太陽能LED路燈照明操控管理系統(tǒng)方案設計摘要近十年來，伴隨著歷史時代的發(fā)展和進步，太陽光能照明技術在城市路燈產業(yè)有了快速的發(fā)展進步。在LED節(jié)能燈具慢慢成為一種新的經濟產品時，它與太陽能的結合，就形成了一種新的節(jié)能產品：太陽能LED路燈。太陽能LED路燈的優(yōu)點非常明顯，使用它可以節(jié)省大量的電能，現(xiàn)如今已逐漸應在城市主干道應用，隨著供應需求，智能化的太陽能路燈控制器的需求就越來越重要。在本文中，筆者針對太陽光能LED路燈的燈光照明體系展開綜合系統(tǒng)設計。第一步經過研究分析太陽光能光伏能源發(fā)電專業(yè)技術與LED燈光照明專業(yè)技術，包括綜合系統(tǒng)設計當?shù)氐淖匀粴夂蚬ぷ鳝h(huán)境與光照基本條件等，對太陽光能工作電池板與化學蓄電池展開對照與型號選擇，并且參考依據(jù)它們的自動輸出特征綜合系統(tǒng)設計化學蓄電池的充電放電操作控制模式。之后綜合系統(tǒng)設計太陽光能LED燈光照明體系的總體組成結構，研究分析選用恰當?shù)牟僮骺刂颇Ｊ剑鞔_體系的總體設計方案。最終參考依據(jù)體系的總體組成結構與設計方案，綜合系統(tǒng)設計有關的電子工作電路，構建體系的總體硬件設施。關鍵詞：太陽能LED路燈；照明系統(tǒng)；設計目錄1緒論 緒論1.1研究背景及意義伴隨著中國城鎮(zhèn)化與基礎保障性設施投資建設發(fā)展的加開提速，燈光照明商品的交易市場實際需要同時也在逐漸擴增。然而，因為傳統(tǒng)的照明設備能耗高，加上技術的限制，路燈還沒有完全智能化，所以但浪費了不可再生能源的，而且增加了人力以及物力的投入。目前，全球正面對從未有過的能源緊缺危機挑戰(zhàn)。人類持續(xù)探究與分析研究物質能源的高效使用，研發(fā)新物質能源，以逃脫物質能源問題困境。廣為人知，太陽光能是一類全新的綠色物質能源。我國地處北半球，地理面積廣闊，國土資源總面積960萬平方千米，太陽光能物質資源充分豐富。國內各地的年太陽輻射總數(shù)量為3350-8400MJ/m2[1]。LED是現(xiàn)如今十分具備使用價值的分布光源，太陽光能路燈集合了太陽光能光伏能源發(fā)電與LED固態(tài)燈光照明兩大類專業(yè)技術，鏈接了現(xiàn)如今全球的第1代物質能源與第1代分布光源。相比較于舊有傳統(tǒng)類型的燈光照明工具設備而言具備巨大的功能優(yōu)勢，節(jié)省掉了復雜的傳輸電纜機器設備，也節(jié)約了人才資源的投入，低成本費用，成績效果非?？捎^喜人。最近幾年以來，在政府管理部門的保障和支持與太陽光能LED路燈研究制作人員的努力下，太陽能LED路燈的研制有了一些明顯的提升。隨著技術的發(fā)展和生產力的進步，價格一定會逐漸降低，其運用時間與綜合質量也將會充分提升[2]。人民群眾的環(huán)境保護認識愈來愈強，對太陽光能LED路燈的認可接受程度也會愈來愈高。所以，有充分全面的理由信任今后太陽光能LED路燈交易市場將會持續(xù)飛漲。1.2國內外研究現(xiàn)狀最近幾年以來，伴隨著太陽光能發(fā)電產業(yè)的迅速發(fā)展進步，光伏使用行業(yè)領域逐步擴增，多種全新光伏商品屢見不鮮。在燈光照明方面，路燈作為一類集專業(yè)技術和藝術為一體的太陽光能燈光照明體系——太陽光能路燈，在很多國家獲取了非常廣泛的使用。1.2.1國外研究現(xiàn)狀在外國，太陽光能路燈早已在許多國家整個國家范圍里推廣普及，許多城市亮化項目工程均在運用太陽光能路燈，逐漸成為人們的重要照明燈具[3,4,5]。美國公司法維翰咨詢(NavigantConsulting,Inc.)