平昌县城镇路灯管理所 四川省巴中市 636400
摘要：现如今，我国是21世纪快速发展的新时期，随着我国城市化建设进程的加速以及城市基建设施建设的加快，城市对照明产品的市场需求逐渐扩大。在能源紧张的大背景下，传统照明设备耗能巨大，且存在巨大的能源浪费，还影响城市生态环境，这明显不符合我国能源利用的发展方向，同时也极大的限制了照明设备的利用效率。而太阳能路灯的出现，有效的弥补了上述不足。与以市电作为供电能源传统路灯相比，太阳能路灯直接进行光电转换，实现了节能减排，更符合当前绿色、环保、低碳的理念。同时，信息技术的飞速发展，对路灯的节能化、智能化水平也提出了更高要求。
关键词：太阳能；智能控制；节能技术；Zigbee
引言
使用化石燃料发会引起大范围的污染，释放大量有害气体污染环境。而使用可再生能源替代化石燃料，利于改善环境质量。太阳能作为第一大可再生能源，如果可以充分的利用，不仅可以获得最佳的能量传输，而且借助智能化系统可以节约人力资源。
1原理与作用
太阳能路灯电气系统，由太阳能组件、蓄电池、控制器和ＬＥＤ光源等４部分组成，如图１太阳能路灯用控制器工作原理图所示，基于半导体的光生伏特效应，白天太阳能组件将太阳光能转换为直流电能，直流电能通过太阳能控制器储存在蓄电池中；晚上蓄电池通过太阳能控制器给ＬＥＤ光源供电，实现照明功能。整个切换过程通过控制器内置单片机光控和时控开关电路完成。作为太阳能路灯系统中最核心的部件，太阳能路灯用控制器主要是对蓄电池的充放电过程进行智能化管理和保护，从客观上来讲，太阳能路灯用控制器参数匹配性和质量稳定性直接影响蓄电池的使用寿命；根据不同地域四季交替的气候特性，在满足各级道路照明设计标准的前提下，对ＬＥＤ光源的亮灯时段及功率进行优化控制，最大化减少蓄电池日用电量，能够降低系统配置成本，延长蓄电池使用寿命及ＬＥＤ光源连续阴雨天的亮灯时间。此外，太阳能路灯用控制器还必须具备诸如短路保护、防蓄电池向太阳能组件反向放电保护、太阳能组件和蓄电池极性反接保护等多种完善的保护功能。
2智能太阳能路灯系统总体设计
2.1太阳能发电机构
太阳能发电机构固定安装在路灯杆的上端，包括太阳能电池板，蓄电池，逆变器和太阳能控制器，蓄电池型号为SP12-38，且与太阳能电池板相匹配，逆变器型号为HI-1500A，逆变器连接LED灯，可为路灯供电，从而构成太阳能发电系统。在路灯杆的上端外壁由上至下依次相对固定连接有透明板、底板和十字架，透明板为亚克力材质制成的透明板体。底板的上表面的外沿铰接有侧板，侧板的长度与透明板和底板的距离相匹配，且侧板的宽度与底板的边长相等，底板和侧板的上表面均固定安装有太阳能电池板，太阳能电池板选择用单晶硅电池片。透明板的上表面固定连接有透明锥形罩，透明锥形罩透明亚克力材质构成，且为正四棱锥状，防止透明板的上表面存积杂物。透明板和侧板的外壁均粘合有密封条，太阳能电池板收拢时，密封条相互紧密贴合，从而提高密封性。
2.2电源充电模块
电压调节器是用来调节从电池板到电池的电流，以此在充电期间达到最佳的充电电流。如果没有一些调节电流的手段，则可能发生严重的过充电。过度充电会因需要更频繁的电池更换而缩短电池寿命并增加系统成本。我们采用的XL4051E芯片，设计了一个直流电8V到36V输入，输出为恒定的电压5V，输出是稳定的5安培直流升压斩波电路，根据仿真可得：最高升压转换效率可以达到93％。XL4015是开关降压型DC-DC转换芯片；其开关频率高达180KHz，具有卓越的线性与负载调整率，输出的电压可以直流1.25V到32V的区间任意调节。
2.3环境监测模块
从机的环境监测模块除了有环境监测站的功能外，还有故障检测的功能。传统的路灯不具备故障检测的功能，故障灯位置难以检测，路灯的故障不能及时得到修理，因此，本系统设计了故障检测装置。在路灯灯罩内放置光强传感器检测路灯灯光亮度，灯光亮起后，嵌入式系统将灯光亮度与当前路灯亮度的档位比对，若路灯灯光亮度明显弱于该档位对应的灯光亮度，则判断当前路灯故障，利用通信模块将故障信息传至终端，做到及时维护。
2.4调试与实现
PWM控制脉冲的确定，分别对LED灯的亮（25W）、中（17W）、暗（8W）3个档次进行亮度的测试，实际过程就是测试加载在LED驱动控制芯片XLT604第7管脚上的PWM脉冲宽度。具体测试方法，通过检测不同亮度下的电流、电压值，计算出实时功率，记录对应的PWM脉宽。2019年12月在汕尾职业技术学院实训楼外广场上，进行了1个月的整机测试。当月连续阴雨天数最多为3d，结果表明：该装置能够按照预定模式工作，在整个测试周期内正常亮灯。
2.5基于Zigbee的路灯远动控制设计
遥控采用Zigbee传输技术，Zigbee是一种的短距离、低速率、低功耗的无线网络技术，具有统一的技术标准，它依据IEEE802.15.4标准，工作在2.4GHz和868/928MHz的超宽带天线接收电路技术，通信效率非常高。本文中的智能太阳能路灯控制系统要求的传输距离较远，基本符合Zigbee的技术特征，因此，选用Zigbee技术进行路灯控制信号的传输。射频信号经放大处理后，进入中央处理器，中央处理器根据接收到的信号，经过处理后控制机械传动模块，即控制推杆的开关或升降，同时中央处理器周边的各种Sensor会在不同的时间（如白天晚上）和不同的特定的环境（如下刮风下雨，高低温等）等条件下会自主智能的控制机械传动模块，控制推杆动作，同时对于推杆的开关状态（开关的比例或程度），可以在存储模块中保存。每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接，因此每一个遥控器可以控制多台接收装置，实现单控、组控和群控功能；有效覆盖范围10-75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。每台路灯都有单独的控制器，由Zigbee无线通信模块和采集路灯运行参数的控制模块构成，单台路灯控制器能够控制路灯的运行状态，通过无线通信模块将采集信号传送至监控中心，同时接受监控中心的控制指令，从而实现远程控制和监控等功能。每盏路灯都装有基于Zigbee的无线路灯控制器。每个节点上传感器，采集电流、电压、光照强度等信息，通过Zigbee网络传送至远端控制模块；同时各个节点接收协调器转发的Zigbee信号控制路灯的开关。远端控制模块对系统数据进行存储和处理，并对太阳能路灯的运行发出控制命令，这些控制命令由服务器转发至底层数据控制节点，从而实现自上而下的系统控制。
结语
在传统太阳能路灯的基础上进行升级改造，制作了太阳能自适应节能装置，该装置安装方便，只需要串接于电池和路灯之间即可。系统能够根据未来天气情况，结合蓄电池的剩余电量，对路灯的点亮时段及亮度进行自适应调节。经过1个月的测试，本文研制的太阳能节能装置在复杂天气下，能够自适应执行最佳的照明方案，提升了电能的利用率。
参考文献：
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