基于风光互补型的智能LED路灯控制器的设计

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摘要：本文通过对太阳能路灯照明系统的各主要组成部分进行分析，介绍了一种基于单片机技术、以LED为发光源、ZigBee无线传感网络进行数据传输的风光互补型路灯控制系统该系统通过在每一盏路灯的控制器安装ZigBee无线传感网络发射器从而构建无线网络实现路灯工作状态的采集，并在此基础上对采集出来的数据进行人工或智能分析，从而实现对风光互补路灯系统的智能监控和管理。

关键词：太阳能 风能 控制器 锂电池 ZigBee MPPT

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0169-02

Abstract：Based on the major components of solar street lighting system is analyzed， introduced a single-chip-based technology to led as light source， ZigBee wireless sensor network for data transmission scenery complementary street light control system in each of the system through streetlights controller installation ZigBee wireless sensor network transmitters to build wireless networks collect street working conditions， and on the basis of the collected data out manual or intelligent analysis， enabling solar hybrid street lighting system intelligent monitoring and management.

Key Words：Solar Energy；Wind Energy；Lithium battery；Controller；Zigbee；MPPT

引言

如今太阳能和风能作为一种清洁无污染可再生能源得到越来越广泛的应用。太阳能路灯是太阳能应用之一，目前的太阳能光伏发电有以下特点：过去普通路灯的安装施工麻烦需要时间长，不仅增加了施工成本，设施设备的维护成本也大幅提升。与此相反，太阳能LED路灯的应用，无需大量设供电电缆，节约了大量人力物力，并且不受应用场合的限制，太阳能LED路灯已成为照明行业的新星。但是，目前太阳能发电研究有一下问题：由于阴雨天气导致太阳能路灯无法在白天正常充电，从而获得足够的电量以供晚上照明电量所用。因此本系统做出了在现有太阳路灯的基础上做出以下改进：加入风力发电机，Zigbee无线传感网络节点以及其所需配置的其他部件组成。Zigbee无线传感网络节点构建成无线传感网络，将管理机构与每一路灯连接起来，最终实现对每一盏路灯的工作状况的全方位的分布式自动/人工监视和控制，从而实现风光互补路灯照明工作状态的智能优化管理。

1 风光互补路灯系统主要硬件介绍

该风光互补LED路灯照明控制系统以微型处理器、Zigbee无线传感网络技术为设计核心，由以下几个部分组成，太阳能电池板，风力发电机，控制器，锂电池组，Zigbee无线传感网络节点，辅助系统（包括光照采集传感器、GPS模块、温湿度传感器、风速风向传感器等）以及路灯所需配置的其他部件组成。

1.1 控制器

控制器一方面控制负载的输出状态，另一方面还要将多余的电能送往锂电池组存储；当发电量不能满足负载需要时，还要控制锂电池的电能送往负载；在控制器的控制下，蓄能组件控制放电通路的通断，防止电池过放，以保证整个系统工作的连续性和稳定性。其中，风力发电控制主要任务是跟踪风速变化，通过变桨距控制或者双反馈控制，小型风机大多利用对Boost变换器的控制，实现风力机保持输出最大功率。光伏发电控制的主要任务是跟踪输出功率的变化，使用MPPT算法，使光伏电池始终保持输出最大功率。

1.2 ZigBee/GPRS网关

ZigBee/GPRS网关主要是接收由ZigBee无线网络传输的数据，并通过网络将相关数据上传到远程监控中心，完成实时监控功能；或者通过ZigBee网络将远程控制数据广播到各路灯控制器节点，以完成相应的控制功能[1]。

1.3 辅助系统

辅助系统用来确保温湿度传感器能够稳定的工作，然后将采集到的温度数据传送给主控芯片，然后由主控芯片来控制数据传输到ZigBee无线网络结点上，最后由ZigBee无线网络传输所收集的数据到网络中心，由网络中心根据现在的状态发送指令给ZigBee无线结点，从而调整控制路灯的工作状态。

2 系统主控制器设计及功能

本文所设计的智能型太阳能路灯控制器是以MSP430系列芯片为控制核心，控制器能对整个系统进行实时监测，通过，以最大输出功率对锂电池进行充电；在日间感知阳光使太阳能光伏电池板为蓄能组件进行充电；通过监测周围环境温度、光照和风速结合MPPT算法模块提高太阳能、风能的转换效率，使其充电最大化；当天黑后自动控制开启路灯，并根据外界光强度，智能调节并控制LED路灯亮度；在控制器的控制下由蓄能组件控制放电通路的通断，防止电池过放。控制器的作用是使整个系统各个部件可以协调一致的工作，是整个系统的控制协调中心，对整个系统的稳定、可靠、高效运行起着至关重要的作用。

3 一种改进的MPPT控制方法

在传统的功率扰动算法中，其扰动步长D是一个固定值，在MPPT稳态工作时，小的步长D减少控制器功率的消耗；当计算瞬时的MPPT值时，大的步长D将会很快的得到新的MPP，但同时也会增加扰动的区间范围。所以对于传统的功率扰动算法，选择合适的步长显然成了一个很难解决的问题。所以本文设计了一种自适应步长扰动MPPT控制算法，这种算法就是为了权衡追踪效率和追踪的准确性才使用的[2]。