曾分析：到2023年時全世界LED路燈會有近94%的占比，可知其今后發(fā)展進步空間非常大。WIELAND、路創(chuàng)等公司對控制操作設備展開：在改善逆變器拓撲結構、提高控制系統(tǒng)智能化、檢測和解決孤島效應、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率、降低系統(tǒng)能耗等方面，應用GPRS無線通訊服務網絡和監(jiān)控服務中心展開通訊。監(jiān)控服務中心自動接收并且研究分析太陽光能路燈操控管理體系收集的實時在線數(shù)據(jù)信息，經過服務終端監(jiān)督控制完成路燈的控制開關與亮度操作控制，完成太陽光能路燈體系的科學對外放電[6]。1.2.2國內研究現(xiàn)狀在中國，LED產業(yè)最近幾年以來發(fā)展進步快速，其使用無處不在。伴隨著LED專業(yè)技術的逐漸發(fā)展進步，太陽光能光伏能源發(fā)電和LED的高效結合互補，持續(xù)推進中國“綠色照明系統(tǒng)工程”的發(fā)展進步[7]。李國輝（二零一五）綜合系統(tǒng)設計了一類根據(jù)ATmega16單片機設備的具備遠距離監(jiān)督控制與綜合管理作用功能的人工智能LED太陽光能路燈操控管理體系。遠距離監(jiān)督控制體系主要經過以太服務網絡與無線通訊服務網絡和各路燈展開通訊，完成對太陽光能路燈的遠距離監(jiān)督控制與自我安全維護作用功能[8]。黃周（2017）用雙向同步整流電路、霍爾電流雙向檢測芯片acs712以及MOS管電路中的拓撲結構，設計出一種太陽能LED路燈通用的智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)有雨天自動降功率和自適應晨光照明的功能[9]。許夢羊（二零一七）針對獨特的梅雨自然氣候的區(qū)域，分析研究了一類路燈的充電放電綜合管理應用體系。在碰到梅雨自然氣候的時候，在操作控制戰(zhàn)略里添加天氣預計參數(shù)，應用模糊操作控制的模式判斷今后幾天的亮燈戰(zhàn)略。經過這類獨特天氣預計的模式，能夠很大的增長亮燈數(shù)目[10]。張人中（2017）等人通過應用新一代信息技術(inter-net/intarnet、物聯(lián)網、Zigbee3G/4G)和無線GPRS/CD-MA通信技術等，完成對燈光照明照明燈具的遠距離全面集中控制監(jiān)督和綜合管理，具備參考依據(jù)車/人實際流量自動智能調節(jié)控制亮度、遠距離燈光照明操作控制、問題故障積極主動自動報警、照明燈具線纜防盜安全、遠距離抄表等作用功能，可以劇烈節(jié)約電力物質資源，提高燈光照明綜合管理能力，節(jié)約運行維護成本費用的全新燈光照明方式[11]。朱琳穎（二零一八）教授等人使用PLC程序編譯控制操作設備來完成人工智能化抑塵除霾太陽光能路燈，針對空氣PM2.5、交通地面實際濕度、實際溫度等數(shù)據(jù)信息的實時在線實時監(jiān)測，在無人看守控制條件里，使用自動智能噴淋體系來灑水抑塵、除霾[12]。周長鵬（二零一九）參考依據(jù)超級工作電容控制器設備的充電放電特征，應用跨線橋額定電容與控制開關額定電感的混合均壓應用模式，將會對超級工作電容儲能體系展開均壓，應用遞階操作控制專業(yè)技術建設了根據(jù)超級工作電容控制器設備的可以調控LED路燈燈光照明體系電容器設備工作電源[13]。賈文超（二零一九）等針對太陽光能路燈燈光照明體系，綜合系統(tǒng)設計了根據(jù)聯(lián)動控制芯片XL6005的可以調控光大額定功率LED聯(lián)動工作電源，經過調節(jié)控制LED的光實際有效照度以降低體系能源消耗，高效增長化學蓄電池供應電源時間[14]。