基于太阳能的智能庭院灯设计与实现

张　易,李锡华

(浙江大学 信息与电子工程学院,浙江 杭州　310027)



基于太阳能的智能庭院灯设计与实现

张易,李锡华

(浙江大学 信息与电子工程学院,浙江 杭州310027)

摘要针对家庭院子里庭院灯布线不便和功能需求问题,设计并实现了一种基于太阳能电池板供能的智能庭院灯系统。对于普通庭院灯进行了功能上的改进,提升用户体验。采用STM32F103单片机作为主控芯片,根据人体热释电和光感传感器采集信息进行智能控制,并通过温湿度、雨水检测等传感器采集数据,使用蓝牙发送到上位机。测试结果表明,系统运行稳定,功耗较低,可满足实际生活需求。

关键词太阳能;庭院灯;蓝牙通信;STM32

目前家庭庭院灯多为电线供电,安装复杂,通常需要浇筑预埋件、挖电缆沟、铺设电缆等过程,存在安全隐患[1]。本文设计的太阳能智能庭院灯融合嵌入式技术和无线通讯技术,在实现免除布线的太阳能供能的同时,也通过光感和红外热释电传感器实现昼夜情况下的智能感应。并通过蓝牙技术和上位机通信,提供室外的温湿度、雨感、光照等信息,使用户即可实时精确了解庭院的环境。也作为设置在庭院里的物联网节点,以蓝牙通信为媒介,为之后的物联网应用提供接口和扩展功能。

1庭院灯的工作原理

庭院灯在默认处于待机状态,通过太阳能电池板给聚合物电芯充电。全天通过传感器采集温湿度、雨感、光照强度等数据,固定间隔通过蓝牙发送给上位机。夜晚时,LED灯处于微亮状态,若传感器检测到附近3～5 m内有人出现时,LED渐变为高亮,在人离开后数秒内,灯光渐变为微亮,减少功耗。庭院灯总体设计如图1所示。

图1　庭院灯总体构架

2硬件电路设计

硬件电路主要由MCU(Microcontroller Unit)及传感器电路、太阳能供能电路、LED恒流驱动电路组成。

2.1功耗计算及硬件选型

作为独立的系统,本设计主要使用太阳能供电,对于能耗的要求较严格。

LED为主要照明设备,采用3×1 W的350 mA LED灯珠串联连接,使用PWM调制亮度。MCU选用基于Cortex-M3内核的STM32F103C8T6,是无需操作系统的ARM 32位嵌入式微处理器[2],其工作温度范围广、功耗低。因LED亮度过强,系统不会全功率开启,最大功率<3 W,微亮模式功耗<0.5 W。供能模块使用单晶硅太阳能电池板5 V,500 mA和3.7 V,4 000 mAh聚合物电芯,以有效光照时间4 h计算,一天约10 W·h,理论上满充一天可微光照明20 h。

2.2太阳能供能模块

太阳能电池板即利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换。其中单晶硅太阳能电池的转换效率最高,其光学、电学、力学性质等均匀一致,特别适合切割成小片制作小型消费产品[3]。

用于储能的聚合物电芯需要适当的电源管理芯片提供可限流的充电电流和可控的充电电压来进行管理和保护[4]。本设计对于输出功率的要求较低,对于效率要求较高,且需要测量电芯的剩余电量,使用TP4221B芯片,设计电路如图2所示。

图2　TP4221电源管理电路

2.3LED驱动模块

目前LED驱动主要方式为恒流源驱动和恒压源驱动。由于LED的发光亮度是与流过其的正向电流成正比[5],若使用恒压源驱动,则会因电压源微小波动使得流过LED的电流的发生波动,导致闪烁,影响照明效果,所以本设计选用PT4115恒流驱动芯片。PT4115最大输出1.2 A的电流,效率可高达97%[6]。驱动3个1 W照明LED,额定电流350 mA,满足照明需求。电源电压为5 V,需要升压电路转为12 V,使用SDB628高效率升压芯片。电路原理如图3所示。

图3　PT4115驱动电路

2.4传感器及蓝牙

光感传感器使用BH1750FVI芯片,为数字16位串行环境光感芯片,使用I2C协议,具有较高的分解度。其SDA和SCL接口和MCU的GPIO口相连,对光源的依赖性小,具有更高的精度和稳定性。无论是在暗处还是在阳光直射下其均近似于人类视觉感应[7]。

雨水感应模块主要用于判断庭院里是否下雨,然后发送信息给上位机。在淋到雨水的情况下,传感器的阻值发生变化,通过分压转换为电压的变化并通过A/D转换,即可实现定性的雨水测量。

