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基于物联网的太阳能路灯远程监控系统的设计与实现

2025-09-07 64 上传者：管理员

摘要：太阳能路灯作为低碳照明的核心载体，逐渐成为城市路灯的主要发展趋势。目前太阳能路灯环境适应性差、充放电管理简单、维护复杂，本文设计了一种基于物联网的太阳能路灯远程监控系统，通过融合多源传感器信息，设计了相关的充放电电路和智能化的控制策略，通过LoRa无线模块进行蓄电池和路灯状态信息的远程传输，通过远程监控平台随时了解太阳能路灯的状态，及时进行太阳能路灯的维护。实测结果显示，设计的太阳能路灯远程监控系统可以监测太阳能板、蓄电池和路灯状态变化，为太阳能路灯高效运维提供了系统化解决方案。

关键词：
单灯控制模式
太阳能路灯
故障诊断
物联网
远程监控
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传统的太阳能路灯采用单灯控制模式,控制方式比较简单,通过固定时间进行开关控制,并且开关时间无法通过远程进行修改,导致能源浪费严重,存在无效照明时间[1]｡在深夜时分,路上已经没有行人和车辆时,路灯却仍处于正常亮度,这无疑是对资源的一种浪费｡另外,蓄电池存在过度充电和过度放电问题,蓄电池的寿命比较短,特别是运维成本比较高,不具备远程监控和信息采集功能,通过人工定期巡检的方式进行维护,工作量很大,故障主要依赖巡检人员和市民投诉,缺乏主动性和及时性,因此故障处理延迟时间比较长[2]｡随着物联网和无线通信技术的发展,利用多源数据融合,通过无线方式进行太阳能路灯的互联和远程监控,实时监测太阳能路灯的运行状态,及时发现存在的故障并进行远程调控,提高控制的智能化程度,可以在一定程度上解决存在的问题,提高太阳能路灯的效率和使用寿命,对国家推动绿色照明工程建设和实现双碳目标具有重要的意义[3]｡

本文提出一种基于物联网的太阳能路灯远程监控系统,通过传感器实时采集太阳光照强度､太阳能板电压和温度､蓄电池电压､电流和温度,进行太阳能路灯的充放电控制和故障诊断,通过无线方式传输太阳能路灯的工作状态和故障信息,远程监控平台接收太阳能路灯的状态信息,监控人员可以随时查询太阳能路灯的状态和故障信息,在出现故障时及时进行维修和处理,降低维护的难度,延长太阳能路灯有效使用寿命｡

1、系统方案设计

本文设计实现的基于物联网的太阳能路灯远程监控系统,如图1所示,包括路灯控制系统和远程监控平台两部分｡

图1太阳能路灯远程监控系统结构

路灯控制部分为物联网的一个节点,进行蓄电池的充放电控制和太阳能路灯各模块的状态监测｡在白天时,太阳能板收集太阳能,控制充电电路调节充电电流,为蓄电池充电｡在晚上时,控制放电电路调节放电电流和放电时间,实现蓄电池对LED路灯负载放电｡太阳能路灯的状态监测部分,利用光敏传感器监测光照强度的变化,利用微波雷达感应开关检查行人和车辆情况,利用电压传感器检测蓄电池的电压变化和太阳能板的电压变化,利用电流传感器检测蓄电池的电流变化,利用温度传感器检测蓄电池和太阳能板的温度变化｡根据检测到的光照强度变化确定白天和晚上,确定太阳照射的方向,根据太阳照射方向通过舵机模块调节太阳能板的方向正对太阳光的方向,更高效的收集太阳能｡根据检测到的行人和车辆情况,调节太阳能路灯的亮度,当有行人和车辆经过时,调高亮度,提供更好的照明效果,当没有行人和车辆时,可以调低亮度,实现节能｡

2、硬件设计

远程监控平台可以通过监控服务器电脑或监控人员手机进行实现,因此,硬件设计主要是太阳能路灯控制系统部分,包括充电控制电路､放电控制电路和无线模块的设计｡

2.1充电控制电路

太阳能板将太阳能转化为电能之后,通过充电控制电路为蓄电池充电,充电电路控制型号为IRF3205的MOSFET管的开关时间进行充电控制,充电控制电路如图2所示｡

图2充电控制电路

图中J1为太阳能板接口,J2为蓄电池接口,Q1为N沟道MOSEFT开关管,当基极电压高于1.2V时,MOSFET管打开,相当于开关闭合,充电电路导通｡当基极电压小于1.2V时,MOSEFT管不导通,充电电路断路,不进行充电｡在白天时,根据测量的光强变化,通过单片机的P25口给Q1基极提供一个高电平信号,Q1的漏极和源极导通,太阳能板产生的电压经过LM2596芯片组成的12V降压电路,得到稳定的直流电压对蓄电池进行充电｡当晚上时,通过单片机的P25口给Q1的基极提供一个低电平信号,Q1的源极和漏极不导通,开关管打开,不对蓄电池提供电压,停止为蓄电池充电｡

