基于zigbee的太陽(yáng)能自動(dòng)追光燈與電子廣告牌的設(shè)計(jì)，軟硬件系統(tǒng)解決方案

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

太陽(yáng)能作為一種新興能源，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能水泵、太陽(yáng)熱水器、太陽(yáng)能建筑、太陽(yáng)能干燥、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能制冷空調(diào)，還有可以用來(lái)淡化海水，利用太陽(yáng)光催化治理化境，培養(yǎng)能源植物，，在通訊、運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、防災(zāi)、陰極保護(hù)、消費(fèi)、電子產(chǎn)品等諸多方面。

然而，各國(guó)謀求發(fā)展帶來(lái)全球性能源危機(jī)，世界普遍開始重視可再生能源的開發(fā)與利用。太陽(yáng)能作為一種新興清潔無(wú)污染的綠色能源，以其永不枯竭、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的推廣應(yīng)用。目前太陽(yáng)能路燈應(yīng)用廣泛，但是絕大多數(shù)存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間、隨季節(jié)不斷變化等問(wèn)題，一方面，傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板都采用固定安裝，即電池板固定在某個(gè)位置，不隨地球自轉(zhuǎn)的變化而變化，這樣嚴(yán)重影響光電轉(zhuǎn)換效率，據(jù)測(cè)算：如果發(fā)電系統(tǒng)與太陽(yáng)光線角度有25度偏差，就會(huì)因垂直入射的輻射能下降10%左右；另一方面，傳統(tǒng)太陽(yáng)能路燈后期維護(hù)大多數(shù)處在“無(wú)人問(wèn)津”狀態(tài)，有可能造成維修費(fèi)用更高，更有可能使新能源環(huán)保理念在人們心目中形象大打折扣。

為此，要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與環(huán)保，必須更好的利用光能，做到兩方面，第一，電池板東西能自動(dòng)追光，以克服每日太陽(yáng)光的不垂直入射；第二，電池板南北能自動(dòng)追光，以克服季節(jié)的更替；資料顯示，單軸太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)比固定式系統(tǒng)能增加25%的功率輸出，而雙軸太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)能增加41%左右；

還有，想到如果把每盞路燈都連成網(wǎng)，有利于更好的控制；

最后，如果在路燈旁加上廣告牌設(shè)計(jì)，例如提醒居民小心路滑、路段名稱、安全駕駛等等，如果是安置在校園當(dāng)中，提醒同學(xué)保護(hù)環(huán)境、愛(ài)惜花草、注意衛(wèi)生等等，這就使得方案設(shè)計(jì)更加人性化；

示意圖如下圖:

1.2 項(xiàng)目背景

我們地球所接受到的太陽(yáng)能，只占太陽(yáng)表面發(fā)出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當(dāng)于全球所需總能量的3-4萬(wàn)倍，真可謂“取之不盡，用之不竭”。

國(guó)外背景：據(jù)了解，1974年至1997年，美日等發(fā)達(dá)國(guó)家硅半導(dǎo)體光電池發(fā)電成本降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)；最近俄羅斯在太陽(yáng)能研究方面取得進(jìn)展，利用熱泵和熱管技術(shù)將太陽(yáng)能和地?zé)帷⒕邮覐U熱綜合利用起來(lái)，是太陽(yáng)能發(fā)電的成本大大降低；

國(guó)內(nèi)背景：我國(guó)比較成熟太陽(yáng)能產(chǎn)品有太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)；使用光伏產(chǎn)品發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)不足，因此長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)光伏產(chǎn)品主要用于解決偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)的電氣化問(wèn)題，以及偏遠(yuǎn)地區(qū)電信基站的供電問(wèn)題，值得一提的是，在我國(guó)，西藏西部太陽(yáng)能資源最豐富，最高達(dá)2333 KWh/㎡ （日輻射量6.4KWh/㎡ ），居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。

綜上所述，基于自動(dòng)跟蹤、路燈控制、無(wú)線通信、電子廣告牌設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，本次比賽定項(xiàng)目為基于zigbee太陽(yáng)能自動(dòng)追光燈與電子廣告牌的設(shè)計(jì)。

二、需求分析

太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)能顯著增加光伏模塊接收的太陽(yáng)能,提高日用功率和年輸出功率,但比固定式系統(tǒng)成本高且更復(fù)雜。在商業(yè)領(lǐng)域,太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)有單軸系統(tǒng)、雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)及準(zhǔn)雙軸系統(tǒng)。單軸系統(tǒng)只能自東向西跟蹤太陽(yáng)；雙軸系統(tǒng)能在自東向西跟蹤太陽(yáng)的同時(shí),太陽(yáng)能板傾斜角度也隨太陽(yáng)高度變化而變化，從而準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)位置；而準(zhǔn)雙軸跟蹤系統(tǒng)選取單軸的低價(jià)優(yōu)勢(shì)、雙軸的精確優(yōu)勢(shì)，集中體現(xiàn)低價(jià)高效等特點(diǎn)，但適用范圍較雙軸跟蹤窄。太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)存在產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性不能滿足要求、跟蹤誤差大、成本過(guò)高等問(wèn)題，如何選擇性價(jià)比及發(fā)電增益高的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，既提高發(fā)電量，又降低投資成本成為投資光伏發(fā)電市場(chǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題。

