基于STM32智能路燈系統的設計與實現

摘 要：鑒于當前我國城市公共照明能源消耗巨大，智慧路燈成為了智慧城市發展中不可或缺的要素。傳統城市路燈僅能簡單滿足照明需求，但無法實現實時化和個性化控制，不僅浪費人力、物力資源，還對能源造成嚴重浪費。因此，設計研發并實施了一種創新的智慧路燈控制系統。該系統以STM32作為核心控制器，通過ESP8266連接到后臺通信服務器，實現實時數據傳輸、在線命令執行以及策略下發，從而實現了路燈的智能化控制，為城市照明提供了更安全、可靠、節能的解決方案。

關鍵詞：智慧路燈；實時化；ESP8266；通信；智能化；智慧城市

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.031

0 引 言

隨著智慧城市建設的推進和基礎設施不斷加強，傳統路燈管理方式的弊端日益凸顯。其一，傳統路燈壽命較短； 其二，傳統路燈的維護相對繁瑣，需要爬高處更換燈泡或進行其他維護工作，不僅存在一定的安全隱患，更耗費大量人力物力資源；其三，傳統路燈存在光污染問題，因其照明亮度固定無法適應環境變化，難以根據實際環境變化進行智能調節，無法根據天氣、交通流量等因素進行實時調整，影響居民生活并對夜間動植物造成負面影響，等等。

隨著數字技術和網絡技術的迅猛發展，人們對路燈系統的數字化和網絡化管理進行了深入研究。這不僅有助于節約能源、延長燈具使用壽命，還能提高城市建設的管理水平，確保市民夜間出行安全，降低交通事故的發生率。隨著人民生活水平的提高，對公共路燈的監控變得越來越重要。近年來，路燈監控系統的研究和實踐在國內已取得了一定進展，功能、技術性能和可靠性等方面也有所提升。然而，相關系統仍存在穩定性方面的一些缺陷和改進空間。智能化、網絡化、實時化、精確化和動態化已成為現代城市道路照明管理系統發展的必然趨勢[1]。

1 系統總體設計

1.1 設計原理簡介

本設計主要由STM32F103C8T6單片機核心板、液晶顯示屏、WiFi模塊、太陽能板接口電路、TP4056充電管理模塊、鋰電池供電接口電路、鋰電池升壓5 V模塊電路、光敏檢測電路、高亮LED驅動電路、按鍵電路及手機APP組成。本設計通過太陽能板采集的電量經穩壓模塊給鋰電池充電，然后為系統供電；設計中提供了“光控模式”和“手動模式”兩種模式，可根據光照情況調節LED燈的亮度；系統能夠采集光照數據，并根據光照數據和模式，通過單片機內部PWM驅動高亮LED燈。對高亮LED燈的狀態、光照采集數據以及充電時長進行顯示；系統采集的鋰電池電壓、電量等數據在顯示屏上顯示，并將這些數據通過ESP8266模塊傳送至終端。STM32 控制主機將收到的環境信息數據以及路燈狀態信息等上傳到后臺服務器，Android APP通過訪問服務器進行數據的獲取和顯示，同時APP也可以向主控板發送控制指令使路燈系統完成相應的參數設置或執行相應的控制功能[2]。

1.2 設計流程

系統設計流程如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 主控系統

主控制器采用嵌入式處理器 STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內核的STM32系列的高性能、低成本、低功耗的32位微控制器，具有接口豐富、簡單易用、使用方便的特點[3]。

其應用在智慧路燈系統中具有以下優勢：

（1）豐富的外設支持：STM32微控制器擁有豐富的外設，如通信接口（UART、SPI、I2C等）、定時器、模擬數字轉換器（ADC）、脈寬調制器（PWM）等，為系統提供了靈活的連接和控制方式。

（2）豐富的開發生態系統：STMicroelectronics提供了完善的開發生態系統，包括開發工具、免費的集成開發環境（如STM32CubeMX和STM32CubeIDE）以及豐富的技術支持和文檔資料，有利于開發人員快速開發和調試應用程序。

（3）可擴展性和靈活性：STM32系列微控制器提供了多種型號和不同性能等級的選擇，允許使用者根據具體需求選擇合適的型號[4]。同時，其豐富的外設和靈活的軟件支持使得系統具有良好的擴展性和靈活性。

2.2 備用電源

為確保在太陽能不足或不可用的情況下，路燈仍然能夠正常運行。在設計此系統時采用電網連接備用電源。當太陽能電池無法提供足夠的能量時，路燈可以從電網獲取電力，為路燈全天候供電；智能電網連接備用電源的系統設計可使系統自動切換到備用電源。一旦檢測到太陽能電池的電量不足，系統會自動切換到電網供電，確保路燈不間斷照明。系統配備了監測和管理功能，可以實時監測太陽能電池的狀態和電網連接情況[5]。這有助于及時發現問題并采取措施，以確保路燈正常運行，同時便于系統更靈活地管理能源。在太陽能充足時，可以依賴太陽能供電，而在太陽能不足時，則切換到電網供電，從而實現節能目標。

