基于物联网太阳能LED照明智能控制系统的研究和设计

谢拥军，钟 雄，江向东，徐 健

(九洲光电科技股份有限公司，广东 深圳 518057)

引言

在地球传统能源面临枯竭，环境污染日益严重的背景下，以太阳能光伏技术、LED照明技术、智能控制技术为支撑的太阳能LED智能照明系统逐渐引起人们的关注[1]。

我国具有丰富的太阳能资源，陆地表面每年接受的太阳辐射能约为(5×1016)MJ，全国各地太阳辐射总量为3350～8370MJ/m2，中值为5860MJ/m2[2]，并且我国太阳能光伏产业经历了快速扩张—洗牌的过程，目前光伏产品质量较之前有了更大的提升；LED作为新一代照明光源，整个产业正处于快速发展期，据统计，2012年我国LED行业总规模达到2059亿元，同比增长34%，我国已经成为了世界上最重要的、发展最快的市场[3]；作为太阳能LED智能照明系统的核心部分即控制器的研究尚有很大的提升空间，目前存在的问题是其控制可靠性不高、网络智能管理功能有待提升。

1 太阳能LED路灯工作原理

太阳能LED路灯工作原理如图1所示，白天阳光入射到太阳能电池表面，太阳能电池由于光伏效应产生电能，控制器控制电能给蓄电池充电；夜晚控制器控制蓄电池给LED灯具供电，直到第二天早上，控制器使蓄电池停止向LED灯具供电，并使太阳能电池开始向蓄电池充电，如此循环往复。

图1 太阳能LED路灯工作原理Fig.1 The working principle of solar LED street lamp

2 太阳能LED照明优势

安装、维修方便：由于太阳能LED路灯使用蓄电池作为储能设备，所以其不需与电网相连，与传统路灯相比，减少了挖沟布线、回填、安装供配电控制箱等大量基础工程。因为没有电网，故不会对路过的行人构成危险，若出现故障，只需对单个故障灯具系统进行排查，还可以根据需要对其进行移动。对于煤炭之类常规能源运输路程长或输电线路长、电力用户分散的情况下，太阳能LED路灯成本就会低于当地电能成本。

智能控制提高系统性能，使照明更加人性化：控制器对太阳能电池板输出功率进行最大功率点跟踪(MPPT：Maximum Power Point Tracking)算法控制，可以实现在同样条件下提高太阳能电池板的输出功率；控制器对蓄电池充放电进行管理，可以延长蓄电池的使用寿命；控制器还可以通过分析道路流量、外界亮度等来自行调节路灯照明效果。将物联网与太阳能LED路灯结合，不仅可以实现路灯的远程监测，实时了解每盏路灯系统的充电电流、蓄电池端电压、太阳能电池电压等参数，及时排除设备故障，免去人员巡查成本，还可以根据具体道路情况，对路灯照明亮度、数量进行控制。

3 太阳能LED照明智能控制统基本功能

现有的太阳能LED照明系统，基本上没有采用智能控制方案，不能对系统相关重要的电流电压信息进行采集，更不能无线控制灯的开启及调亮度调节等功能。本系统将太阳能和蓄电池的电流电压及环境光照、温度等信息进行采集，并通过ZigBee无线通信技术上传到上位机监控端，实现数据的显示与控制，能有效地实现智能控制、人性化照明、节约用电，并且本系统的扩展性强，可以按实际应用需要添加相应的采集模块或传感模块，比如添加位移传感器，可实现防盗报警功能。

本系统设计实现的功能有：

(1)远程实时控制，灯具开关、亮度调节；

(2)蓄电池电压、温度信息、灯具状态实时监测；

(3)太阳能灯具节点自由分组、场景控制；

(4)节点自动组网，无线控制；

(5)灯具照明根据电池状态，智能运行点亮；

(6)多种控制策略(光强感应、时段亮度控制等)。

4 系统方案设计

4.1 GPRS简介

GPRS通用分组无线业务是一种新的承载业务，提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的数据传输。GRPS永远在线，接入速度快，用户可随时与无线网络保持连接，可使远程数据采集的效率大幅提高。