它的工作原理是通过调整扰动值并观察负载曲线的电流。然后根据负载电流，自适应决定的扰动值D。在得到D的值之后，太阳能光伏电池板的功率占空比的值将会被得到的D值进行修改，并且在等待时间T之后，MPPT控制器将开始下一次的扰动。在该算法的扰动周期内，DC-DC转换器的占空比和其携带负载电流分别记作和。前一扰动时刻的电源转换器的占空比和负载电流分别记作和。负载电流和占空比的变化从一个工作周期到另一个工作周期可以被定义为：和。如果信号和是一样的，则占空比D将增加，并且变量X将被设置为“1”，为了使算法能够记住在这一次占空比最后一次扰动的方向。如果信号和是相反的，则在占空比将减少和变量X被设置为“0”，为了使算法能够记住在这一次占空比最后一次扰动的方向。变量X的值则用于在时，此时由于A/D 转换器的分别率不是足够的高，这样就能够看到在上一个工作周期上扰动负载电流变化的结果。在这样的条件下，在该占空比内将被扰动以同样的方向作为上一次的迭代扰动，并且电流值也不会改变。这一步等效于将占空比的扰动步长增加了。但占空比的值总是在被比较，它的最小值为Dmin，最大值Dmax[3]。

4 控制器软件设计

在智能型太阳能LED路灯照明系统中，路灯控制器主要控制太阳能电池板获得的光辐射能转化为电能，并存储在锂电池中，然后锂电池里的电向负载进行供电。当光敏电阻检测到外界光照发生变化时，即进入夜间后，驱动LED灯变得更亮，并开始照明。如果锂电池的电压不足，则由电池管理芯片TP4056对其进行管理，检测其是否充电条件，若满足条件则开始进入充电模式，否则则进入待机模式。

由于MPPT算法在软件设计上比较复杂，并且其的硬件电路也要根据需求而进行改进，所以在本系统中所实现的MPPT是用一硬件芯片来进行设计的，这款硬件芯片是 XLSEMI公司的一款固定频率PWM升降压DC-D变换器，其型号为XL6009。

5 系统测试结果及分析

5.1 测试系统的组成

本设计的太阳能路灯系统，为一般性模拟测试n题，所以无需考虑野外作业。本设计是基于 STC12C5A602S2 设计的智能型太阳能 LED 路灯控制器，并设计了以该控制器为核心的简易路灯系统，路灯的亮度能够根据外界光照的变化，从而实现自动调节。

5.2 系统控制器测试结果

通过实验，该系统控制器工作模式有以下几种：

（1）强光照模式（Vpv≥4.4V），当SOC≥95%时，锂电池以浮充方式充电；当SOC

（2）弱光照模式（Vpv

（3）强光弱（强）风模式，同强光模式。

（4）弱光弱（强）风模式在弱风情况下，如弱光照模式；而在强风模式下，如强光照模式。

6 结语

本系统设计创新之处，在于其运用并结合了微处理器、ZigBee无线传感网络、锂电池和风光互补的技术[4]，实现了风光互补路灯照明智能系统。该系统既可以通过无线传感网络对每一盏路灯的工作状况实现全方位的分布式人工监视和控制，也可以利用单片机进行自动控制；其次，对太阳能光伏电池板的输出功率特性以及常用MPPT 算法进行了分析，并提出了一种新型的MPPT算法，但在经费允许的情况下使用了一种直接用硬件实现的MPPT算法，而不需要在软件上进行设计与改进，即直接用硬件内部资源里固定频率的PWM波控制 DC/DC 变换器实现MPPT算法。本文设计的内容涉及到多个学科的知识，但在许多问题上并未能深入研究，所以系统设计存在的不足之处，也是下一步要继续改进和完善的内容。因此，在本文的基础上，今后可以进一步开展以下工作：

如何设计优化MPPT算法，提高太阳能光伏电池板的输出功率；是否能使太阳能光伏电池板结合机械结构的设计，使其能跟着太阳的运动方位变化而进行位置的移动；对风光互补发电系统的能量输出模型进行设计，修订和完善；采用合适的算法求解风速的Weibull 分布参数，然后根据风力发电机功率特性，建立风力发电的能量输出模型。而这些问题也将会成为以后关注的重点。

参考文献：

[1]段现星.光伏太阳能LED路灯照明系统设计[J].机电一体化，2011（7）77-79.

[2]王润民，王健.基于ZigBee的道路照明智能控制系统的设计[J].陕西：长安农业大学，2014.

[3]闵江威.光伏发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究[D].武汉：华中科技大学，2006.

[4]孙滨，郭瑞，付华，李楠.无线测控技术在太阳能路灯综合管理中的应用[J].辽宁：辽宁工程技术大学，2010.

收稿日期：2016-09-26

作者简介：吴兴昊（1993―），男，贵州凯里人，本科毕业，研究方向：信息工程。