邱定 王超 楊澤明 喻賽球 孫兆輝

摘 要 近年來，太陽能LED照明系統(tǒng)由于其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但是在使用的過程中，太陽能LED照明系統(tǒng)也暴露出一些嚴(yán)重的問題，歸納起來有如下兩方面：（1）太陽能LED照明系統(tǒng)所用的鉛酸電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命太短，嚴(yán)重影響了整個(gè)太陽能LED照明系統(tǒng)的使用壽命；（2）目前市面上的太陽能LED照明系統(tǒng)是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，其可控性較差。本文所研究設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)和新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的太陽能LED智慧照明系統(tǒng)較好地解決了以上兩個(gè)問題，將對(duì)太陽能LED照明系統(tǒng)的推廣普及起到積極的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng) 太陽能 超級(jí)電容 LED

中圖分類號(hào)：TM923.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

在當(dāng)今時(shí)代，環(huán)保節(jié)能已成為人們的共識(shí)。太陽能光伏發(fā)電是一種綠色新能源，LED照明是一種綠色節(jié)能產(chǎn)品，且兩者都工作在直流電模式，很適合搭配使用，因此，近年來，太陽能LED照明產(chǎn)品如雨后春筍般在世界各地呈現(xiàn)，掀起一股綠色科技旋風(fēng)。在我國，政府也推出了“金太陽工程”，“十城萬盞LED路燈”等計(jì)劃，旨在推動(dòng)太陽能LED照明產(chǎn)品的發(fā)展，促進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)。在太陽能LED照明產(chǎn)品中，太陽能LED路燈是最具代表性、要求較嚴(yán)格、有較大市場潛力的一類產(chǎn)品。最近幾年，在政府的大力支持、業(yè)界同仁的大力努力下，太陽能LED路燈已經(jīng)在全國各大城市初步發(fā)展起來，取得了一些可喜的成績。我們可以看到，太陽能LED路燈應(yīng)用市場現(xiàn)在已經(jīng)在國內(nèi)外開始啟動(dòng)，隨著技術(shù)的進(jìn)步、生產(chǎn)的進(jìn)步，太陽能LED路燈的價(jià)格會(huì)進(jìn)一步下降，效率會(huì)進(jìn)一步提高，壽命也會(huì)進(jìn)一步延長，同時(shí)隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，對(duì)太陽能LED路燈的認(rèn)同也越來越高，所以有理由相信，在今后若干年，太陽能LED路燈的市場一直會(huì)保持快速增長的態(tài)勢。展望太陽能LED路燈的未來，令人鼓舞和欣慰，但是，我們也應(yīng)該清醒地看到，在最近幾年的應(yīng)用中，太陽能LED路燈也暴露出了一些問題，如果我們不能及時(shí)解決好這些問題，勢必會(huì)影響太陽能LED路燈產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。太陽能LED路燈暴露出的問題有如下這些：（1）太陽能LED照明系統(tǒng)所用的鉛酸電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命太短，嚴(yán)重影響了整個(gè)太陽能LED照明系統(tǒng)的使用壽命；（2）目前市面上的太陽能LED照明系統(tǒng)是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，其可控性很差。這些問題如果得不到及時(shí)的解決，將嚴(yán)重影響太陽能LED照明系統(tǒng)的推廣普及。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)和新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的太陽能LED智慧照明系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

為了解決這些困擾太陽能LED照明系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的太陽能LED智慧照明系統(tǒng)（如圖1）。太陽能LED智慧照明系統(tǒng)用新型超級(jí)電容儲(chǔ)能代替了傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，大大提高了系統(tǒng)的壽命；同時(shí)太陽能LED智慧照明系統(tǒng)用無線物聯(lián)網(wǎng)將一盞盞孤立的路燈變成了一個(gè)統(tǒng)一可控的整體，并加入了傳感檢測和智能運(yùn)算，使得系統(tǒng)可以很方便地實(shí)現(xiàn)多種亮燈方式。該智慧照明系統(tǒng)還可以根據(jù)有無行人的情況，自動(dòng)開關(guān)燈，還可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體的方向和速度，決定開燈的數(shù)量和移動(dòng)方向。

基于物聯(lián)網(wǎng)和新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的太陽能LED智慧照明系統(tǒng)由32位嵌入式控制芯片構(gòu)成的主控模塊、無線收發(fā)模塊、新型超級(jí)電容管理儲(chǔ)能模塊、PIR傳感器檢測及感光模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊等組成（如圖2）。白天太陽能電池給新型超級(jí)電容充電儲(chǔ)能，晚上新型超級(jí)電容給LED路燈供電；感光和PIR傳感器模塊把周圍環(huán)境的光照和周圍的行人等環(huán)境信息傳給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)分析來控制LED 的光照強(qiáng)度和照明時(shí)間；無線收發(fā)模塊由單片機(jī)控制來通信，使各個(gè)獨(dú)立的路燈之間相互傳遞信息、共享信息資源和統(tǒng)一接受指令。整個(gè)太陽能LED智慧照明系統(tǒng)在功能上較為完善，非常節(jié)能和人性化。

