基于STM32的太陽能路燈智能管理系統設計

摘要：為了積極響應國家安全、綠色、健康照明的戰略要求，并滿足日益增長的道路照明需求，文章設計并實現了一種基于STM32單片機的太陽能路燈智慧管理系統。該系統利用STM32F103C6T6單片機、聲光報警、紅外傳感器等模塊分別控制，利用光敏傳感器、遠程檢測模塊實現了太陽能路燈的亮度調節、遠程智能監控與管理。現場測試結果表明，該系統性能穩定，達到了設計要求。

關鍵詞：智慧管理系統；STM32F103C6T6單片機；光敏傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）09-0085-05 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

隨著城市化進程加快，城市路燈管理面臨著效率低、成本高、資源浪費等問題[1]。傳統交流供電路燈維護不便，而智能化管理成為未來發展方向。新型路燈智慧管理對相關管理部門人員有著極高的便捷性，足不出戶便可管理路燈。因此，用一種新型的路燈管理手段，可以有效解決管理人員的勞動強度，使城市路燈得到高質量發展。

近年來，隨著國內光伏產業技術與LED照明技術結合發展，疊加國家政策對于太陽能路燈稅收、補貼等支持力度推動的影響，我國太陽能路燈行業快速擴展。通過數據統計分析，2010—2021年，我國太陽能路燈行業安裝設備總量達5 000萬盞以上；2021年，國內太陽能路燈行業市場規模突破50 億元，預計到2025年，行業市場規模或將突破達到69.85億元，從而持續拉動我國光伏照明行業市場加速突破發展。國家的大力支持，城市發展的需要已成為太陽能路燈管理的歷史所趨。

1 系統結構

太陽能路燈智慧管理系統框圖如圖1所示，系統結構分為STM32F103C6T6控制下的時鐘芯片控制、紅外傳感器、功能鍵盤、光線檢測、LCD顯示、電源、遠程控制檢測以及蜂鳴器報警等八個功能模塊。對于此系統來說，遠程控制檢測模塊與STM32單片機進行數據交互[2]；時鐘芯片控制路燈的開關時間并進行數據統計[3]；紅外傳感器控制人流量；功能鍵盤實現模式切換；光敏傳感器檢測環境光強；LCD顯示模塊顯示系統狀態；太陽能電池板為系統供電；蜂鳴器報警模塊則使檢修人員通過蜂鳴器是否報警了解系統是否出現故障。從而該系統實現了數據查詢、傳輸和便捷管理等功能。

2 硬件設計

系統終端監控層是核心部分，其設計直接影響系統的穩定性和可行性。本節將詳細介紹各個模塊的功能實現。

2.1 單片機模塊

一個完整的系統必須具有控制芯片，所以考慮到系統功能的實現，單片機部分采用STM32F103C6T6 芯片，此芯片是基于ARM Cortex-M內核的32位微控制器，這使得它具有更高的性能，更豐富的外設和更大的存儲容量。它的多個接口可以控制各個功能模塊的實現，如時鐘芯片功能等。該芯片可以直接與系統中各個模塊相互配合，實現各個功能[4]。

2.2 時鐘芯片控制模塊

為了實現太陽能路燈的智慧化管理，實現節約資源，需要用時鐘芯片來進行信息的設計與統計。該模塊采用DS1302（如圖2所示） ，是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路[5]，可以對年、月、日、時、分、秒進行計時。它能夠對小于31天的月和月末的日期進行自動調整，還包括閏年校正功能。

除了對日期進行計時外，還有節能功能。在此系統中，實現起始時間、關閉時間等，需要通過系統設計。而此設計是通過時鐘芯片控制模塊參數設置實現的。時鐘芯片控制模塊如圖3所示。通過引腳5、6、7進行輸入設置，使DS1302中的時鐘計數器與控制器工作，其次1腳和8腳接地，最后通過2、3引腳連接晶振、電容，使此模塊進行路燈工作的時間控制，將時間數據傳展現在LCD屏幕上。

2.3 紅外傳感器模塊

為了采集單位時間內人流量，并讓路燈合理化運行，須采用紅外傳感器模塊。其模塊應用紅外對管模塊。紅外傳感器模塊的主要電路圖如圖4所示，紅外線對管是分為紅外線發射管與紅外線接收管，也是常用的紅外發光二極管，其外形和發光二極管LED相似，發出紅外光（近紅外線約0.93 μm） 。管壓降約1.4 V，工作電流一般小于20 mA。為了適應不同的工作電壓，回路中常串有限流電阻[6]。擁有全自動感應功能，當人或其他動物出現在路燈感應區域內后，輸出高電平，路燈亮起，進行照明；當其離開感應區域后，則自動延時關閉高電平，輸出低電平，路燈滅掉。它還可以設置光敏控制，當白天或者其他光強烈時，路燈不亮。更重要的是，路燈不是晚上一直都進行照明的，當人流量達到預先設置的一定范圍后，路燈亮起時間增多；而當人流量減少時，路燈亮起的時間則會變短。對于該原理圖來說，由白色燈為發射管發射紅外光線，黑色燈為接收管接收紅外光線。當發射管發射的紅外光線白色的路面時，絕大部分的光線都會經過路面反射回來[7]，而黑色管接收到返回的紅外光線時，紅外傳感器將處于導通狀態，out引腳輸出低電平。

