一、概述

　　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(cè)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(cè)，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(cè)功能，能夠?qū)β窡艏捌渫鈬娐返倪\(yùn)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(cè)多個(gè)主機(jī)，一個(gè)主機(jī)可監(jiān)測(cè)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

　　圖1：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。

　　圖2：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(cè)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。

　　圖3：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(cè)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。

　　圖4：從機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　從機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)自身太陽能路燈進(jìn)行控制處理并對(duì)電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況就會(huì)進(jìn)行故障診斷，并將通過主機(jī)將結(jié)果發(fā)給監(jiān)控中心進(jìn)行處理，其主要由AVR單片機(jī)、無線傳輸模塊、光傳感器、人體紅外感應(yīng)模塊、位置檢測(cè)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。

　　3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

　　硬件平臺(tái)選用EVK1100，串口用于與GSM模塊通訊，PWM用于背光變頻，光照傳感器用于檢測(cè)環(huán)境周圍光度，液晶顯示器用于顯示各種信息，SPI用于與DS1302通訊，ADC用于太陽能電池電壓檢測(cè)、蓄電池電壓檢測(cè)、環(huán)境光度檢測(cè)、太陽能電池位置檢測(cè)和太陽位置檢測(cè)，1個(gè)通用輸入輸出口用于人體紅外檢測(cè)模塊，4個(gè)通用輸入輸出口用于電機(jī)控制，8個(gè)通用輸入輸出口用于4*4矩陣鍵盤。

　　3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　圖5：系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　3.4 系統(tǒng)軟件流程

　　圖6：監(jiān)控中心程序運(yùn)行流程圖

　　系統(tǒng)上電后先對(duì)系統(tǒng)和GSM模塊進(jìn)行初始化，接著更新系統(tǒng)時(shí)間，然后判斷現(xiàn)在是不是白天，如果是就繼續(xù)判斷系統(tǒng)是否收到信息，如果不是則檢查是否有新信息到來；在晚上，有新信息表示主機(jī)或者從機(jī)出現(xiàn)問題，系統(tǒng)進(jìn)入信息處理階段，根據(jù)用戶設(shè)置有本地通知和短信通知兩種方式，如果用戶設(shè)置為短信通知，則系統(tǒng)只會(huì)通過短信通知用戶，而不會(huì)在本地發(fā)警報(bào)通知用戶；接著進(jìn)行按鍵檢測(cè)，有按鍵按下則進(jìn)入按鍵處理程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置或者查看狀態(tài)；然后檢測(cè)有沒人接近，有則開液晶顯示器和背光，沒有則將它們關(guān)掉；接著又檢測(cè)是不是白天，如此循環(huán)。

　　在白天，系統(tǒng)檢查是否有信息，有信息則發(fā)警報(bào)通知用戶，并將信息刪除；接著檢測(cè)太陽位置和太陽能電池電壓，如果太陽能電池電壓低于設(shè)定值，標(biāo)志位置位；如果太陽能電池電壓沒有問題，系統(tǒng)則驅(qū)動(dòng)電機(jī)將太陽能電池轉(zhuǎn)向陽光最大處，如果太陽能電池在規(guī)定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)不到指定位置則說明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)問題，接著判斷太陽能電池是否有問題，如果有，說明太陽能電池個(gè)電機(jī)模塊有問題，如果沒有則再次對(duì)太陽能電池電壓進(jìn)行采樣，將其與上一次采樣電壓進(jìn)行比較，兩次電壓相差不大，說明電機(jī)有問題；兩次電壓相差大，說明位置檢測(cè)電阻有問題，然后，報(bào)警通知用戶，至此程序完成一次循環(huán)。當(dāng)前面太陽能電池轉(zhuǎn)動(dòng)后到達(dá)指定位置后，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)循環(huán)狀態(tài)，此時(shí)如果系統(tǒng)收到主機(jī)入網(wǎng)請(qǐng)求，則對(duì)主機(jī)進(jìn)行入網(wǎng)處理；沒有收到請(qǐng)求則會(huì)判斷是否有按鍵按下，有則進(jìn)行按鍵處理，沒有則檢測(cè)有沒人接近，有則開液晶顯示器和背光，沒有則將它們關(guān)掉；如此循環(huán)，直到定時(shí)時(shí)間到。

