基于STM32的太阳能路灯控制系统设计

郑祥明　陈夫进

摘 要：针对传统路灯采用分时控制、光控模式或者根据季节调整路灯的照明时间等单一控制模式的不足提出了基于STM32的太阳能路灯控制系统设计方案，系统选用STM32F103ZET6为控制核心，以ZigBee技术实现路灯间的组网并采用声、光和红外感应等传感器全方位监控道路信息，给人们夜间或光照不足时的出行提供智能化服务，具有一定的实践意义.

关键词：STM32;ZigBee;系统设计;智能控制

中图分类号：TP368.1  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）11-0107-03

随着社会经济的繁荣发展，全国的交通网络也日趋完善，而路灯是夜间道路安全行驶的重要辅助系统之一[1].传统路灯的电能是通过铺设输电线给道路两侧的路灯提供，传统路灯的控制方式是采用分时控制、光控模式或者根据季节变化调整路灯的照明时间.一方面，传统输电线路的铺设、配电设备的安装、电能在传输过程中的损耗等都是客观存在的难题;另一方面传统单一的控制模式也无法满足人们对智慧交通的需求[2].在我们国家正在实施可持续发展的战略目标背景下，笔者提出了基于STM32的太阳能路灯控制系统设计方案，本方案选择当下非常流行的低功耗嵌入式处理器STM32F103ZET6为控制核心，以太阳能发电给路灯提供电能，采用声、光和红外感应等传感器全方位监控路面信息，给人们夜间或光照不足时的出行提供智能化服务.

1 系统结构与工作原理

基于STM32的太阳能路灯控制系统的供电系统由太阳能电池板、蓄电池和充放电管理模块等组成;控制系统由光照强度采集模块、声音采集模块、红外感应传感器模块、ZigBee通信模块和报警模块等部分组成，系统框图如图1所示.

系统选择意法半导体公司推出的基于Cortex-M3内核的32位微处理器STM32F103ZET6，该处理器的资源非常丰富，具有64KBSRAM、512KBFlash、2个基本定时器、4个通用定时器、3个SPI、2个IIC、5个串口、3个12位ADC、一个12位DAC和112个通用I/O口，完全能够满足系统开发需要.本系统的核心是如何在有光照时收集太阳能并转化为电能存储在蓄电池中，然后在光线不足时给太阳能路灯提供电能，我们采用充放电管理模块和处理器内部集成的12位AD采集蓄电池的电量信息，实现蓄电池的智能管理[3].此外，本系统采用光敏传感器、声音传感器和人体红外传感器等对光强度和道路行人等道路信息进行全方位监控.当系统检测到光线充足时，熄灭路灯，系统进入充电模式;当检测到路面光线较暗，同时通过人体红外传感器检测到有行人时，系统则开启太阳能路灯;当光线较暗但是长时间没有行人时，路灯变暗或熄灭进入节能模式.ZigBee通信模块则可以实现各路灯之间的通信，检测路灯的工作状态.在光线不足的情况下行人通过时，路灯可以根据行人的行走方向提前开启部分路灯，实现人来灯亮，人走灯灭的智能监控效果.

2 硬件电路设计

2.1 最小系统设计

最小系统由电源模块、STM32F103ZET6、复位电路、时钟电路、BOOT启动模式选择和下载电路等部分组成.其中STM32F103ZET6是系统的CPU，其引脚资源和分布情况如图2所示.

2.2 光照信息监测模块

光照检测传感器模块采用灵敏型光敏电阻传感器检测光照信息，模块工作原理如图3所示，通过电位器的调节可以调节传感器的灵敏度，使用宽电压LM393比较器，使得信号更加稳定，驱动能力强[4].本系统CPU的PD0端直接与模块OUT端相连，通过PD0端检测的高低电平情况判断环境光线亮度情况（环境光照强度较弱时，OUT端输出高电平;光照强度较强时，OUT端输出低电平）.即，当PD0端口检测到高电平时系统控制路灯开启，当PD0端口检测到低电平时系统控制路灯关闭，以实现系统智能光照调节的功能.