譚巧（二零二零）教授等人指出了一類根據(jù)物聯(lián)網的全新人工智能路燈。人工智能路燈由太陽光能工作電池板來供應電源。通過nb-iot技術實現(xiàn)城市路燈的網絡控制，實現(xiàn)城市路燈的自動切換、故障報警、斷電保護、能耗監(jiān)測和終端控制。充分提升了城市路燈的運營管理工作效率，減少了路燈的能源消耗，完成了路燈真正的人工智能化與節(jié)約能源化[15]。伴隨著中國光伏能源發(fā)電專業(yè)技術的快速發(fā)展進步與LED專業(yè)技術分析研究的持續(xù)自動更新調整與完善改進，作為一類全新的綠色環(huán)保型建筑燈光照明分布光源，它具備節(jié)約能源、長時間等優(yōu)勢，寬電壓控制作用范圍等把推進太陽光能LED照明燈具的逐漸發(fā)展進步，最后逐漸發(fā)展成為了今后綠色燈光照明投資建設發(fā)展的重要燈光照明機器設備，這將會為中國城市科技化發(fā)展進步節(jié)約能源降耗事業(yè)展開全新的貢獻[16]。1.3研究方法本次研究課題應用了參考文獻總體概述與研究分析的模式，研發(fā)綜合系統(tǒng)設計太陽光能LED路燈燈光照明操控管理體系。經過翻閱與學習有關參考文獻，深入、全面地了解和掌握太陽光能路燈燈光照明工作電路的構成；參考依據(jù)耗電載荷的用電總量，明確太陽光能工作電池板功能模塊的額定功率與工作電池有效容量，并且展開有關運算與機器設備型號選擇。2太陽能LED路燈基本構成2.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理光伏效應該是經過太陽光能工作電池板，把太陽光轉化成為電能，這同時也是光伏能源發(fā)電體系的基本原理。光伏能源發(fā)電體系通常是由光伏工作電池、工作電池、控制操作設備、荷載等組成部分構成，如下示意圖2-1所示圖2-1太陽光能光伏能源發(fā)電體系構成2.1.1光伏電池板能量轉換器設備件及供能設備器件，太陽光經過工作電池板把太陽光能交換為電能，可以直接給荷載供應電源，也能夠保存于化學蓄電池內部展開累計。圖2-2光伏工作電池板的等效工作電路圖2.2所示，器件瞬時響應與光伏發(fā)電系統(tǒng)的時間常數(shù)相比很短，所以在分析光伏電池理論時，不需要考慮電容。2.1.2太陽能控制器在太陽光能LED路燈操控管理體系里，需要配備設計作用功能良好的路燈控制操作設備。第一步，控制操作設備能夠嚴格限制工作電池的充電放電基本條件，預防工作電池過充，進而增長工作電池的運用時間。而且智能路燈的控制操作設備還應該有實際溫度的控制、實時操作控制、無線數(shù)據(jù)的信息可以自動傳輸?shù)牟僮骺刂频?，以增長路燈在夜間或者陰雨天的任務工作時間。整套體系的中心作用功能主要包含：最高額定功率點追蹤、工作電池充電放電、工作電池內部工作電源綜合管理、燈光照明聯(lián)動與調光。作用功能良好的太陽光能路燈控制操作設備應該具備工作電池充電放電操作控制、過充維護與過對外放電安全維護等很多種不同安全維護作用功能，并且具備自動智能轉換與時間調節(jié)控制作用功能，以保障體系的可靠運行工作。與此同時，太陽光能工作電池構件能人工智能自動輸出不相同實際溫度與輻射下的最高額定功率，使燈光照明體系工作效率高。控制操作設備的綜合深化設計把嚴重影響體系的正常運行工作與穩(wěn)定安全性。增長工作電池時間與提升體系交換工作效率是十分關鍵的。2.1.3蓄電池（組）因為太陽光能工作電池直接為工作電池接通充電，所以獲取的能量十分不固定，需要選功能可靠的電池來保障系統(tǒng)正常工作。經過性能以及市場價格的比對我選擇了免維護的鉛酸蓄電池。他是一類新的蓄電池，放電效率高、全密封、性能穩(wěn)定、安裝簡易，運行時間長、有效面積小。可水平和垂直安裝儲能和供電裝置。