次數(shù)不少于550次，壽命實驗期間，任一個第50次循環(huán)，蓄電池放電時間不少于3h30min。
（6）保存期： 蓄電池在環(huán)境溫度20℃±10℃，濕度45%～75%條件下保存3年，經(jīng)恢復容量后，性能應符合6.1規(guī)定。
3．AVR單片機控制模塊：
Flash/K | 16 | Vcc/V | 2.7～5.5 | RTC | Yes | 在線編程ISP | Yes |
EEPROM/K | 0.5 | 16位定時器 | 1個 | SPI | 1 | 10位ADC | 8 |
I/O 數(shù) | 32個 | 8位定時器 | 2個 | UART | 1 | 模擬比較器 | Yes |
系統(tǒng)時鐘 MHz | 16 | PWM | 4 | TWI | Yes | 掉電檢測BOD | Yes |
看門狗 | Yes | 片內(nèi)震蕩器 | Yes | 中斷 | 20 | 硬件乘法 | Yes |
外部中斷 | 3 | 自編程SPM | Yes | SRAM (B)快速寄存器 | 1024 | ||
4．光控開關模塊：
輸入電壓 | 5～18V |
功耗電流 | 3mA |
產(chǎn)品規(guī)格 | 49×27×17mm |
5．光傳感器模塊：
類型 | HC-SR501 普通型 | 電平輸出 | 高3.3V，低0V |
工作電壓 | 5V～20V | 感應范圍 | 小于120度錐角，7米以內(nèi) |
靜態(tài)功耗 | 65 mW | 工作溫度 | -15度～+70度 |
6．紅外線線檢測模塊：
紅外線傳感器
價格 | 20元 | 工作電流(5V時) | 典型電流6mA |
類型 | 熱釋電紅外傳感器 | 電壓范圍 | 3.8V～5.5V |
7．Zigbee模塊：
工作頻率 | 2.4GHz～2.5GHz ISM 微波段 |
識別距離 | 有效識別距離可達1500m |
識別速度 | 最高識別速度可達200公里/小時 |
識別能力 | 同時識別 200 張標簽 |
識別方式 | 全方向識別、定向識別 |
環(huán)境溫度 | 在-40℃～85℃ |
使用壽命 | 30年 |
抗干擾性 | 抗干擾性 |
安全性能 | 防水、防雷、防沖擊，滿足工業(yè)環(huán)境要求 |
通信接口 | RS232/RS485/RJ45 |
電 源 | 9V/12V～3A DC電源 |
數(shù)據(jù)速率 | 最高10M bit/s |
外形尺寸 | 15.5cm×14cm×5.5cm |
8.LED點陣屏
類型 | 共陽 |
顏色 | 紅綠雙色 |
點陣數(shù) | 2*8*8 |
尺寸 | 22mm*22mm |
厚度 | 1.9mm |
9．步進電機機控制模塊
型號 | 17PU-H501-P1 | 引線數(shù) | 4根 |
步距角 | 1.8度 | 電流 | 0.5mA |
機身長 | 38cm | 相電阻 | 6.8Ω |
靜力距 | 0.21N×M | 重量 | 0.24Kg |
10．LED燈：
產(chǎn)品品牌 | 西普萊特 | 功 率 | 3W |
產(chǎn)品型號 | MR16-12V-303 | LED數(shù)量 | 3PCS |
工作電壓 | 12V（燈杯內(nèi)置恒流驅動電源） | 產(chǎn)品重量 | 0.25Kg |
產(chǎn)品材質 | 精工車鋁外殼，精工車鋁散熱型材 | ||
三、方案設計
3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理（除圖片外需有文字介紹）
太陽能路燈由以下幾部分組成：太陽電池、蓄電池、步進電機、Zigbee模塊、LED發(fā)光體。 太陽能路燈是一個自動控制的工作系統(tǒng)。
系統(tǒng)硬件結構框圖
3.2 硬件平臺選用及資源配置
3.3系統(tǒng)軟件架構
3.4 系統(tǒng)軟件流程
程序運行流程圖
3.5 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結果
本設計預期實現(xiàn)以下功能：
在白天模式：太陽能電池板會隨著太陽光線相對的偏移而進行自動跟蹤校正，同時將轉化的電能存儲到蓄電池中；
在黑夜模式：太陽能電池板停止轉動，進入休眠模式；單片機會根據(jù)紅外線的檢測（行人等）通過無線通信模塊使整條街道路燈點亮，直至路上無行人；而電子廣告牌會一直工作，起到顯示作用；
當然，還包括，有異常情況出現(xiàn)時，及時通知物聯(lián)網(wǎng)控制中心。
評論