太陽能路燈遠程無線監(jiān)控節(jié)能系統(tǒng)方案設計

　　一、概述

　　太陽能路燈是一種利用太陽能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規(guī)電能，只要陽光充足就可以就地安裝等特點，因此受到人們的廣泛關(guān)注，又因其不污染環(huán)境，而被稱為綠色環(huán)保產(chǎn)品。太陽能路燈即可用于城鎮(zhèn)公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經(jīng)濟不發(fā)達、缺乏常規(guī)燃料，難以用常規(guī)能源發(fā)電，但太陽能資源豐富的地區(qū)，以解決這些地區(qū)人們的家用照明問題。

　　太陽能燈是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的一種應用產(chǎn)品，具有節(jié)能、環(huán)保、安全、無需布線、安裝簡便、自動控制、可根據(jù)需要隨時變換插放的位置等優(yōu)點。太陽能燈具的主要類型有太陽能庭院燈、太陽能路燈、太陽能草坪燈、太陽能景觀燈、太陽能信號燈。

　　在太陽能路燈實際應用中，很多地方的太陽能路燈不能滿足正常照明需要，尤其在陰雨天更為突出，因此，這就要求太陽能路燈在工作時能夠根據(jù)行人情況對自身功率進行動態(tài)調(diào)整，在滿足正常工作的同時能夠節(jié)省更多的電力，保證系統(tǒng)的長時間工作；此外，現(xiàn)有的太陽能路燈無法實現(xiàn)對自身工作狀態(tài)和外圍電路參數(shù)的檢測和故障診斷，無法組成遠程監(jiān)控網(wǎng)絡，因而需要一個遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)對太陽能路燈電路參數(shù)進行檢測，并對出現(xiàn)的故障實現(xiàn)診斷和報警功能，實現(xiàn)路燈的智能化管理。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　1、系統(tǒng)全部采用太陽能電池和蓄電池供電，綠色環(huán)保無污染；

　　2、太陽能電池能自動跟蹤太陽光，實現(xiàn)太陽能利用的最大化；

　　3、天黑時候路燈能夠自動亮燈，并且能夠根據(jù)有人經(jīng)過和沒人經(jīng)過的情況動態(tài)

　　調(diào)整路燈功率，實現(xiàn)節(jié)能效果；晚上十二點后，由于行人稀少，路燈將處于半激活狀態(tài)，當有人經(jīng)過時才亮燈，沒人經(jīng)過則不亮燈，在保證給少量行人照明的同時實現(xiàn)節(jié)能；到了早上再次進入正常發(fā)光模式，直到天亮的時候熄滅，進入蓄能階段。

　　4、系統(tǒng)具有自動監(jiān)測功能，能夠?qū)β窡艏捌渫鈬娐返倪\作進行監(jiān)測，一旦有異常情況出現(xiàn)，從機通過無線網(wǎng)絡發(fā)到主機，主機匯總后通過GSM網(wǎng)絡發(fā)給監(jiān)控中心通知技術(shù)人員進行維修，保證檢修的快速性。

　　2.2 性能要求

　　1、ADC轉(zhuǎn)換精度為10位；

　　2、無線傳輸有效距離100m（可根據(jù)實際需要選用不同的無線模塊實現(xiàn)遠距離傳輸數(shù)據(jù)）；

　　3、GSM超遠傳輸距離，只要有信號的地方就可以收到數(shù)據(jù)；

　　4、一個監(jiān)控中心可監(jiān)測多個主機，一個主機可監(jiān)測多個從機。

　　三、方案設計

　　3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

　　圖1：系統(tǒng)機構(gòu)框圖

　　系統(tǒng)由監(jiān)控中心、主機和從機三大部分組成，監(jiān)控中心通過GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)與主機的遠程通訊，而主機與從機距離較近，故采用2.4GHz無線網(wǎng)絡進行通訊。

　　圖2：監(jiān)控中心硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　監(jiān)控中心主要負責各主機匯總情況分析、顯示，同時可通過現(xiàn)場或者發(fā)短信的方式通知工作人員路燈的損壞情況，此外還可以對系統(tǒng)參數(shù)進行設置，其主要由AVR 單片機、GSM模塊、光傳感器、人體紅外感應模塊、矩陣鍵盤、聲光報警、位置檢測電阻、電機模塊、液晶顯示器、電源管理、實時時鐘電路DS1302、后備電源、太陽能電池和蓄電池組成。