它一方面能夠保存太陽光能轉化處理的電能，另一方面能夠向荷載排放能量。整個工作運行狀態(tài)為浮充電放電分布狀態(tài)。當陽光充足的時候，太陽光能為工作電池接通充電，與此同時，為荷載供應電源；當陽光較弱的時候，工作電池是為荷載供應電源的唯一物質能源。工作電池一方面需要把太陽光能工作電池板輻射的太陽光能轉化成為電能儲存起來，另一方面，在夜晚沒有光照時，能為路燈的荷載供應電能。免維護的鉛酸蓄電池因為它市場價格的低廉、穩(wěn)定的工作電壓、不會環(huán)境污染等優(yōu)點，最近幾年以來在通訊、電力、道路交通等行業(yè)領域獲取了非常廣泛的使用。在本文中，筆者選擇的化學蓄電池為鉛酸化學蓄電池。2.2LEDLED是一種發(fā)光的PN結設備，它是化學物質半導體，有單向導電性，如圖2-3所示是其伏安特性曲線。圖2-3LED伏安特性曲線由分布曲線可知，當工作電壓為正且很小時，工作電流非常小，此時不發(fā)光；僅有當工作電壓實現(xiàn)一定數(shù)值的時候，工作電流才會伴隨著工作電壓的增高呈系數(shù)提高。當工作電壓為負的時候，當工作電壓較小時之后，反向分布工作電流數(shù)值非常小。當工作電壓實現(xiàn)一定數(shù)值的時候，定向工作電流劇烈加大，此時會反向擊穿。相比于傳統(tǒng)照明燈具，LED路燈的發(fā)光效率更高而且更節(jié)能，但它需要達到電壓電流發(fā)光的條件才可以發(fā)光。其聯(lián)動模式可以劃分為恒壓聯(lián)動與恒流聯(lián)動。（1）恒壓式。自動輸出時工作電壓不變，自動輸出工作電流伴隨著荷載阻數(shù)值的改變而改變，通常會在工作電路中添加限制電流以維護安全。（2）恒流式。自動輸出時工作電流不變，自動輸出工作電壓伴隨著荷載阻數(shù)值的改變而改變，通常會在工作電路中添加限制電壓以維護安全。3太陽能LED路燈照明系統(tǒng)方案設計3.1太陽能LED路燈設計原則針對太陽光能的道路燈光照明體系的綜合深化設計，我們要求思考如下矛盾問題：（1）在作用功能上，道路燈光照明體系的常用功能作用是保障道路交通安全，提升交通運輸工作效率，保障人身自由安全，供應舒適的工作環(huán)境。（2）在符合道路燈光照明作用功能需要的基礎之上，提升道路燈光照明體系的能源效率，減少體系能耗，節(jié)省物質能源，減少降低污染，以實現(xiàn)節(jié)約能源環(huán)境保護的發(fā)展目的。（3）除此之外，還應當思考當?shù)氐墓馕镔|資源、當?shù)氐慕邓鞖狻⒐ぷ麟姵匕宓幕覊m全面覆蓋比例、實際溫度的影響作用、控制操作設備與工作電池的工作效率。3.2設計標準及行業(yè)標準《民用住宅建筑電氣國家標準綜合設計要求》JGJ16-92《建筑照明設計標準》GB50034-2004《低壓配電設計規(guī)范》GB50054-95《電氣項目工程傳輸電纜國家標準綜合設計要求》GB50017-94《供輸配電體系國家標準綜合設計要求》GB50052-95《10KV及如下變輸配電所國家標準綜合設計要求》GB50053-94《工業(yè)企業(yè)照明設計標準》3.3太陽能LED路燈主電路設計3.3.1主電路方案設計截至當前，交易市場上最為常見的太陽光能工作電池板在白天強光下，其工作電壓大概是18V。針對12V體系，能夠運用太陽光能工作電池板。配套的LED路燈為6~18串，荷載通常為1W/350mALED指示燈珠。在日常工作里，一個LED指示燈珠的任務工作電壓大概是3V，6~18串的任務工作電壓大概是18V，假如是24.0伏體系，則應該串聯(lián)兩塊太陽光能工作電池板。白天強光下最大功率點約36V，配套LED路燈為10~18串。