李德政，王若鈞，唐群，張駿風，王葉南

（西北民族大學，甘肅蘭州，730124）

0 引言

隨著城市化進程加速，越來越多的人涌向城市，路燈作為城市基礎設施的一部分，對于城市安全和發(fā)展至關重要。傳統(tǒng)路燈的電能是通過鋪設輸電線給道路兩側的路燈提供，但是這種方式具有一定的局限性。一方面，傳統(tǒng)輸電線路的鋪設、配電設備的安裝、電能在傳輸過程中的損耗等都是客觀存在的難題；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)單一的控制模式也無法滿足人們對智慧交通的需求[1]。因此如何采取節(jié)能技術，降低城市公共照明能耗，成為目前各大城市交通路燈急需解決的問題[2]。為此，筆者提出了基于STM32 的智能化太陽能路燈控制系統(tǒng)，本方案選擇以現(xiàn)階段主流的嵌入式處理器STM32F103C8T6 為控制核心，以綠色能源太陽能作為電能，采用電波接收、北斗衛(wèi)星授時、GPS 北斗雙模定位等模塊對日出日落的信息進行采集，從而對智能化太陽能路燈裝置的開關燈時間進行改變。

1 系統(tǒng)結構與工作原理

基于STM32 的智能化太陽能路燈控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)由太陽能電池、光伏逆變器、電池控制模塊、蓄電池、電源模塊、采集電路單元等組成；控制系統(tǒng)由調(diào)光電路、電波接收模塊、北斗衛(wèi)星授時模塊、GPS 北斗雙模定位模塊等構成，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 電波接收模塊流程圖

圖3 北斗衛(wèi)星授時流程圖

圖4 模式控制流程圖

本系統(tǒng)的核心是解決如何在網(wǎng)絡不良或者無法聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下獲得路燈所在地區(qū)的日出日落時間。為此我們采用了電波接收模塊和北斗衛(wèi)星授時模塊實現(xiàn)雙授時，還通過GPS北斗雙模定位模塊獲取路燈所在位置的經(jīng)緯度信息。多種控制模塊將實時采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給中央處理器，進行對日出日落信息的采集。同時，由于傳統(tǒng)路燈采用統(tǒng)一控制，且只有亮和滅兩個狀態(tài)，導致資源浪費嚴重[3]，本系統(tǒng)還采用調(diào)光電路對LED 照明模塊進行分時調(diào)光，以適應不同時間段對于燈光照明的需求。通過這種軟件層面的方式，實現(xiàn)了對路燈的動態(tài)調(diào)節(jié)和控制，以達到節(jié)能、環(huán)保、智能化的目的[4]。

2 硬件設計

■2.1 STM32F103C8T6 模塊

STM32F103RCT6 使用高性能的ARM@CortexTM －M3 32 位的RISC 內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128K 字節(jié)的閃存和20K 字節(jié)的SRAM)，豐富地增強I/O 端口和聯(lián)接到2 條APB 總線的外設。所有型號的器件都包含2 個12 位的ADC、3 個通用16 位定時器和1個PWM 定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2 個I2C 接口和SPI 接口、3 個USART 接口、1 個USB 接口和1 個CAN 接口等[5]，這款微控制器完全滿足系統(tǒng)開發(fā)的需要。

■2.2 電波接收模塊

本系統(tǒng)選用的電波接收模塊為CME6005，該模塊采用芯片DL6005 接收國家授時中心發(fā)射的電波。DL6005 是一款高度集成的BI-CMOS 低頻接收解碼芯片，具有高靈敏度，低功耗等特性。能解調(diào)多國電波信號。除此之外，電波接收模塊使用中波磁棒繞制天線，使用直徑為10mm 空心線圈，使用高靈敏度天線。采用晶體管低頻碼接收電路接收PBC中國碼電波，經(jīng)選頻放大，利用AGC 電路提高信噪比，然后經(jīng)單片機進行解碼識別[6]。

