1.1 引言

在人類文明的歷史長河中，人類不斷地從自然界索取、探求適合生存和發(fā)展所需的各種能源，能源的利用水平折射出人類文明的進(jìn)步步伐。從原始社會(huì)開始，由地球在長達(dá)50萬年的歷史中積累下來的化石礦物能源，即常規(guī)能源(煤、石油、天然氣等)一直是人類所用能源的基礎(chǔ)。但是常規(guī)能源的儲(chǔ)量正隨著人類文明的高度發(fā)展而迅速枯竭。從資源的角度看，地球的礦物能源儲(chǔ)量是有限的，按目前消耗的速度計(jì)，石油還可供開采40年左右，天然氣約60年，煤可望達(dá)200年。全球能源消耗的年增長率約為2%，近35年來世界能源消費(fèi)量已經(jīng)翻了一番。人們預(yù)計(jì)，到2025年全球能源消耗還將再增加一倍。這些都提醒人們注意到必須開發(fā)新的能源。

常規(guī)能源的大量利用對(duì)人類生存環(huán)境也有著日趨嚴(yán)重的破壞作用。到20世紀(jì)末人們開始意識(shí)到：由于每年燃燒常規(guī)能源所產(chǎn)生的CO2排放量約210億噸左右，已經(jīng)使地球嚴(yán)重污染，而且目前CO2的年排放量還在呈上升趨勢。CO2造成了地球的溫室效應(yīng)，使全球氣候變暖。經(jīng)過較為準(zhǔn)確的推算，如果全球變暖1.5～4.5℃,最嚴(yán)重的后果是海平面將上升25～145cm，沿海低洼地區(qū)將被淹沒，這將嚴(yán)重影響到許多國家的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和政治結(jié)構(gòu)。此外，大量燃燒礦物燃料，會(huì)在大范圍內(nèi)形成酸雨，將嚴(yán)重?fù)p害森林和農(nóng)田，目前全球已有數(shù)以千計(jì)的湖泊酸性度不斷提高，并已接近魚類無法生存的地步；酸雨還損壞石造建筑、破壞古跡、腐蝕金屬結(jié)構(gòu)，甚至進(jìn)入飲用水源，釋放出潛在的毒性金屬（如鎘、鉛、汞、鋅、銅等），威脅人類健康。因此，人類文明的高度發(fā)展與生存環(huán)境的極度惡化，形成了強(qiáng)烈的反差。

針對(duì)以上情況開發(fā)和使用新能源(可再生能源和無污染綠色能源)已是人類目前迫切需要解決的重要問題。雖然目前人類可利用的新能源，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、海洋能等能源形式都是可以滿足要求的。但從能源的穩(wěn)定性、可持久性、數(shù)量、設(shè)備成本、利用條件等諸多因素考慮，太陽能將成為最為理想的可再生能源和無污染能源。

太陽能電池發(fā)電與火力、水力、柴油發(fā)電比較具有許多優(yōu)點(diǎn)，如安全可靠、無噪聲、無污染，能量隨處可得、不受地域限制、無需消耗燃料、無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件、故障率低、維護(hù)簡便、可以無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意、無需架設(shè)輸電線路、可以方便地與建筑物相結(jié)合等，因此，無論從近期還是遠(yuǎn)期，無論從能源環(huán)境的角度還是從邊遠(yuǎn)地區(qū)和特殊應(yīng)用領(lǐng)域需求的角度來考慮，太陽能電池發(fā)電都極具吸引力。目前，太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的唯一障礙是其成本高，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，太陽能電池發(fā)電的成本將會(huì)下降到同常規(guī)能源發(fā)電相當(dāng)。屆時(shí)，太陽能電池發(fā)電將成為人類電力的重要來源之一。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

太陽能路燈是一種利用太陽能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規(guī)電能，只要陽光充足就可以就地安裝等特點(diǎn)，因此受到人們的廣泛關(guān)注，又因其不污染環(huán)境，而被稱為綠色環(huán)保產(chǎn)品。太陽能路燈即可用于城鎮(zhèn)公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、缺乏常規(guī)燃料，難以用常規(guī)能源發(fā)電，但太陽能資源豐富的地區(qū)，以解決這些地區(qū)人們的家用照明問題。

