基于zigbee的太阳能自动追光灯与电子广告牌的设计，软硬件系统解决方案
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一、项目概述
1.1 引言
太阳能作为一种新兴能源，现广泛应用于太阳能发电、太阳能光伏发电、太阳能水泵、太阳热水器、太阳能建筑、太阳能干燥、太阳灶、太阳能制冷空调，还有可以用来淡化海水，利用太阳光催化治理化境，培养能源植物，，在通讯、运输、农业、防灾、阴极保护、消费、电子产品等诸多方面。
然而，各国谋求发展带来全球性能源危机，世界普遍开始重视可再生能源的开发与利用。太阳能作为一种新兴清洁无污染的绿色能源，以其永不枯竭、无污染等优点，正得到迅速的推广应用。目前太阳能路灯应用广泛，但是绝大多数存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间、随季节不断变化等问题，一方面，传统太阳能电池板都采用固定安装，即电池板固定在某个位置，不随地球自转的变化而变化，这样严重影响光电转换效率，据测算：如果发电系统与太阳光线角度有25度偏差，就会因垂直入射的辐射能下降10%左右;另一方面，传统太阳能路灯后期维护大多数处在“无人问津”状态，有可能造成维修费用更高，更有可能使新能源环保理念在人们心目中形象大打折扣。
为此，要实现创新与环保，必须更好的利用光能，做到两方面，第一，电池板东西能自动追光，以克服每日太阳光的不垂直入射;第二，电池板南北能自动追光，以克服季节的更替;资料显示，单轴太阳能跟踪系统比固定式系统能增加25%的功率输出，而双轴太阳能跟踪系统能增加41%左右;
还有，想到如果把每盏路灯都连成网，有利于更好的控制;
最后，如果在路灯旁加上广告牌设计，例如提醒居民小心路滑、路段名称、安全驾驶等等，如果是安置在校园当中，提醒同学保护环境、爱惜花草、注意卫生等等，这就使得方案设计更加人性化;
示意图如下图:
1.2 项目背景
我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，真可谓“取之不尽，用之不竭”。
国外背景：据了解，1974年至1997年，美日等发达国家硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级;最近俄罗斯在太阳能研究方面取得进展，利用热泵和热管技术将太阳能和地热、居室废热综合利用起来，是太阳能发电的成本大大降低;
国内背景：我国比较成熟太阳能产品有太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统;使用光伏产品发电的经济性相对不足，因此长期以来我国光伏产品主要用于解决偏远无电地区的电气化问题，以及偏远地区电信基站的供电问题，值得一提的是，在我国，西藏西部太阳能资源最丰富，最高达2333 KWh/㎡ (日辐射量6.4KWh/㎡ )，居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。
综上所述，基于自动跟踪、路灯控制、无线通信、电子广告牌设计等特点，本次比赛定项目为基于zigbee太阳能自动追光灯与电子广告牌的设计。
二、需求分析
太阳能跟踪系统能显著增加光伏模块接收的太阳能,提高日用功率和年输出功率,但比固定式系统成本高且更复杂。在商业领域,太阳能跟踪系统有单轴系统、双轴机械跟踪定位系统及准双轴系统。单轴系统只能自东向西跟踪太阳;双轴系统能在自东向西跟踪太阳的同时,太阳能板倾斜角度也随太阳高度变化而变化，从而准确跟踪太阳位置;而准双轴跟踪系统选取单轴的低价优势、双轴的精确优势，集中体现低价高效等特点，但适用范围较双轴跟踪窄。太阳跟踪系统存在产品系统可靠性不能满足要求、跟踪误差大、成本过高等问题，如何选择性价比及发电增益高的太阳跟踪系统，既提高发电量，又降低投资成本成为投资光伏发电市场的关键问题。
光伏产业目前在新能源中发电成本最高，但潜力巨大，多种技术路线加速进展，呈现百花齐放的特点，同时投资规模的扩大，成本有较大下降空间，产业将在2012年开始形成高速增长的拐点。2012年以后光伏市场增长幅度会加快，年复合增长率将超过60%，预计2014年市场需求量将达到37GW。其中德国、西班牙、美国、意大利和日本的合计份额仍将保持在85%以上，仍是主要需求地区。我国是能源生产和消费大国，随着经济持续快速发展和工业化进程的加快，我国的电力需求也快速增长。到2020年，我国光伏累计装机容量将达到1.8GW。光伏产业的发展将带动太阳能跟踪系统的高速发展。因此，本方案可以尽最大可能的实现上述目标，将能源最大化的利用。
