基于STM32和物联网技术的道路智能照明设计

史经允 史殊姝

【摘  要】针对目前道路照明系统资源浪费严重等现象，研究了基于STM32和ZigBee技术的道路智能照明设计，实现了道路照明系统的节能减排、实时监测和远程控制。该系统将嵌入式技术与无线通信技术相结合，在可靠性、可用性、便捷性以及稳定性方面具有优势，能够应用于各种场合的道路，可移植性强，具有强大的应用潜力。

【Abstract】In view of the serious waste of resources in the current road lighting system， this paper studies the intelligent road lighting design based on STM32 and ZigBee technology， which can realize the energy saving and emission reduction， real-time monitoring and remote control of the road lighting system. The system combines embedded technology with wireless communication technology， which has advantages in reliability， availability， convenience and stability. With strong portability and strong application potential， it can be applied to roads in various occasions.

【关键词】STM32;物联网技术; ZigBee技术;道路智能照明

【Keywords】STM32; internet of things technology; ZigBee technology; intelligent road lighting

【中图分类号】TM923.58                                           【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）08-0187-02

1 引言

随着我国经济实力的增强，部分农村地区的乡间道路照明系统日益完善，为人们夜间出行提供了极大的便利。由于农村地区的广阔性，使得农村地区照明系统的检测和维护需要花费较多的人力和物力，同时，农村地区相对城市地区人们夜间出行的人数相对较少，这也使得资源存在很大的浪费。当今时代，人们不仅仅注重道路照明系统的基本功能，也更加注重节能环保。本系统的设计旨在对农村道路照明系统进行改进，达到以下效果：系统能够进行自我监控，这样一方面可以降低管理人员的工作难度，一方面系统可以实时监测、反馈数据，使得维修更加及时，从而降低事故发生的可能;系统能够根据实时数据，因时因地因环境制宜，对灯光亮度进行调节，实现节能环保。

2 系统的总体设计概述

本系统的智能照明部分主要利用温湿度传感器、光照传感器、PM2.5检测装置以及车流量检测装置对道路环境进行实时监测，主控制器STM32将得到的数据传送给系统控制中心，同时对数据进行处理，再结合时间、季节、路况以及事故发生频率综合得到一个系数，主控制器根据这个系数向各个路灯控制器发送相应调节亮度的命令，从而实现道路照明系统亮度的自动调节，达到节能环保的目的。智能监测部分主要是在路灯控制器上嵌入线路的电流、电压以及功率检测装置，当该装置检测出来的数据高于或低于规定数据区间时，该装置自动激活路灯控制器的报警系统，路灯控制器向集中控制器发送异常数据，集中控制器再将数据传回系统控制中心，并激活系统控制中心警报系统，提醒工作人员及时检修。

3 系统的主要组成

系统主要由路灯控制器，集中控制器，环境监测器以及系统控制中心组成，其中集中控制器和环境检测器都围绕STM32来实现其功能，所以在系统框图中，默认环境检测器嵌入在集中控制器中。

①路灯控制器：该部分主要包括路灯的开关装置、灯光亮度的调节装置以及线路的电流、电压以及功率检测装置，是整个系统的最前端。②集中控制器：该部分是整个系统的核心，“承上启下”，其主要功能是管控各个路灯控制器，将路灯控制器以及环境监测器传送的数据进行处理并向系统控制中心发送。③环境监测器：该部分主要包括温湿度传感器、光照传感器、PM2.5检测模块以及車流量检测模块，负责采集实时数据，该部分的准确性对道路照明系统的节能有决定性作用。④系统控制中心：该部分主要是在PC端完成，负责数据的存储及显示，工作人员可以在系统控制中心实时观测各路段路灯实时工作情况，也可以在PC端操作控制路灯的工作状态。当接收到路灯故障数据时，系统控制中心警报系统启动，同时，工作人员可以在PC端看到反馈故障数据的路灯的编号，便于及时修复。

4 系统的硬件模块

4.1 通信模块

ZigBee通信模块：本设计中ZigBee通信模块使用的IT公司生产的CC2530模块，该模块具有低功耗、协议栈免费等多方面优点。ZigBee通信模块分为主模块和从模块，主从模块需要完成同一频率间的数据通信，主模块与主控模块之间的连接方式采用串口连接，实现ZigBee无线通信的主从控模块之间的通信[1]。

4.2 主控制器模块

本模块采用的是STM32L475，STM32L4具有先进的内核，采用Cortex M4内核，带FPU和DSP指令集，具有丰富的外设供人们使用，同时满足高性能、低成本、低功耗的要求。