太陽能燈是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的一種應(yīng)用產(chǎn)品，具有節(jié)能、環(huán)保、安全、無需布線、安裝簡便、自動(dòng)控制、可根據(jù)需要隨時(shí)變換插放的位置等優(yōu)點(diǎn)。太陽能燈具的主要類型有太陽能庭院燈、太陽能路燈、太陽能草坪燈、太陽能景觀燈、太陽能信號(hào)燈。

在太陽能路燈實(shí)際應(yīng)用中，很多地方的太陽能路燈不能滿足正常照明需要，尤其在陰雨天更為突出，因此,這就要求太陽能路燈在工作時(shí)能夠根據(jù)行人情況對(duì)自身功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,在滿足正常工作的同時(shí)能夠節(jié)省更多的電力,保證系統(tǒng)的長時(shí)間工作；此外，現(xiàn)有的太陽能路燈無法實(shí)現(xiàn)對(duì)自身工作狀態(tài)和外圍電路參數(shù)的檢測和故障診斷，無法組成遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，因而需要一個(gè)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)太陽能路燈電路參數(shù)進(jìn)行檢測，并對(duì)出現(xiàn)的故障實(shí)現(xiàn)診斷和報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)路燈的智能化管理

二、需求分析

2.1 功能要求

1、系統(tǒng)全部采用太陽能電池和蓄電池供電，綠色環(huán)保無污染；

2、太陽能電池能自動(dòng)跟蹤太陽光，實(shí)現(xiàn)太陽能利用的最大化；

3、天黑時(shí)候路燈能夠自動(dòng)亮燈，并且能夠根據(jù)有人經(jīng)過和沒人經(jīng)過的情況動(dòng)態(tài)調(diào)整路燈功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果；晚上十二點(diǎn)后，由于行人稀少，路燈將處于半激活狀態(tài)，當(dāng)有人經(jīng)過時(shí)才亮燈，沒人經(jīng)過則不亮燈，在保證給少量行人照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能；到了早上再次進(jìn)入正常發(fā)光模式，直到天亮的時(shí)候熄滅，進(jìn)入蓄能階段。

4、系統(tǒng)具有自動(dòng)監(jiān)測功能，能夠?qū)β窡艏捌渫鈬娐返倪\(yùn)作進(jìn)行監(jiān)測，一旦有異常情況出現(xiàn)，從機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)到主機(jī)，主機(jī)匯總后通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)給監(jiān)控中心通知技術(shù)人員進(jìn)行維修，保證檢修的快速性。

2.2 性能要求

1、ADC轉(zhuǎn)換精度為10位；

2、無線傳輸有效距離100m（可根據(jù)實(shí)際需要選用不同的無線模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)）；

3、GSM超遠(yuǎn)傳輸距離，只要有信號(hào)的地方就可以收到數(shù)據(jù)；

4、一個(gè)監(jiān)控中心可監(jiān)測多個(gè)主機(jī)，一個(gè)主機(jī)可監(jiān)測多個(gè)從機(jī)。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由監(jiān)控中心、主機(jī)和從機(jī)三大部分組成，監(jiān)控中心通過GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的遠(yuǎn)程通訊，而主機(jī)與從機(jī)距離較近，故采用2.4GHz無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

監(jiān)控中心硬件結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)各主機(jī)匯總情況分析、顯示，同時(shí)可通過現(xiàn)場或者發(fā)短信的方式通知工作人員路燈的損壞情況，此外還可以對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其主要由AVR單片機(jī)、GSM模塊、光傳感器、人體紅外感應(yīng)模塊、矩陣鍵盤、聲光報(bào)警、位置檢測電阻、電機(jī)模塊、液晶顯示器、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS1302、后備電源、太陽能電池和蓄電池組成。

主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖

主機(jī)負(fù)責(zé)收集從機(jī)和自身監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，是監(jiān)控中心和從機(jī)通訊的橋梁，主要由AVR單片機(jī)、GSM模塊、無線傳輸模塊、光傳感器、人體紅外感應(yīng)模塊、位置檢測電阻、電機(jī)模塊、電源管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS1302、后備電源、太陽能電池和蓄電池組成。