工作電壓大概是30V～54V，由此可知接通充電的時候，高壓（太陽光能工作電池板）向低壓（鋰工作電池）充電，為了提高充電的效率，需要使用降壓DC/DC電路減少太陽光能工作電池板的工作電壓對鋰工作電池展開接通充電。放電時，低壓（鋰工作電池）向高壓（負載LED路燈）放電，為了提高放電的效率，需要通過升壓DC/DC電路給鋰電池充電，當工作電壓增高的時候，對LED路燈展開對外放電。圖3-1太陽光能LED路燈主要控制工作電路示意圖圖3-1所示是LED路燈優(yōu)化提升的系統(tǒng)組成結構。藍色方框表示，在白天太陽能光照充足時，MOS管KS閉合，MOS管KL打開，此時系統(tǒng)是正向運行的，由太陽光能工作電池板向工作電池接通充電，并且引入太陽光能工作電池的MPPT作用功能，提升太陽光能的使用效率。紅色方框表示，在晚上沒有太陽光照射時，MOS管KL閉合，MOS管KS打開，此時系統(tǒng)是反向運行的，由工作電池對LED荷載展開恒流對外放電，與此同時，它有PWM調光功能。此外為實時同步雙向整流DC/DC電路，用額定電阻小的MOSFET代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的續(xù)流二極管，來降低整流消耗。太陽光能LED路燈燈光照明體系的總工作電路示意圖，具體如下圖3-2所示。圖3-2整體電路圖3.3.2MOS管的選擇雙向的DC/DC轉換控制器可以在兩象限流的環(huán)境運行工作，操作控制能量的作用雙向流動。當轉換控制器設備兩側直流工作電壓方向恒定的時候，能操控電路轉變時所需要的能量分布方向，完成雙向的運行工作。與2個單向的DC/DC轉換控制器逐個完成能量作用相比，雙向的DC/DC轉換控制器可以整體的體積、重量以及成本低，并且可以在兩個方向快速的切換傳輸電力。因為電路中最多可配18串LED燈，當最大的工作電壓到達60V，電路95%的效率時，需要MOS管的導通電阻盡可能小，此時電路最大工作電流可達到10A，結合成本考慮，PMOS晶體管還不能滿足相關要求，僅有一些NMOS晶體管構件符合設計需要，最終選用irfb4410作為NMOS的體系控制開關。Irfb4410能承擔100V工作電壓、96a工作電流與9mΩ自動導通額定電阻，基本滿足體系需求。此外，NMOS管還可以作為控制開關，防止反向連接和反向充電，減少了系統(tǒng)中元器件的種類，降低了生產維護等綜合成本。4太陽能LED路燈照明系統(tǒng)軟硬件設計4.1系統(tǒng)硬件設計4.1.1并聯(lián)雙向的DC/DC電路設計圖4-1兩路交錯并聯(lián)雙向DC/DC工作電路主電路的設計中交錯并聯(lián)的數(shù)目具有高度的模塊化，可以推廣到2-4路交織并聯(lián)拓撲。以雙向交錯并行連接雙向DC/DC工作電路為實踐案例，如下示意圖4-1所示，它是通過一致的2個單向DC/DC工作電路并行連接交錯而形成。為了描述DC/DC電路的特點和主電路工作原理，本節(jié)選取圖中的單向模式Q1和Q2為NMOS晶體管，其自動導通分布狀態(tài)確定了主電路的buck或者boost。其右端始終連接蓄電池。（1）Q1導通，Q2切斷時，系統(tǒng)正向分布buck降壓接通充電，這時工作電路左邊末端連接太陽能電池板，此時Q1是核心控制開關管，Q2是續(xù)流二極管；（2）Q1切斷，Q2導通時，系統(tǒng)反向分布boost升壓對外進行放電，對應的工作電路左邊末端連接荷載LED，此時Q1，Q2和buck時的分布狀態(tài)相反，Q1是續(xù)流二極管，Q2是核心控制開關管。為了更好的滿足系統(tǒng)要求，設計選用KIA2910N開關管作為工作電路里的NMOS開關，這個控制開關管自動導通額定電阻為7m?，柵源電壓為10V，在室溫條件下電壓可以達到100V，電流可以達到130A。（1）通過對開關頻率的計算和選擇，設計選用頻率f為25kHz的開關。