4.2 ZigBee简介

ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低传输速率、低成本的双向无线组网通讯技术，ZigBee网络中的设备分为全功能设备和简化功能设备两种。全功能设备可以作为协调器和路由器使用，可以和简化功能设备之间进行通讯，主要负责网络的组建和维护以及路由。简化功能设备一般为终端节点，互相之间不能通讯，完成信息的发送和接收。

ZigBee网络支持星型网、集群树状网和网状网三种拓扑。网状网是一种高可靠性的AdHoc网络，与集群树状网不同的是，具有路由功能的节点之间可以进行通讯，从而网状网通过自组织和无线线路的功能可以提供多个数据通路。当最优路径出现故障时，冗余的其他通路提供相应的路径。因此网状结构缩短了信息传输的延迟并提高了通讯网络的可靠性[4]。

4.3 系统组成

本路灯节能监控系统是由三层网络来实现的，如图2所示。

图2 智能太阳能路灯系统示意图Fig.2 Schematic diagram of intelligent solar street lighting system

其中监控层主要由PC监控中心及服务器组成，监控中心实现照明状态查询、故障报警监控、实时控制等；服务器实现数据的实时收集，照明系统的配置，实现多个Zigbee照明子网的接入和管理，数据的存储等。中间层由每个子网的集中控制器组成，包含GPRS及Zigbee协调器，实现了本地区网络的组建，担任网关的功能，通过GPRS通讯技术将子网内的数据信息传送到系统服务器。最后子网内采用ZigBee网状网络来实现太能路灯之间的通讯，每个区域内的太阳能路灯通过ZigBee协议栈中的网络层来实现Mesh网络的构建，从而保证将每个节点上的信息及时地发送到相应的集中控制器。

该系统的控制流程如下：

(1)用户通过外网登陆WEB服务器，WEB服务器接入到互联网，GPRS数传模块与互联网实现IP连接，控制命令通过WEB服务器下发到集中控制器的GPRS模块，集中控制器通过内部的协调器，发给内网中ZigBee无线通信模块，由该模块把命令发给相应的太阳能照明设备，太阳能照明终端设备收到命令后作出相应的的动作。

(2)太阳能照明终端设备收到命令后，一是作出相应的动作后向上层作出应答，二是把上层需要的数据通过JN516X模块传送给上层设备集中控制器，集中控制器将对数据进行处理，并上传到WEB服务器。

5 集中控制器设计

集中控制器承担监控中心与太阳能照明节点的通信桥梁，承担网关的作用，保证上位机能够与太阳能节点进行实时通信；同时在远程网络出现故障时实现报警信息上报，能够对本地的太阳能节点进行状态监测、控制，如定时开关机、亮度调节、场景控制等，同时预留传感器通信接口，通过亮度等传感信息的采集，实现多样化的智能控制。

集中控制器设计主要包括软件设计和硬件设计。

5.1 硬件设计

集中控制器包含GPRS模块、JN5168 Zigbee收发模块、以太网接口芯片、ARM主控芯片LPC3240、NAND flash存储器。主要硬件架构图见图3。

图3 集中控制器硬件架构Fig.3 The hardware architecture of centralized controller

GPRS模块采用SIM300，它是一种三频紧凑型封装GSM/GPRS模块，可以工作在900/1800/1900MHz频段，可以低功耗地实现语音、短信息和数据及传真通讯，SIM300模块通过SIM卡座和SIM卡相连并通过微型天线卡座连接9dB天线，实现SIM300模块和GSM基站之间的信号发送和接收。本设计仅仅使用了SIM300的GPRS功能，该GPRS功能是通过SIM300和主控制器之间的UART通讯实现的。

主控制器为NXP 的LPC3240 ARM 32位处理器芯片，采用NAND Flash作为程序存储器，程序在SDRAM中运行。本次设计基于LINUX操作系统，便于扩展功能及模块化设计。