　　圖3：主機硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　主機負責收集從機和自身監(jiān)控數(shù)據(jù)，是監(jiān)控中心和從機通訊的橋梁，主要由AVR單片機、GSM模塊、無線傳輸模塊、光傳感器、人體紅外感應模塊、位置檢測電阻、電機模塊、電源管理、實時時鐘電路DS1302、后備電源、太陽能電池和蓄電池組成。

　　圖4：從機硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　從機負責對自身太陽能路燈進行控制處理并對電路進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況就會進行故障診斷，并將通過主機將結(jié)果發(fā)給監(jiān)控中心進行處理，其主要由AVR單片機、無線傳輸模塊、光傳感器、人體紅外感應模塊、位置檢測電阻、電機模塊、電源管理、實時時鐘電路DS1302、后備電源、太陽能電池和蓄電池組成。

　　3.2 硬件平臺選用及資源配置

　　硬件平臺選用EVK1100，串口用于與GSM模塊通訊，PWM用于背光變頻，光照傳感器用于檢測環(huán)境周圍光度，液晶顯示器用于顯示各種信息，SPI用于與DS1302通訊，ADC用于太陽能電池電壓檢測、蓄電池電壓檢測、環(huán)境光度檢測、太陽能電池位置檢測和太陽位置檢測，1個通用輸入輸出口用于人體紅外檢測模塊，4個通用輸入輸出口用于電機控制，8個通用輸入輸出口用于4*4矩陣鍵盤。

　　3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　圖5：系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　3.4 系統(tǒng)軟件流程

　　圖6：監(jiān)控中心程序運行流程圖

　　系統(tǒng)上電后先對系統(tǒng)和GSM模塊進行初始化，接著更新系統(tǒng)時間，然后判斷現(xiàn)在是不是白天，如果是就繼續(xù)判斷系統(tǒng)是否收到信息，如果不是則檢查是否有新信息到來；在晚上，有新信息表示主機或者從機出現(xiàn)問題，系統(tǒng)進入信息處理階段，根據(jù)用戶設置有本地通知和短信通知兩種方式，如果用戶設置為短信通知，則系統(tǒng)只會通過短信通知用戶，而不會在本地發(fā)警報通知用戶；接著進行按鍵檢測，有按鍵按下則進入按鍵處理程序，對系統(tǒng)進行設置或者查看狀態(tài)；然后檢測有沒人接近，有則開液晶顯示器和背光，沒有則將它們關(guān)掉；接著又檢測是不是白天，如此循環(huán)。

　　在白天，系統(tǒng)檢查是否有信息，有信息則發(fā)警報通知用戶，并將信息刪除；接著檢測太陽位置和太陽能電池電壓，如果太陽能電池電壓低于設定值，標志位置位；如果太陽能電池電壓沒有問題，系統(tǒng)則驅(qū)動電機將太陽能電池轉(zhuǎn)向陽光最大處，如果太陽能電池在規(guī)定時間內(nèi)轉(zhuǎn)不到指定位置則說明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)問題，接著判斷太陽能電池是否有問題，如果有，說明太陽能電池個電機模塊有問題，如果沒有則再次對太陽能電池電壓進行采樣，將其與上一次采樣電壓進行比較，兩次電壓相差不大，說明電機有問題；兩次電壓相差大，說明位置檢測電阻有問題，然后，報警通知用戶，至此程序完成一次循環(huán)。當前面太陽能電池轉(zhuǎn)動后到達指定位置后，系統(tǒng)進入定時循環(huán)狀態(tài)，此時如果系統(tǒng)收到主機入網(wǎng)請求，則對主機進行入網(wǎng)處理；沒有收到請求則會判斷是否有按鍵按下，有則進行按鍵處理，沒有則檢測有沒人接近，有則開液晶顯示器和背光，沒有則將它們關(guān)掉；如此循環(huán)，直到定時時間到。

