劉曉青

(楚雄師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 楚雄 675000)

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智能太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)*

劉曉青

(楚雄師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 楚雄 675000)

太陽(yáng)能路燈近年在道路照明，交通發(fā)光指示標(biāo)志等領(lǐng)域廣泛使用，太陽(yáng)能路燈節(jié)能環(huán)保，施工方便。即免除了架設(shè)市政用電的麻煩，還降低了用電成本。大部分路燈的實(shí)際使用照明時(shí)間在2-8小時(shí)之間，可提供的持續(xù)照明時(shí)間除了取決于蓄電池的容量外還取決于不同光照條件下的充電效率，所以夜間的工作時(shí)間也在發(fā)生變化。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池板的方向控制，讓太陽(yáng)能電池板能夠隨著光線(xiàn)強(qiáng)弱的變化轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)論陰天還是晴天都能保持一個(gè)最佳的充電效率，以獲得最好的充電效果，延長(zhǎng)夜間照明的時(shí)間。

太陽(yáng)能路燈；單片機(jī)

1.引言

當(dāng)前隨著我國(guó)城市化建設(shè)進(jìn)程的加速以及城市基建設(shè)施建設(shè)的加快，城市對(duì)照明產(chǎn)品的市場(chǎng)需求逐漸擴(kuò)大。在能源緊張的大背景下，傳統(tǒng)照明設(shè)備耗能巨大，且存在巨大的能源浪費(fèi)，還影響城市生態(tài)環(huán)境，這明顯不符合我國(guó)能源利用的發(fā)展方向，同時(shí)也極大的限制了照明設(shè)備的利用效率。而太陽(yáng)能路燈的出現(xiàn)，有效的彌補(bǔ)了上述不足。[1]

如果將我國(guó)2000萬(wàn)盞路燈全部改用太陽(yáng)能路燈，則可以減少2580萬(wàn)噸二氧化碳的排放，相當(dāng)于103億美元二氧化碳減排成本。因此，投資太陽(yáng)能路燈行業(yè)可以產(chǎn)生較大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

太陽(yáng)能路燈發(fā)展的主要障礙在于成本，相對(duì)于普通路燈，太陽(yáng)能路燈具有太陽(yáng)能板，蓄電池，控制板三大部件，其中太陽(yáng)能板占據(jù)了大量成本。為了降低成本，部分廠(chǎng)商采用面積更小的太陽(yáng)能板，降低充電功率，但這也導(dǎo)致路燈的照明時(shí)間降低，實(shí)用價(jià)值下降。

本文介紹的系統(tǒng)通過(guò)讓太陽(yáng)能板智能轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生最大化的充電效率。使太陽(yáng)能路燈可以使用面積更小的太陽(yáng)能板來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的充電效率，降低太陽(yáng)能路燈的成本，從而緩解太陽(yáng)能路燈高成本的困難，促進(jìn)太陽(yáng)能路燈的普及使用。[2]

2.系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

通過(guò)自行設(shè)計(jì)的360°光線(xiàn)傳感器陣列獲取各個(gè)方位上的光照強(qiáng)度模擬信號(hào)，單片機(jī)讀取到信號(hào)后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并使用傳感器校正算法進(jìn)行運(yùn)算和校正。判斷出光照強(qiáng)度最大的方向，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制隨動(dòng)系統(tǒng)使太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向，對(duì)正光照強(qiáng)度最強(qiáng)的方位。同時(shí)，充電控制系統(tǒng)也在監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電壓，當(dāng)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電壓滿(mǎn)足充電需求時(shí)，打開(kāi)充電電路為電池組進(jìn)行充電。[1]

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.系統(tǒng)功能概述

3.1光照強(qiáng)度追蹤

要讓太陽(yáng)能電池板能夠面對(duì)光線(xiàn)最強(qiáng)的那一個(gè)方向，系統(tǒng)必須在所處的環(huán)境中尋找到最強(qiáng)光源方向。使用單片機(jī)讀取傳感器陣列上的32個(gè)光敏傳感器數(shù)值，并且使用校正算法進(jìn)行校正后，找到光線(xiàn)最強(qiáng)的方向，確定太陽(yáng)能電池板需要面向的方向。[3]