這個開關不但可以降低因為頻率過低而引起的噪音，還可以降低開關的損耗，更利于系統(tǒng)穩(wěn)定。（2）儲能電感L的計算需要結合充電和放電這兩種情況，當系統(tǒng)放電時，如果系統(tǒng)工作在持續(xù)導通的情況下，此時輸出的工作電壓（負載LED）V0為37.5V/1.12A，這個時候考慮最差基本條件：最低的自動輸入工作電壓（蓄電池）Vin是10V。導通壓降VD、開關管壓降Vsw的值都比較小可以忽略不計，這個時占據(jù)空比DBO=由于應用恒壓對外放電，體系最高自動輸出工作電流IO為1.12A，其自動輸入工作電流Ii=1.121?DBO=4.2A，設計電流紋波率r為0.2，根據(jù)BOOST電路中電感L=V要求電感一般選擇臨界電感值的1.2倍，因此選擇2mH。當系統(tǒng)充電時，如果系統(tǒng)工作在持續(xù)導通的情況下，這個時候考慮最差基本條件：此時系統(tǒng)最低輸出電壓（蓄電池）為10V，最高的輸入電壓（太陽光能電池板）達到40V，二極管導通壓降VD、開關管壓降VSW的值都比較小，可以忽略不計，這時占據(jù)空比DBU=要求電池充電最大電流Io為3A，通過以上電感的分析可知，BUCK下的電感值需要考慮四路交錯并聯(lián)雙向的情況，因此額定電感的工作電流在每一路都為IL2=IL=V已知在BUCK下臨界額定的電感數(shù)值約為2mH，一般額定電感比臨界額定電大1.2倍，所以選擇額定電感為2.4mH。通過BOOST和BUCK工作電路的額定電感系數(shù)的綜合運算，選用額定電感為3mH。4.1.2負載的驅動電路設計圖4-2負載的驅動電路如圖4-2所示，RT9624是一款從4.5V到13.2V供電的高頻同步整流單相MOSFET驅動器，可以支持高達500.0千赫茲頻次的控制開關；關斷三態(tài)PWM和EN輸入；使驅動器輸出低損耗、低柵極的信號。主要控制由芯片形成的PWM波從聯(lián)動控制芯片RT9624的IN控制接腳全面進入，高層次自動輸出HO以及低層次自動輸出LO是一對互補帶死區(qū)的PWM波，以保證主電路的每一支雙向DCDC模塊有且只有單個MOS管導通，實現(xiàn)其相應充放電的控制。4.1.3LoRa節(jié)點和網關模塊的電路設計如圖4-3所示，采用LPMD003節(jié)點模塊為系統(tǒng)LoRa節(jié)點模塊的設計，LoRa的控制芯片SX1278為LPMD003功能模塊的射頻控制芯片，它是一種低能耗、低成本、體積小的功能模塊。SX1278具有較高的擴頻通訊和抗外界干擾水平；自動傳輸?shù)挠行Ь嚯x遠；工作電流的損耗小，與以往傳統(tǒng)的無線通訊模式類型相比，具有遠距離和高可行性的自動傳輸、能耗低等技術優(yōu)勢。在實際的應用中，TXD，RXD，GND和路燈控制器的主控芯片通過串口進行連接，此時VDD供電3.3V。圖4-3LoRa節(jié)點模塊原理圖圖4-4LoRa網關模塊原理圖如圖4-4所示，采用SX1301為LoRa網關模塊，其默認頻段是CN470~510MHz。功能模塊的參考標準為SMA作為自動輸出信號的射頻鏈接控制器天線端口，且要求信號天線的額定阻抗為50Ω、功能模塊的工作電源為5V。LoRa調節(jié)控制的基帶控制芯片SX1301作為網關控制芯片，使其和每個服務的終端產生星型拓撲展開通訊，因為通訊的靈活性讓信息的傳輸更加穩(wěn)定。4.1.4輔助電路的設計一些電路的控制芯片工作電壓是3.3V或者5V，所以本次設計需要經過控制芯片對工作電壓進行交換。如圖4-5所示，通過XL1509-5芯片的雙向DC/DC電路可以讓電路電壓從12V降到5V。圖4-512V降5V電路如下示意圖4-6所示，工作電路中5V的工作電壓可以通過AMS1117降壓控制器降到3.3V。