2.1 功能要求
太阳能电池板：
利用太阳能电池板将光能最大效率转化成电能;
太阳能电池板模块实现对收集的的太阳能进行转换，由光能转化为电能并存储在蓄电池中，在夜间作为电源为路灯提供能量。本模块采用太阳能多晶硅发电板：
蓄电池：在白天，对公园或者居民小区中的路灯的蓄电池进行充电，除了对AVR单片机、步进电机供电外，其它的尽量保持低耗能;在夜间蓄电池对无线通信模块、AVR单片机、LED灯提供电力照明，无需采用传统的交流电的供电方式进行对路灯的供电;
太阳能控制器:控制器完成功率调节，反接，短路，过流，电气保护，线损补偿，以及散热功能;
Zigbee模块：实现当某人在街道上行走(车辆行驶)时，利用控制红外线自动检测后的信号来实时控制路灯(当然离不开AVR单片机)，实现路灯的控制全自动化和能源利用最优化，为做好融入物联网而做好“有行”的接口;
AVR单片机：
AVR单片机控制系统是整个电路的控制核心部分，接收来自光敏传感器模块和光控开关的信号，通过相关的编程计算，确定何时开启和关闭路灯，实时的调整自动跟踪步进电机模块，实现太阳能电池板以最佳方位面向太阳，实现对系统的总体控制。
光控开关模块：
本模块功能在于在何种情况下启动路灯照明，当在白天光强较强的时候，切断蓄电池对路灯的供电路径，从而使得路灯熄灭;当在夜晚来临时，光强逐渐变弱，此时光控模块自动接通路灯的电源，从而实现路灯照明。同时本模块实现在白天时切断对通信模块和红外检测模块的供电路径，实现能源的节约。
光敏传感器模块：
本模块实现对太阳光的自动采集功能，并确定具体哪一个的方向和方位光强最强，并将采集到的信号发送到AVR单片机，从而由单片机决定自动跟踪模块如何进行调节。
红外线检测模块：
红外线检测模块实现对所经过的物体或者人进行实时监测，当有人来到时，自动点亮行人所在街道上的路灯，然后在固定的时间比如5分钟后自动熄灭。当光照低于5lux时，路灯的使能端有效，每一段道路两头的路灯设置两个红外线检测器，此时红外线检测到行人汽车则持续亮5分钟，然后自动熄灭(在此过程中如果又检测到行人，重新持续亮5分钟);同时等待下一位行人。本模块的启动和关闭由光控开关控制。[!--empirenews.page--]
步进电机控制模块：
自动跟踪步进电机控制模块实现对太阳能方位的定位，包含两个步进电机和一个光敏检测装置，一个步进电机用于调整太阳能电池板的角度，另一个用于调整电池板对太阳的方位;利用步进电机实现太阳能电池板的东西、南北转动，以实现光电转换的最大化。
Zigbee模块：
本模块包含街道两头的无线发射模块和若干接收模块，在夜晚当检测到行人到来时，发射模块发射相应的启动信号，接收模块接收到相应的信号后，启动路灯(本模块的启动和关闭由光控开关控制);当有模块不正常工作时，无线模块向控制中心(例如小区控制中心)汇报异常情况;另外，AVR单片机应留有Zigbee模块接口;
LED点阵屏：
实现对广告语的动态显示;白天不工作，晚上一直工作。
2.2 性能要求
1．太阳能电池板模块：
（1）基本参数
|
最大功率 |
尺寸 |
重量 |
峰值电流 |
短路电流 |
峰值电压 |
开路电压 |
|
10wp |
292×322×35mm |
1.5Kg |
0.83A |
0.87A |
12.05V |
14.6V |
(2)使用条件：
标准测试条件：(AM1.5)辐照度=1000W/m2，电池温度=25℃
绝缘电压：≥1000V
边框接地电阻：≤10hm
迎风压强：2400Pa
填充因子：73%
短路电流温度系数：+0.4mA/℃
开路电压温度系数：-60mV/℃
工作温度：-40℃～+90℃
2.蓄电池模块：
-
基本参数
|
额定容量 |
外形尺寸 |
最大重量 |
极柱 |
|
100Ah |
138×61×266（mm） |
4.3Kg |
M16 |
-
常温性能
|
放电电流（A） |
终止电压（V） |
放电时间 |
|
0.2C5 |
1.0 |
≥5h |
|
1C5 |
0.9 |
≥60min |
|
5C5 |
0.8 |
≥8min |
|
10C5 |
0.8 |
≥2min |
（3）低温性能（－18℃）
|
放电条件 |
放电电流 A |
0.2C5 |
1C5 |
2C5 |
|
终止电压 V |
1.0 |
0.9 |
0.9 |
|
|
放电时间 |
3h45min |
40min |
12min |
|
(3)荷电保持能力： 常温下全充电电池，开路搁置28d，然后以0.2C5A电流放至终止电压1.0V，放电时间不少于3.5h。