圖1 太陽能LED智慧照明系統(tǒng)通信方框圖

圖2 太陽能LED智慧照明系統(tǒng)主電路方框圖

2 太陽能LED智慧照明系統(tǒng)的各模塊介紹

2.1 主控電路

太陽能LED智慧照明系統(tǒng)的主控電路由32位嵌入式控制芯片STM32F103C8T6構(gòu)成，該芯片基于ARM內(nèi)核，成本低，性能優(yōu)異，并且具有豐富的外設(shè)接口。主控電路是太陽能LED智慧照明系統(tǒng)中最重要的核心部分，該控制電路功能主要包括：通過控制雙向DC/DC變換電路來對(duì)超級(jí)電容的充放電進(jìn)行管理；運(yùn)行自主開發(fā)的一個(gè)簡單的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)燈具的組網(wǎng)；可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測燈的運(yùn)行情況，完成電路的電流電壓等參數(shù)采樣與檢測。

2.2 超級(jí)電容管理電路

超級(jí)電容器，又叫雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過程是可逆的，因此超級(jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。相比之下，鉛酸蓄電池的充放電次數(shù)只有500～1000次。因此，使用超級(jí)電容，可以極大地提高太陽能LED智慧照明系統(tǒng)的壽命。本系統(tǒng)采用數(shù)字控制的雙向DC/DC變換電路來對(duì)超級(jí)電容的充放電進(jìn)行管理，由STM32F103C8T6輸出控制PWM信號(hào)，并根據(jù)反饋的電壓、電流信號(hào)對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到恒壓或恒流的放電特性，并在充電時(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）功能。

2.3 PIR傳感器電路

人體有恒定的37度的體溫，會(huì)發(fā)出特定波長10um左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭即PIR傳感器就是靠探測人體發(fā)射的10um左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10um左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到PIR紅外感應(yīng)源上。PIR紅外感應(yīng)源上的熱釋電元件在接收到人體紅外輻射，溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能傳給單片機(jī)控制信號(hào)，去控制路燈亮的時(shí)間和亮度。通過PIR傳感器，可以有效地檢測到行人的信息。對(duì)于車輛，本系統(tǒng)后續(xù)將探討利用聲音傳感器及電磁傳感器等來進(jìn)行檢測。

2.4 無線通信電路

無線收發(fā)模塊采用STM32F103C8T6和nRF24L01兩塊芯片組合而成的電路實(shí)現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。nRF24L01 是一款工作在 2.4到2.5GHz 世界通用 ISM 頻段的單片無線收發(fā)器，可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。由nRF24L01可以構(gòu)成成本低，性能好的無線通信硬件平臺(tái)。在該硬件平臺(tái)上，自主開發(fā)了一個(gè)簡單的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)消息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，從而延長無線通信的距離；并可以對(duì)每一盞燈進(jìn)行尋址，靈活地實(shí)現(xiàn)各種亮燈模式。通過多盞燈的檢測和智能運(yùn)算，還可以判斷出人的運(yùn)動(dòng)方向和速度，從而在人的運(yùn)動(dòng)軌跡上提前點(diǎn)亮相應(yīng)數(shù)量的燈。

3 結(jié)論與展望

太陽能是新型綠色能源，LED是新型第四代綠色照明光源，太陽能LED照明系統(tǒng)的發(fā)展盡管目前面臨一些困境，從長遠(yuǎn)來看，其前途是充滿陽光的。本文所述的基于物聯(lián)網(wǎng)和新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的太陽能LED智慧照明系統(tǒng)，運(yùn)用新型超級(jí)電容儲(chǔ)能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，較好地破解了太陽能LED照明系統(tǒng)面臨的兩個(gè)難題：壽命短和可控性差，必將進(jìn)一步推動(dòng)太陽能LED照明系統(tǒng)的普及。當(dāng)然在目前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，本文所述的超級(jí)電容儲(chǔ)能價(jià)格還較貴，在對(duì)價(jià)格比較敏感的場合可以使用傳統(tǒng)的蓄電池來代替。隨著技術(shù)發(fā)展及生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，相信超級(jí)電容儲(chǔ)能的價(jià)格也會(huì)像液晶電視一樣快速下降，基于物聯(lián)網(wǎng)和新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的太陽能LED智慧照明系統(tǒng)必將大規(guī)模普及，點(diǎn)亮人們的美好生活！

參考文獻(xiàn)

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