3.2充電及充電控制

太陽(yáng)能電池只有在有光照的環(huán)境下才能產(chǎn)生電力，把這些能量收集起來(lái)，在需要的時(shí)候來(lái)使用它，也就是夜間的路燈照明。太陽(yáng)能電池板在陰天以及其他非陽(yáng)光直射環(huán)境下，也是能夠產(chǎn)生一定的電流和電壓的，有時(shí)能滿(mǎn)足充電條條件，有時(shí)則不能。如果滿(mǎn)足條件而沒(méi)有充電，會(huì)導(dǎo)致充電效率低下，浪費(fèi)太陽(yáng)能資源。反之如果不滿(mǎn)足條件時(shí)打開(kāi)了充電電路，反而會(huì)造成電流倒流，太陽(yáng)能電池板變?yōu)橛秒娫O(shè)備，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板發(fā)熱或者燒毀。[4]

所以必須讓系統(tǒng)監(jiān)控太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電壓值和光敏傳感器的讀數(shù)，只有條件滿(mǎn)足時(shí)才可以打開(kāi)電路充電。

3.3人機(jī)交互

簡(jiǎn)單的交互系統(tǒng)利于故障時(shí)的判斷和檢修，在一個(gè)簡(jiǎn)單的液晶顯示屏上顯示出光照強(qiáng)度讀數(shù)、太陽(yáng)能電池板電壓、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等系統(tǒng)信息，可以讓安裝和維護(hù)人員快速的進(jìn)行安裝實(shí)施和故障排除。[5]

3.4太陽(yáng)能電池板方向控制

當(dāng)確定了光線(xiàn)最強(qiáng)的方向后，單片機(jī)還需要控制隨動(dòng)系統(tǒng)，讓太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，面向光線(xiàn)最強(qiáng)的方向，產(chǎn)生最大的電壓和電流，以達(dá)到最佳充電效率。

4.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1光線(xiàn)感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在室外環(huán)境，太陽(yáng)能電池板所能利用的光線(xiàn)的所有方向大概是一個(gè)半球形，所以組建一個(gè)半球形傳感器陣列就可以監(jiān)測(cè)到整個(gè)環(huán)境中的有效光線(xiàn)的光照強(qiáng)度情況。

將一個(gè)半球形物體以經(jīng)緯線(xiàn)的劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)光線(xiàn)的入射區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中心打孔安裝光敏傳感器，監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)區(qū)域的光線(xiàn)強(qiáng)度我們就能夠知道哪片區(qū)域是光線(xiàn)強(qiáng)度最大的，如果需要更高的精度，則進(jìn)行更加精細(xì)的劃分，安裝更多傳感器即可，對(duì)于智能路燈來(lái)說(shuō)，32個(gè)傳感器已經(jīng)完全滿(mǎn)足其精度需求。[6]如圖2所示：

圖2 光線(xiàn)感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

光敏電阻是幾乎沒(méi)有指向性的，也就是說(shuō)它對(duì)來(lái)自于它正面180度范圍內(nèi)的光線(xiàn)都比較敏感，當(dāng)光源距離相同但是角度不同的情況下光敏電阻的阻值變化不明顯。[7]

為每個(gè)光敏電阻加裝一定長(zhǎng)度的遮光管，使光敏傳感器有更好的指向性。如圖3所示：

圖3 光敏電阻安裝示意圖

4.2太陽(yáng)能電池板隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池板需要靈活準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)光線(xiàn)最強(qiáng)的位置，除了需要水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，還要能夠調(diào)整和控制垂直方向的仰角，使用多個(gè)舵機(jī)組成可在縱向180°橫向360°范圍內(nèi)隨意控制太陽(yáng)能電池板方向的云臺(tái)。[8]如圖4所示：

