冯思 齐彦宇　杨利　贾振国　季鹏伟　郭瑞

摘 要：针对目前太阳能路灯存在的发电效率低，控制性差，能耗高的问题，设计了一种新型太阳能智慧路灯。采用STM32芯片作为主控制器，利用BH1750光照传感器模块采集光照数据，通过光照差值驱动电机带动光伏电池板进行太阳跟踪，提高发电效率，同时利用采集到的光照数据实现对天气的阴晴判断，避免了不必要的电机启停损耗。电机选取超低转速的直流减速电机，在提高转动精确性的同时，简化了机械设计。照明控制方式也在传统时控和光控基础上增加了微波感应控制，通过智能调光进一步达到节能目的。

关键词：太阳跟踪；路灯；STM32

中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）23-0091-03

Abstract： Aiming at the problems of low efficiency， poor controllability and high energy consumption of solar street lamps at present， a new type of solar intelligent street lamps is designed. The STM32 chip is used as the main controller and the BH1750 light sensor module is used to collect the illumination data. The photovoltaic panel is driven by the illumination difference motor to track the solar energy and the efficiency of power generation is improved. At the same time， the light data collected can be used to judge the weather and avoid unnecessary starting and stopping loss of the motor. Motor selection of ultra-low speed DC deceleration motor， in order to improve the accuracy of rotation at the same time， simplify the mechanical design. Based on the traditional time control and light control， microwave induction control is added to the lighting control mode， which can further achieve the purpose of energy saving through intelligent dimming.

Keywords： solar tracking； streetlamp； STM32

1 概述

在新能源的开发利用中，太阳能以其诸多的优点得到了极大的重视，前人利用太阳能制造出了太阳能路灯[9]。这种路灯利用太阳能发出的电能供给夜间照明使用，不但环保，而且安装施工也较为简便。然而，目前的太阳能路灯存在着以下问题：

（1）光伏电池板角度固定，不能根据太阳的运行轨迹调整方向，因此能量转换效率偏低。

（2）传统的路灯控制普遍使用时控和光控，虽然在一定程度上满足了节能要求，但是在控制方式上还是略显单一，有进一步优化的空间。

针对上述问题，设计了一种以STM32芯片作为主控制器，控制光伏电池板根据天气条件及太阳方位自动转动，并将时控、光控和微波感应控制结合，实现了智能调光照明控制方式的太阳能智慧路灯。

2 设计方案

2.1 光伏电池板太阳跟踪控制

目前太阳跟踪系统大体上可以分为两类：双轴跟踪系统和单轴跟踪系统。本设计中光伏电池板使用多晶硅材料，由于对跟踪精度的要求不高，故采用单轴跟踪系统，即垂直方向固定不动，水平方向进行间歇跟踪。

光伏电池板垂直倾角的选定按照其倾角与当地纬度的关系如表1所示，因所在地为吉林省长春市，长春市的地理坐标位置为东经125.35，北纬43.88，故将太阳能电池板的垂直倾角固定为55°。

太阳跟踪系统结构见图1，系统中包括光照传感器，继电器，直流减速电机和STM32主控制器。

其中，主控制器芯片中集成了一个独立的定时器，构成实时时钟，在相应的软件配置下，可以提供时钟日历的功能。因该定时器为32位可编程计数器，可以记录4294967296s，约合136年，固可满足应用的长期需求。利用实时时钟为系统提供时钟信号来源，并采取分时跟踪的策略。设定每日早6：00启动跟踪，每小时经过光照传感器采集光照数据判断东西两侧的光照强度，当西侧光强高于东侧光强时，由主控制器发出信号控制继电器动作，进而驱动电机转动。当到达晚18：00时，电机反转到达东侧限位开关，结束跟踪动作，等待次日跟踪时间到来。太阳跟踪系统流程如图2。另外，光照传感器检测环境照度低于设定照度阈值时，跟踪系统不会工作，以避免电机不必要的启停，造成电能损耗。

2.2 智能照明控制

采用时控、光控、感应控制三者结合的控制方式。其中感应控制使用微波人体感应传感器，利用多普勒效应的原理以非接触方式感应是否有行人经过。

智能照明控制流程如图3所示，设定每晚18：00开启照明，开启前先进行环境照度检测，如果环境照度低于设定阈值，则确认开启照明，直至晚23：00为全功率照明模式，以满足日常人行亮度需求。晚23：00以后进入半功率照明模式，这时启动微波人体感应传感器，当有行人经过路灯时，照明亮度提高，人离开后，照明亮度降低。

3 工作原理

系统总图如图4所示。

该系统由光伏发电系统、蓄电池充放电管理系统以及智能路灯照明系统三部分组成，光伏发电系统利用光伏电池板吸收太阳能进行发电；蓄电池充放电管理系统将转化的电能存储在蓄电池中，并优化管理蓄电池的充放电过程；智能路灯照明系统将时控、光控和感应控制三者结合智能调节路灯亮度。其中，主控制器控制光伏電池板进行太阳跟踪以及对路灯照明的智能控制。

实物外形照片见图5。

4 性能分析

使用光伏电池板（10W，峰值电压17.5V）对12V10W负载进行供电，采用太阳跟踪和非跟踪两种方式进行对比实验，测得功率-时间关系如图6所示。

通过图6可以明显观察到跟踪式光伏电池板发电效率高于非跟踪式光伏电池板。

5 结束语

我国绝大部分地区都具有良好的太阳能资源，充分利用太阳能清洁环保的特点设计的太阳能智慧路灯既提高了发电效率，又降低了耗电量，达到了节能减排的效果。产品结构简单，安装、维护方便，且成本低，投资回收期短。无论对城市市政道路照明的辅助还是对农村及偏远地区的基础设施建设都有实际的应用价值。随着技术的发展，光伏发电设备的成本也会继续降低，其所带来的社会效益、环境效益前景不可估量。

参考文献：

[1]朱明海，李中明.太阳能路灯选型、设计及安装[J].蓄电池，2012，49（04）：188-191.

[2]陈本源，谢淼，钱超.追日型太阳能路灯系统设计[J].计算机与数字工程，2015，43（11）：2081-2085.

[3]乔柱，刘伊生，廖雅双，等.城市道路照明节能潜力研究[J].电力电子技术，2016，50（12）：38-41.

[4]杨屹巍.LED路灯在市政道路照明中的应用[J].居业，2017（11）：36-37.

[5]王晏，甘贵林.太阳能路灯在城市中的应用探讨[J].青海科技，2008（04）：10-12.

[6]CJJ45-2015.城市道路照明设计标准[M].中国：中华人民共和国建设部，2015.

[7]闻邦椿.机械设计手册齿轮传动[M].北京：机械工业出版社，2015.