基于STM32和物聯網技術的道路智能照明設計

史經允 史殊姝

【摘? 要】針對目前道路照明系統資源浪費嚴重等現象，研究了基于STM32和ZigBee技術的道路智能照明設計，實現了道路照明系統的節能減排、實時監測和遠程控制。該系統將嵌入式技術與無線通信技術相結合，在可靠性、可用性、便捷性以及穩定性方面具有優勢，能夠應用于各種場合的道路，可移植性強，具有強大的應用潛力。

【Abstract】In view of the serious waste of resources in the current road lighting system， this paper studies the intelligent road lighting design based on STM32 and ZigBee technology， which can realize the energy saving and emission reduction， real-time monitoring and remote control of the road lighting system. The system combines embedded technology with wireless communication technology， which has advantages in reliability， availability， convenience and stability. With strong portability and strong application potential， it can be applied to roads in various occasions.

【關鍵詞】STM32;物聯網技術; ZigBee技術;道路智能照明

【Keywords】STM32; internet of things technology; ZigBee technology; intelligent road lighting

【中圖分類號】TM923.58? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）08-0187-02

1 引言

隨著我國經濟實力的增強，部分農村地區的鄉間道路照明系統日益完善，為人們夜間出行提供了極大的便利。由于農村地區的廣闊性，使得農村地區照明系統的檢測和維護需要花費較多的人力和物力，同時，農村地區相對城市地區人們夜間出行的人數相對較少，這也使得資源存在很大的浪費。當今時代，人們不僅僅注重道路照明系統的基本功能，也更加注重節能環保。本系統的設計旨在對農村道路照明系統進行改進，達到以下效果：系統能夠進行自我監控，這樣一方面可以降低管理人員的工作難度，一方面系統可以實時監測、反饋數據，使得維修更加及時，從而降低事故發生的可能;系統能夠根據實時數據，因時因地因環境制宜，對燈光亮度進行調節，實現節能環保。

2 系統的總體設計概述

本系統的智能照明部分主要利用溫濕度傳感器、光照傳感器、PM2.5檢測裝置以及車流量檢測裝置對道路環境進行實時監測，主控制器STM32將得到的數據傳送給系統控制中心，同時對數據進行處理，再結合時間、季節、路況以及事故發生頻率綜合得到一個系數，主控制器根據這個系數向各個路燈控制器發送相應調節亮度的命令，從而實現道路照明系統亮度的自動調節，達到節能環保的目的。智能監測部分主要是在路燈控制器上嵌入線路的電流、電壓以及功率檢測裝置，當該裝置檢測出來的數據高于或低于規定數據區間時，該裝置自動激活路燈控制器的報警系統，路燈控制器向集中控制器發送異常數據，集中控制器再將數據傳回系統控制中心，并激活系統控制中心警報系統，提醒工作人員及時檢修。

3 系統的主要組成

系統主要由路燈控制器，集中控制器，環境監測器以及系統控制中心組成，其中集中控制器和環境檢測器都圍繞STM32來實現其功能，所以在系統框圖中，默認環境檢測器嵌入在集中控制器中。

①路燈控制器：該部分主要包括路燈的開關裝置、燈光亮度的調節裝置以及線路的電流、電壓以及功率檢測裝置，是整個系統的最前端。②集中控制器：該部分是整個系統的核心，“承上啟下”，其主要功能是管控各個路燈控制器，將路燈控制器以及環境監測器傳送的數據進行處理并向系統控制中心發送。③環境監測器：該部分主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、PM2.5檢測模塊以及車流量檢測模塊，負責采集實時數據，該部分的準確性對道路照明系統的節能有決定性作用。④系統控制中心：該部分主要是在PC端完成，負責數據的存儲及顯示，工作人員可以在系統控制中心實時觀測各路段路燈實時工作情況，也可以在PC端操作控制路燈的工作狀態。當接收到路燈故障數據時，系統控制中心警報系統啟動，同時，工作人員可以在PC端看到反饋故障數據的路燈的編號，便于及時修復。

4 系統的硬件模塊

4.1 通信模塊

ZigBee通信模塊：本設計中ZigBee通信模塊使用的IT公司生產的CC2530模塊，該模塊具有低功耗、協議棧免費等多方面優點。ZigBee通信模塊分為主模塊和從模塊，主從模塊需要完成同一頻率間的數據通信，主模塊與主控模塊之間的連接方式采用串口連接，實現ZigBee無線通信的主從控模塊之間的通信[1]。

4.2 主控制器模塊

本模塊采用的是STM32L475，STM32L4具有先進的內核，采用Cortex M4內核，帶FPU和DSP指令集，具有豐富的外設供人們使用，同時滿足高性能、低成本、低功耗的要求。

4.3 傳感模塊

溫濕度傳感器AHT10模塊是一款高精度，完全校準，貼片封裝的溫濕度傳感器，采用標準IIC通信方式。該傳感器由一個電感式感濕元件和一個高性能CMOS微處理器連接組成，具有超快反應、抗干擾強等優點。