2.3 声音监测模块

本系统选用的声音监测模块如图4所示，该模块具有灵敏度可调，数字开关量输出，安装方便，简单易用.模块接线如表所示，当系统检测PA0端口为高电平时表明环境声音强度较弱，当检测到PA0端口为低电平时表明环境声音较强，以此判断环境声音强度.

2.4 人体红外传感器模块

系统选用的是LHI778探头设计的人体感应模块（型号为HC-SR501），该模块具有灵敏度高、可靠性强和超低压工作模式，广泛应用于安防产品、人体感应设备和工业自动化控制中，工作原理如图5所示.

人体红外感应模块接线如表2所示，当有人进入感应范围OUT端输出高电平，人离开一段时间OUT端输出低电平，系统CPU通过PB0口检测高低电平的状态判断路上有无行人.

2.5 ZigBee通信模块

ZigBee网络具有三种网络形态节点，即：Coordinator（中心协调器）、Router（路由器）和End Device（终端节点）.ZigBee通信具有低成本、低功耗、低时延、网络容量大、性能稳定和安全性高等特点[5].本系统选用的是工业级ZigBee模块，模块上电即可自动组网，Coordinator自动给所有的节点分配地址，网络加入、应答等专业ZigBee组网流程，同时利用串口进行数据传输，控制模块可存储和处理各路灯的数据信息[6].

2.6 报警模块

系统报警模块采用的是LED灯模拟，当系统正常工作时，绿灯点亮;当系统出现故障时，红灯闪烁.

3 软件设计

3.1 光照信息检测模块

系统具有光照检测功能，当光照充足时，路灯处于关闭状态;当光照信息不足时，再通过声音或者红外感应传感器判断是否有人，若有，则路灯开启，若没有则路灯关闭，程序流程图如图6所示.

3.2 声音监测模块

系统具有声音检测功能，当夜间光照不足时可通过声音检测模块判断是否有人，若有人则通过处理器打开路灯，程序流程图如图7所示.

3.3 人体红外感应模块

系统具有人体红外感应功能，能识别道路上是否有行人，再结合光照强度信息决定路灯的开合状态，程序流程图如图8所示.

3.4 ZigBee通信模块

系统ZigBee通信模块则可以实现各路灯之间的通信，在光线不足的情况下行人通过时，路灯可以根据行人的行走方向提前开启部分路灯，实现人来灯亮，人走灯灭的智能监控效果.

4 总结

基于STM32的太阳能路灯控制系统利用ZigBee通信模块实现路灯之间的无线通信，可以对整个路灯系统进行智能監控.同时，太阳能路灯的应用具有无须布线、使用清洁能源和维护方便等优点，具有较大的开发和应用空间.本系统目前弥补了传统路灯的按时控制的不足，可实现在光照条件不足的情况下根据路面行人的情况进行智能补光，具有一定的创新性和实用价值.由于智慧交通的发展需要，本系统还将继续优化，把太阳能路灯接入网络，实现对路面信息的网络化、可视化监控，为大家出行提供智慧化的服务.

参考文献：

〔1〕梁晓梅.太阳能路灯在小城镇路灯改造中的应用[J].湖北农机化，2019（5）：47.

〔2〕王国义.基于物联网的太阳能路灯控制系统的研究[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2018（6）：32-35.

〔3〕夏元兴，裴蕾，许瑞琦，等.太阳能路灯的运行与应用[J].中国战略新兴产业，2018（28）：17.

〔4〕孙天意，薛松，赵婧含等.太阳能路灯智能控制系统设计[J].科学技术创新，2018（14）：176-177.

〔5〕黄梓龙.浅谈智能式LED太阳能路灯控制器的设计[J].科学技术创新，2018（3）：128-129.

〔6〕张银蒲.基于ZigBee技术的太阳能路灯控制系统设计[J].仪器仪表与分析监测，2015（3）：18-20.