基于物联网和新型储能系统的太阳能LED智慧照明系统

邱定 王超 杨泽明 喻赛球 孙兆辉

摘 要 近年来，太阳能LED照明系统由于其节能环保的优点得到广泛应用。但是在使用的过程中，太阳能LED照明系统也暴露出一些严重的问题，归纳起来有如下两方面：（1）太阳能LED照明系统所用的铅酸电池等储能系统寿命太短，严重影响了整个太阳能LED照明系统的使用寿命；（2）目前市面上的太阳能LED照明系统是一个孤立的系统，其可控性较差。本文所研究设计的基于物联网和新型储能系统的太阳能LED智慧照明系统较好地解决了以上两个问题，将对太阳能LED照明系统的推广普及起到积极的推动作用。

关键词 物联网 太阳能 超级电容 LED

中图分类号：TM923.4 文献标识码：A

Solar LED Wisdom Lighting Systems Based on

Things and New Energy Storage Systems

QIU Ding， WANG Chao， YANG Zeming， YU Saiqiu， SUN Zhaohui

（Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Recently， solar LED lighting systems are used widely because of their energy-saving and environment friendly characteristics. But there are also some Key problems in current solar LED lighting systems， such as follows： First， the lifetime of lead-acid battery is too short so that the whole system lose efficacy soon； Second， current solar LED lighting systems usually are isolated systems， so its controllability is worse. This paper propose a new solar LED intelligent lighting systems based on Internet of Things and Supercapacitor ，which can tackle these two problems better， so the solar LED intelligent lighting systems will advance applications of solar LED lighting systems.

Key words internet of things； solar power； Supercapacitor， LED

0 引言

在当今时代，环保节能已成为人们的共识。太阳能光伏发电是一种绿色新能源，LED照明是一种绿色节能产品，且两者都工作在直流电模式，很适合搭配使用，因此，近年来，太阳能LED照明产品如雨后春笋般在世界各地呈现，掀起一股绿色科技旋风。在我国，政府也推出了“金太阳工程”，“十城万盏LED路灯”等计划，旨在推动太阳能LED照明产品的发展，促进资源节约型、环境友好型社会建设。在太阳能LED照明产品中，太阳能LED路灯是最具代表性、要求较严格、有较大市场潜力的一类产品。最近几年，在政府的大力支持、业界同仁的大力努力下，太阳能LED路灯已经在全国各大城市初步发展起来，取得了一些可喜的成绩。我们可以看到，太阳能LED路灯应用市场现在已经在国内外开始启动，随着技术的进步、生产的进步，太阳能LED路灯的价格会进一步下降，效率会进一步提高，寿命也会进一步延长，同时随着人们环保意识的加强，对太阳能LED路灯的认同也越来越高，所以有理由相信，在今后若干年，太阳能LED路灯的市场一直会保持快速增长的态势。展望太阳能LED路灯的未来，令人鼓舞和欣慰，但是，我们也应该清醒地看到，在最近几年的应用中，太阳能LED路灯也暴露出了一些问题，如果我们不能及时解决好这些问题，势必会影响太阳能LED路灯产业的发展。太阳能LED路灯暴露出的问题有如下这些：（1）太阳能LED照明系统所用的铅酸电池等储能系统寿命太短，严重影响了整个太阳能LED照明系统的使用寿命；（2）目前市面上的太阳能LED照明系统是一个孤立的系统，其可控性很差。这些问题如果得不到及时的解决，将严重影响太阳能LED照明系统的推广普及。

1 基于物联网和新型储能系统的太阳能LED智慧照明系统的组成结构

为了解决这些困扰太阳能LED照明系统产业发展的问题，本文设计了一种基于物联网和新型储能系统的太阳能LED智慧照明系统（如图1）。太阳能LED智慧照明系统用新型超级电容储能代替了传统铅酸蓄电池，大大提高了系统的寿命；同时太阳能LED智慧照明系统用无线物联网将一盏盏孤立的路灯变成了一个统一可控的整体，并加入了传感检测和智能运算，使得系统可以很方便地实现多种亮灯方式。该智慧照明系统还可以根据有无行人的情况，自动开关灯，还可以根据运动物体的方向和速度，决定开灯的数量和移动方向。