圖4-65V降3.3V電路4.2系統(tǒng)的軟件設計4.2.1基于UCOSII系統(tǒng)主程序的設計以上設計中所分析研究的太陽光能LED路燈的操控管理體系作用功能非常多，操作應用軟件綜合系統(tǒng)設計比較龐雜，參考依據(jù)白天與夜晚兩大類工作環(huán)境整體上可以劃分為2個狀態(tài)：充電狀態(tài)、放電狀態(tài)。所以軟件的主程序要根據(jù)充放電和無線通信控制設定，如圖4-7所示。圖4-7主程序的流程圖程序圖工作流程：首先需要檢測無線控制端的下發(fā)和對系統(tǒng)各個參數(shù)的修改，若修改，將新的數(shù)值存入存儲器代替之前成為新的參數(shù)，反之參數(shù)不變；之后對太陽光能工作電池板工作電壓US、工作電池工作電壓UB與工作電流數(shù)值I展開AD收集并且和體系設立數(shù)值對比。當US＞閾值電壓時，此時系統(tǒng)充電，充電狀態(tài)按照太陽能板和電池電壓電流的具體情況又分為：過充狀態(tài)、正常充電狀態(tài)、弱光狀態(tài)；當US＜閾值電壓時，此時系統(tǒng)放電，放電狀態(tài)根據(jù)負載LED和電池的電壓電流的情況分為：過放狀態(tài)、正常放電狀態(tài)（恒壓）、過壓保護狀態(tài)。每一種狀態(tài)都有不同的判斷條件，路燈的控制器指示燈顯示系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)。另外，由于DC/DC主電路的散熱，正常充電狀態(tài)又分為兩個小狀態(tài)：MPPT充電、PID溫控充電，它們以溫度閾的數(shù)值做為條件來回切換。假如用傳統(tǒng)的結構化編程方法，系統(tǒng)編程會更加復雜，因為系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮編程的經驗，相對容錯性比較差。所以，本設計采用嵌入式系統(tǒng)技術設計模式，用嵌入式系統(tǒng)中的任務調度、同步等資源，以實現(xiàn)各個任務的調度和狀態(tài)的同步，進一步實現(xiàn)系統(tǒng)功能。基于主控芯片STM32F103c8t6的硬件性能，而UCOSII嵌入式系統(tǒng)屬于輕量級的系統(tǒng)，系統(tǒng)占用的內存少，有容易移植和工作任務功能模塊化的特點，因此設計時使用UCOSII嵌入型體系作為主應用程序操作應用軟件綜合系統(tǒng)設計組成結構。軟件設計思路如圖4-8所示。圖4-8系統(tǒng)人物調度圖和裸機不相同，UCOSII嵌入型體系是根據(jù)工作任務來調配運行的，首先檢測是否有重要的工作，最大的工作任務優(yōu)先排列，以保證實時性能。所以根據(jù)系統(tǒng)結構，把各個狀態(tài)劃分成任務塊，然后根據(jù)各個功能的循環(huán)性與觸發(fā)性分為兩類，如圖4-8里藍框的工作任務作為體系周期循環(huán)的展開工作任務，優(yōu)先排列順序為：日常統(tǒng)計任務→溫度采集任務→LoRa無線通信任務→狀態(tài)判斷任務，下一級保持就緒狀態(tài)；而綠框和紅框的都是事件觸發(fā)執(zhí)行類任務，這一類型的任務塊下級不參與任務調度，保持等待狀態(tài)。當上級任務執(zhí)行完畢，下級從等待狀態(tài)變成就緒狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)的優(yōu)先級來而執(zhí)行。所以嵌入式系統(tǒng)更加模塊化，每個任務塊獨立運行，方便系統(tǒng)的修改。