一、項目概述

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、探求適合生存和發展所需的各種能源，能源的利用水平折射出人類文明的進步步伐。從原始社會開始，由地球在長達50萬年的歷史中積累下來的化石礦物能源，即常規能源(煤、石油、天然氣等)一直是人類所用能源的基礎。但是常規能源的儲量正隨著人類文明的高度發展而迅速枯竭。從資源的角度看，地球的礦物能源儲量是有限的，按目前消耗的速度計，石油還可供開采40年左右，天然氣約60年，煤可望達200年。全球能源消耗的年增長率約為2%，近35年來世界能源消費量已經翻了一番。人們預計，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新的能源。

常規能源的大量利用對人類生存環境也有著日趨嚴重的破壞作用。到20世紀末人們開始意識到：由于每年燃燒常規能源所產生的CO2排放量約210億噸左右，已經使地球嚴重污染，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，使全球氣候變暖。經過較為準確的推算，如果全球變暖1.5～4.5℃,最嚴重的后果是海平面將上升25～145cm，沿海低洼地區將被淹沒，這將嚴重影響到許多國家的經濟、社會和政治結構。此外，大量燃燒礦物燃料，會在大范圍內形成酸雨，將嚴重損害森林和農田，目前全球已有數以千計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、腐蝕金屬結構，甚至進入飲用水源，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，人類文明的高度發展與生存環境的極度惡化，形成了強烈的反差。

針對以上情況開發和使用新能源(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、風能、地熱能、水能、海洋能等能源形式都是可以滿足要求的。但從能源的穩定性、可持久性、數量、設備成本、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。

太陽能電池發電與火力、水力、柴油發電比較具有許多優點，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、無機械轉動部件、故障率低、維護簡便、可以無人值守、建站周期短、規模大小隨意、無需架設輸電線路、可以方便地與建筑物相結合等，因此，無論從近期還是遠期，無論從能源環境的角度還是從邊遠地區和特殊應用領域需求的角度來考慮，太陽能電池發電都極具吸引力。目前，太陽能電池發電系統大規模應用的唯一障礙是其成本高，預計到21世紀中葉，太陽能電池發電的成本將會下降到同常規能源發電相當。屆時，太陽能電池發電將成為人類電力的重要來源之一。

1.2 項目背景/選題動機

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，不消耗常規電能，只要陽光充足就可以就地安裝等特點，因此受到人們的廣泛關注，又因其不污染環境，而被稱為綠色環保產品。太陽能路燈即可用于城鎮公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經濟不發達、缺乏常規燃料，難以用常規能源發電，但太陽能資源豐富的地區，以解決這些地區人們的家用照明問題。

太陽能燈是光電轉換技術的一種應用產品，具有節能、環保、安全、無需布線、安裝簡便、自動控制、可根據需要隨時變換插放的位置等優點。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、太陽能信號燈。??

在太陽能路燈實際應用中，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能夠根據行人情況對自身功率進行動態調整,在滿足正常工作的同時能夠節省更多的電力,保證系統的長時間工作；此外，現有的太陽能路燈無法實現對自身工作狀態和外圍電路參數的檢測和故障診斷，無法組成遠程監控網絡，因而需要一個遠程無線監控系統對太陽能路燈電路參數進行檢測，并對出現的故障實現診斷和報警功能，實現路燈的智能化管理

二、需求分析

2.1 功能要求

1、系統全部采用太陽能電池和蓄電池供電，綠色環保無污染；

2、太陽能電池能自動跟蹤太陽光，實現太陽能利用的最大化；

3、天黑時候路燈能夠自動亮燈，并且能夠根據有人經過和沒人經過的情況動態調整路燈功率，實現節能效果；晚上十二點后，由于行人稀少，路燈將處于半激活狀態，當有人經過時才亮燈，沒人經過則不亮燈，在保證給少量行人照明的同時實現節能；到了早上再次進入正常發光模式，直到天亮的時候熄滅，進入蓄能階段。