基于物联网和新型储能系统的太阳能LED智慧照明系统由32位嵌入式控制芯片构成的主控模块、无线收发模块、新型超级电容管理储能模块、PIR传感器检测及感光模块、LED驱动模块等组成（如图2）。白天太阳能电池给新型超级电容充电储能，晚上新型超级电容给LED路灯供电；感光和PIR传感器模块把周围环境的光照和周围的行人等环境信息传给单片机，经单片机分析来控制LED 的光照强度和照明时间；无线收发模块由单片机控制来通信，使各个独立的路灯之间相互传递信息、共享信息资源和统一接受指令。整个太阳能LED智慧照明系统在功能上较为完善，非常节能和人性化。

图1 太阳能LED智慧照明系统通信方框图

图2 太阳能LED智慧照明系统主电路方框图

2 太阳能LED智慧照明系统的各模块介绍

2.1 主控电路

太阳能LED智慧照明系统的主控电路由32位嵌入式控制芯片STM32F103C8T6构成，该芯片基于ARM内核，成本低，性能优异，并且具有丰富的外设接口。主控电路是太阳能LED智慧照明系统中最重要的核心部分，该控制电路功能主要包括：通过控制双向DC/DC变换电路来对超级电容的充放电进行管理；运行自主开发的一个简单的物联网协议，实现灯具的组网；可以实时的监测灯的运行情况，完成电路的电流电压等参数采样与检测。

2.2 超级电容管理电路

超级电容器，又叫双电层电容器、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，因此超级电容器可以反复充放电数十万次。相比之下，铅酸蓄电池的充放电次数只有500～1000次。因此，使用超级电容，可以极大地提高太阳能LED智慧照明系统的寿命。本系统采用数字控制的双向DC/DC变换电路来对超级电容的充放电进行管理，由STM32F103C8T6输出控制PWM信号，并根据反馈的电压、电流信号对PWM信号进行调节，从而达到恒压或恒流的放电特性，并在充电时实现MPPT（最大功率点跟踪）功能。

2.3 PIR传感器电路

人体有恒定的37度的体温，会发出特定波长10um左右的红外线，被动式红外探头即PIR传感器就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。人体发射的10um左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到PIR红外感应源上。PIR红外感应源上的热释电元件在接收到人体红外辐射，温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能传给单片机控制信号，去控制路灯亮的时间和亮度。通过PIR传感器，可以有效地检测到行人的信息。对于车辆，本系统后续将探讨利用声音传感器及电磁传感器等来进行检测。

2.4 无线通信电路

无线收发模块采用STM32F103C8T6和nRF24L01两块芯片组合而成的电路实现无线通信网络系统。nRF24L01 是一款工作在 2.4到2.5GHz 世界通用 ISM 频段的单片无线收发器，可以通过SPI 接口进行设置。由nRF24L01可以构成成本低，性能好的无线通信硬件平台。在该硬件平台上，自主开发了一个简单的物联网协议，可以实现消息的中继转发，从而延长无线通信的距离；并可以对每一盏灯进行寻址，灵活地实现各种亮灯模式。通过多盏灯的检测和智能运算，还可以判断出人的运动方向和速度，从而在人的运动轨迹上提前点亮相应数量的灯。

3 结论与展望

太阳能是新型绿色能源，LED是新型第四代绿色照明光源，太阳能LED照明系统的发展尽管目前面临一些困境，从长远来看，其前途是充满阳光的。本文所述的基于物联网和新型储能系统的太阳能LED智慧照明系统，运用新型超级电容储能和物联网技术，较好地破解了太阳能LED照明系统面临的两个难题：寿命短和可控性差，必将进一步推动太阳能LED照明系统的普及。当然在目前的技术经济条件下，本文所述的超级电容储能价格还较贵，在对价格比较敏感的场合可以使用传统的蓄电池来代替。随着技术发展及生产规模扩大，相信超级电容储能的价格也会像液晶电视一样快速下降，基于物联网和新型储能系统的太阳能LED智慧照明系统必将大规模普及，点亮人们的美好生活！

参考文献

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