當INA+＞INA-時，沒有障礙物，輸出高電平；當INA+＜=INA-時，有障礙物，輸出低電平，對應的發光二極管燈亮；INA-電壓為0 V或者5 V，輸入輸出無意義，尋跡失靈。

2.4 功能鍵盤模塊

為了讓該系統簡潔化使用，設置四個按鍵分別對應不同模式。功能鍵盤模塊原理圖如圖5所示，其中S1控制全自動模式，S2控制半自動模式，S3控制手動模式，S4按鍵使太陽能路燈在有故障且藍牙控制不了的情況下，強制關閉。對于全自動模式來說，系統中所有的運行都有電腦控制，藍牙傳輸信息，各個模塊相互配合，實現自動化，減少人力。對于半自動模式來說，有些部分須通過人力進行實現，否則功能不完備。其手動模式就是全部人力實現，增加了人力成本。按鍵的使用通過STM32F103C6T6 芯片控制進行，可以有效減少人力的加入。

2.5 光線檢測模塊

由于光敏電阻具有體積小、靈敏度高、性能穩定、價格低等特點，故用光線檢測模塊檢測當時環境光線[8]。光線檢測模塊的電路圖如圖6所示，在光線檢測模塊中使用光敏電阻進行設計，應用光敏電阻進行設計，不同于晚上路燈常亮模式，它是根據人流量的多少進行路燈的亮與滅。與紅外傳感器一起工作，自動調節光線強弱；并且節能省電。與紅外一起，人多時，路燈亮的時間較長；人少時，路燈亮的時間較短。當檢測到人體紅外信號時，R4開始傳輸信號，并與R3 傳輸的信號在U1處進行比較，產生低電平信號，使U3 亮起，即路燈工作。

2.6 遠程控制檢測模塊

為了使人流量信息、光線檢測信息等的具體結果在系統后臺以及LCD屏幕上顯示，則須設計遠程檢測模塊。藍牙3.0模塊GDY-31（如圖7所示） ，它可以與支持藍牙的電腦（臺式、筆記本）、手機（Android） 通信。遠程控制檢測模塊電路圖如圖8所示。

通過p0口與外部電阻相連，控制燈光。

TXD：串行數據發送引腳，用于將數據從模塊發送到外部設備?？梢詫⑼獠吭O備的接收引腳（RXD） 與JDY-31的TXD引腳連接起來，以接收來自藍牙模塊的數據。

RXD：串行數據接收引腳，用于接收外部設備發送的數據。可以將外部設備的發送引腳（TXD） 與JDY-31 的RXD 引腳連接起來，以向藍牙模塊發送數據。

EN：使能引腳，用于控制模塊的工作狀態。通過給EN引腳提供高電平（通常是3.3V或5V） ，可以使模塊進入工作狀態。在沒有使能引腳輸入或給予低電平時，模塊將處于低功耗待機狀態。

STATE：狀態引腳，用于提供模塊的狀態信息。通過監測STATE引腳的電平變化，可以獲知模塊的連接狀態或其他相關狀態信息。

2.7 LCD 顯示模塊

為了便于觀察系統中的信息等，設置LCD顯示。LCD 顯示模塊采用OLED 128×64 屏幕，其通過STM32F103C6T6單片機、紅外傳感器模塊、光敏傳感器模塊的功能的實現，則在LCD顯示屏上顯示出當前狀態下太陽能路燈的好壞，路燈光照的強弱以及是否照明等。

2.8 聲光報警模塊

為了方便檢測系統故障，太陽能路燈智慧管理系統設置了聲光報警模塊，其原理圖如圖9所示，當系統內部檢測出錯誤或者外部出現問題時，低端控制端自動跳入錯誤狀態，發送警報問題和問題路燈給終端處理。當信號通過p0.7傳輸過來時，通過三極管Q1傳輸信號給蜂鳴器XLV1進行報警，報警同時X1閃爍。

2.9 電源

太陽能路燈智慧管理系統采用太陽能板為太陽能路燈進行供電，用太陽能電路板，可以有效利用太陽能資源進行環保：太陽能板利用太陽能發電，不產生任何污染和排放物，對環境沒有負面影響，有助于減少溫室氣體排放，降低溫室效應。節約能源：太陽能板能夠將太陽能轉化為電能，避免對有限自然資源的消耗，減少對電力系統的壓力[9]。通過太陽能板給系統供電，帶動系統運行。