4、系統具有自動監測功能，能夠對路燈及其外圍電路的運作進行監測，一旦有異常情況出現，從機通過無線網絡發到主機，主機匯總后通過GSM網絡發給監控中心通知技術人員進行維修，保證檢修的快速性。

2.2 性能要求

1、ADC轉換精度為10位；

2、無線傳輸有效距離100m（可根據實際需要選用不同的無線模塊實現遠距離傳輸數據）；

3、GSM超遠傳輸距離，只要有信號的地方就可以收到數據；

4、一個監控中心可監測多個主機，一個主機可監測多個從機。

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

系統機構框圖

系統由監控中心、主機和從機三大部分組成，監控中心通過GSM網絡實現與主機的遠程通訊，而主機與從機距離較近，故采用2.4GHz無線網絡進行通訊。

監控中心硬件結構框圖

監控中心主要負責各主機匯總情況分析、顯示，同時可通過現場或者發短信的方式通知工作人員路燈的損壞情況，此外還可以對系統參數進行設置，其主要由AVR單片機、GSM模塊、光傳感器、人體紅外感應模塊、矩陣鍵盤、聲光報警、位置檢測電阻、電機模塊、液晶顯示器、電源管理、實時時鐘電路DS1302、后備電源、太陽能電池和蓄電池組成。

主機硬件結構框圖

主機負責收集從機和自身監控數據，是監控中心和從機通訊的橋梁，主要由AVR單片機、GSM模塊、無線傳輸模塊、光傳感器、人體紅外感應模塊、位置檢測電阻、電機模塊、電源管理、實時時鐘電路DS1302、后備電源、太陽能電池和蓄電池組成。

從機硬件結構框圖

從機負責對自身太陽能路燈進行控制處理并對電路進行監測，發現異常情況就會進行故障診斷，并將通過主機將結果發給監控中心進行處理，其主要由AVR單片機、無線傳輸模塊、光傳感器、人體紅外感應模塊、位置檢測電阻、電機模塊、電源管理、實時時鐘電路DS1302、后備電源、太陽能電池和蓄電池組成。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用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環境周圍光度,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、蓄電池電壓檢測、環境光度檢測、太陽能電池位置檢測和太陽位置檢測，1個通用輸入輸出口用于人體紅外檢測模塊，4個通用輸入輸出口用于電機控制，8個通用輸入輸出口用于4*4矩陣鍵盤。

3.3系統軟件架構

3.4 系統軟件流程

監控中心程序運行流程圖

系統上電后先對系統和GSM模塊進行初始化，接著更新系統時間，然后判斷現在是不是白天，如果是就繼續判斷系統是否收到信息，如果不是則檢查是否有新信息到來；在晚上，有新信息表示主機或者從機出現問題，系統進入信息處理階段，根據用戶設置有本地通知和短信通知兩種方式，如果用戶設置為短信通知，則系統只會通過短信通知用戶，而不會在本地發警報通知用戶；接著進行按鍵檢測，有按鍵按下則進入按鍵處理程序，對系統進行設置或者查看狀態；然后檢測有沒人接近，有則開液晶顯示器和背光，沒有則將它們關掉；接著又檢測是不是白天，如此循環；在白天，系統檢查是否有信息，有信息則發警報通知用戶，并將信息刪除；接著檢測太陽位置和太陽能電池電壓，如果太陽能電池電壓低于設定值，標志位置位；如果太陽能電池電壓沒有問題，系統則驅動電機將太陽能電池轉向陽光最大處，如果太陽能電池在規定時間內轉不到指定位置則說明轉向系統出現問題，接著判斷太陽能電池是否有問題，如果有，說明太陽能電池個電機模塊有問題，如果沒有則再次對太陽能電池電壓進行采樣，將其與上一次采樣電壓進行比較，兩次電壓相差不大，說明電機有問題；兩次電壓相差大，說明位置檢測電阻有問題，然后，報警通知用戶，至此程序完成一次循環。當前面太陽能電池轉動后到達指定位置后，系統進入定時循環狀態，此時如果系統收到主機入網請求，則對主機進行入網處理；沒有收到請求則會判斷是否有按鍵按下，有則進行按鍵處理，沒有則檢測有沒人接近，有則開液晶顯示器和背光，沒有則將它們關掉；如此循環，直到定時時間到。

