基于Lora通信的太阳能路灯控制系统研究与设计

谭承恒 廖志贤 石佳怡 莫宏培 蒋品群

摘  要：系统采用STM32F030芯片作为主控芯片，DC/DC变换器作为充放电主电路，利用MPPT最大功率点追踪技术，使太阳能的利用更加高效。采用SX1278芯片作为Lora通信的微处理器，实现路灯自组网后再利用集中器连接因特网，并开发了相应的APP远程监控软件，通过采用多时段控制以及对路面行人的检测，路灯智能调节亮度，实现路灯智能化管理和高效的能源利用。

关键词：Lora;太阳能;路灯;智能控制

中图分类号：TM923 文献标志码：A      文章编号：2095-2945（2019）14-0078-02

Abstract： The system uses STM32F030 chip as the main control chip， DC/DC converter as the main circuit of charging and discharging， and uses MPPT maximum power point tracking technology to make the utilization of solar energy more efficient. The SX1278 chip is used as the microprocessor of Lora communication to realize the street lamp ad hoc network and then connect to the Internet by using concentrator， and the corresponding APP remote monitoring software is developed. By adopting multi-period control and the detection of road pedestrians， the brightness of street lamp is adjusted intelligently to realize the intelligent management and efficient energy utilization of street lamp.

Keywords： Lora; solar energy; street lamp; intelligent control

引言

随着太阳能光伏发电技术的不断发展，太阳能光伏发电技术已经被应用到路灯等照明系统中[1-2]，基于物联网技术的智能路灯得到了越来越广泛的关注[3-4]，为了解决传统路灯只能进行分时段照明和人工控制的问题，本文研究设计了一种太阳能智能路灯的控制系统，分时段分功率的工作模式以及路况检测功能，使得路灯对于能源的分配更加合理。同时，将物联网技术应用到太阳能智能路灯控制系统中，可以远程监控路灯运行状况以及能源使用情况，不需要人为的报修，使路灯的维护变得更具高效、智能化。

1 太阳能路灯控制系统结构

系统通过中央处理单元控制DC/DC变换器进行MPPT（最大功率点追踪），将太阳能转化为电能并存储到蓄电池中，同时中央处理器结合太阳能电池板的输出电压、内部时钟，对当前光环境进行判断，自动实现充电、照明两种模式之间的转换。通过Lora模块，将路灯的位置，太阳能电池板的相关信息，蓄电池的电能等信息发送到Lora集中器，再由集中器通过4G移动系统网络将信息发送到远程控制中心。太阳能路灯系统的硬件设计如图1所示，本系统硬件电路采用STM32F030C8T6芯片作为核心控制器，主电路由DC/DC变换器，供电电路，采样电路组成。由DC/DC变换器负责蓄电池的充放电。由于路灯系统所处环境的光强度基本依靠太阳光，因此设计采样电路采集太阳能板的输出电压可以对当前光环境进行检测，采样电路同时对太阳能板，蓄电池以及节能灯管的电流，电压进行采样。Lora通信模块负责将路灯设置的参数以及路灯运行状况和环境信息发送给数据集中器。为满足各个模块工作电压不同的需要，设计选用LM2596作为第一级稳压芯片，蓄电池电压经其输出12V的稳定电压，供各个模块使用。再通过第二级稳压芯片LM317，使电压稳定输出3.3V。为提高稳压电路最大输出功率，保证各个模块供电稳定，将两个LM317模块并联，可增加其输出能力

2 Lora通信技术

2.1 Lora通信

本设计采用SX1278芯片作为Lora通信电路的控制器。SX1278芯片通过SPI协议与中央处理单元进行通信，将内部存储器中的智能路灯各个工作模式参数及实时数据发送至Lora集中器。

2.2 组网方式

各个太阳能路灯之间通过Lora模块相互通信，自组成网络，节点与集中器汇集，将数据发送至集中器，集中器根据各个路灯的唯一标识ID对路灯进行识别。若其中某节点距离集中器距离过远，导致集中器之间通信质量较差，则选择通过其他路灯作为中介，将数据及路灯唯一标识ID打包发送至通信质量较好的路灯，再由该路灯将数据转发至集中器，最后发送至远程控制端。集中器与服务器通过MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议进行通信，根据不同的集中器唯一ID标识符发布主题，对应的集中器订阅该主题，可同时实现识别集中器以及集中器与APP双向通信。

3 软件控制程序设计

系统通过控制DC/DC变换器实现充电模式和照明模式相互转换。将电池种类、充電模式参数和照明模式参数存储在RAM中，当接收到远程终端传来的指令时，按照指令对各个参数进行设置并保存。参数设定完成后，通过采样电路读取太阳能板和电池的电流、电压。在太阳能板输出电压低于设定的电压时，若时间超过18时则视为天黑，转换至照明模式，否则视为阴天，继续工作在充电模式。

在充电模式下，按电池种类和蓄电池的电量的设置多种合理有效的充电策略，例如铅酸电池有浮充，快充，均流等多种模式。按照不同充电策略的参数对DC/DC变换器输出电压电流进行控制，同时通过MPPT最大功率追踪使DC/DC变换器在设定输出电压范围内以最大功率输出。对电池电量进行实时监控，确保电池不过充，科学合理的保护蓄电池的寿命。

在照明工作模式下，按照设置的路灯工作模式参数，将夜晚划分为多个时段，每个时段按参数中设置的功率工作，从天黑开始进入第一工作时段，一直延续到天亮。天亮时根据中央处理单元的RTC实时时钟将天亮时间保存在RAM中，连续存储前一周天亮时间来预测第二天的天亮时间。实时对路况进行检测，当检测到行人时，路灯工作在大功率照明模式，若没有检测到行人，则工作在低功率模式，保证基础照明。

根据系统实时时钟，在每天0点将一天累计充电电量，用电电量及光照环境等数据发送到远程终端，在电流电压异常时发出警报，实现智能化的远程监控，使路灯的维护及管理更加人性化。

4 终端软件设计

远程终端软件设计如图3所示，通过定位系统定位每个路灯位置，选择对应路灯即可对路灯参数进行设置以及读取路灯数据。

5 结束语

本研究设计了一种智能路灯控制系统，通过以STM32F030为控制单元的DC/DC变换电路实现太阳能充电及路灯的智能化管理，实现了蓄电池电能科学合理利用。利用Lora技术实现低功耗，远距离的路灯节点与集中器之间的自组网络，再由集中器远程终端建立连接，通过远程终端对路灯系统进行监控，实现了路灯的智能化，人性化的科学管理。

参考文献：

[1]张志宏，华前斌.基于MPPT光伏LED路灯照明系统设计[J].中国新技术新产品，2018（1）：35-36.

[2]陈国栋，罗素芹，刘文斌，等.基于改进相似日的光伏系统日发电量预测[J].照明工程学报，2018，29（3）.

[3]李家熹.太阳能风能在高速公路中的应用分析[J].中国战略新兴产业，2018（5X）：5-6.

[4]黄进.智能全功率MPPT风光互补路灯控制器设计[J].测控技术，2018，37（06）：138-144.