2.3 太陽能發電模塊

太陽能發電模塊是太陽能電力系統的核心組成部分，電池利用光伏效應將太陽光轉換為電能，為路燈系統供電。本系統選擇多晶硅太陽能電池板作為發電元件，太陽能發電后經過TP4056模塊給鋰電池充電[6]。該模塊的使用壽命為20年。

2.4 光敏檢測電路

本系統選擇光敏電阻作為檢測光照的器件，光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導體材料制成的特殊電阻器[7]。光照愈強，阻值就愈低；反之，阻值就越高。光敏檢測電路的設計目的在于實現對光照條件的實時監測和控制，使其在不同環境下能夠自動調整光線水平。這種電路的應用不僅有助于節約能源，還在安防、照明等領域發揮著重要作用。通過精心設計和調校光敏檢測電路，可以實現系統對環境光變化的高度敏感性，從而提高自動化系統的效能和適應性。

2.5 WiFi模塊

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，該模塊具備豐富的GPIO引腳，可輕松連接各類外部設備，適用于物聯網和嵌入式系統的開發。ESP8266以其低功耗、先進的功耗管理技術，以及全球范圍內的廣泛支持而備受青睞。開發人員可以利用其豐富的開發資源，包括官方文檔、示例代碼和第三方庫，通過串行通信與微控制器或計算機通信，實現無線連接和物聯網應用。該模塊的靈活性、低成本特性使其成為研究和實踐中理想的WiFi解決方案。

3 軟件設計

3.1 智能路燈軟件基礎流程

智能路燈軟件基礎流程如圖2所示。

3.2 通信技術

通信任務開始之前，首先對NB-IoT模塊進行初始化。包括配置模塊的參數，設置通信頻段、波特率、APN（接入點名稱）等。模塊需要與運營商建立NB-IoT網絡連接。NB-IoT是能夠在全球范圍內廣泛部署的低功耗廣域網，可以直接部署在現有運營商網絡，消耗約180 kHz帶寬，且成本低，功耗低，還可將采集的數據上傳至云端[8]。通信任務需要實現數據的發送功能，包括將路燈控制器的狀態信息、環境數據或其他相關信息封裝成數據包，并通過NB-IoT網絡發送到路燈控制平臺[9]。模塊還需要能夠接收來自路燈控制平臺的指令和配置信息，包括開關燈控制、亮度調節、工作模式設置等。系統通信任務程序流程如圖3所示。

3.3 通信協議

在智能路燈系統中，采用MQTT通信協議，該協議通過其輕量級、高效的特性，實現了智能路燈與中心服務器之間快速、可靠的數據傳輸。通過MQTT的發布/訂閱模式，系統可以實現靈活的燈光調控，遠程監控和管理，并能夠利用事件觸發和其自動化模塊實現更智能化的路燈控制。同時，MQTT協議的跨平臺和互操作性保證了不同設備和系統之間的良好兼容性，為智能路燈系統的部署和擴展提供了便利。智能路燈系統基于MQTT通信協議實現，為城市照明管理帶來了更高效、更智能的解決方案。

4 結 語

本系統應用STM32嵌入式處理器采集路燈周圍的相關環境參數和狀態信息，結合WiFi模塊實現無線傳輸，完成路燈控制系統的智能控制，同時可以實時監測路燈情況[10]。太陽能路燈的應用具備諸如無需布線、采用清潔能源、維護便捷等優勢，因而在城市照明方案中展現出廣泛的開發和應用前景。本系統成功解決了傳統路燈按時控制的問題，其獨特之處在于能夠根據路面的行人情況智能補光，尤其在光照不足的情況下表現出色。隨著智慧交通的不斷演進，系統將進一步優化，將太陽能路燈融入網絡中，以實現路面信息的網絡化和可視化監控。這將一進步為公眾提供更為智慧、便捷的出行服務。這一發展前景為城市照明和交通系統的可持續發展提供了有力支持。

參考文獻

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[8]羅青青，周正貴，方銀銀.基于NB-IoT的智慧路燈檢測系統[J].通化師范學院學報，2023，44（8）：1-8.

[9]吳岱瑋.基于NB-IoT技術的道路照明控制系統設計與實現[D].青島：青島大學，2019.

[10]鄭祥明，陳夫進.基于STM32的太陽能路燈控制系統設計[J].赤峰學院學報（自然科學版），2019，35（11）：107-109.

作者簡介：張婉珍（2003—），女，研究方向為通信工程。

刁立強（1978—），男，碩士，副教授，研究方向為嵌入式開發。

劉鑫宇（2003—），男，研究方向為通信工程。

吳 維（2002—），女，研究方向為通信工程。

侯仁麗（2002—），女，研究方向為通信工程。

收稿日期：2024-03-23 修回日期：2024-04-26