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无线自组网太阳能路灯控制器设计
作者:管理员    发布于:2016-06-20 11:04:50    文字:【】【】【

  目前,路灯已成为城市基础设施中必不可少的组成部分。太阳能路灯因具有一次性投资,无需专人管理和控制等优点,越来越受到人们的欢迎12.但是,随着太阳能路灯使用规模的不断扩大,也逐渐暴露出一些不足之处,如难以进行集中监控,故障发现不及时3;无法根据天气变化对蓄电池进行合理的管理4;光敏元件的分散性会造成开关灯时间不一致等5.传统路灯监控方式难以用于离散布设的太阳能路灯的监控。

  无线自组网的迅速发展6为解决上述问题提供了一条新的途径。无线自组网是由大量的传感器节点通过无线通信方式形成的网络,可感知、采集和处理网络覆盖区域监测对象的信息,并将这些信息发送给观察者。无线自组网一般由监控中心、汇聚节点和控制节点这3部分构成78.通过无线网络,人们可以实时获得蓄电池充放电、路灯状态等信息,同时也可以准确地控制太阳能路灯,从而使太阳能路灯的管理更加科技部国际合作重点基金资助项目(编号:2008DFA11620):山东省中青年科学家奖励基金资助项目(编号:2007BS01009)。

  作者杨超(1986-),男,现为山东大学控制科学与工程专业在读硕士研究生:主要从事测控技术与仪器方面的研究。方便、快捷。

  1控制器构成控制器主要由无线自组网节点和测控部分组成。

  无线自组网节点安装在灯杆上部、太阳能电池板背向位置,测控部分安装于灯杆基座位置,大部分路灯的灯杆高约10m.虽然各灯之间的距离较近,但路灯所处环境复杂,气候变化对其运行也有较大影响,为了保证无线自组网节点和测控部分通信可靠,选择传输距离较远的RS-485串口通信。

  控制器原理图测控部分主要由路灯控制器微控制单元、RS-485串口通信模块、路灯运行控制模块、蓄电池充放电管理模块、数码管显示/指示灯模块、时钟频率模块、电压/电流采样模块以及电源模块构成。

  采用具有RS485串口的无线自组网节点,主要具有以下两方面作用:一方面能够完成自组网,实现网络通信;另一方面能与测控部分进行RS-485串口通信,实现测控信息的双向传输。

  2控制器设计控制器不但需要实现数据处理、存储和通信等功能,而且还要在保证正常工作的情况下尽量降低功耗,这就要求微控制器具有较强的运算处理能力和多种低功耗工作模式。本设计采用Microchip公司生产的高性能单片机PIC24F64GA002作为路灯控制器微控制单元的CPU.该CPU具有如下性能。

  具有低电压、低电流的工作特性,其工作电压范围为2.0~3.6V,典型工作电流为650A(2.0V),典型休眠电流为150nA(2.0V);具有休眠、空闲、打盹和备用时钟等多种功耗管理模式,在工作时能显著降低功耗。

  能够满足高速度、低成本、低功耗的要求。

  下面就控制器中的蓄电池充放电管理模块、路灯运行控制模块、RS485串口通信模块设计作重点分析和介绍。

  2.1蓄电池充放电管理模块蓄电池充放电管理模块的功能主要包括充放电的控制和电压的检测。采用MOS管来控制充放电电路,并实时采样太阳能电池板两端的电压和蓄电池两端的电压。当检测到太阳能电池板两端的电压高于蓄电池电压时,蓄电池开始充电;当检测到蓄电池的电压高于其大电压时,充电停止。太阳能电池板和蓄电池采用非共地模式,当太阳能电池板两端的电压小于蓄电池两端的电压时,由于二极管的单向性,充电过程自动停止。

  当夜晚来临时,蓄电池向路灯供电。当检测到蓄电池的电压低于设定低电压时,蓄电池停止供电,防止蓄电池过放。蓄电池充放电管理模块如所示。

  检测蓄电池的电压是为保护蓄电池提供依据,蓄电池的电压有定的正常范围,如超出该范围继续使用,则会缩短蓄电池的使用寿命。因此,需要根据蓄电池的电压进行相应的控制。当检测到电压低于正常范围时,停止蓄电池的放电;当检测到电压高于正常范围时,停止对蓄电池的充电,从而起到保护蓄电池的作用。

  2.2路灯运行控制模块路灯运行控制模块主要用于亮灯模式的控制,采用继电器实现路灯运行控制。继电器型号为9434C-12DS,具有响应快(矣10ms)、寿命长(100万次)等特点。当控制信号输出高电平时,三极管导通,路灯电源输入与常闭点输出相连,路灯开启;当控制信号输出低电平时,三极管关断,路灯电源输入与常开点输出相连,路灯关闭。路灯运行控制模块原理如所示。

