楊超 王雷

(山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南 250061)

0 引言

目前，路燈已成為城市基礎(chǔ)設(shè)施中必不可少的組成部分。太陽能路燈因具有一次性投資，無需專人管理和控制等優(yōu)點，越來越受到人們的歡迎［1－2］。但是，隨著太陽能路燈使用規(guī)模的不斷擴大，也逐漸暴露出一些不足之處，如難以進(jìn)行集中監(jiān)控，故障發(fā)現(xiàn)不及時［3］;無法根據(jù)天氣變化對蓄電池進(jìn)行合理的管理［4］;光敏元件的分散性會造成開關(guān)燈時間不一致等［5］。傳統(tǒng)路燈監(jiān)控方式難以用于離散布設(shè)的太陽能路燈的監(jiān)控。

無線自組網(wǎng)的迅速發(fā)展［6］為解決上述問題提供了一條新的途徑。無線自組網(wǎng)是由大量的傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的網(wǎng)絡(luò)，可感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域監(jiān)測對象的信息，并將這些信息發(fā)送給觀察者。無線自組網(wǎng)一般由監(jiān)控中心、匯聚節(jié)點和控制節(jié)點這3部分構(gòu)成［7－8］。通過無線網(wǎng)絡(luò)，人們可以實時獲得蓄電池充放電、路燈狀態(tài)等信息，同時也可以準(zhǔn)確地控制太陽能路燈，從而使太陽能路燈的管理更加方便、快捷。

1 控制器構(gòu)成

控制器主要由無線自組網(wǎng)節(jié)點和測控部分組成。無線自組網(wǎng)節(jié)點安裝在燈桿上部、太陽能電池板背向位置，測控部分安裝于燈桿基座位置，大部分路燈的燈桿高約10 m。雖然各燈之間的距離較近，但路燈所處環(huán)境復(fù)雜，氣候變化對其運行也有較大影響，為了保證無線自組網(wǎng)節(jié)點和測控部分通信可靠，選擇傳輸距離較遠(yuǎn)的RS-485串口通信。

控制器原理如圖1所示。

圖1 控制器原理圖Fig.1 Schematic of the controller

測控部分主要由路燈控制器微控制單元、RS-485串口通信模塊、路燈運行控制模塊、蓄電池充放電管理模塊、數(shù)碼管顯示/指示燈模塊、時鐘頻率模塊、電壓/電流采樣模塊以及電源模塊構(gòu)成。

采用具有RS-485串口的無線自組網(wǎng)節(jié)點，主要具有以下兩方面作用:一方面能夠完成自組網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信;另一方面能與測控部分進(jìn)行RS-485串口通信，實現(xiàn)測控信息的雙向傳輸。

2 控制器設(shè)計

控制器不但需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲和通信等功能，而且還要在保證正常工作的情況下盡量降低功耗，這就要求微控制器具有較強的運算處理能力和多種低功耗工作模式。本設(shè)計采用Microchip公司生產(chǎn)的高性能單片機PIC24FJ64GA002作為路燈控制器微控制單元的CPU。該CPU具有如下性能。

①具有低電壓、低電流的工作特性，其工作電壓范圍為 2.0 ～3.6 V，典型工作電流為 650 μA(2.0 V)，典型休眠電流為150 nA(2.0 V);

②具有休眠、空閑、打盹和備用時鐘等多種功耗管理模式，在工作時能顯著降低功耗。

通過分析以上性能可知，PIC24FJ64GA002單片機能夠滿足高速度、低成本、低功耗的要求。

下面就控制器中的蓄電池充放電管理模塊、路燈運行控制模塊、RS-485串口通信模塊設(shè)計作重點分析和介紹。

2.1 蓄電池充放電管理模塊

蓄電池充放電管理模塊的功能主要包括充放電的控制和電壓的檢測。采用MOS管來控制充放電電路，并實時采樣太陽能電池板兩端的電壓和蓄電池兩端的電壓。當(dāng)檢測到太陽能電池板兩端的電壓高于蓄電池電壓時，蓄電池開始充電;當(dāng)檢測到蓄電池的電壓高于其最大電壓時，充電停止。太陽能電池板和蓄電池采用非共地模式，當(dāng)太陽能電池板兩端的電壓小于蓄電池兩端的電壓時，由于二極管的單向性，充電過程自動停止。當(dāng)夜晚來臨時，蓄電池向路燈供電。當(dāng)檢測到蓄電池的電壓低于設(shè)定最低電壓時，蓄電池停止供電，防止蓄電池過放。蓄電池充放電管理模塊如圖2所示。

圖2 充放電模塊原理圖Fig.2 Schematic of the charging and discharging module

檢測蓄電池的電壓是為保護蓄電池提供依據(jù)，蓄電池的電壓有一定的正常范圍，如超出該范圍繼續(xù)使用，則會縮短蓄電池的使用壽命。因此，需要根據(jù)蓄電池的電壓進(jìn)行相應(yīng)的控制。當(dāng)檢測到電壓低于正常范圍時，停止蓄電池的放電;當(dāng)檢測到電壓高于正常范圍時，停止對蓄電池的充電，從而起到保護蓄電池的作用。

2.2 路燈運行控制模塊

路燈運行控制模塊主要用于亮燈模式的控制，采用繼電器實現(xiàn)路燈運行控制。繼電器型號為943-1C-12DS，具有響應(yīng)快(≤10 ms)、壽命長(100萬次)等特點。當(dāng)控制信號輸出高電平時，三極管導(dǎo)通，路燈電源輸入與常閉點輸出相連，路燈開啟;當(dāng)控制信號輸出低電平時，三極管關(guān)斷，路燈電源輸入與常開點輸出相連，路燈關(guān)閉。路燈運行控制模塊原理如圖3所示。

