基于STM32 的智能化太陽能路燈裝置設計

李德政，王若鈞，唐群，張駿風，王葉南

（西北民族大學，甘肅蘭州，730124）

0 引言

隨著城市化進程加速，越來越多的人涌向城市，路燈作為城市基礎設施的一部分，對于城市安全和發展至關重要。傳統路燈的電能是通過鋪設輸電線給道路兩側的路燈提供，但是這種方式具有一定的局限性。一方面，傳統輸電線路的鋪設、配電設備的安裝、電能在傳輸過程中的損耗等都是客觀存在的難題；另一方面傳統單一的控制模式也無法滿足人們對智慧交通的需求[1]。因此如何采取節能技術，降低城市公共照明能耗，成為目前各大城市交通路燈急需解決的問題[2]。為此，筆者提出了基于STM32 的智能化太陽能路燈控制系統，本方案選擇以現階段主流的嵌入式處理器STM32F103C8T6 為控制核心，以綠色能源太陽能作為電能，采用電波接收、北斗衛星授時、GPS 北斗雙模定位等模塊對日出日落的信息進行采集，從而對智能化太陽能路燈裝置的開關燈時間進行改變。

1 系統結構與工作原理

基于STM32 的智能化太陽能路燈控制系統的供電系統由太陽能電池、光伏逆變器、電池控制模塊、蓄電池、電源模塊、采集電路單元等組成；控制系統由調光電路、電波接收模塊、北斗衛星授時模塊、GPS 北斗雙模定位模塊等構成，系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

圖2 電波接收模塊流程圖

圖3 北斗衛星授時流程圖

圖4 模式控制流程圖

本系統的核心是解決如何在網絡不良或者無法聯網的環境下獲得路燈所在地區的日出日落時間。為此我們采用了電波接收模塊和北斗衛星授時模塊實現雙授時，還通過GPS北斗雙模定位模塊獲取路燈所在位置的經緯度信息。多種控制模塊將實時采集到的數據信息發送給中央處理器，進行對日出日落信息的采集。同時，由于傳統路燈采用統一控制，且只有亮和滅兩個狀態，導致資源浪費嚴重[3]，本系統還采用調光電路對LED 照明模塊進行分時調光，以適應不同時間段對于燈光照明的需求。通過這種軟件層面的方式，實現了對路燈的動態調節和控制，以達到節能、環保、智能化的目的[4]。

2 硬件設計

■2.1 STM32F103C8T6 模塊

STM32F103RCT6 使用高性能的ARM@CortexTM －M3 32 位的RISC 內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達128K 字節的閃存和20K 字節的SRAM)，豐富地增強I/O 端口和聯接到2 條APB 總線的外設。所有型號的器件都包含2 個12 位的ADC、3 個通用16 位定時器和1個PWM 定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2 個I2C 接口和SPI 接口、3 個USART 接口、1 個USB 接口和1 個CAN 接口等[5]，這款微控制器完全滿足系統開發的需要。

■2.2 電波接收模塊

本系統選用的電波接收模塊為CME6005，該模塊采用芯片DL6005 接收國家授時中心發射的電波。DL6005 是一款高度集成的BI-CMOS 低頻接收解碼芯片，具有高靈敏度，低功耗等特性。能解調多國電波信號。除此之外，電波接收模塊使用中波磁棒繞制天線，使用直徑為10mm 空心線圈，使用高靈敏度天線。采用晶體管低頻碼接收電路接收PBC中國碼電波，經選頻放大，利用AGC 電路提高信噪比，然后經單片機進行解碼識別[6]。

■2.3 GPS 北斗雙模定位模塊

本系統選用ATK-MO1218 模塊是一款高性能的GPS/北斗雙模定位模塊。該模塊采用S1216F8-BD 模組，具有體積小巧、性能優異等特點。該模塊將獲取路燈所在位置的經緯度等各種信息，并將所獲取的信息發送到微處理器當中。

■2.4 北斗衛星授時模塊

本系統選用SKG123NT 作為北斗衛星授時模塊。該模塊能夠同時支持GPS、北斗、GLONASS、Galileo、QZSS的衛星接收、支持L1+L5 雙頻定位。本系統選用北斗衛星授時模塊通過接收衛星發射的高精度和穩定性的時間信號來為中央處理器提供時間參考和時間同步，如果電波接收模塊兩次接收電波全部失敗，會自動采用北斗衛星授時單元接收衛星時間。

■2.5 太陽能電池

正常光照情況下，太陽能路燈電池組件可以自動將太陽光的能量收集起來，將光能轉化為電能，并自動存儲進蓄電池內部[7]。在對太陽能路燈進行設計時，光源功率在很大程度上決定著道路照明的標準值，甚至對整個照明系統參數的穩定性都有一定影響[8]。

■2.6 LED 驅動芯片

本系統選用的LED 驅動芯片是LM3404，該芯片是由德州儀器(TI)公司研發設計的內部集成開關電源控制的芯片，主要應用在負載為恒定電流的大功率LED 電路設計中[9]。通過調節PWM 信號的占空比大小實現對大功率LED 發光亮度的調節。系統選用LM3404 為調光電路的驅動芯片，控制LED 照明單元的開關、亮度，通過減少過高的電流和電壓對LED 燈的損害。綜合各種因素考慮，本系統選用的是單晶硅太陽能板。