光伏產(chǎn)業(yè)目前在新能源中發(fā)電成本最高，但潛力巨大，多種技術(shù)路線加速進(jìn)展，呈現(xiàn)百花齊放的特點(diǎn)，同時(shí)投資規(guī)模的擴(kuò)大，成本有較大下降空間，產(chǎn)業(yè)將在2012年開始形成高速增長(zhǎng)的拐點(diǎn)。2012年以后光伏市場(chǎng)增長(zhǎng)幅度會(huì)加快，年復(fù)合增長(zhǎng)率將超過(guò)60%，預(yù)計(jì)2014年市場(chǎng)需求量將達(dá)到37GW。其中德國(guó)、西班牙、美國(guó)、意大利和日本的合計(jì)份額仍將保持在85%以上，仍是主要需求地區(qū)。我國(guó)是能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快，我國(guó)的電力需求也快速增長(zhǎng)。到2020年，我國(guó)光伏累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到1.8GW。光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將帶動(dòng)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的高速發(fā)展。因此，本方案可以盡最大可能的實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，將能源最大化的利用。

2.1 功能要求

太陽(yáng)能電池板：

利用太陽(yáng)能電池板將光能最大效率轉(zhuǎn)化成電能；

太陽(yáng)能電池板模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)收集的的太陽(yáng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由光能轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)在蓄電池中，在夜間作為電源為路燈提供能量。本模塊采用太陽(yáng)能多晶硅發(fā)電板：

蓄電池：在白天，對(duì)公園或者居民小區(qū)中的路燈的蓄電池進(jìn)行充電，除了對(duì)AVR單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)供電外，其它的盡量保持低耗能；在夜間蓄電池對(duì)無(wú)線通信模塊、AVR單片機(jī)、LED燈提供電力照明，無(wú)需采用傳統(tǒng)的交流電的供電方式進(jìn)行對(duì)路燈的供電；

太陽(yáng)能控制器:控制器完成功率調(diào)節(jié)，反接，短路，過(guò)流，電氣保護(hù)，線損補(bǔ)償，以及散熱功能；

Zigbee模塊：實(shí)現(xiàn)當(dāng)某人在街道上行走（車輛行駛）時(shí)，利用控制紅外線自動(dòng)檢測(cè)后的信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)控制路燈（當(dāng)然離不開AVR單片機(jī)），實(shí)現(xiàn)路燈的控制全自動(dòng)化和能源利用最優(yōu)化，為做好融入物聯(lián)網(wǎng)而做好“有行”的接口；

AVR單片機(jī)：

AVR單片機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)電路的控制核心部分，接收來(lái)自光敏傳感器模塊和光控開關(guān)的信號(hào)，通過(guò)相關(guān)的編程計(jì)算，確定何時(shí)開啟和關(guān)閉路燈，實(shí)時(shí)的調(diào)整自動(dòng)跟蹤步進(jìn)電機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板以最佳方位面向太陽(yáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的總體控制。

光控開關(guān)模塊：

本模塊功能在于在何種情況下啟動(dòng)路燈照明，當(dāng)在白天光強(qiáng)較強(qiáng)的時(shí)候，切斷蓄電池對(duì)路燈的供電路徑，從而使得路燈熄滅；當(dāng)在夜晚來(lái)臨時(shí)，光強(qiáng)逐漸變?nèi)?，此時(shí)光控模塊自動(dòng)接通路燈的電源，從而實(shí)現(xiàn)路燈照明。同時(shí)本模塊實(shí)現(xiàn)在白天時(shí)切斷對(duì)通信模塊和紅外檢測(cè)模塊的供電路徑，實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。

光敏傳感器模塊：

本模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的自動(dòng)采集功能，并確定具體哪一個(gè)的方向和方位光強(qiáng)最強(qiáng)，并將采集到的信號(hào)發(fā)送到AVR單片機(jī)，從而由單片機(jī)決定自動(dòng)跟蹤模塊如何進(jìn)行調(diào)節(jié)。

紅外線檢測(cè)模塊：

紅外線檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)所經(jīng)過(guò)的物體或者人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)有人來(lái)到時(shí)，自動(dòng)點(diǎn)亮行人所在街道上的路燈，然后在固定的時(shí)間比如5分鐘后自動(dòng)熄滅。當(dāng)光照低于5lux時(shí)，路燈的使能端有效，每一段道路兩頭的路燈設(shè)置兩個(gè)紅外線檢測(cè)器，此時(shí)紅外線檢測(cè)到行人汽車則持續(xù)亮5分鐘，然后自動(dòng)熄滅（在此過(guò)程中如果又檢測(cè)到行人，重新持續(xù)亮5分鐘）；同時(shí)等待下一位行人。本模塊的啟動(dòng)和關(guān)閉由光控開關(guān)控制。