　　圖7：主機程序運行流程圖

　　系統(tǒng)上電后先對系統(tǒng)、GSM模塊和2.4GHz無線模塊進行初始化，接著向監(jiān)控中心發(fā)送聯(lián)網(wǎng)請求，直到收到監(jiān)控中心應答信號，允許入網(wǎng)。接著通過監(jiān)控中心發(fā)回信號更新系統(tǒng)時間，然后判斷現(xiàn)在是不是白天，如果是就判斷系統(tǒng)是否有錯誤信息，如果不是則發(fā)信息查詢從機狀態(tài)。在晚上，首先向從機發(fā)送查詢信息，如果在規(guī)定時間內(nèi)收不到從機應答信號，說明從機有問題，錯誤標志置位；如果收到信息，系統(tǒng)亮燈，并對蓄電池電壓進行檢測，如果蓄電池電壓小于設定值，說明蓄電池有問題，錯誤標志置位；如果蓄電池電壓大于設定值，則判斷路燈是否亮，路燈不亮，錯誤標志置位；路燈亮，判斷是否有錯誤置位，如果有，則想監(jiān)控中心發(fā)送錯誤代碼直到收到監(jiān)控中心應答信號，接著判斷主機是否有錯誤，有則進入待機模式等待檢修，沒有則進入路燈工作模式。

　　首先檢測是否有人通過，有則進行功率調(diào)整，使路燈處于正常發(fā)光模式，沒有則判斷是否到了晚上十二點，是則進行功率調(diào)整，使路燈處于觸發(fā)工作模式，只有人經(jīng)過的時候才會亮燈。如果不是則判斷是否到了早上，是則進行功率調(diào)整，使路燈處于正常工作模式，否則判斷是否到了白天，如果到了白天，則路燈熄滅，進入白天儲能階段。如果還沒有到白天，則檢測沒有人經(jīng)過路燈的時間是否大于預定值，是則對路燈進行功率調(diào)整，降低功耗；沒有則返回路人檢測程序段，如此循環(huán)。

　　在白天，系統(tǒng)檢查是否有錯誤信息，有則不執(zhí)行下面程序，直到晚上；如果沒有錯誤信息，則接著檢測太陽位置和太陽能電池電壓，如果太陽能電池電壓低于設定值，標志位置位；如果太陽能電池電壓沒有問題，系統(tǒng)則驅(qū)動電機將太陽能電池轉(zhuǎn)向陽光最大處，如果太陽能電池在規(guī)定時間內(nèi)轉(zhuǎn)不到指定位置則說明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)問題，接著判斷太陽能電池是否有問題，如果有，說明太陽能電池個電機模塊有問題，如果沒有則再次對太陽能電池電壓進行采樣，將其與上一次采樣電壓進行比較，兩次電壓相差不大，說明電機有問題；兩次電壓相差大，說明位置檢測電阻有問題，然后，報警通知用戶，至此程序完成一次循環(huán)。當前面太陽能電池轉(zhuǎn)動后到達指定位置后，系統(tǒng)進入定時循環(huán)狀態(tài)，此時如果系統(tǒng)收到從機聯(lián)網(wǎng)請求，則對從機進行聯(lián)網(wǎng)處理；如此循環(huán)，直到定時時間到。

　　圖8：從機程序運行流程圖

　　從機程序運行流程圖與主機程序運行流程圖類似，在此不再復述。

　　3.5 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果

　　在白天，太陽能路燈處于蓄能狀態(tài)，控制電路通過光傳感器探知太陽所在位置，并控制電機轉(zhuǎn)動太陽能電池跟蹤太陽，使其能獲取更多的太陽能轉(zhuǎn)換成電能儲存在蓄電池內(nèi)；在晚上，從機首先進行自檢，并將結(jié)果通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到主機，主機收到的同時也進行自檢，將結(jié)果匯集后通過GSM網(wǎng)絡向監(jiān)控中心報告，監(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)問題則通知管理人員處理；自檢結(jié)束后，從機和主機進入照明模式，人體紅外感應模塊工作。當有人經(jīng)過，路燈進入正常照明模式；當一段時間沒人經(jīng)過，則路燈進入節(jié)能模式，發(fā)光強度有所下降。到了晚上十二點，由于該時段行人稀少，故路燈進入觸發(fā)工作模式，只在有人經(jīng)過的情況下才會發(fā)光；到了早上路燈再次進入正常照明模式直到天亮。