(4) 机械性能： 常温下全充电电池，经频率50～100次/min，加速度39.2m/S2(4g)冲击10000次，然后在频率940次/min，振幅2.5mm下振动1h，不应有机械损伤，同时以1C5A电流放电至终止电压0.9V，放电时间不少于54min。
(5)循环寿命： 蓄电池在20℃±5℃下充放电循环次数不少于550次，寿命实验期间，任一个第50次循环，蓄电池放电时间不少于3h30min。
(6)保存期： 蓄电池在环境温度20℃±10℃，湿度45%～75%条件下保存3年，经恢复容量后，性能应符合6.1规定。
3.AVR单片机控制模块：
|
Flash/K |
16 |
Vcc/V |
2.7～5.5 |
RTC |
Yes |
在线编程ISP |
Yes |
|
EEPROM/K |
0.5 |
16位定时器 |
1个 |
SPI |
1 |
10位ADC |
8 |
|
I/O 数 |
32个 |
8位定时器 |
2个 |
UART |
1 |
模拟比较器 |
Yes |
|
系统时钟 MHz |
16 |
PWM |
4 |
TWI |
Yes |
掉电检测BOD |
Yes |
|
看门狗 |
Yes |
片内震荡器 |
Yes |
中断 |
20 |
硬件乘法 |
Yes |
|
外部中断 |
3 |
自编程SPM |
Yes |
SRAM (B)快速寄存器 |
1024 |
||
4．光控开关模块：
|
输入电压 |
5～18V |
|
功耗电流 |
3mA |
|
产品规格 |
49×27×17mm |
5．光传感器模块：
|
类型 |
HC-SR501 普通型 |
电平输出 |
高3.3V，低0V |
|
工作电压 |
5V～20V |
感应范围 |
小于120度锥角，7米以内 |
|
静态功耗 |
65 mW |
工作温度 |
-15度～+70度 |
6．红外线线检测模块：
红外线传感器
|
价格 |
20元 |
工作电流(5V时) |
典型电流6mA |
|
类型 |
热释电红外传感器 |
电压范围 |
3.8V～5.5V |
7．Zigbee模块：
|
工作频率 |
2.4GHz～2.5GHz ISM 微波段 |
|
识别距离 |
有效识别距离可达1500m |
|
识别速度 |
最高识别速度可达200公里/小时 |
|
识别能力 |
同时识别 200 张标签 |
|
识别方式 |
全方向识别、定向识别 |
|
环境温度 |
在-40℃～85℃ |
|
使用寿命 |
30年 |
|
抗干扰性 |
抗干扰性 |
|
安全性能 |
防水、防雷、防冲击，满足工业环境要求 |
|
通信接口 |
RS232/RS485/RJ45 |
|
电 源 |
9V/12V～3A DC电源 |
|
数据速率 |
最高10M bit/s |
|
外形尺寸 |
15.5cm×14cm×5.5cm |
8.LED点阵屏
|
类型 |
共阳 |
|
颜色 |
红绿双色 |
|
点阵数 |
2*8*8 |
|
尺寸 |
22mm*22mm |
|
厚度 |
1.9mm |
9．步进电机机控制模块
|
型号 |
17PU-H501-P1 |
引线数 |
4根 |
|
步距角 |
1.8度 |
电流 |
0.5mA |
|
机身长 |
38cm |
相电阻 |
6.8Ω |
|
静力距 |
0.21N×M |
重量 |
0.24Kg |
10．LED灯：
|
产品品牌 |
西普莱特 |
功 率 |
3W |
|
产品型号 |
MR16-12V-303 |
LED数量 |
3PCS |
|
工作电压 |
12V（灯杯内置恒流驱动电源） |
产品重量 |
0.25Kg |
|
产品材质 |
精工车铝外壳，精工车铝散热型材 |
||
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理（除图片外需有文字介绍）
太阳能路灯由以下几部分组成：太阳电池、蓄电池、步进电机、Zigbee模块、LED发光体。 太阳能路灯是一个自动控制的工作系统。
3.5 系统预计实现结果
本设计预期实现以下功能：
在白天模式：太阳能电池板会随着太阳光线相对的偏移而进行自动跟踪校正，同时将转化的电能存储到蓄电池中;
在黑夜模式：太阳能电池板停止转动，进入休眠模式;单片机会根据红外线的检测(行人等)通过无线通信模块使整条街道路灯点亮，直至路上无行人;而电子广告牌会一直工作，起到显示作用;
当然，还包括，有异常情况出现时，及时通知物联网控制中心。
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