基于物联网的太阳能LED路灯系统设计与实现

张宏宇，贾素梅，姜韶军

(1.河北工业大学电子信息工程学院，天津300401；2.邯郸学院信息工程学院，河北邯郸056001)

基于物联网的太阳能LED路灯系统设计与实现

张宏宇1，贾素梅2，姜韶军2

(1.河北工业大学电子信息工程学院，天津300401；2.邯郸学院信息工程学院，河北邯郸056001)

基于STM32系列单片机，开发了一款新型智能太阳能LED路灯控制系统，针对现有路灯远程监控的短板问题，提出基于物联网技术的无线远程监控方案，实现了路灯的智能化管理。将ZigBee协议栈移植到CC2530，完成系统无线组网，利用Mesh型网络的自维护特点，使得网络中远端节点可以经过多跳的方式将数据传输到PC机。实验测试结果表明，本系统具有自动调节路灯工作状态、远程监控路灯工作参数的功能，故可配合维护人员更加有效地开展工作。关键词：STM32;物联网;太阳能;ZigBee;LED路灯

路灯不但是城市夜景的点缀，也是夜间行人和车辆外出活动的主要辅助工具。近年来随着城市化的不断推进，对路灯的需求越来越大，然而实际应用过程中传统路灯在智能控制和远程监控方面存在短板问题。因此开发一款智能太阳能路灯系统已经成为国内外智能照明领域的研究热点。对此，国外不少公司较早地开展了相关研究，并且开发出了不少相应产品，澳大利亚邦奇的Dynality系统、Clipsal公司的C-Bus、瑞士ABB公司的I-bus，有线监控方案会导致运营成本的增加，因此各大公司开始设计无线监控运行方案，Afreen N.Shaikh利用运营商提供的GPRS服务远程传输路灯工作参数，提出了一种无线监控运行方案实验结果表明采用该方案后路灯节能效率提高了50%[1]。Leslie R.Adrian等人提出的方案通过红外传感器检测车辆和行人的运动状态，当行人和车辆靠近时打开路灯，离开时关闭路灯，此方案能进一步节约能源，但传感器灵敏度成为限制系统稳定性的主要因素[2]。在国内许多大学、公司、研究所(如广州中国科学院软件应用技术研究所，北京嘉复欣科技有限公司，中易物联等)也在智能照明控制系统方面开展了大量研究。尽管现阶段在路灯智能控制和远程监控方面取得了一定的效果，但系统总体成本高、稳态精度低等问题还没有从根本上得到解决。

本文所提出的基于物联网的太阳能LED路灯控制系统，利用STM32系列单片机作为路灯主控制器实时检测系统参数智能调整系统工作状态，并增加无线通信芯片实时传输路灯工作参数到中控器，中控器将数据转发到网络服务器，服务器再转发到PC机以实现远程控制路灯工作状态的目的。此种设计将大大节省系统开发与生产成本并且提高系统稳态精度。

1 系统总体方案设计

本系统采用基于物联网技术发展的ZigBee协议栈完成小范围路灯组网，中控器搭建基于TCP/IP协议的网络服务器，实现对路灯工作状态的远程监控[3]，通过STM32单片机输出脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)信号调节充电电压实现对太阳电池板的高效利用，在路灯照明方面采用另一路PWM信号调节路灯的照明亮度以达到节能的目的。系统总体方案设计如图1所示，STM32单片机作为主控制器，通过A/D分别采集太阳电池板电压、太阳电池板输出电流、蓄电池组电压，根据太阳电池板输出电压和蓄电池电压大小决定是否对铅酸蓄电池组进行充电以及采用何种工作方式充电，根据太阳电池板输出电压和STM32实时时钟共同决定是否改变系统的工作状态；通过DS18b20温度采集芯片分别采集铅酸蓄电池温度和路灯灯头温度，根据铅酸蓄电池温度调节电池的最大容量从而对电池温度进行补偿，根据路灯灯头温度调节路灯工作参数，使路灯工作在安全区域，避免因灯头过热而损坏路灯；通过AT45DB161D存储芯片备份路灯工作参数，增加系统的可靠性；通过串口将采集到的系统工作参数传输到ZigBee无线传输模块，进而将路灯系统的工作参数传输到上位机进行实时显示，工作人员可以根据上位机界面提示，完成调整路灯的工作状态和系统的工作参数等一系列工作。系统采用三端可调集成电路AS1117芯片和匹配的电容组成电源电路，为微控制器STM32、无线通信芯片CC2530、温度传感器芯片DS18b20提供安全稳定的3.3 V工作电压。

