楊秀增，黃秀梅，宋俊慷，肖麗玲

(廣西民族師范學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西崇左，532200)

0 引言

隨著化石能源日漸短缺加劇和人類(lèi)生存環(huán)境日益惡化，太陽(yáng)能作為一種新的能源，越來(lái)越來(lái)得到了人們的關(guān)注和重視[1-5]。太陽(yáng)能光伏路燈是太陽(yáng)能利用的重要方式之一，隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程步伐的加速，安裝太陽(yáng)能光伏路燈的數(shù)量越來(lái)越多，在一定程度上，緩解我國(guó)的能量短缺和環(huán)境惡化問(wèn)題[6-7]。然而，由于這些路燈安裝位置分散，光伏路燈的系統(tǒng)維護(hù)變得越來(lái)越困難，維護(hù)成本也變得越來(lái)越高。因此，研制具有網(wǎng)絡(luò)化和信息化功能的光伏路燈刻不容緩。

針對(duì)這一情況，利用現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)太陽(yáng)能光伏路燈在線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。采用LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)，把遠(yuǎn)程光伏路燈各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)自建的LoRa網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳回到數(shù)據(jù)匯聚中心，并利用LED顯示屏加以顯示，使遠(yuǎn)程路燈的運(yùn)行狀態(tài)一目了然。并且為了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)化管理，數(shù)據(jù)匯聚中心再通過(guò)4G傳輸模塊網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)匯聚中心的數(shù)據(jù)傳到指定服務(wù)器。用戶(hù)可利用移動(dòng)終端查看光伏路燈狀態(tài)。如路燈出現(xiàn)異常，服務(wù)器應(yīng)用程序把異常情況，通過(guò)短信的形式通知路燈維護(hù)工程師及時(shí)處理，提高服務(wù)與管理水平。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1為太陽(yáng)能光伏路燈控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。本結(jié)構(gòu)框圖主要由路燈控制器，數(shù)據(jù)集中器、通信子網(wǎng)、服務(wù)器和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心等部分組成。路燈控制器主要由單片機(jī)控制器和LoRa通信模塊組成，單片機(jī)控制器是太陽(yáng)能路燈的控制核心，在白天太陽(yáng)光充足時(shí)，單片機(jī)控制器執(zhí)行智能充電程序，把光伏電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)電池中；在晚上單片機(jī)控制器執(zhí)行智能放電程序，控制放電開(kāi)關(guān)工作，把儲(chǔ)電池的電能接通給路燈，使LED燈珠發(fā)光照明。同時(shí)，單片機(jī)控制器還實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)能光伏路燈充電電流、電壓、放電電流、電池電壓、放電功率等關(guān)鍵參數(shù)，并把這些重要狀態(tài)參數(shù)通過(guò)LoRa通信模塊發(fā)送到太陽(yáng)能路燈的數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器主要由LoRa通信模塊、STC單片機(jī)控制器和4G通信模塊組成。數(shù)據(jù)集中器是太陽(yáng)能光伏路燈的數(shù)據(jù)匯聚中心和轉(zhuǎn)接站，數(shù)據(jù)集中器墜子通過(guò)LoRa通信模塊與太陽(yáng)能光伏路燈控制器進(jìn)行無(wú)線通信，還通過(guò)4G通信模塊與基站進(jìn)行通信，把太陽(yáng)能路燈的運(yùn)行參數(shù)發(fā)給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

圖1 總體設(shè)計(jì)總框圖

2 三點(diǎn)比較MPPT算法[8]

太陽(yáng)能光伏電池是一個(gè)典型的非線性隨機(jī)系統(tǒng)，輸出功率隨著光照和溫度的變化而變化，因此，采用 MPPT控制策略，提高充電效率。本文采用三點(diǎn)比較MPPT策略，其控制原理如圖2所示，其控制方法如如（1）式所示。

圖2 三點(diǎn)比較MPPT原理圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 路燈控制器硬件設(shè)計(jì)

