基于ZigBee 动态光伏发电的智能路灯系统★

黎俊宾， 吴雨桁， 史春笑

（华南农业大学珠江学院 信息工程学院， 广州 从化 510900）

1 研究背景及意义

基于ZigBee 动态光伏发电的智能路灯系统是依据传统的路面交通车流状况、路灯用电状况以及新能源使用进行创新。

1.1 研究背景

随着我国城市化的快速推进，城市路灯作为城市建设的重要主题，虽然美化了城市形象，但是因为城市路灯的使用进而消耗了大量的电力，绿色环保和可持续发展是当今世界的主题，因此城市绿色照明的建设是必不可少的。本次设计使用了PLC、STM32、ZigBee 等相关处理器对路灯进行控制，使系统更加稳定可靠，更能体现出路灯的智能化与节能化。

1.2 研究目的与方向

鉴于目前的路灯使用状况，设计了基于ZigBee动态光伏发电的智能路灯系统。通过实时监测环境的光线强度，进行动态管理路灯的开关；通过使用云台与光敏电阻设计出动态光伏发电的智能太阳能板，太阳能板随时朝向太阳光的方向，进而大大提高发电效率；设定合理的远程控制程序，让路灯系统能够在使用时操作简易、方便且造价低、能耗小、效率高，符合低能耗产品的要求。

2 机械结构设计方案

基于ZigBee 动态光伏发电的智能路灯系统的结构设计是结合实际情况，针对提高传统太阳能路灯的发电效率与降低路灯耗电而开发出的新型智能路灯系统。在功能设计、元器件配置以及控制面板等设计上，充分考虑实际情况，做出了较为详细的设计。

1）通过SolidWorks 和AutoCAD 进行路灯的3D结构设计，并通过SolidWorks Simulation 进行结构受力仿真，并导出3D 图纸的STL 格式进行3D 打印。图1 为路灯的绘制模型进行3D 切片处理示意图。

2）利用ZigBee 模块进行组网设计，实现远程无线控制，图2 为ZigBee 物联网模块示意图。

3）为了更好地利用太阳能，本系统中设计使用太阳能追踪模块，该模块设计使用四个光照传感器，通过使用方向传感器，制作太阳能跟踪模块。将两套方向传感器分别安装在凹面镜上的不同位置，方向传感器原理图如图3 所示，遮光板与凹面镜的轴线平行，并使遮光板两侧的传感器的连线分别指向东西和南北方向。传感器根据遮光板两边光强差将不同的信号送到控制器，控制器根据输入信号向驱动器发送不同的控制信号，从而控制电机的转动，进而实现对太阳的跟踪，跟踪系统的跟踪状态用指示灯表示出来。在机械系统中设定限位开关，当旋转到跟踪的极限位置后，可自动复位到初始位置。在传感器系统中设置一个光强检测器，当太阳光没有跟踪价值的时候，系统能够自动停止运行，只要光强达到设定值又能自行启动。通过传感器和软件程序的结合使太阳能追踪系统具有快速追踪的功能。储热容器中安装温度传感器，并于控制系统相连接，当温度达到上限时，模块会自动停止对太阳能的采集，该模块还设置了一块控制面板，以便于控制。动态追踪太阳能发电装置实物图如图4 所示。动态追踪太阳能发电装置设计示意图如图5 所示，图中的横坐标表示太阳能板所处的水平位置，纵坐标表示太阳能板的仰角的角度，由于该装置处于试验阶段，所以其单位均以厘米进行计算。

3 理论设计计算

3.1 节能分析

由于车流量与时间满足正态分布，通过Matlab仿真软件进行模拟，使用蒙特卡洛算法进行计算，得出相对应的车流量模拟图，随后根据模拟图编写STM32 单片机的代码，并进行烧录，进行实时模拟车流量，并通过车流量的变化来控制路灯的变化。图6为使用Matlab 仿真软件模拟得出的车流模拟图。

表1 常用路灯性能相关参数

3.2 使用年限与成本分析

该系统在设计上使用太阳能板、PLC、ZigBee、STM32 等相关元器件，考虑到长时间使用的问题，该系统还在控制电路的电箱中加入几个小型风扇用于散热，以提高该系统相关元器件的使用年限。通过查阅资料得知，太阳能板、PLC、ZigBee、STM32 等元器件的使用年限，均在3年及以上，所以该系统可长时间使用且不容易损坏。在保证元器件能正常运作的情况下，通过合理的控制成本，在提高路灯使用效率的同时也降低了路灯的建设成本，符合设计理念。成本细化表如表2 所示。

表2 成本细化表

4 工作原理及性能分析

结构上，使用低功耗以CROTEX M4 为核心的STM32 F4 系列单片机作为主控MCU，以及三菱Fx3U 系列的PLC，结合各种传感器模块，满足本系统对于所处环境进行检测和调节的要求。在控制方面，使用ZigBee 等相关处理器进行控制，使系统更加稳定可靠；通过控制变量法，当路灯处于相同的环境情况下，通过判断使用动态追踪太阳能发电与不使用动态追踪太阳能发电两者的能耗大小，根据图9 测得的数据表明，该系统相对于传统的太阳能路灯节能10%，相对于传统的太阳能发电效率提高了10%。路灯使用能耗对比图如图9 所示。

4.1 创新点

1）该路灯系统相对于国内路灯控制而言，属于较为新颖的一种方式；

2）使用了PLC、STM32、ZigBee 作为处理器进行科学高效的控制；

3）建立相关数学模型进行模拟。

4.2 应用前景

与国内的传统太阳能路灯进行对比，该系统设计使用了蒙特卡洛模拟算法，模拟车流量与时间的关系，将不同的车流量与不同的时间段进行模拟，得出对应控制的路灯数量。该系统使用了太阳能动态追踪模块，从而大大提高了该系统的太阳能发电效率。该系统相对于传统的太阳能路灯节能10%，相对于传统的太阳能发电效率提高了10%。该系统的应用前景较为广泛，且限制较少，在城市或乡村两种不同的环境下均可建设使用，使用的方式较为简单。智能路灯系统的设计可以有效地减少能源使用，更科学高效地控制路灯开关，在降低建设成本的同时，促进城市的发展建设，实现绿色环保和节能减排的可持续发展。