Zigee模块使用JN516X芯片，工作在2.4GHz频率，采用串口和主控LPC3240通讯，自带协议栈，作为协调器角色使用。

以太网采用DP83848芯片，在条件允许的情况下，可以用以太网环境中使用。

Zigbee协调器硬件设计如图4所示。

图4 协调器电路图Fig.4 The circuit diagram of coordinator

DIO6为RXD，DIO7为TXD，这两者为与主控制器的串口通信端口，命令及数据通过该接口实现交互，并发送到各ZigBee的太阳能LED照明控制器节点。

5.2 软件设计

本系统设计基于Linux操作系统，架构如图5所示。

图5 集中控制器软件架构Fig.5 The software architecture of centralized controller

集中控制器扮演IP网络与 ZigBee交互的网关，WEB服务器的数据通过该集中控制器下发到各个照明子节点。

6 太阳能LED照明控制器节点设计

太阳能LED照明 控制器是组成网络的基本节点，是网络通讯的载体，是系统中的关键，其主要功能是实现信息的采集、无线通讯以及照明控制、蓄电池与太阳能板充放电控制。主要包括软件设计和硬件设计。

6.1 控制器硬件设计

太阳能LED照明控制器以JN516X为主要的硬件平台实现系统的设计。JN516X是NXP 公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。在整个芯片上集成了模拟数字转换器、定时器和AES协同处理器、ZigBee协议栈、PWM发生器等外设，支持2.4 GHz，IEEE 802.15.4/ZigBee协议[5]，如图6所示。

图6 太阳能LED照明节点硬件架构Fig.6 The hardware architecture of solar LED lighting node

控制器节点主要由电压电流采集模块、功率调节模块、JN516X无线通讯模块组成。其中电流电压采集模块是通过相应的采集电路将信号转化到JN516X接受的范围，利用JN516X中的ADC模块来进行采样，从而获得系统电流和电压的信息；功率调节模块是利用JN516X中的PWM输出脚输出占空比不同的脉冲，调节DIM引脚上的电压，从而调节路灯的照明亮度，最终实现对路灯的监控。图7为JN516X控制中心的原理图。

图7 太阳能LED照明节点控制图Fig.7 The control graph of solar LED lighting node

ADC1为电压采集通道，负责太阳能电池板对蓄电池的充电电流检测，采集太阳能光伏输出电压，DIO8负责开启或关断太阳能对蓄电池的充电，DIO2负责太阳电池充电电流大小、最大输出功率MPPT控制。ADC3端口采集蓄电池电压，为工作环境提供参考，保护蓄电池。IOT_PWM1为PWM输出端口，用来控制调节LED太阳能路灯的亮度输出，从而控制蓄电池工作在最佳的状态，DIO4、DIO5通过接口检测当前的工作温度、照度等信息，监测系统有无异常，保证系统的正常运行，照度传感器的接入，可以监测环境光的明暗情况，在环境光不能满足基本照度需求情况下，照明自动开启，实现按需照明，避免采用定时开启而地理经纬度不同带来的不便，同时在太阳能电池正常工作时，可以读取照度传感器数据，通过调节路灯亮度，达到恒亮度输出目的。

6.2 软件设计

6.2.1 通信管理与监控

在控制节点之间，利用ZigBee通讯组成自组织的Mesh网络。该设计采用NXP公司发布ZigBee的协议栈，来简化系统的软件部分设计，其中程序的主要组成包括协议栈的配置以及驱动函数的编写。软件部分是在ECLIPSE环境中JNOS操作系统上编程。首先在用户应用层中初始化相关节点信息的配置以及相关事件处理的函数，然后在系统中添加任务。

在系统中节点终端为监控设备，配置为路由节点，从而实现Mesh网络的组建。终端设备包含的功能：与协调器节点通信管理、路灯输出PWM控制输入当前路灯亮度、路灯输出电流检测、太阳能MPPT调节、蓄电池充放电管理。

节点通过接受或发送事件、消息与协调器进行通信，实现照明控制、照明状态、电池状态、报警等信息的实时监控。

节点设备的程序流程图如图8所示。

图8 太阳能LED照明节点程序Fig.8 The program of Solar LED lighting node

6.2.2 太阳能电池输出特性及最大功率点跟踪MPPT算法

在相同环境温度，不同阳光辐射强度条件下，太阳能电池的输出特性如图9所示，其中辐射强度φ1>φ2>φ3，可见阳光辐射强度增大，太阳能电池短路电流增大，峰值功率(P=IU)对应的电压值发生改变。

图9 环境温度相同条件下，太阳能电池输出I-U、P-U特性曲线Fig.9 The characteristic curve of solar cell output I-U, P-U under the same ambient temperature