圖4 太陽(yáng)能電池板隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

4.3充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電壓和電流并不一定時(shí)刻滿(mǎn)足充電所需的條件，必須通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行判斷，當(dāng)滿(mǎn)足條件時(shí)，才進(jìn)行充電。為了能夠使充電效率更好，并使充電能夠持續(xù)和穩(wěn)定的進(jìn)行，使用一個(gè)穩(wěn)壓模塊，讓太陽(yáng)能電池板的可接受電壓在一個(gè)更為寬廣的范圍，陰天光照強(qiáng)度小的時(shí)候進(jìn)行升壓，光線(xiàn)較為強(qiáng)烈的時(shí)候則相應(yīng)降低電壓。[9]

5.軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

5.1模擬傳感器誤差校正算法

光敏傳感器的返回值是一個(gè)DC 0-5v的模擬信號(hào)，接入相同的+5v電壓，在三個(gè)不同逐漸降低強(qiáng)度的光源照射下，得到如下的測(cè)量值，如表1所示:

表1 不同光照強(qiáng)度光敏傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

從表中可以看出，部分傳感器存在較大的誤差，需要進(jìn)行傳感器校正，才能獲得準(zhǔn)確的光線(xiàn)強(qiáng)度信息，其具體算法如下：

獲得數(shù)據(jù)為：

{a1,a2……a14,15}，{b1,b2……b14,b15},{c1,c2……c14,c15},

取平均值為

∑ai/15，其中i=1,2,...,15

∑bi/15，其中i=1,2,...,15

∑ci/15，其中i=1,2,...,15

平均值的差值絕對(duì)值

|ai -∑ai/15 |，其中i=1,2,...,15

|bi -∑bi/15|，其中i=1,2,...,15

|ci -∑ci/15|，其中i=1,2,...,15

最后得到每個(gè)傳感器在三組數(shù)據(jù)中與均值的誤差值之和

Δi= (|ai -∑ai/15|)+( |bi -∑bi/15|) +(|ci -∑ci/15|)

結(jié)果如表2中的數(shù)據(jù)：

表2 光敏傳感器測(cè)量誤差值之和

誤差值較大的傳感器分別為1，2，3，4，5，14號(hào)，需要對(duì)這6個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。

排除誤差較大的傳感器之后，用剩下較為準(zhǔn)確的傳感器的均值作為校正的參考值

∑ai/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15

∑bi/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15

∑ci/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15

每個(gè)需要校正的傳感器對(duì)應(yīng)每組數(shù)據(jù)都會(huì)得到一個(gè)誤差值

aj-∑ai/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15；j=1，2，3，4，5，14

bj-∑bi/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15；j=1，2，3，4，5，14

cj-∑ci/9，其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15；j=1，2，3，4，5，14

三個(gè)誤差值的平均值為：

Δj= (aj-∑ai/9)+( bj-∑bi/9) +( cj-∑ci/9) 其中i=6，7，8，9，10，11，12，13，15；j=1，2，3，4，5，14

通過(guò)計(jì)算，得到表3中的數(shù)據(jù)

表3 光敏傳感器采樣修正值

A/D芯片采樣出來(lái)后的數(shù)據(jù)是采樣值,獲得的傳感器的修正值是以電壓值為基礎(chǔ)的情況下計(jì)算出來(lái)的，需要把修正值轉(zhuǎn)換為采樣值后才能進(jìn)行校正。5v/1024=0.00488,每1單位的采樣值對(duì)應(yīng)0.00488v電壓，計(jì)算出采樣修正值，如表4：

表4 光敏傳感器電壓修正值

正數(shù)誤差是測(cè)量值較實(shí)際過(guò)大，負(fù)數(shù)則是測(cè)量值較實(shí)際過(guò)小，修正時(shí)正數(shù)減去，負(fù)數(shù)加上。

