基于STM32的太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭祥明　陳夫進(jìn)

摘 要：針對傳統(tǒng)路燈采用分時(shí)控制、光控模式或者根據(jù)季節(jié)調(diào)整路燈的照明時(shí)間等單一控制模式的不足提出了基于STM32的太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)選用STM32F103ZET6為控制核心，以ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)路燈間的組網(wǎng)并采用聲、光和紅外感應(yīng)等傳感器全方位監(jiān)控道路信息，給人們夜間或光照不足時(shí)的出行提供智能化服務(wù)，具有一定的實(shí)踐意義.

關(guān)鍵詞：STM32;ZigBee;系統(tǒng)設(shè)計(jì);智能控制

中圖分類號(hào)：TP368.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）11-0107-03

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，全國的交通網(wǎng)絡(luò)也日趨完善，而路燈是夜間道路安全行駛的重要輔助系統(tǒng)之一[1].傳統(tǒng)路燈的電能是通過鋪設(shè)輸電線給道路兩側(cè)的路燈提供，傳統(tǒng)路燈的控制方式是采用分時(shí)控制、光控模式或者根據(jù)季節(jié)變化調(diào)整路燈的照明時(shí)間.一方面，傳統(tǒng)輸電線路的鋪設(shè)、配電設(shè)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?zhèn)鹘y(tǒng)單一的控制模式也無法滿足人們對智慧交通的需求[2].在我們國家正在實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，筆者提出了基于STM32的太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本方案選擇當(dāng)下非常流行的低功耗嵌入式處理器STM32F103ZET6為控制核心，以太陽能發(fā)電給路燈提供電能，采用聲、光和紅外感應(yīng)等傳感器全方位監(jiān)控路面信息，給人們夜間或光照不足時(shí)的出行提供智能化服務(wù).

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

基于STM32的太陽能路燈控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池和充放電管理模塊等組成;控制系統(tǒng)由光照強(qiáng)度采集模塊、聲音采集模塊、紅外感應(yīng)傳感器模塊、ZigBee通信模塊和報(bào)警模塊等部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示.

系統(tǒng)選擇意法半導(dǎo)體公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器STM32F103ZET6，該處理器的資源非常豐富，具有64KBSRAM、512KBFlash、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、3個(gè)SPI、2個(gè)IIC、5個(gè)串口、3個(gè)12位ADC、一個(gè)12位DAC和112個(gè)通用I/O口，完全能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需要.本系統(tǒng)的核心是如何在有光照時(shí)收集太陽能并轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在蓄電池中，然后在光線不足時(shí)給太陽能路燈提供電能，我們采用充放電管理模塊和處理器內(nèi)部集成的12位AD采集蓄電池的電量信息，實(shí)現(xiàn)蓄電池的智能管理[3].此外，本系統(tǒng)采用光敏傳感器、聲音傳感器和人體紅外傳感器等對光強(qiáng)度和道路行人等道路信息進(jìn)行全方位監(jiān)控.當(dāng)系統(tǒng)檢測到光線充足時(shí)，熄滅路燈，系統(tǒng)進(jìn)入充電模式;當(dāng)檢測到路面光線較暗，同時(shí)通過人體紅外傳感器檢測到有行人時(shí)，系統(tǒng)則開啟太陽能路燈;當(dāng)光線較暗但是長時(shí)間沒有行人時(shí)，路燈變暗或熄滅進(jìn)入節(jié)能模式.ZigBee通信模塊則可以實(shí)現(xiàn)各路燈之間的通信，檢測路燈的工作狀態(tài).在光線不足的情況下行人通過時(shí)，路燈可以根據(jù)行人的行走方向提前開啟部分路燈，實(shí)現(xiàn)人來燈亮，人走燈滅的智能監(jiān)控效果.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)由電源模塊、STM32F103ZET6、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、BOOT啟動(dòng)模式選擇和下載電路等部分組成.其中STM32F103ZET6是系統(tǒng)的CPU，其引腳資源和分布情況如圖2所示.

2.2 光照信息監(jiān)測模塊

光照檢測傳感器模塊采用靈敏型光敏電阻傳感器檢測光照信息，模塊工作原理如圖3所示，通過電位器的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，使用寬電壓LM393比較器，使得信號(hào)更加穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)[4].本系統(tǒng)CPU的PD0端直接與模塊OUT端相連，通過PD0端檢測的高低電平情況判斷環(huán)境光線亮度情況（環(huán)境光照強(qiáng)度較弱時(shí)，OUT端輸出高電平;光照強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，OUT端輸出低電平）.即，當(dāng)PD0端口檢測到高電平時(shí)系統(tǒng)控制路燈開啟，當(dāng)PD0端口檢測到低電平時(shí)系統(tǒng)控制路燈關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能光照調(diào)節(jié)的功能.