3 軟件設計

太陽能路燈智慧管理系統管理軟件從功能劃分可分為數據查詢、人事管理、常用工具等[10]；根據使用權限可劃分為：非內部管理人員與內部管理人員。非內部管理人員只有查詢等基礎功能的使用權， 而內部管理人員的權限則可使用所有功能。控制其整個系統主程序如圖10所示，燈光控制子程序框圖如圖11 所示。

太陽能路燈智慧管理系統在初始狀態時，通過DS1302讀取時間，開始進行燈光控制并且檢查電路狀態，起始步驟完成后，判斷LCD顯示屏上的顯示狀態，是正常顯示設置、工作時間設置、環境光閾值設置還是燈光檢測界面，以上四個設置通過串口發送燈光狀態，判斷按鍵按下后進行按鍵功能處理，若未按下，則重新返回初始狀態重新運行。

對于太陽能路燈智慧管理系統的燈光控制方面，在初始狀態下檢測環境光線，判斷系統工作模式，手動、定時、全自動模式。定時模式下判斷路燈是否在定時設置下的工作時間段，若為工作時間段內，路燈亮起，否則熄滅，在此情況下，進而判斷是否有人經過來控制路燈亮起的時間長短。在全自動模式下，則排除了人為的控制，經過檢測環境光線，在起始設定的光線閾值下，環境光線低于設置的閾值，則路燈亮起，否則熄滅。經以上的運行完成后，返回主程序，重新開始新一輪路燈運行。

該系統分為三種模式：全自動模式、半自動模式、手動模式。其流程框圖如圖12所示。其中全自動模式更能體現智能化管理的優勢，它是基于單片機控制，分別對每盞路燈配置一個單元控制模塊[11]，分別進行操作，可以減少功能損壞對其他元件的傷害。半自動模式以及手動模式是針對于全自動模式報錯時的一種彌補措施。三種模式下的路燈都配置一個單元控制電路，通過在LCD屏幕查看不同的設置頁面，溫度、濕度等信息采集到LCD低端控制端，將此信息通過系統后臺發送到遠程終端，進行異地處理，實現人員減少。當然，如果路燈出現問題進行報錯警報，則低端控制端將此路燈位置信息發送給終端（維修工人或相關工作人員） ，他們則會及時處理有問題的路燈，實現太陽能路燈智慧管理系統的有效管理，減少城市資源消耗，提高城市智慧化發展[10]。

4 測試結果

搭建的太陽能路燈智慧管理系統模型如圖13，手機控制端頁面如圖14，當手機控制端發送數據時，其系統中的聲光報警模塊、紅外傳感器模塊、LCD顯示模塊等通過在面包板上搭建，數據開始實時交互，并顯示在LCD屏上，其數據顯示如圖15所示。

太陽能路燈智慧管理系統搭建模型是此系統簡易模型。在面包板上面通過杜邦線將LCD顯示屏、光敏傳感器、紅外傳感器、時鐘芯片、蜂鳴器報警等模塊連接起來，并且將實時數據顯示在LCD屏幕上。

手機控制端頁面圖片，是手機上的頁面，通過手機（后臺） 控制整個系統。右側圖是系統路燈的控制頁面，進入控制頁面后，展示路燈的開與關。左側圖則是路燈打開的頁面。

太陽能路燈智慧管理系統數據顯示圖是簡易的顯示界面。通過系統的運行，在LCD屏幕上顯示當日的天氣狀況以及燈的運行狀態。

以下是測試結果。

1） 行人通過，LED燈閃亮，反之不亮，同時在LCD 顯示屏上會出現當前狀態下的溫度、濕度、光照強度等。其反應時間在半分鐘之內，遠程控制模塊在不斷地根據當前狀態實時交互給后臺（手機端） 。

2） 開啟全自動模式后，后臺（手機端） 針對光強不足的情況對下位機發起命令，增大光照強度。而在光照充足的情況下，自動地對下位機發出減小光強或者關閉的命令。

3） 在程序設置的時間參數內，燈光閉合狀況良好。且準確地按照燈光控制程序運行。

4） 當路燈系統產生故障時，報警模塊下的蜂鳴器實時報警并且燈光閃爍，此過程反應時間在一分鐘之內，且故障的報警準確率較高。

5 結束語

本文提出并實現了基于STM32F103C6T6單片機的太陽能路燈智慧管理系統，將聲光報警模塊、紅外傳感器模塊等融合在一起，節約了資源，實現了城市路燈的智慧化管理，向智慧化、全能化城市邁出了一大步。本文提出的構想旨在改善城市路燈管理方面的落后問題， 同時也在智慧城市的其他基礎設施管理上起到重要的標桿作用[10]。當然，也希望太陽能路燈智慧管理系統能夠進一步提升，并在全國乃至全世界范圍內實現更高效的管理，從而減少人力檢修需求以及對環境資源的消耗。