  检测单元(电流采样模块)用于采集路灯的电流和蓄电池的电压,为实现故障报警等功能提供依据,也为保护蓄电池提供依据。路灯工作时,其工作电流有定的正常范围,旦检测到电流值超出了正常范围,则发出故障信息,WSN节点就会将路灯当前状态反馈到监控中心,进行报警。电流采样模块电路原理如所示。

  U在不影响路灯正常工作的情况下,采用阻值较小的精密电阻Rt来测量路灯的工作电流。由于氏两端的电压较小,需要先经过放大器放大,路灯电流I为:考电压;为康铜丝电阻;为放大器放大倍数;N为A/D的采样精度。

  2.3通信模块RS485串口通信部分采用平衡驱动器和差分收发器,其中差分收发器采用SN65LBC184,其带有内置高能量瞬变噪声保护装置,用来提高数据同步传输的可靠性。

  差分收发器将传输信号转换成差分信号,+2+6V表示0,-6~ -2V表示“1”。采用差分方式传输信号,系统只需检测两线之间的电位差即可,从而减弱了共模干扰对信号的影响。该模块主要用来完成数据通信功能。

  为了防止信号转化过程中产生过高的电压,从而影响芯片的正常运行,采用光电耦合器实现输入端与输出端的电气隔离。通信模块原理如所示。

  3性能测试目前对山东省某市的路灯现场进行了性能测试。

  路宽约20m,两路灯之间的距离约为35m,共38盏路灯,天气晴朗;WSN节点波特率为2.4kbit/s,发射功率为0.00126W,通过转换蓄电池电压供电,固定在太阳能路灯的太阳能电池板下面,离地约8m.性能测试过程具体如下。

  首先,进行了远程控制试验,设计了不同的亮灯模式进行网络控制。网络响应时间具体如表1所示。

  实现功能传输模式响应时间/s全开单向全关单向奇偶亮灯单向单灯控制双向由试验结果可知,通过无线传感器网络,可较准确地控制路灯的亮灭,基本解决了由于光敏元件分散性而导致的太阳能路灯不能开关同步的问题。

  其次,进行了夜间合理亮灯模式的试验。按照实际生活的需求,把路灯天的工作时间分成多个时段,不同的时段采用不同的亮灯模式。亮灯开始时间可根据环境亮度调整。假设路灯一天的亮灯时间是从下午18:00到第二天上午6:00,共12个小时,可按时段设定亮灯模式。具体的亮灯模式设定如表2所示。

  时段工作模式工作时间/h全部灯亮1/2灯亮1/3灯亮1/2灯亮全部灯亮传统光控模式下的太阳能路灯12个小时直处于工作状态,本系统在不同工作时段采用不同的亮灯模式。18:0022:00时段,行人比较多,所有的路灯处于正常工作状态;22:00到第二天5:00时段,行人较少,采用循环机制,只让一部分灯工作,每隔一段时间(如1h),改变路灯的工作状态;第二天5:006:00时段,行人开始增多,此时所有路灯处于正常工作状态。由实际测试可知,采用上述亮灯模式时,蓄电池可节能35,从而延长了蓄电池的使用时间。

  后,模拟连续阴天的情况并进行了相应的亮灯试验。在阴天的情况下,由于光照不足,蓄电池的电量得不到补充,此时太阳能蓄电池一般能工作5d左右。如果连续阴天超过5d,则太阳能路灯由于蓄电量不足而无法正常工作,从而影响了路灯的正常使用。在实际测试中发现,在连续阴天的情况下,路上行人较少,特别是在22:00以后,路上人流量接近于0.在不影响路况的情况下,通过合理的亮灯管理,减少亮灯时间,可使太阳能路灯工作时间延长至10d以上。这种亮灯模式特别适用于南方连续阴天的状况,从而有助于解决太阳能路灯难以在南方普及的瓶颈问题。

  4结束语本文设计了一种无线自组网太阳能路灯控制器,相比传统太阳能路灯控制器,其采用串口通信和节点技术,通过无线网络,可准确控制太阳能路灯。通过实际测试,本设计在满足太阳能路灯正常使用的前提下,可使蓄电池减少35左右的耗电量,从而延长了蓄电(下转第31页)此变得简单。

  程序实现时,系统分别构造服务器和客户端套接字对象,调用套接字对象的Ceat成员函数初始化套接字。调用CSocket类的重载函数OnReceiveO响应接收事件;0)接收数据报,并按照协议格式将数据从数据报中取出。

  0)发送数据报。

  4关于实时数据库的探讨该套数据采集软件的设计与实现,实际上为企业构建了一个实时数据库系统。程序中采用全局内存共享技术对实时数据进行存取,并采用内存、文件管理、关系数据库相结合的数据存储策略,使系统在响应速度、实时数据的共享性和时间一致性方面初步满足了实时数据库系统的定义要求10. 5结束语系统自投用以来运行正常,效果良好,不仅解决了在生产数据管理过程中存在的问题,而且节省了购买SCADA硬件、软件系统的大笔费用。同时,避免了大量仍能使用的仪表设备的淘汰弃置,具有一定的经济效益。

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