■2.3 GPS 北斗雙模定位模塊

本系統(tǒng)選用ATK-MO1218 模塊是一款高性能的GPS/北斗雙模定位模塊。該模塊采用S1216F8-BD 模組，具有體積小巧、性能優(yōu)異等特點。該模塊將獲取路燈所在位置的經(jīng)緯度等各種信息，并將所獲取的信息發(fā)送到微處理器當中。

■2.4 北斗衛(wèi)星授時模塊

本系統(tǒng)選用SKG123NT 作為北斗衛(wèi)星授時模塊。該模塊能夠同時支持GPS、北斗、GLONASS、Galileo、QZSS的衛(wèi)星接收、支持L1+L5 雙頻定位。本系統(tǒng)選用北斗衛(wèi)星授時模塊通過接收衛(wèi)星發(fā)射的高精度和穩(wěn)定性的時間信號來為中央處理器提供時間參考和時間同步，如果電波接收模塊兩次接收電波全部失敗，會自動采用北斗衛(wèi)星授時單元接收衛(wèi)星時間。

■2.5 太陽能電池

正常光照情況下，太陽能路燈電池組件可以自動將太陽光的能量收集起來，將光能轉化為電能，并自動存儲進蓄電池內(nèi)部[7]。在對太陽能路燈進行設計時，光源功率在很大程度上決定著道路照明的標準值，甚至對整個照明系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定性都有一定影響[8]。

■2.6 LED 驅動芯片

本系統(tǒng)選用的LED 驅動芯片是LM3404，該芯片是由德州儀器(TI)公司研發(fā)設計的內(nèi)部集成開關電源控制的芯片，主要應用在負載為恒定電流的大功率LED 電路設計中[9]。通過調(diào)節(jié)PWM 信號的占空比大小實現(xiàn)對大功率LED 發(fā)光亮度的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)選用LM3404 為調(diào)光電路的驅動芯片，控制LED 照明單元的開關、亮度，通過減少過高的電流和電壓對LED 燈的損害。綜合各種因素考慮，本系統(tǒng)選用的是單晶硅太陽能板。

3 軟件設計

■3.1 電波接收模塊

本系統(tǒng)具有電波接收的功能，無線電接收天線從空間感應接收由國家授時中心發(fā)射的實時授時信號，通過中央處理器來解析無線電波信號里的時間、星期、年月日、夏令時間等信息，以此來校準時間。電波接收模塊第一次接收電波的時間在凌晨1:00-3:00，如果第一次接收失敗，第二次接收時間在凌晨4:00。

■3.2 北斗衛(wèi)星授時模塊

本系統(tǒng)具有北斗衛(wèi)星授時模塊，北斗衛(wèi)星授時模塊通過接收衛(wèi)星發(fā)射的高精度和穩(wěn)定性的時間信號來為中央處理器提供時間參考和時間同步，如果電波接收模塊兩次接收電波全部失敗，會由中央處理器采用北斗衛(wèi)星授時單元接收衛(wèi)星時間。

■3.3 模式控制程序

本系統(tǒng)具有模式控制程序，在微控制器內(nèi)部設置兩種模式來對智能化太陽能路燈進行控制，分別為手動模式和智能模式。智能模式是根據(jù)系統(tǒng)計算得到的日出日落時間進行開關路燈的控制，手動模式是手動對路燈進行開關燈的控制，其預設的開關燈時間為晚上8 點到次日凌晨5 點。

■3.4 日出日落時間計算程序

（1）日出日落計算公式

系統(tǒng)具有日出日落計算公式，通過中央處理器解碼無線電波信號里的時間、星期、年月日、夏令時間等信息、由GPS 北斗雙模定位模塊獲取的路燈所在位置的經(jīng)緯度信息，綜合算法得出路燈所在地的日出日落時間。