圖3 路燈運行控制模塊原理圖Fig.3 Principle of streetlight running control module

檢測單元(電流采樣模塊)用于采集路燈的電流和蓄電池的電壓，為實現(xiàn)故障報警等功能提供依據(jù)，也為保護蓄電池提供依據(jù)。路燈工作時，其工作電流有一定的正常范圍，一旦檢測到電流值超出了正常范圍，則發(fā)出故障信息，WSN節(jié)點就會將路燈當(dāng)前狀態(tài)反饋到監(jiān)控中心，進(jìn)行報警。電流采樣模塊電路原理如圖4所示。

圖4 電流采樣模塊原理圖Fig.4 Current sampling module

在不影響路燈正常工作的情況下，采用阻值較小的精密電阻R1來測量路燈的工作電流。由于R1兩端的電壓較小，需要先經(jīng)過放大器放大，路燈電流I為:

式中:Ud為系統(tǒng)采樣得到的數(shù)字電壓;uc為A/D的參考電壓;R1為康銅絲電阻;N0為放大器放大倍數(shù);N為A/D的采樣精度。

2.3 通信模塊

RS-485串口通信部分采用平衡驅(qū)動器和差分收發(fā)器，其中差分收發(fā)器采用SN65 LBC184，其帶有內(nèi)置高能量瞬變噪聲保護裝置，用來提高數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)目煽啃?。差分收發(fā)器將傳輸信號轉(zhuǎn)換成差分信號，+2～+6 V表示“0”，－6～－2 V表示“1”。采用差分方式傳輸信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差即可，從而減弱了共模干擾對信號的影響。該模塊主要用來完成數(shù)據(jù)通信功能。為了防止信號轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生過高的電壓，從而影響芯片的正常運行，采用光電耦合器實現(xiàn)輸入端與輸出端的電氣隔離。通信模塊原理如圖5所示。

圖5 通信模塊原理圖Fig.5 Principle of the communication module

3 性能測試

目前對山東省某市的路燈現(xiàn)場進(jìn)行了性能測試。路寬約20 m，兩路燈之間的距離約為35 m，共38盞路燈，天氣晴朗;WSN節(jié)點波特率為2.4 kbit/s，發(fā)射功率為0.001 26 W，通過轉(zhuǎn)換蓄電池電壓供電，固定在太陽能路燈的太陽能電池板下面，離地約8 m。

性能測試過程具體如下。

首先，進(jìn)行了遠(yuǎn)程控制試驗，設(shè)計了不同的亮燈模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制。網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間具體如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間Tab.1 Network response time

由試驗結(jié)果可知，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可較準(zhǔn)確地控制路燈的亮滅，基本解決了由于光敏元件分散性而導(dǎo)致的太陽能路燈不能開關(guān)同步的問題。

其次，進(jìn)行了夜間合理亮燈模式的試驗。按照實際生活的需求，把路燈一天的工作時間分成多個時段，不同的時段采用不同的亮燈模式。亮燈開始時間可根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)整。假設(shè)路燈一天的亮燈時間是從下午18:00到第二天上午6:00，共12個小時，可按時段設(shè)定亮燈模式。具體的亮燈模式設(shè)定如表2所示。

表2 亮燈模式設(shè)定Tab.2 Setting of the lighting pattern

傳統(tǒng)光控模式下的太陽能路燈12個小時一直處于工作狀態(tài)，本系統(tǒng)在不同工作時段采用不同的亮燈模式。18:00～22:00時段，行人比較多，所有的路燈處于正常工作狀態(tài);22:00到第二天5:00時段，行人較少，采用循環(huán)機制，只讓一部分燈工作，每隔一段時間(如1 h)，改變路燈的工作狀態(tài);第二天5:00～6:00時段，行人開始增多，此時所有路燈處于正常工作狀態(tài)。由實際測試可知，采用上述亮燈模式時，蓄電池可節(jié)能35%，從而延長了蓄電池的使用時間。

最后，模擬連續(xù)陰天的情況并進(jìn)行了相應(yīng)的亮燈試驗。在陰天的情況下，由于光照不足，蓄電池的電量得不到補充，此時太陽能蓄電池一般能工作5 d左右。如果連續(xù)陰天超過5 d，則太陽能路燈由于蓄電量不足而無法正常工作，從而影響了路燈的正常使用。在實際測試中發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)陰天的情況下，路上行人較少，特別是在22:00以后，路上人流量接近于0。在不影響路況的情況下，通過合理的亮燈管理，減少亮燈時間，可使太陽能路燈工作時間延長至10 d以上。這種亮燈模式特別適用于南方連續(xù)陰天的狀況，從而有助于解決太陽能路燈難以在南方普及的瓶頸問題。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種無線自組網(wǎng)太陽能路燈控制器，相比傳統(tǒng)太陽能路燈控制器，其采用串口通信和節(jié)點技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)，可準(zhǔn)確控制太陽能路燈。通過實際測試，本設(shè)計在滿足太陽能路燈正常使用的前提下，可使蓄電池減少35%左右的耗電量，從而延長了蓄電池的使用時間。該設(shè)計適用于連續(xù)陰天的南方地區(qū)，對于太陽能路燈的推廣具有一定的意義。

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