图1 系统总体方案设计

2 硬件电路设计

2.1 微控制器选型与设计

在微控制器的选取中，为符合太阳能LED路灯系统的开发应用要求，考虑到IO引脚数量、芯片内部存储结构、开发成本、开发周期等因素，选择了高性能、低成本、低功耗的STM32系列单片机，该单片机基于高性能的32位ARM Cortex-M3内核，集成了4兆位/秒的UART，12位的μs级的A/D转换器(16通道)，以及极其丰富的片内外设，为系统的升级提供了方便。

2.2 无线通信模块

基于物联网的ZigBee无线通信技术是全球公用免注册的网段，减少了申请网段的负担，方便系统的开发。选用CC2530芯片作为无线通信模块，CC2530负责无线数据处理，该芯片与TI公司设计生产的低功耗射频前端CC2591配合使用，将使网络的覆盖范围大幅度提高[4-5]。

2.3 充电控制电路

本系统充电控制电路是在传统的BUCK降压电路的基础上增加调谐网络，可以实现对开关场效应管的零电流的开启，以及零电压断开，进而可以减少开关过程中场效应管的能量消耗[6]。充电控制电路中通过PWM信号控制开关管的开通与关闭来调节太阳电池板输出电压和电流。充电电路原理图如图2所示，B1：太阳电池板，B2：蓄电池组。PWM控制波形以及场效应管栅极波形如图3所示，图中PWM占空比为50%，黄色波形为场效应管栅极波形，蓝色波形为STM32单片机输出的PWM波形。

图2 充电电路原理图

图3 PWM控制波形和场效应管栅极波形

2.4 中控器选型与设计

本系统中控器选择三星公司生产的ARM11核心板S3C-6410作为总控制器，这款处理器为16/32位微处理器。主频可达 667 MHz、支持 WinCE6.0 R2/R3 和 Linux2.6.28、Android 操作系统，支持Nandflash、SD卡、Norflash启动，支持4路高速串口，其强大的运算处理能力完全满足本系统设计要求，并且也为后续完善系统提供了硬件基础。

3 软件程序设计

3.1 终端控制软件

程序采用keil作为终端监控软件开发平台，选用C语言开发，方便了程序的编写，提高了工作效率。终端控制软件的设计采用模块化的设计方法，主要包括主程序、温度采集模块、时钟模块、A/D测量模块、PWM信号模块和MPPT算法模块。终端控制器上电后，进入主程序首先进行系统初始化，配置寄存器；调用A/D测量模块采集太阳电池板电压、太阳电池板输出电流、蓄电池组电压；调用温度采集模块采集铅酸蓄电池组温度和路灯灯头温度。在充电过程中选择MPPT算法实现对太阳电池板最大功率点的跟踪，使太阳电池板工作在最佳状态，实现最大限度利用太阳电池板的目的。MPPT算法模块通过STM32单片机控制器计算出最大功率点的位置，调用PWM信号模块调节输出占空比，继而调节充电电路的等效电阻，使充电电路和太阳电池板的阻抗相匹配，实现最大功率点的跟踪；在放电过程中主程序读取系统实时时钟和太阳电池板电压作为判断夜晚路灯照明工作的开始标志，并根据系统实时时钟做出判断，午夜之前全功率照明，午夜之后采用半功率照明。为了提高系统使用寿命，主程序不断读取铅酸蓄电池组的电压避免铅酸蓄电池组进入过放电状态。此智能控制方法不但节约能源，还可以延长系统稳定工作时间。控制终端软件流程图如图4所示。

图4 控制终端软件流程图

3.2 无线传输软件

将ZigBee协议栈移植到CC2530中完成系统无线组网，在协议栈中选择Mesh型网络，ZigBee协议栈中Mesh型网络具有自组网功能，节点加入网络过程无需人为干涉，全部由此芯片自动完成。这种自组网方式很适合在物联网中的应用，当节点断电或者其他的各种因素脱离网络之后，此节点再次恢复正常之后可启动AODVjr和Cluster-Tree路由算法，通过洪泛(Flooding)机制查找一条最短路由，使该节点又加入网络完成数据传输。