人体感应模块本设计采用红外热释电红外传感器HC-SR501,触发方式为可重复触发,感应范围为5～7 m。人体进入其感应范围则输出高电平,人离开感应范围会延时几秒后输出低电平[8],满足设计需求。

温湿度传感器选用DHT11,包括1个电阻式感湿元件和 1个NTC测温元件。仅需占用一个GPIO口即可传输数据,且能耗较低,长期稳定性优越[9]。

蓝牙技术作为一种短距离无线通信技术,具有低成本、低功耗、小尺寸、点对多点连接、语音与数据混合传输以及高抗干扰等特点[10]。本设计使用HC-05串口蓝牙模块,空旷地传输距离可达10 m,满足短距离通信的要求。

3软件设计

3.1主程序软件

流程图如图4所示,可调整蓝牙数据发送的时间间隔来降低功耗。

图4　主程序流程图

3.2BH1750光感传感器软件设计

BH1750使用I2C协议,STM32使用GPIO和SCL与SDA接口连接。查询BH1750参考手册,在读取数据之前需要一些启动信号,具体编码如下[11]

#define BH1750_ONE 0x20

#define BH1750_RSET 0x07

#define BH1750_ON 0x01

Cmd_Write_BH1750(BH1750_ON);

Cmd_Write_BH1750(BH1750_RSET);

Cmd_Write_BH1750(BH1750_ONE);

地址端口接地时,其地址为0x46,可获得相应的数据,通过I2C协议连续读取2 Byte,共16 bit 数据。将读取的数据转换为十进制数据后除以1.2则得到比较精确的光强值[12]。

3.3蓝牙传输软件设计

本设计中蓝牙接收的数据以全局变量的方式存在长度为32的char型数组里,发送的数据类型定义为:b雨感x温度x湿度x电量x光强e。b代表起始位,e代表终止位。雨感为0/1,表示是否下雨;温度为两位数,单位℃;湿度为两位数,单位“%”;电量为1～4,单位“格”;光强为3～4位数,单位lx。

例如:B1X25X60X2X450E代表检测到下雨,温度25 ℃,湿度60%,电量剩余2格,光强450 lx。因此,通过该方式进行数据完整性校验,可提高数据传输的稳定性。

4系统测试

整体示意板工作良好,光照较暗时工作在微光模式,如图5所示。实验中上位机使用STM32和串口HMI屏幕来接收和显示庭院灯发来的数据,验证庭院灯蓝牙发送的数据,显示如图6所示。

图5　庭院灯示意板

图6　上位机接收并显示数据

在白天时,LED关闭,仅上位机屏幕上实时显示当前数值;遮挡住光感模块,感应到人体后,LED逐渐亮起,直至高亮模式并保持。人走开后几秒钟,LED缓缓变暗至微亮模式,移开光感模块遮挡物,LED逐渐熄灭,满足实际要求。

经测试,太阳能电池板在正常光照下输出电流即可满足充电需求。使用稳压5 V电源测试充电电流为1.03 A,满足快速充电要求。使用信号发生器和12 V稳压电源测试恒流驱动LED,串联一个LED的总输出功率为1.2 W,LED电流约340 mA,效率1/1.2=83%。串联3个LED的效率>85%。

5结束语

基于太阳能供能设计了一种智能感应庭院灯,无需繁琐的电源布线,可根据光照环境和人体感应智能调节亮度。并提供了蓝牙传输数据的接口,可与智能家居的上位机进行通讯,作为在室外的物联网节点,为后期拓展提供接口。整个系统具有成本低廉、操作简单、效率较高、扩展性较强的优点。

参考文献

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[5]郑凌霄.大功率LED驱动电源设计[D].广州:广东工业大学,2012.

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[11]ROHM.BH1710FVC/BH1750FVI应用手册[M].日本:ROHM,2009.

[12]孙颖,侯艳波,张利利,等.基于MP2481和BH1710的自调光 LED驱动器设计[J].电子器件,2013,36(1):105-108.

Design and Implementation of a Smart Garden Light Based on Solar Energy

ZHANG Yi,LI Xihua

(College of Information Science & Electronic Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

AbstractA system of the intelligent garden light based on the solar panel is designed and realized for family yards with easy arrangement of wire.This system improves the ordinary garden light functionally to enhance user’s experience.In addition,the system applies the STM32F103 as the main control chip,realizes the intelligent control based on the information collected by human pyroelectric and light sensor and collects data through the temperature and humidity sensor and rain detection sensor with Bluetooth sending the data to host computer.Test results show that the system is stable and the power consumption is low,which meet the needs of practical life.

Keywordssolar energy;garden lamp;Bluetooth communication;STM32

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.002

收稿日期:2015-10-02

作者简介:张易(1996—),男,本科。研究方向:嵌入式应用等。

中图分类号TM914.4;TP273.5

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-005-04