主機程序運行流程圖

系統上電后先對系統、GSM模塊和2.4GHz無線模塊進行初始化，接著向監控中心發送聯網請求，直到收到監控中心應答信號，允許入網。接著通過監控中心發回信號更新系統時間，然后判斷現在是不是白天，如果是就判斷系統是否有錯誤信息，如果不是則發信息查詢從機狀態。在晚上，首先向從機發送查詢信息，如果在規定時間內收不到從機應答信號，說明從機有問題，錯誤標志置位；如果收到信息，系統亮燈，并對蓄電池電壓進行檢測，如果蓄電池電壓小于設定值，說明蓄電池有問題，錯誤標志置位；如果蓄電池電壓大于設定值，則判斷路燈是否亮，路燈不亮，錯誤標志置位；路燈亮，判斷是否有錯誤置位，如果有，則想監控中心發送錯誤代碼直到收到監控中心應答信號，接著判斷主機是否有錯誤，有則進入待機模式等待檢修，沒有則進入路燈工作模式。首先檢測是否有人通過，有則進行功率調整，使路燈處于正常發光模式，沒有則判斷是否到了晚上十二點，是則進行功率調整，使路燈處于觸發工作模式，只有人經過的時候才會亮燈；如果不是則判斷是否到了早上，是則進行功率調整，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，進入白天儲能階段。如果還沒有到白天，則檢測沒有人經過路燈的時間是否大于預定值，是則對路燈進行功率調整，降低功耗；沒有則返回路人檢測程序段，如此循環；在白天，系統檢查是否有錯誤信息，有則不執行下面程序，直到晚上；如果沒有錯誤信息，則接著檢測太陽位置和太陽能電池電壓，如果太陽能電池電壓低于設定值，標志位置位；如果太陽能電池電壓沒有問題，系統則驅動電機將太陽能電池轉向陽光最大處，如果太陽能電池在規定時間內轉不到指定位置則說明轉向系統出現問題，接著判斷太陽能電池是否有問題，如果有，說明太陽能電池個電機模塊有問題，如果沒有則再次對太陽能電池電壓進行采樣，將其與上一次采樣電壓進行比較，兩次電壓相差不大，說明電機有問題；兩次電壓相差大，說明位置檢測電阻有問題，然后，報警通知用戶，至此程序完成一次循環。當前面太陽能電池轉動后到達指定位置后，系統進入定時循環狀態，此時如果系統收到從機聯網請求，則對從機進行聯網處理；如此循環，直到定時時間到。

從機程序運行流程圖

從機程序運行流程圖與主機程序運行流程圖類似，在此不再復述。

3.5 系統預計實現結果

在白天，太陽能路燈處于蓄能狀態，控制電路通過光傳感器探知太陽所在位置，并控制電機轉動太陽能電池跟蹤太陽，使其能獲取更多的太陽能轉換成電能儲存在蓄電池內；在晚上，從機首先進行自檢，并將結果通過無線網絡發送到主機，主機收到的同時也進行自檢，將結果匯集后通過GSM網絡向監控中心報告，監控中心發現問題則通知管理人員處理；自檢結束后，從機和主機進入照明模式，人體紅外感應模塊工作。當有人經過，路燈進入正常照明模式；當一段時間沒人經過，則路燈進入節能模式，發光強度有所下降。到了晚上十二點，由于該時段行人稀少，故路燈進入觸發工作模式，只在有人經過的情況下才會發光；到了早上路燈再次進入正常照明模式直到天亮。