4.2.2LoRa終端節(jié)點的軟件設計LoRa終端節(jié)點軟件有兩個主要任務，一是實現(xiàn)LoRa節(jié)點模塊和遠程網關的通信，二是通過串口來實現(xiàn)和下層設備的數(shù)據(jù)傳輸。如下圖4-9所示，為LoRa服務終端控制節(jié)點功能模塊流程，首先通過串口操作應用軟件配置來設計好控制節(jié)點功能模塊，同時要向網關發(fā)送控制節(jié)點入網的申請，如果網關沒有響應就重復的申請入網。當服務終端控制節(jié)點功能模塊數(shù)據(jù)信息在網關伺服器上實時同步的時候，控制節(jié)點與網關就能夠互相通訊。如果路燈控制平臺發(fā)出命令，會通過網關與節(jié)點通信把命令發(fā)送給路燈控制器，進行路燈相關參數(shù)修改。若沒有收到命令，節(jié)點模塊就會定時的采集路燈的狀態(tài)參數(shù)，然后發(fā)回網關上的服務器和云平臺。圖4-9LoRa服務終端控制節(jié)點功能模塊工作流程示意圖4.2.3均流控制策略軟件設計交錯并行連接組成結構可應用在大額定功率太陽光能LED路燈，并聯(lián)均流可提升路燈體系的可行性與穩(wěn)定安全性。設計中結合系統(tǒng)設計的交錯并行連接雙向DC/DC工作電路能夠拓展到四路交錯組成結構，與傳統(tǒng)的拓撲組成結構對比具備更大的靈活多樣性和功能模塊化。圖4-10所示，綜合系統(tǒng)設計的功能模塊化均流戰(zhàn)略圖。對于路燈的主電路而言，當并聯(lián)的雙向DC/DC模塊數(shù)目增加時，系統(tǒng)的整體結構不需要重新設計，只要對應安裝一個電流傳感器檢測電路的電感電流就行，所以本設計從軟件方面控制硬件電路變化。圖4-10功能模塊化均流的戰(zhàn)略圖如圖4-11所示，為均流控制流程圖，當系統(tǒng)進行工作后，首先對交錯并聯(lián)的模塊數(shù)目、負載的電壓、各條支路的電感電流進行采集，然后和工作電壓外環(huán)的參數(shù)比較，得出誤差Ue，再自動輸入模糊PI電壓環(huán)控制操作設備中，得到總工作電流參數(shù)Ief，而每一路電流環(huán)參考值Ief1=Ief/n，與各路采樣電流值比較后得到各路電流偏差I圖4-11均流操作控制的流程示意圖5太陽能LED路燈照明系統(tǒng)設計燈光照明光學體系和舊有傳統(tǒng)類型的自動成像光學體系不相同，是一類非自動成像光學體系，它充分重視的不是數(shù)據(jù)信息的自動傳遞，而是能量的調配。很多燈光照明體系通常由分布光源、光學體系及照射分布平面三組成部分組成。通常所說的光實際有效照度指的是分布光源發(fā)送光線之后，經過光學體系，在所照射的平射面上形成的光實際有效照度分散，它是經過“光線追跡”運算獲取的。并且，追跡的光線愈多，運算的最終結果也愈準確。在綜合系統(tǒng)設計燈光照明光學體系的時候，需要思考分布光源的具體形狀，LED分布光源可看成是點分布光源，它和自動成像光學體系不相同，它的物方亮度分布是空間，因此需要在像方照亮一個立體空間而不是一個平面的像；燈光照明光學體系在燈光照明地區(qū)上某一點的實際有效照度是通過分布光源發(fā)送每一個點的光能經體系調配后疊加產生的，這是因為它沒有物方共軛體系導致的。用光實際有效照度圖與分布空間光照強度分布示意圖來展開評價判定。如圖5-1所示，為路燈控制器的實物圖，左側紅色接線從上到下分別為：負載LED正極、太陽能板正極、電池正極；黑色接線上方為負載LED與太陽能板共陰極接線，下方則為電池端負極。圖5-1太陽光能LED路燈燈光照明控制操作設備LoRa節(jié)點通信模塊采用USB轉TTL虛擬串口的硬件通過精簡AT指令集對符合lorawan協(xié)議的節(jié)點進行控制，最高可以達到157db的鏈路綜合系統(tǒng)設計