圖3為路燈控制器硬件設(shè)計(jì)原理框圖，主要由DC-DC降壓器、單片機(jī)控制器、儲(chǔ)電池、DC-DC升壓器、取樣電阻、調(diào)理電路、LED指示器、LORA通信模塊組成。太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電流，流過(guò)取樣電阻R1,在取樣電阻上產(chǎn)生電壓U1,經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行處理產(chǎn)生電壓和電流信號(hào)，被送到單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)，計(jì)算出太陽(yáng)能電池板的輸出功率，通過(guò)調(diào)節(jié)DC-DC降壓器的輸入PWM信號(hào)的占空比，動(dòng)態(tài)跟蹤太陽(yáng)電池板的最大輸出功率點(diǎn)，使控制器充電效率最好。到晚上，儲(chǔ)電池中的電能，通過(guò)DC-DC升壓器和取樣電阻R2，流過(guò)LED燈。同理，當(dāng)輸出電流流過(guò)取樣電阻R2時(shí)，同樣產(chǎn)生電壓U2，被調(diào)理電路處理之后，產(chǎn)生電壓與電流信號(hào)，同樣，單片機(jī)可以根據(jù)電壓信號(hào)與電流信號(hào)，計(jì)算出LED燈的功率，并且，單片機(jī)根據(jù)采集到的儲(chǔ)電池電壓，動(dòng)態(tài)調(diào)輸出功率的大小，防止電池過(guò)度放電。

圖3 控制器原理框圖

3.2 數(shù)據(jù)集中器硬件電路設(shè)計(jì)

圖4,為數(shù)據(jù)集中器硬件框圖，主要由控制器、觸摸屏顯示器、MAX232接口、4G通信模塊、LORA通信模塊等組成?？刂破鞑捎酶咚賳纹瑱C(jī)STC15W4K32S4。單片機(jī)的UART0用于PC機(jī)通信，用于程序下載和設(shè)備調(diào)試。UART1與LoRa無(wú)線通信模塊相連，用于LoRa無(wú)線通信。UART2與觸摸屏顯示器相連，用于顯示數(shù)據(jù)。UART3與4G通信模塊相連，用于4G網(wǎng)絡(luò)通信，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

圖4 數(shù)據(jù)集中器框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 路燈控制器程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)執(zhí)行三點(diǎn)比較MPPT算法動(dòng)態(tài)跟蹤太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率，算法流程圖如圖5所示。

圖5 三點(diǎn)比較MPPT算法流程圖

首先，單片機(jī)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換電路，計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)的太陽(yáng)能電池板的當(dāng)前功率PA,占空值DPWMU減1，使工作點(diǎn)沿右移動(dòng)，單片機(jī)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，計(jì)算此點(diǎn)太陽(yáng)能電池板的當(dāng)前功率PB,然后，占空值DPWMU加1，使工作點(diǎn)沿左移動(dòng)，單片機(jī)再啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，計(jì)算此點(diǎn)太陽(yáng)能電池板的左邊功率PC。最后比較三點(diǎn)的功率大小，如果功率滿(mǎn)足：PC＜PA≤PB時(shí)，工作點(diǎn)要右邊移動(dòng)，占空比值加1，相反，如果三點(diǎn)的功率滿(mǎn)足PC≤PA

4.2 數(shù)據(jù)集中器程序設(shè)計(jì)

圖6為數(shù)據(jù)集中器主程序算法流程圖。當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，單片機(jī)建立起LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，向各節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送器數(shù)據(jù)發(fā)回命令。當(dāng)接收到新的數(shù)據(jù)，單片機(jī)把數(shù)據(jù)存在內(nèi)存，然后再判斷是否所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送完成，如果所有的節(jié)點(diǎn)發(fā)送完，把發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址清零，最后，才把所有的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包形式通過(guò)4G通信模塊發(fā)送服務(wù)器，以便遠(yuǎn)程用戶(hù)通過(guò)智能終端查詢(xún)，統(tǒng)計(jì)和分析。

圖6 數(shù)據(jù)集中器程序算法流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)以上技術(shù)方案，設(shè)計(jì)4只太陽(yáng)能光伏路燈測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)。在測(cè)試中可以打開(kāi)自主研發(fā)的手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控程序，進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄，觀察路燈的運(yùn)行情況。圖7為數(shù)據(jù)集中器LCD上看到數(shù)據(jù)界面。

圖7 用戶(hù)采集終端顯示界面

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程步伐的加速，安裝太陽(yáng)能光伏路燈的數(shù)量越來(lái)越多，維護(hù)成本越來(lái)越高。本文利用現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)具遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的物聯(lián)網(wǎng)太陽(yáng)能光伏路，能實(shí)現(xiàn)路燈網(wǎng)絡(luò)化和信息化管理，提高管理水平。

本項(xiàng)目得到2019年度廣西民族師范學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助。