图9表明，太阳能电池输出特性受阳光辐射强度影响较大，无法保持一直工作在峰值功率点上，这就导致了太阳能电池转换电能的损失[6]。目前普遍的解决方案为采用MPPT(Maximum Power Point Tracking)技术，即当太阳能电池输出峰值功率随外界条件而发生改变时，通过灯具中的控制器来调整电池的输出电压，使电池的输出功率回到峰值值功率点上[7]。MPPT有多种算法，本次设计采用扰动观测法,其原理为：首先探测出太阳能电池的输出电压值U1和输出功率P1，再使光伏电池输出电压增加△U，即U2=U1+△U，并测得此时输出功率P2。如果P2>P1，则表示增量方向正确，应继续增加输出电压；如果P2

6.2.3 充放电管理

节点采用三段式充电方法来尽量减弱充电过程对蓄电池的损害，具体过程如下：

(1)充电初始阶段

蓄电池处于深度馈电状态，此时应最大限度地利用太阳能，即使太阳能电池工作在MPPT状态对蓄电池快速充电。随着充电过程的进行，蓄电池的端电压会迅速增大，当到达临界端电压(即高于此电压，极板就会产生大量气体)时，系统应即入恒压充电阶段。

(2)恒压充电阶段

此阶段控制器控制太阳能电池输出恒压对蓄电池进行充电，蓄电池电压会缓慢增加，充电电流会逐渐减小，当蓄电池的电压或电流达到设定的浮充阈值时，系统即进入浮充阶段。

(3)浮充阶段

浮充电压值选择适中，既能补充蓄电池自放电损失的电能，又能避免对蓄电池的损害。[8]

在夜晚太阳能LED路灯工作时，控制器应稳定蓄电池的输出电压或电流，保证LED路灯能够正常照明。

7 服务器软件

服务器软件采用B/S架构，任何互联网上的PC监控终端，通过浏览器，凭密码登陆到服务器，实现太阳能照明的状态监测、灯具实时控制、照明设备的分组管理、每个节点的配置管理等功能。在此不作详细描述。

8 分析结果

在以上终端设计的基础上实现了Mesh网络的建立、通讯以及互操作性的测试，解决了网络结构不稳定的问题。实验表明能够在部分路灯节点出现故障时，同样能够将所需的信息传送到集中控制器上。在此平台上设计，实现了太阳能LED路灯照明远程实时监控，从而达到节能、延长蓄电池及照明灯具寿命目的。

由于太阳能照明一般应用与野外道路，会有雷击现象，因此在安装时，考虑天线输入端增加天线防雷器，专门用于保护无线模块天线馈电单元和收发系统，使其免受雷电过压和感应过电压所造成的损坏。

9 结论

本文介绍了基于ZigBee及GPRS相结合的远程物联网应用—无线网络技术的太阳能LED照明监控系统，结合路灯分布的特点设计出无线的监控方案，在方便安装的同时，提高了系统的稳定性。满足了太阳能照明的通讯要求，最终解决了太阳能LED路灯照明节能系统的节电、电池管理、故障监控等问题，有效地自动维护监控蓄电池；系统中具有智能化、信息化的特点，在满足人们照明要求的同时，避免了不必要的用电浪费，减少了人工维护成本，最终实现了节能目的，延长了系统工作的寿命。

[1] 陈萍，陈白瑶.风光互补智能化半导体室外照明工程[J].建设科技，2007，14：64-65 .

[2]沈飞，梁雪春.大力支持太阳能产业的可行性分析[J].生态经济，2006(11)：105-107.

[3]吕海军.我国LED产业发展现状及未来发展展望[J].照明工程学报，2013，23(4)：6-10.

[4] ZigBee Alliance Board of Directors. ZigBee Specification, 2008: 29-30.

[5] NXP JN-AN-1194-ZigBee-IoT-Gateway-Control-Bridge:2013.

[6]黄克亚.独立光伏LED照明系统研究与设计[J].照明工程学报，2012，23(4)：84-89.

[7]王桂英，史金玲，纪飞，等.光伏并网发电的最大功率点跟踪算法研究[J].现代农业科技，2010，7.

[8]杨晓光，申荣河，刘秀军.太阳能LED区域照明控制系统的研制[J].照明工程学报，2011,22(4)：54-59.