5.2光線(xiàn)檢測(cè)及云臺(tái)控制

讀取相應(yīng)傳感器電壓后使用校正算法進(jìn)行校正，就知道哪個(gè)傳感器接受到的光照強(qiáng)度最大，代碼如下：

void target()//定義尋找最強(qiáng)光源函數(shù)

{a22=analogRead(0);//讀取光敏傳感器數(shù)值

a23=analogRead(1);

a24=analogRead(2);

a25=analogRead(3);

a22=a22-68;//傳感器校正

a23=a23-55;

a24=a24-111;

a25=a25+84;

a26=a26+74;

a35=a35-49;

highest=max(a22,a23);//查找哪個(gè)傳感器數(shù)值最大

highest=max(highest,a24);

highest=max(highest,a25);

highest=max(highest,a26);

highest=max(highest,a27);

}

知道光線(xiàn)強(qiáng)度最大的傳感器是哪個(gè)后，就知道了太陽(yáng)能電池板需要面對(duì)的方位，這時(shí)單片機(jī)只需要通過(guò)串口向控制系統(tǒng)發(fā)送指令就可以使太陽(yáng)能電池板指向相應(yīng)位置，核心代碼示例如下：

if (highest==a22)// 當(dāng)22號(hào)傳感器為最大值傳感器時(shí)

{Serial.println("#2P1397#18P1513#30P1563T2000");//發(fā)送對(duì)應(yīng)的9個(gè)舵機(jī)的位置信息

num=22; }//最大值傳感器是22

if (highest==a23) //當(dāng)23號(hào)傳感器為最大值傳感器時(shí)

{Serial.println("#0P522#1P799#2P1121#16P518#17P677#18P1741#28P525#29P905#30P1741T2000");//發(fā)送對(duì)應(yīng)的9個(gè)舵機(jī)的位置信息

num=23; }//最大值傳感器是23

5.3電壓監(jiān)測(cè)及充電控制

void control()//定義函數(shù)

{if (highest>400)//當(dāng)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電壓大于4V時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)

{ digitalWrite(sw1,LOW);//充電開(kāi)關(guān)打開(kāi)

if (flag==0);//標(biāo)志變量

{flag=1;}

else

{ digitalWrite(sw1,HIGH) };//充電開(kāi)關(guān)關(guān)閉

if (highest<30)//如果最大光線(xiàn)值小于30

{digitalWrite(sw2,LOW) };//打開(kāi)led開(kāi)關(guān)

else

{ digitalWrite(sw2,HIGH) };}//關(guān)閉led開(kāi)關(guān)

5.4主函數(shù)

功能分為三個(gè)函數(shù)：

found()--尋找光線(xiàn)最強(qiáng)的方向并改變太陽(yáng)能電池板方向

lcd()—人機(jī)交互界面顯示數(shù)據(jù)刷新

switch()—充放電控制系統(tǒng)讀取環(huán)境參數(shù)并且自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整

在主函數(shù)中設(shè)置10秒延遲，每10秒鐘進(jìn)行一次光線(xiàn)變化的采樣，并且根據(jù)采樣結(jié)果調(diào)整太陽(yáng)能電池板位置，更新人機(jī)交互界面的顯示信息，在條件滿(mǎn)足的情況下打開(kāi)充電電路，或者打開(kāi)路燈照明，主函數(shù)如下：

void loop(){//主函數(shù)

found();

lcd();

switch();

delay(10000); }//延遲2秒

6.系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后，對(duì)不同類(lèi)型的光源位置進(jìn)行測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)最大傳感器返回的電壓，得到表6.1的數(shù)據(jù)：

表5 不同環(huán)境與光照條件下系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)果顯示,智能太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)工作正常,完成了設(shè)計(jì)時(shí)的基本要求。

7.總結(jié)

通過(guò)在制作出系統(tǒng)模型后的多次測(cè)試中，傳感器陣列設(shè)計(jì)合理，模擬傳感器相互校正準(zhǔn)確，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)良好。本文所設(shè)計(jì)的傳感器陣列及校正算法都能夠精確的支持智能路燈系統(tǒng)的運(yùn)行，不管在哪種天氣環(huán)境中，系統(tǒng)都能運(yùn)轉(zhuǎn)正常。[10]

[1]徐文燦，袁俊,等．太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的探索與實(shí)驗(yàn)[J]．物理實(shí)驗(yàn)，2003，23(09)：45―48.