　　圖7：主機(jī)程序運(yùn)行流程圖

　　系統(tǒng)上電后先對(duì)系統(tǒng)、GSM模塊和2.4GHz無線模塊進(jìn)行初始化，接著向監(jiān)控中心發(fā)送聯(lián)網(wǎng)請(qǐng)求，直到收到監(jiān)控中心應(yīng)答信號(hào)，允許入網(wǎng)。接著通過監(jiān)控中心發(fā)回信號(hào)更新系統(tǒng)時(shí)間，然后判斷現(xiàn)在是不是白天，如果是就判斷系統(tǒng)是否有錯(cuò)誤信息，如果不是則發(fā)信息查詢從機(jī)狀態(tài)。在晚上，首先向從機(jī)發(fā)送查詢信息，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收不到從機(jī)應(yīng)答信號(hào)，說明從機(jī)有問題，錯(cuò)誤標(biāo)志置位；如果收到信息，系統(tǒng)亮燈，并對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果蓄電池電壓小于設(shè)定值，說明蓄電池有問題，錯(cuò)誤標(biāo)志置位；如果蓄電池電壓大于設(shè)定值，則判斷路燈是否亮，路燈不亮，錯(cuò)誤標(biāo)志置位；路燈亮，判斷是否有錯(cuò)誤置位，如果有，則想監(jiān)控中心發(fā)送錯(cuò)誤代碼直到收到監(jiān)控中心應(yīng)答信號(hào)，接著判斷主機(jī)是否有錯(cuò)誤，有則進(jìn)入待機(jī)模式等待檢修，沒有則進(jìn)入路燈工作模式。

　　首先檢測(cè)是否有人通過，有則進(jìn)行功率調(diào)整，使路燈處于正常發(fā)光模式，沒有則判斷是否到了晚上十二點(diǎn)，是則進(jìn)行功率調(diào)整，使路燈處于觸發(fā)工作模式，只有人經(jīng)過的時(shí)候才會(huì)亮燈。如果不是則判斷是否到了早上，是則進(jìn)行功率調(diào)整，使路燈處于正常工作模式，否則判斷是否到了白天，如果到了白天，則路燈熄滅，進(jìn)入白天儲(chǔ)能階段。如果還沒有到白天，則檢測(cè)沒有人經(jīng)過路燈的時(shí)間是否大于預(yù)定值，是則對(duì)路燈進(jìn)行功率調(diào)整，降低功耗；沒有則返回路人檢測(cè)程序段，如此循環(huán)。

　　在白天，系統(tǒng)檢查是否有錯(cuò)誤信息，有則不執(zhí)行下面程序，直到晚上；如果沒有錯(cuò)誤信息，則接著檢測(cè)太陽位置和太陽能電池電壓，如果太陽能電池電壓低于設(shè)定值，標(biāo)志位置位；如果太陽能電池電壓沒有問題，系統(tǒng)則驅(qū)動(dòng)電機(jī)將太陽能電池轉(zhuǎn)向陽光最大處，如果太陽能電池在規(guī)定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)不到指定位置則說明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)問題，接著判斷太陽能電池是否有問題，如果有，說明太陽能電池個(gè)電機(jī)模塊有問題，如果沒有則再次對(duì)太陽能電池電壓進(jìn)行采樣，將其與上一次采樣電壓進(jìn)行比較，兩次電壓相差不大，說明電機(jī)有問題；兩次電壓相差大，說明位置檢測(cè)電阻有問題，然后，報(bào)警通知用戶，至此程序完成一次循環(huán)。當(dāng)前面太陽能電池轉(zhuǎn)動(dòng)后到達(dá)指定位置后，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)循環(huán)狀態(tài)，此時(shí)如果系統(tǒng)收到從機(jī)聯(lián)網(wǎng)請(qǐng)求，則對(duì)從機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)處理；如此循環(huán)，直到定時(shí)時(shí)間到。

　　圖8：從機(jī)程序運(yùn)行流程圖

　　從機(jī)程序運(yùn)行流程圖與主機(jī)程序運(yùn)行流程圖類似，在此不再復(fù)述。

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

　　在白天，太陽能路燈處于蓄能狀態(tài)，控制電路通過光傳感器探知太陽所在位置，并控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)太陽能電池跟蹤太陽，使其能獲取更多的太陽能轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)；在晚上，從機(jī)首先進(jìn)行自檢，并將結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)收到的同時(shí)也進(jìn)行自檢，將結(jié)果匯集后通過GSM網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心報(bào)告，監(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)問題則通知管理人員處理；自檢結(jié)束后，從機(jī)和主機(jī)進(jìn)入照明模式，人體紅外感應(yīng)模塊工作。當(dāng)有人經(jīng)過，路燈進(jìn)入正常照明模式；當(dāng)一段時(shí)間沒人經(jīng)過，則路燈進(jìn)入節(jié)能模式，發(fā)光強(qiáng)度有所下降。到了晚上十二點(diǎn)，由于該時(shí)段行人稀少，故路燈進(jìn)入觸發(fā)工作模式，只在有人經(jīng)過的情況下才會(huì)發(fā)光；到了早上路燈再次進(jìn)入正常照明模式直到天亮。