2.3 聲音監(jiān)測模塊

本系統(tǒng)選用的聲音監(jiān)測模塊如圖4所示，該模塊具有靈敏度可調(diào)，數(shù)字開關(guān)量輸出，安裝方便，簡單易用.模塊接線如表所示，當(dāng)系統(tǒng)檢測PA0端口為高電平時(shí)表明環(huán)境聲音強(qiáng)度較弱，當(dāng)檢測到PA0端口為低電平時(shí)表明環(huán)境聲音較強(qiáng)，以此判斷環(huán)境聲音強(qiáng)度.

2.4 人體紅外傳感器模塊

系統(tǒng)選用的是LHI778探頭設(shè)計(jì)的人體感應(yīng)模塊（型號(hào)為HC-SR501），該模塊具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)和超低壓工作模式，廣泛應(yīng)用于安防產(chǎn)品、人體感應(yīng)設(shè)備和工業(yè)自動(dòng)化控制中，工作原理如圖5所示.

人體紅外感應(yīng)模塊接線如表2所示，當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍OUT端輸出高電平，人離開一段時(shí)間OUT端輸出低電平，系統(tǒng)CPU通過PB0口檢測高低電平的狀態(tài)判斷路上有無行人.

2.5 ZigBee通信模塊

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有三種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)節(jié)點(diǎn)，即：Coordinator（中心協(xié)調(diào)器）、Router（路由器）和End Device（終端節(jié)點(diǎn)）.ZigBee通信具有低成本、低功耗、低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)容量大、性能穩(wěn)定和安全性高等特點(diǎn)[5].本系統(tǒng)選用的是工業(yè)級(jí)ZigBee模塊，模塊上電即可自動(dòng)組網(wǎng)，Coordinator自動(dòng)給所有的節(jié)點(diǎn)分配地址，網(wǎng)絡(luò)加入、應(yīng)答等專業(yè)ZigBee組網(wǎng)流程，同時(shí)利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制模塊可存儲(chǔ)和處理各路燈的數(shù)據(jù)信息[6].

2.6 報(bào)警模塊

系統(tǒng)報(bào)警模塊采用的是LED燈模擬，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，綠燈點(diǎn)亮;當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，紅燈閃爍.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 光照信息檢測模塊

系統(tǒng)具有光照檢測功能，當(dāng)光照充足時(shí)，路燈處于關(guān)閉狀態(tài);當(dāng)光照信息不足時(shí)，再通過聲音或者紅外感應(yīng)傳感器判斷是否有人，若有，則路燈開啟，若沒有則路燈關(guān)閉，程序流程圖如圖6所示.

3.2 聲音監(jiān)測模塊

系統(tǒng)具有聲音檢測功能，當(dāng)夜間光照不足時(shí)可通過聲音檢測模塊判斷是否有人，若有人則通過處理器打開路燈，程序流程圖如圖7所示.

3.3 人體紅外感應(yīng)模塊

系統(tǒng)具有人體紅外感應(yīng)功能，能識(shí)別道路上是否有行人，再結(jié)合光照強(qiáng)度信息決定路燈的開合狀態(tài)，程序流程圖如圖8所示.

3.4 ZigBee通信模塊

系統(tǒng)ZigBee通信模塊則可以實(shí)現(xiàn)各路燈之間的通信，在光線不足的情況下行人通過時(shí)，路燈可以根據(jù)行人的行走方向提前開啟部分路燈，實(shí)現(xiàn)人來燈亮，人走燈滅的智能監(jiān)控效果.

4 總結(jié)

基于STM32的太陽能路燈控制系統(tǒng)利用ZigBee通信模塊實(shí)現(xiàn)路燈之間的無線通信，可以對整個(gè)路燈系統(tǒng)進(jìn)行智能監(jiān)控.同時(shí)，太陽能路燈的應(yīng)用具有無須布線、使用清潔能源和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的開發(fā)和應(yīng)用空間.本系統(tǒng)目前彌補(bǔ)了傳統(tǒng)路燈的按時(shí)控制的不足，可實(shí)現(xiàn)在光照條件不足的情況下根據(jù)路面行人的情況進(jìn)行智能補(bǔ)光，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值.由于智慧交通的發(fā)展需要，本系統(tǒng)還將繼續(xù)優(yōu)化，把太陽能路燈接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對路面信息的網(wǎng)絡(luò)化、可視化監(jiān)控，為大家出行提供智慧化的服務(wù).

參考文獻(xiàn)：

〔1〕梁曉梅.太陽能路燈在小城鎮(zhèn)路燈改造中的應(yīng)用[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2019（5）：47.

〔2〕王國義.基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽能路燈控制系統(tǒng)的研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（6）：32-35.

〔3〕夏元興，裴蕾，許瑞琦，等.太陽能路燈的運(yùn)行與應(yīng)用[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（28）：17.

〔4〕孫天意，薛松，趙婧含等.太陽能路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（14）：176-177.

〔5〕黃梓龍.淺談智能式LED太陽能路燈控制器的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（3）：128-129.

〔6〕張銀蒲.基于ZigBee技術(shù)的太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2015（3）：18-20.