光照傳感器AP3216C模塊，是一款三合一環境傳感器，包含了數字環境光傳感器（ALS）、接近傳感器（PS）和一個紅外LED（IR），采用IIC接口與MCU連接，支持中斷輸出。

PM2.5檢測模塊采用GP2Y1010AU0F粉塵傳感器，采用串行通信，輸出穩定，而且此傳感器取消了模擬輸出端口，進而省去了外圍電路，節省成本[1]。

車流量檢測模塊是基于ZigBee技術與微波傳感技術的車流量檢測系統，微波傳感技術具有精度高、抗干擾能力強、全天候使用以及維護簡單等優點，ZigBee技術中使用的是CC2530芯片，具有低功耗、高功率、體積小等優點。

4.4 PC終端

PC終端是通過上位機在電腦上查看集中控制器所傳送回來的數據，可以遠程監測路燈的照明情況，也可以實時觀測道路環境的相關數據。工作人員也可以在PC終端反向給照明系統發送指令，調節其開關或者亮度。

5 系統實現

本系統由環境檢測器采集附近的溫濕度、光強等數據，傳送給集中控制器，集中控制器根據實時數據再結合車流量、時間、季節、路況以及事故發生頻率綜合得到一個合適的亮度值系數，主控制器根據這個系數向各個路燈控制器通過ZigBee發送相應調節亮度的命令，從而實現道路照明系統亮度的自動調節。每個主控制器配備有一個環境監測器，每個主控制器管控20個路燈，同時，集中控制器通過GPRS模塊接入Internet網絡，從而可以把實時監測的環境數據以及故障報警數據發送到系統控制中心。同樣，工作人員可以在系統控制中心反向控制路燈的狀態。

5.1數據的采集

利用在STM32L4上集成的溫濕度傳感器、光照傳感器、PM2.5測量傳感器以及基于ZigBee技術與微波傳感技術的車流量檢測系統，對道路環境進行實時監測，采集實時數據。

5.2 數據的傳輸

每一個路燈控制器都嵌入了一個ZigBee無線通信模塊，使其形成自組織網絡，通過該網絡可以實現路燈控制器和集中控制器之間的無線通信。集中控制器通過GPRS模塊接入GPRS網絡，進而連接到Internet網絡，并主動與系統控制中心建立通信鏈路，可以進行雙向通信，STM32單片機與GPRS模塊通過串口進行數據傳輸。采集到的實時數據以及照明系統的故障監測系統所采集到的異常電流、電壓以及功率等相關數據都傳送到系統控制中心，進行下一步處理，系統控制中心在PC端對道路照明系統所發出的指令，也將通過Internet傳送給集中控制器，再通過ZigBee網絡發送給每個路燈控制器，實現相關命令及操作。

5.3 系統的控制

本系統的控制機制分為三層，最低層為路燈控制器，一個路燈控制器控制一個路燈的亮滅以及亮度的調節，如果把本系統類比為一個小區的供水系統，可以把路燈控制器類比為小區里每戶人家的入水閥門;中間層為集中控制器，它可以控制20個甚至更多的路燈控制器，進而控制路燈，可以把集中控制器類比為小區里一棟樓的供水閥門;最高層為系統控制中心，可以控制整個系統，可以把系統控制中心類比為整個小區的進水管閥門。環境監測器采集道路附近的光強、天氣狀況以及車流量等數據，傳送給集中控制器，集中控制器再結合時間、季節、路況以及事故發生頻率綜合得到一個亮度值系數。集中控制器對環境采集器采集的數據進行篩選后，通過Internet發送給系統控制中心，以備工作人員查驗。同時，系統控制中心也可以利用集中控制器反向控制路燈控制器，進而控制路燈的亮滅以及亮度。

5.4 軟件的實現

系統控制中心的PC終端通過集中控制器向路燈控制器發送命令。集中控制器綜合分析環境監測器采集到的環境數據，通過ZigBee網絡傳送給路燈控制器，同時通過Internet網絡將篩選后的數據傳送到系統控制中心。傳送回來的數據實時顯示在PC終端，系統控制中心對數據進行存儲并再次進行數據檢驗。必要時，工作人員還可以通過此管理系統對路燈終端進行遠程控制。

6 結語

在互聯網技術支持下，采用ARM芯片與ZigBee技術所設計的該道路智能照明系統，能夠根據實時的外界環境自動調節燈光的亮度，起到了一定的節能減排效果，同時也延長了燈具的使用壽命。路燈的自檢系統能夠及時將路燈狀況反饋給工作人員，這減輕了工作人員的工作量，同時工作人員及時發現損壞路燈并維修，也減少了一些意外事故的發生。由于此系統具有因路況制宜的特點，不僅可以用于農村道路的照明系統，一些城市道路照明系統甚至高校、小區里面的道路照明系統均可采用此系統，以達到節能減排的效果。該系統構建合理，綠色環保，具有可靠性高、可用性強、安裝方便等特點，具有實際的應用價值。

【參考文獻】

【1】包子建.基于IoT的道路照明系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2019（10）：213-214.

【2】丁亮.基于物聯網的城市路燈監控系統架構及相關技術實現[D].杭州：杭州電子科技大學，2012.