其中h為時角、t為北京時間、Λ 為本地經(jīng)度、δ為赤緯、φ為本地緯度、N為從1 月1 日算起的第幾天、θ為太陽高度角、T 為日出日落時間。

（2）日出日落時間計算原理

地球以近似于24 小時的周期自西向東自轉，同時地球也繞著太陽公轉。太陽相對于地球的位置會有所變化。在計算日出日落時間時，需要計算特定地點，在給定時間下太陽光線與該地表面法線的夾角。太陽高度角大小因地球的傾斜角度、經(jīng)緯度和日期等參數(shù)而異。由于不同地區(qū)設定的時區(qū)標準不同，因此需要考慮給定地點（經(jīng)緯度）所在的時區(qū)來計算日出日落時間?；谝陨详P鍵因素，可以利用天文算法和數(shù)學計算來確定給定經(jīng)緯度和具體時間下的太陽高度角，進而計算出日出和日落的時間。需要注意的是，現(xiàn)實中存在地球大氣折射、地形和氣候等多種因素的影響，因此計算結果可能與實際情況存在一定差別。

■3.5 LED 照明程序

本系統(tǒng)通過PWM 調(diào)光技術來實現(xiàn)LED 照明亮度的精確控制。PWM 調(diào)光通過調(diào)節(jié)脈沖周期內(nèi)LED 燈具亮、暗時間占比的方法來控制輸出亮度[10]。通過改變輸入信號幅值的大小來改變脈沖寬度。當輸入信號幅值較大時，脈沖寬度較寬；當輸入信號幅值較小時，脈沖寬度較窄。而脈沖寬度越寬，光源被打開的時間越長，光源的亮度越高；脈沖寬度越窄，光源被關閉的時間越長，光源的亮度越低。由此，我們實現(xiàn)了對LED 照明亮度的控制。在日落后半小時至晚上11 點時人流量較大，我們使輸入信號幅值增大，LED 燈的亮度會拉高；而在晚上11 點之后，我們會降低輸入信號的賦值，LED 燈的亮度也會下降。通過這種方式我們實現(xiàn)了降低路燈功耗的目的。

4 測試與實驗數(shù)據(jù)

針對本裝置，我們設計了一套實驗方案，選用18V 70W 的太陽能電池板，選用80W 的LED 照明路燈，其實驗地點定位為36.044°N，103.819°E。假設傳統(tǒng)路燈的自動開關燈時間為晚上7:00 到早上7:00，其每個路燈平均耗電量約為0.96kW，則一個路燈一年的耗電量約為350kW。本裝置路燈的功能是每天進行時間校準，調(diào)整開關燈時間，為了簡化計算，我們選用二十四節(jié)氣的日出日落時間為基準點，以兩個節(jié)氣之間的時間為持續(xù)時間，如表1 所示。

表1 日出日落時間信息

方案路燈的照明亮度會隨時間進行調(diào)整，在日落后半小時至晚上11 點前為80W 照明，在晚上11 點至凌晨1 點為50W 照明，在凌晨1 點至日出前半小時為30W 照明。如表2 所示。

表2 分時段耗電量信息

設傳統(tǒng)路燈一年的耗電量為P1，P1=350(kW)；

本方案路燈裝置一年的耗電量為P2，P2=170(kW)；

其節(jié)約電能的效率：η=(P1-P2)/P1=51%。

5 結束語

基于STM32 的智能化太陽能路燈系統(tǒng)采用通過無線電接收單元和北斗衛(wèi)星授時單元實現(xiàn)雙授時，結合GPS 北斗雙模定位單元得到路燈所在地的經(jīng)緯度，通過算法與代碼來獲取當?shù)氐娜粘鋈章鋾r間。同時，太陽能路燈又具有節(jié)能環(huán)保、獨立運行、易于安裝、使用壽命長等優(yōu)點，具有極大的開發(fā)和應用空間。本系統(tǒng)既解決了傳統(tǒng)路燈容易受到外界環(huán)境影響而導致的照明不良，又解決了新型智能路燈在偏遠地區(qū)或者遠離城市的山區(qū)、海邊等網(wǎng)絡狀況不良的條件下使用不便，有效提高了對太陽能資源的利用率，擴大了太陽能路燈的使用范圍，具有一定的創(chuàng)新性和實用價值。