步進(jìn)電機(jī)控制模塊：

自動(dòng)跟蹤步進(jìn)電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能方位的定位，包含兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)光敏檢測(cè)裝置，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)用于調(diào)整太陽(yáng)能電池板的角度，另一個(gè)用于調(diào)整電池板對(duì)太陽(yáng)的方位；利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板的東西、南北轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最大化。

Zigbee模塊：

本模塊包含街道兩頭的無(wú)線發(fā)射模塊和若干接收模塊，在夜晚當(dāng)檢測(cè)到行人到來(lái)時(shí)，發(fā)射模塊發(fā)射相應(yīng)的啟動(dòng)信號(hào)，接收模塊接收到相應(yīng)的信號(hào)后，啟動(dòng)路燈（本模塊的啟動(dòng)和關(guān)閉由光控開關(guān)控制）；當(dāng)有模塊不正常工作時(shí)，無(wú)線模塊向控制中心（例如小區(qū)控制中心）匯報(bào)異常情況；另外，AVR單片機(jī)應(yīng)留有Zigbee模塊接口；

LED點(diǎn)陣屏：

實(shí)現(xiàn)對(duì)廣告語(yǔ)的動(dòng)態(tài)顯示；白天不工作，晚上一直工作。

2.2 性能要求

1．太陽(yáng)能電池板模塊：

（1）基本參數(shù)

（2）使用條件：

標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件：（AM1.5）輻照度＝1000W／m2，電池溫度＝25℃

絕緣電壓：≥1000V

邊框接地電阻：≤10hm

迎風(fēng)壓強(qiáng)：2400Pa

填充因子：73％

短路電流溫度系數(shù)：＋0.4mA／℃

開路電壓溫度系數(shù)：-60mV／℃

工作溫度：-40℃～＋90℃

2．蓄電池模塊：

1. 基本參數(shù)

1. 常溫性能

（3）低溫性能（－18℃）

（3）荷電保持能力： 常溫下全充電電池，開路擱置28d，然后以0.2C₅A電流放至終止電壓1.0V，放電時(shí)間不少于3.5h。

（4） 機(jī)械性能： 常溫下全充電電池，經(jīng)頻率50～100次/min，加速度39.2m/S²(4g)沖擊10000次，然后在頻率940次/min，振幅2.5mm下振動(dòng)1h，不應(yīng)有機(jī)械損傷，同時(shí)以1C₅A電流放電至終止電壓0.9V，放電時(shí)間不少于54min。

（5）循環(huán)壽命： 蓄電池在20℃±5℃下充放電循環(huán)次數(shù)不少于550次，壽命實(shí)驗(yàn)期間，任一個(gè)第50次循環(huán)，蓄電池放電時(shí)間不少于3h30min。

（6）保存期： 蓄電池在環(huán)境溫度20℃±10℃，濕度45%～75%條件下保存3年，經(jīng)恢復(fù)容量后，性能應(yīng)符合6.1規(guī)定。

3．AVR單片機(jī)控制模塊：

4．光控開關(guān)模塊：

5．光傳感器模塊：

6．紅外線線檢測(cè)模塊：

紅外線傳感器

7．Zigbee模塊：

8.LED點(diǎn)陣屏

9．步進(jìn)電機(jī)機(jī)控制模塊

10．LED燈：

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理（除圖片外需有文字介紹）

太陽(yáng)能路燈由以下幾部分組成：太陽(yáng)電池、蓄電池、步進(jìn)電機(jī)、Zigbee模塊、LED發(fā)光體。 太陽(yáng)能路燈是一個(gè)自動(dòng)控制的工作系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.4 系統(tǒng)軟件流程

程序運(yùn)行流程圖

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)預(yù)期實(shí)現(xiàn)以下功能：

在白天模式：太陽(yáng)能電池板會(huì)隨著太陽(yáng)光線相對(duì)的偏移而進(jìn)行自動(dòng)跟蹤校正，同時(shí)將轉(zhuǎn)化的電能存儲(chǔ)到蓄電池中；

在黑夜模式：太陽(yáng)能電池板停止轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入休眠模式；單片機(jī)會(huì)根據(jù)紅外線的檢測(cè)（行人等）通過(guò)無(wú)線通信模塊使整條街道路燈點(diǎn)亮，直至路上無(wú)行人；而電子廣告牌會(huì)一直工作，起到顯示作用；

當(dāng)然，還包括，有異常情況出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)通知物聯(lián)網(wǎng)控制中心。