2.2放电控制电路

蓄电池储存的电能通过LED路灯放电,放电控制通过MOSFET管的开关时间进行路灯亮度控制,具体放电控制电路如图3所示｡图中J5的CON2接口连接12VLED路灯,单片机P24口输出PWM信号调节MOSEFT管Q2基极电压进行放电电流的控制,改变LED灯的亮度｡白天时,P24口输出低电平,Q2断路,LED路灯没有电流流过,LED路灯熄灭｡晚上时,P24口输出高电平,Q2导通,蓄电池的12V电压通过LED路灯和Q2连通,LED路灯点亮｡在路灯点亮过程中,J7的电流传感器检测流过路灯的电流大小,根据检测电流大小,单片机通过改变P24口输出PWM的占空比进行路灯亮度的调节,占空比越大,亮度越大｡

图3充电控制电路

2.3无线模块

采用LoRa调制技术的ZM433SX-M无线模块,该模块工作在433MHz免授权频段,集成了+20dBm的可调功率放大器,接收灵敏度比较高,传输距离可以达到10km｡具体设计电路如图4所示,通过SEL､MOSI､MISO和SCLK与单片机的SPI口连接,接收单片机的输出信号,然后通过ANT的天线接口无线传输出去｡

图4ZM433SX-M无线模块电路设计

3、软件设计

软件部分主要是太阳能板､蓄电池和LED路灯的状态信息采集､根据采集信息进行充放电控制､故障诊断和状态信息的远程无线传输,具体如图5所示｡

首先系统进行初始化,进行参数初始设置和时间设置,然后系统开始利用光敏传感器检查光照强度,利用电压传感器检测蓄电池电压和太阳能板电压,利用微波雷达感应开关检测行人和车辆情况｡根据检测光照强度判断是否白天,如果是白天,当蓄电池电压低于最高设定电压时,开启充电电路,太阳能板对蓄电池充电,然后判断太阳能板是否正对太阳,如果没有正对太阳,启动舵机旋转,让太阳能板正对太阳｡如果太阳能板已正对太阳,则返回检测程序继续检测｡如果蓄电池电压已超过最高设定电压,则结束充电,然后进行系统故障诊断,当存在故障时,启动无线模块,将故障信息发送出去,如果不存在故障,也返回检测程序继续检测｡当检测到不是白天时,开启路灯,根据检测到行人和车辆的数量,调节路灯的亮度,当行人和车辆较少时,调暗路灯亮度,当几乎没有行人和车辆时,并且时间在深夜时,可以关闭路灯,最大程度的节约电能｡然后开始故障诊断,诊断太阳能板､蓄电池､路灯和路灯控制电路的故障情况,如果存在故障,则通过无线模型,将故障信息发送到远程监控平台,路灯维护人员可以通过远程监控平台了解故障路灯的位置和故障类型,及时进行维修,提高太阳能路灯的有效使用寿命｡

4、结论

本文研究了一种基于物联网的太阳能路灯远程监控系统,利用太阳能板､蓄电池､LED路灯和无线模块组成物联网的无线节点,不同的无线节点通过星型网络结构连接在一起,通过远程监控平台进行监控｡太阳能板通过光敏电阻检测光照强度变化,通过舵机旋转正对太阳光实现最大功率点充电,可以将更多的太阳能转化为电能｡蓄电池根据剩余电量､路上行人和车辆情况以及时间,通过放电电流智能调节,实现LED路灯亮度的自适应变化,最大程度的节约电能,延长蓄电池有效工作时间和寿命｡无线模块通过LoRa方式将每个太阳能路灯节点的状态信息和故障信息发送到远程监控平台,远程监控平台的维护人员可以随时了解故障信息并进行及时处理,从而降低太阳能路灯的维护难度,提高太阳能路灯运行效率,延长太阳能路灯使用寿命｡

图5软件流程

参考文献:

[1]张娜,郗艳华,张芊睿,等.基于STM32的太阳能路灯智能管理系统设计[J].电脑知识与技术,2025,21(9):85-89.

[2]刘勃妮,肖军,刘洲洲,等.智能太阳能LED路灯控制系统的研究[J].自动化技术与应用,2022,41(1):27-29.

[3]王强,李华.基于物联网的智能路灯监控系统设计[J].电子技术应用,2023,49(3):112-116.

文章来源:李含芳,陆晓婷.基于物联网的太阳能路灯远程监控系统的设计与实现[J].科学技术创新,2025,(17):67-70.