[2]陳是權(quán).并行計(jì)算在光線(xiàn)追蹤中的應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)用，2002,28(09):20―22.

[3]宋元杰,王璐,孟祥旭.采用Intel集成眾核架構(gòu)的并行光線(xiàn)追蹤加速方法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2015,27(12):2313―2322.

[4]黃濤．光線(xiàn)追蹤的OpenCL加速實(shí)現(xiàn)研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2011,(02):65―69.

[5]殷宏博.基于51單片機(jī)的光線(xiàn)追蹤系統(tǒng)[J].有色金屬文摘2015,30(06):129,131.

[6]岳田爽,等.基于CUDA的光線(xiàn)追蹤優(yōu)化算法研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2015,32(01):161―162,19.

[7]苗玉,等.基于POV-ray逆向光線(xiàn)追蹤模型模擬地表反射率圖像[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015,15(09):211―215.

[8]張倫,等.基于光線(xiàn)追蹤的尺度效應(yīng)分析[J].計(jì)算機(jī)工程,2014,40(04):242―246.

[9]林承華,覃青生.基于GSM的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化,2012,34(01):40―42.

[10]顧陳耀,胡志強(qiáng),等.溫室大棚卷簾機(jī)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(09):44―45,48.

(責(zé)任編輯 劉洪基)

Analysis and Design of Intelligent Solar Street Lighting System

LIU Xiaoqing

(SchoolofInformationScience&Technology,ChuxiongNormalUniversity,Chuxiong, 675000,YunnanProvince)

In recent years，solar street lighting in the road, the traffic signs light is widely used in areas such as solar energy saving lamp, convenient construction .That exempts for the erection of municipal electricity trouble, but also reduces the electricity costs. Most of the time the actual use of street lighting in between 2-8hours,lighting time can be provided in addition to depending on the battery capacity, and partly because different charging efficiency changes caused by weather conditions, so the night working time also taking place variety. The system by solar panels directional control, so that solar panels can be rotated with the light intensity changes, whether cloudy or sunny, maintains an optimum charging efficiency, charging to get the best results, extend the night illumination time. AVR microcontroller-based system used a controller chip, the whole column using a plurality of photosensitive sensor , sensor array to get the data of the light panel position ,make the solar panels keep facing the strongest light for better chaging efficiency, to gather more power, longer aloe lights at night time. Compared with traditional lights, the introduction of microprocessor controlled intelligent lights, providing superior intelligence, scalability, solar street light provides a better performance, low-cost solution.

Solar street lamp; Singlechip

云南省教育廳科研基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2012Y132；楚雄師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：11YJRC08。

2016 - 05 - 15

劉曉青(1981―)，女，講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程。

TS956.299

A

1671 - 7406(2016)09 - 0049 - 08

系統(tǒng)運(yùn)用一個(gè)AVR單片機(jī)為主控制芯片，使用多個(gè)光敏傳感器組成整列，傳感器陣列獲取光線(xiàn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)后，單片機(jī)進(jìn)行采樣判斷，然后控制隨動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整太陽(yáng)能板的位置，讓太陽(yáng)能電池板時(shí)刻保持正對(duì)光線(xiàn)最強(qiáng)的地方，獲得更好的充電效率，收集更多電能，讓路燈在夜間工作時(shí)間更長(zhǎng)。

與傳統(tǒng)路燈相比，引入單片機(jī)控制的智能路燈，提供了優(yōu)異的智能性、可擴(kuò)展性，為太陽(yáng)能路燈提供了一種性能更佳，價(jià)格更為低廉的解決方案。