3 軟件設計

■3.1 電波接收模塊

本系統具有電波接收的功能，無線電接收天線從空間感應接收由國家授時中心發射的實時授時信號，通過中央處理器來解析無線電波信號里的時間、星期、年月日、夏令時間等信息，以此來校準時間。電波接收模塊第一次接收電波的時間在凌晨1:00-3:00，如果第一次接收失敗，第二次接收時間在凌晨4:00。

■3.2 北斗衛星授時模塊

本系統具有北斗衛星授時模塊，北斗衛星授時模塊通過接收衛星發射的高精度和穩定性的時間信號來為中央處理器提供時間參考和時間同步，如果電波接收模塊兩次接收電波全部失敗，會由中央處理器采用北斗衛星授時單元接收衛星時間。

■3.3 模式控制程序

本系統具有模式控制程序，在微控制器內部設置兩種模式來對智能化太陽能路燈進行控制，分別為手動模式和智能模式。智能模式是根據系統計算得到的日出日落時間進行開關路燈的控制，手動模式是手動對路燈進行開關燈的控制，其預設的開關燈時間為晚上8 點到次日凌晨5 點。

■3.4 日出日落時間計算程序

（1）日出日落計算公式

系統具有日出日落計算公式，通過中央處理器解碼無線電波信號里的時間、星期、年月日、夏令時間等信息、由GPS 北斗雙模定位模塊獲取的路燈所在位置的經緯度信息，綜合算法得出路燈所在地的日出日落時間。

其中h為時角、t為北京時間、Λ 為本地經度、δ為赤緯、φ為本地緯度、N為從1 月1 日算起的第幾天、θ為太陽高度角、T 為日出日落時間。

（2）日出日落時間計算原理

地球以近似于24 小時的周期自西向東自轉，同時地球也繞著太陽公轉。太陽相對于地球的位置會有所變化。在計算日出日落時間時，需要計算特定地點，在給定時間下太陽光線與該地表面法線的夾角。太陽高度角大小因地球的傾斜角度、經緯度和日期等參數而異。由于不同地區設定的時區標準不同，因此需要考慮給定地點（經緯度）所在的時區來計算日出日落時間。基于以上關鍵因素，可以利用天文算法和數學計算來確定給定經緯度和具體時間下的太陽高度角，進而計算出日出和日落的時間。需要注意的是，現實中存在地球大氣折射、地形和氣候等多種因素的影響，因此計算結果可能與實際情況存在一定差別。

■3.5 LED 照明程序

本系統通過PWM 調光技術來實現LED 照明亮度的精確控制。PWM 調光通過調節脈沖周期內LED 燈具亮、暗時間占比的方法來控制輸出亮度[10]。通過改變輸入信號幅值的大小來改變脈沖寬度。當輸入信號幅值較大時，脈沖寬度較寬；當輸入信號幅值較小時，脈沖寬度較窄。而脈沖寬度越寬，光源被打開的時間越長，光源的亮度越高；脈沖寬度越窄，光源被關閉的時間越長，光源的亮度越低。由此，我們實現了對LED 照明亮度的控制。在日落后半小時至晚上11 點時人流量較大，我們使輸入信號幅值增大，LED 燈的亮度會拉高；而在晚上11 點之后，我們會降低輸入信號的賦值，LED 燈的亮度也會下降。通過這種方式我們實現了降低路燈功耗的目的。

4 測試與實驗數據

針對本裝置，我們設計了一套實驗方案，選用18V 70W 的太陽能電池板，選用80W 的LED 照明路燈，其實驗地點定位為36.044°N，103.819°E。假設傳統路燈的自動開關燈時間為晚上7:00 到早上7:00，其每個路燈平均耗電量約為0.96kW，則一個路燈一年的耗電量約為350kW。本裝置路燈的功能是每天進行時間校準，調整開關燈時間，為了簡化計算，我們選用二十四節氣的日出日落時間為基準點，以兩個節氣之間的時間為持續時間，如表1 所示。

表1 日出日落時間信息

方案路燈的照明亮度會隨時間進行調整，在日落后半小時至晚上11 點前為80W 照明，在晚上11 點至凌晨1 點為50W 照明，在凌晨1 點至日出前半小時為30W 照明。如表2 所示。

表2 分時段耗電量信息

設傳統路燈一年的耗電量為P1，P1=350(kW)；

本方案路燈裝置一年的耗電量為P2，P2=170(kW)；

其節約電能的效率：η=(P1-P2)/P1=51%。

5 結束語

基于STM32 的智能化太陽能路燈系統采用通過無線電接收單元和北斗衛星授時單元實現雙授時，結合GPS 北斗雙模定位單元得到路燈所在地的經緯度，通過算法與代碼來獲取當地的日出日落時間。同時，太陽能路燈又具有節能環保、獨立運行、易于安裝、使用壽命長等優點，具有極大的開發和應用空間。本系統既解決了傳統路燈容易受到外界環境影響而導致的照明不良，又解決了新型智能路燈在偏遠地區或者遠離城市的山區、海邊等網絡狀況不良的條件下使用不便，有效提高了對太陽能資源的利用率，擴大了太陽能路燈的使用范圍，具有一定的創新性和實用價值。