杨秀增，黄秀梅，宋俊慷，肖丽玲

(广西民族师范学院 物联网技术集成与应用重点实验室，广西崇左，532200)

0 引言

随着化石能源日渐短缺加剧和人类生存环境日益恶化，太阳能作为一种新的能源，越来越来得到了人们的关注和重视[1-5]。太阳能光伏路灯是太阳能利用的重要方式之一，随着我国的城市化进程步伐的加速，安装太阳能光伏路灯的数量越来越多，在一定程度上，缓解我国的能量短缺和环境恶化问题[6-7]。然而，由于这些路灯安装位置分散，光伏路灯的系统维护变得越来越困难，维护成本也变得越来越高。因此，研制具有网络化和信息化功能的光伏路灯刻不容缓。

针对这一情况，利用现代自动控制技术和无线通信技术，设计一套基于物联网太阳能光伏路灯在线远程监控系统。采用LoRa无线传输技术，把远程光伏路灯各项运行状态参数，通过自建的LoRa网络实时传回到数据汇聚中心，并利用LED显示屏加以显示，使远程路灯的运行状态一目了然。并且为了实时网络化管理，数据汇聚中心再通过4G传输模块网络把数据汇聚中心的数据传到指定服务器。用户可利用移动终端查看光伏路灯状态。如路灯出现异常，服务器应用程序把异常情况，通过短信的形式通知路灯维护工程师及时处理，提高服务与管理水平。

1 系统总体方案设计

图1为太阳能光伏路灯控制系统的总体设计结构框图。本结构框图主要由路灯控制器，数据集中器、通信子网、服务器和监控数据中心等部分组成。路灯控制器主要由单片机控制器和LoRa通信模块组成，单片机控制器是太阳能路灯的控制核心，在白天太阳光充足时，单片机控制器执行智能充电程序，把光伏电能储存在储电池中；在晚上单片机控制器执行智能放电程序，控制放电开关工作，把储电池的电能接通给路灯，使LED灯珠发光照明。同时，单片机控制器还实时采集太阳能光伏路灯充电电流、电压、放电电流、电池电压、放电功率等关键参数，并把这些重要状态参数通过LoRa通信模块发送到太阳能路灯的数据集中器。数据集中器主要由LoRa通信模块、STC单片机控制器和4G通信模块组成。数据集中器是太阳能光伏路灯的数据汇聚中心和转接站，数据集中器坠子通过LoRa通信模块与太阳能光伏路灯控制器进行无线通信，还通过4G通信模块与基站进行通信，把太阳能路灯的运行参数发给数据监控中心。

图1 总体设计总框图

2 三点比较MPPT算法[8]

太阳能光伏电池是一个典型的非线性随机系统，输出功率随着光照和温度的变化而变化，因此，采用 MPPT控制策略，提高充电效率。本文采用三点比较MPPT策略，其控制原理如图2所示，其控制方法如如（1）式所示。

图2 三点比较MPPT原理图

3 硬件设计

3.1 路灯控制器硬件设计

图3为路灯控制器硬件设计原理框图，主要由DC-DC降压器、单片机控制器、储电池、DC-DC升压器、取样电阻、调理电路、LED指示器、LORA通信模块组成。太阳能电池板发出的电流，流过取样电阻R1,在取样电阻上产生电压U1,经调理电路进行处理产生电压和电流信号，被送到单片机内部的AD转换器进行AD转换成数字信号。单片机根据这两个信号，计算出太阳能电池板的输出功率，通过调节DC-DC降压器的输入PWM信号的占空比，动态跟踪太阳电池板的最大输出功率点，使控制器充电效率最好。到晚上，储电池中的电能，通过DC-DC升压器和取样电阻R2，流过LED灯。同理，当输出电流流过取样电阻R2时，同样产生电压U2，被调理电路处理之后，产生电压与电流信号，同样，单片机可以根据电压信号与电流信号，计算出LED灯的功率，并且，单片机根据采集到的储电池电压，动态调输出功率的大小，防止电池过度放电。

图3 控制器原理框图

3.2 数据集中器硬件电路设计

图4,为数据集中器硬件框图，主要由控制器、触摸屏显示器、MAX232接口、4G通信模块、LORA通信模块等组成。控制器采用高速单片机STC15W4K32S4。单片机的UART0用于PC机通信，用于程序下载和设备调试。UART1与LoRa无线通信模块相连，用于LoRa无线通信。UART2与触摸屏显示器相连，用于显示数据。UART3与4G通信模块相连，用于4G网络通信，把采集到的数据发到数据监控中心。

图4 数据集中器框图

4 软件设计

4.1 路灯控制器程序设计

单片机执行三点比较MPPT算法动态跟踪太阳能电池板的最大输出功率，算法流程图如图5所示。

图5 三点比较MPPT算法流程图

首先，单片机启动AD转换电路，计算当前状态的太阳能电池板的当前功率PA,占空值DPWMU减1，使工作点沿右移动，单片机启动AD转换，计算此点太阳能电池板的当前功率PB,然后，占空值DPWMU加1，使工作点沿左移动，单片机再启动AD转换，计算此点太阳能电池板的左边功率PC。最后比较三点的功率大小，如果功率满足：PC＜PA≤PB时，工作点要右边移动，占空比值加1，相反，如果三点的功率满足PC≤PA

4.2 数据集中器程序设计

图6为数据集中器主程序算法流程图。当单片机上电时，单片机建立起LoRa无线网络，向各节点周期性地发送器数据发回命令。当接收到新的数据，单片机把数据存在内存，然后再判断是否所有节点发送完成，如果所有的节点发送完，把发送节点地址清零，最后，才把所有的数据以数据包形式通过4G通信模块发送服务器，以便远程用户通过智能终端查询，统计和分析。

图6 数据集中器程序算法流程图

5 系统测试

根据以上技术方案，设计4只太阳能光伏路灯测试系统各项性能指标。在测试中可以打开自主研发的手机远程监控程序，进行远程登录，观察路灯的运行情况。图7为数据集中器LCD上看到数据界面。

图7 用户采集终端显示界面

6 结束语

随着我国的城市化进程步伐的加速，安装太阳能光伏路灯的数量越来越多，维护成本越来越高。本文利用现代自动控制技术和无线通信技术，设计具远程监控功能的物联网太阳能光伏路，能实现路灯网络化和信息化管理，提高管理水平。

本项目得到2019年度广西民族师范学院物联网技术集成与应用重点实验室资助。