3.3 上位机软件

中控器软件为QT开发集成环境所开发，主要完成的任务为接收基于物联网的ZigBee网络中协调器所传输来的数据，分析显示之后上传到网络服务器，以实现远程监控路灯工作状态的目的。PC机软件也是在QT开发集成环境下完成的。上位机首先初始化系统，再调用子函数接收路灯节点传输来的数据，判断是否接收到所有路灯节点数据，显示接收到路灯节点的工作参数。通过上位机按预定义的通信协议将控制指令发送到终端节点，接收到指令的终端节点根据协议按所接收的指令调整路灯的工作状态。所开发的系统上位机上可以实时查看每个终端路灯的历史数据以及电池欠压次数和路灯的地理位置。上位机软件流程图如图5所示。

图5 上位机软件流程图

4 系统测试与结论

搭建好系统硬件电路后，对所设计的基于物联网的太阳能LED路灯系统进行测试。测试前，连接并设置好各通信端口，系统测试图如图6所示。

图6 系统测试图

性能测试表明：

(1)太阳能LED路灯可以满足夜间城市路面照明，根据连续观察路灯工作状态，此系统可以在连续三天阴雨天气状况下完成照明要求；

(2)系统读取实时时钟根据设定的时间可以自动完成改变工作状态，在午夜之前人流和车流都比较大的情况下可以实现全功率的工作提高照明效果，午夜之后人流和车流减少的情况下半功率工作提高能源利用率；

(3)无线监控网络实时传输终端节点工作参数供上位机显示达到实时监控路灯的目的；

(4)通过对上位机的操作可以实现对路灯工作状态的调整，并且能及时发现损坏路灯的地理位置，以最快的速度维修损坏路灯，方便市民出行；

(5)系统能记录历史数据并且能快速地检测蓄电池欠压状况以及欠压时间。

基于以上测试结果，所设计的基于物联网的太阳能LED路灯系统不但可以很好地实现照明应用，在节能方面也有很好的表现，并且其远程监控功能可以实时查看历史数据，方便了维护人员维护路灯。此方案的应用可以改变城市传统照明路灯能源消耗大，远程监控的困难局面。

[1]SHAIKH A N,SHAH N,TRIPATHY A,et al.Intelligent monitoring and control rendered to street lighting[C]//Proceedings of 2013 International Conference on Advances in Technology and Engineering(ICATE).Singapore:2013 International Conference on Advances in Technology and Engineering,2013:23-25.

[2]ADRIAN L R,RIBICKIS L.Intelligent power management device for street lighting control incorporating long range static and non-static hybrid infrared detection system[C]//Proceedings of 2014 16th European Conference on Power Electronics and Applications(EPE'14-ECCE Europe).Finland:2014 16th European Conference on Power Electronics and Applications,2014:1-5.

[3]LECCESE F.Remote-control system of high efficiency and intelligent street lighting using a ZigBee network of devices and sensors[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2013,28(1):21-28.

[4]原羿，苏鸿根.基于ZigBee的技术的无线网络应用研究究[J].计算机应用与软件，2004(6):89-91.

[5]代成斌.低功耗高可靠ZigBee组网研究[D].广东：广东工业大学，2014:19-30.

[6]HUA G,LEU C,LEE F C.Novel zero-voltage-transition PWM converters[J].IEEE Trans on Power Electronics,1994,9(6):601-606.

Design and implementation of solar LED street lamp system based on Internet of Things

ZHANG Hong-yu1,JIA Su-mei2,JIANG Shao-jun2
(1.School of Electronic Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.School of Information Engineering,Handan University,Handan Hebei 056001,China)

A new type of intelligent solar LED street lamp control system based on STM32 series single-chip was developed.Aiming at existing problems of the street lamp remote monitoring,a wireless remote monitoring scheme based on Internet of Things technology was put forward, which realized the intelligent management of the street lamp.In this scheme,ZigBee protocol stack was transplanted to CC2530 to complete the system of wireless network,and the network remote node data was transmitted to the PC through multiple jump ways using the maintenance characteristics of the Mesh network. The experimental test results show that the system can automatically adjust lamp working status,and has the function of the remote monitoring of street lamp working parameters,so it can cooperate with maintenance staff to work more effectively.

STM32;Internet of Things;solar energy;ZigBee;LED street lamp

TM 914

A

1002-087 X(2017)07-1039-03

2016-12-20

河北省应用基础研究计划重点基础研究项目（13960306D）;河北省自然科学基金（F2014109015）;邯郸学院校级项目（14102）

张宏宇(1989—)，男，河北省人，硕士研究生，主要研究方向为新能源嵌入式系统开发。

贾素梅