城市环境监测太阳能路灯系统设计

2021-11-24王云

商品与质量 2021年2期

王云

莱西市亮化管理处山东青岛 266600

太阳能作为一种清洁能源已经在人们的生活中得到广泛应用，太阳能路灯就是其中的一种，不管是在繁华的城市道路两边，还是偏远的山村小路都有其踪影。太阳能路灯的原理:太阳能板负责把太阳能转换为电能，通过充电装置把电能转变为化学能存储到蓄电池中，电能控制装置控制电路的通、断，从而控制路灯的亮、灭，最终完成太阳能到光能的转换。

1 系统整体方案

系统分为两大模块，太阳能路灯系统采用STC89C52RC单片机作为主控芯片，STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。德州仪器公司的CC2530芯片作为主控芯片应用于空气环境监测系统中，该芯片建立在适应2.4GHzIEEE802.15.4标准协议上，芯片内部含有RF收发器，8KB静态随机存储器，256KB的闪存块和18个中断源的中断控制器，具有21个通用I/O引脚，5通道DMA，32KHz睡眠计时器等丰富的外设接口。

本系统由终端节点（传感器节点）、协调器、上位机、太阳能电池板、电池以及路灯6部分组成。太阳能电池板吸收太阳光并将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能为路灯及整个系统供电，终端节点搭载DHT11温湿度传感器采集空气环境的温湿度以及GP2Y1014AUpm2.5传感器采集空气环境的pm2.5浓度，终端节点负责收集传感器所采集到的环境数据并通过ZigBee无线传输网络将数据发送给协调器，协调器负责建立ZigBee无线传输网络以及接收终端节点发送的环境数据并将数据通过串口传输方式发送给上位机，最后上位机将终端节点所采集的空气环境数据进行实时的显示[1]。

2 系统硬件模块设计

2.1 电源模块

电源模块由太阳能电池板、升压电路和电池组成。太阳能电池板发电的原理是当太阳能电池板组件受到阳光照射时，太阳能电池板组件会产生直流电压。太阳能电池板组件产生的电压作为整个系统的电源输入，但是太阳能电池组件产生的电压容易受到太阳光的影响，导致电压不稳定。调压电路用于使输出电压稳定，为系统供电和给蓄电池充电。当太阳能电池组件没有输入电压时，电池为路灯和空气环境监测系统供电。

2.2 充放电控制模块

为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命，必须控制蓄电池的过充、过放电。过充电控制电路通过检测电池电量来判断太阳能电池组件在对电池充电时是否处于过充电状态。如果蓄电池处于过充电状态，充电电路会及时断开。当电池处于过放电控制状态时，判断电池是否处于过放电状态。如果蓄电池处于过放电状态，将及时断开开路。

2.3 光探测模块

光检测模块选择光敏电阻，也就是光敏电阻或光管。它通常由硫化镉、硫化铝、硫化铅和硫化铋组成。当这些材料受到一定波长的光照射时，其电阻值会立即降低。利用光敏电阻阻值随光强变化的特性，可以检测出周围环境中光强的变化。将光强度信号转换为电压信号，通过将输出电平与比较器设定的电压进行比较来完成光强检测。

3 系统软件设计

3.1 太阳能路灯模块

之后，当电池充满电时，如果电池没有充满电，系统会检测电池是否充满电，当电池电量低时，放电控制模块会保护电池不过度放电，并关闭路灯。

3.2 终端节点模块

终端节点上电后，首先进行系统初始化，然后终端节点开始扫描，找出通信距离内是否有协调器以及由协调器构建的ZigBee网络。如果在通信距离内有协调器构建的Zigbee网络，终端节点申请加入Zigbee网络，并获得协调器分配的网络短地址。如果连接不成功，则继续申请加入网络。终端节点成功进入网络后，终端节点读取传感器数据，通过ZigBee网络将读取的传感器数据发送给协调器，然后终端节点周期性地将数据发送给协调器[2]。

3.3 协调员模块

协调器上电后，首先进行系统初始化，然后协调器开始扫描并选择合适的信道，设置网络标识符、扩展地址、短地址等网络参数，建立网络并启动网络。新的ZigBee网络成功建立后，协调器允许其他终端节点加入ZigBee网络并与之建立绑定。当其他终端节点申请加入网络时，它建立绑定并分配网络地址。终端节点加入网络后，协调器通过ZigBee网络接收终端节点发送的数据，并通过串口传输将接收到的数据发送给主机。

4 系统测试

系统设计完成后进行组装调试，系统上电后太阳能路灯模块通过检测光照强度判断是否需要开启路灯，空气环境监测模块的协调器负责建立网络并等待终端节点入网，终端节点入网后周期性的发送环境数据，在上位机利用串口助手软件查看环境数据。系统测试结果表明太阳能路灯在光照强度弱时能自动开启路灯，光照强度强时能自动关闭路灯，传感器采集环境数据较准确以及上位机显示数据和终端节点所处环境数据基本一致，有较高可信度。