4.3 传感模块

温湿度传感器AHT10模块是一款高精度，完全校准，贴片封装的温湿度传感器，采用标准IIC通信方式。该传感器由一个电感式感湿元件和一个高性能CMOS微处理器连接组成，具有超快反应、抗干扰强等优点。

光照传感器AP3216C模块，是一款三合一环境传感器，包含了数字环境光传感器（ALS）、接近传感器（PS）和一个红外LED（IR），采用IIC接口与MCU连接，支持中断输出。

PM2.5检测模块采用GP2Y1010AU0F粉尘传感器，采用串行通信，输出稳定，而且此传感器取消了模拟输出端口，进而省去了外围电路，节省成本[1]。

车流量检测模块是基于ZigBee技术与微波传感技术的车流量检测系统，微波传感技术具有精度高、抗干扰能力强、全天候使用以及维护简单等优点，ZigBee技术中使用的是CC2530芯片，具有低功耗、高功率、体积小等优点。

4.4 PC终端

PC终端是通过上位机在电脑上查看集中控制器所传送回来的数据，可以远程监测路灯的照明情况，也可以实时观测道路环境的相关数据。工作人员也可以在PC终端反向给照明系统发送指令，调节其开关或者亮度。

5 系统实现

本系统由环境检测器采集附近的温湿度、光强等数据，传送给集中控制器，集中控制器根据实时数据再结合车流量、时间、季节、路况以及事故发生频率综合得到一个合适的亮度值系数，主控制器根据这个系数向各个路灯控制器通过ZigBee发送相应调节亮度的命令，从而实现道路照明系统亮度的自动调节。每个主控制器配备有一个环境监测器，每个主控制器管控20个路灯，同时，集中控制器通过GPRS模块接入Internet网络，从而可以把实时监测的环境数据以及故障报警数据发送到系统控制中心。同样，工作人员可以在系统控制中心反向控制路灯的状态。

5.1数据的采集

利用在STM32L4上集成的温湿度传感器、光照传感器、PM2.5测量传感器以及基于ZigBee技术与微波传感技术的车流量检测系统，对道路环境进行实时监测，采集实时数据。

5.2 数据的传输

每一个路灯控制器都嵌入了一个ZigBee无线通信模块，使其形成自组织网络，通过该网络可以实现路灯控制器和集中控制器之间的无线通信。集中控制器通过GPRS模块接入GPRS网络，进而连接到Internet网络，并主动与系统控制中心建立通信链路，可以进行双向通信，STM32单片机与GPRS模块通过串口进行数据传输。采集到的实时数据以及照明系统的故障监测系统所采集到的异常电流、电压以及功率等相关数据都传送到系统控制中心，进行下一步处理，系统控制中心在PC端对道路照明系统所发出的指令，也将通过Internet传送给集中控制器，再通过ZigBee网络发送给每个路灯控制器，实现相关命令及操作。

5.3 系统的控制

本系统的控制机制分为三层，最低层为路灯控制器，一个路灯控制器控制一个路灯的亮灭以及亮度的调节，如果把本系统类比为一个小区的供水系统，可以把路灯控制器类比为小区里每户人家的入水阀门;中间层为集中控制器，它可以控制20个甚至更多的路灯控制器，进而控制路灯，可以把集中控制器类比为小区里一栋楼的供水阀门;最高层为系统控制中心，可以控制整个系统，可以把系统控制中心类比为整个小区的进水管阀门。环境监测器采集道路附近的光强、天气状况以及车流量等数据，传送给集中控制器，集中控制器再结合时间、季节、路况以及事故发生频率综合得到一个亮度值系数。集中控制器对环境采集器采集的数据进行筛选后，通过Internet发送给系统控制中心，以备工作人员查验。同时，系统控制中心也可以利用集中控制器反向控制路灯控制器，进而控制路灯的亮灭以及亮度。

5.4 软件的实现

系统控制中心的PC终端通过集中控制器向路灯控制器发送命令。集中控制器综合分析环境监测器采集到的环境数据，通过ZigBee网络传送给路灯控制器，同时通过Internet网络将筛选后的数据传送到系统控制中心。传送回来的数据实时显示在PC终端，系统控制中心对数据进行存储并再次进行数据检验。必要时，工作人员还可以通过此管理系统对路灯终端进行远程控制。

6 结语

在互联网技术支持下，采用ARM芯片与ZigBee技术所设计的该道路智能照明系统，能够根据实时的外界环境自动调节灯光的亮度，起到了一定的节能減排效果，同时也延长了灯具的使用寿命。路灯的自检系统能够及时将路灯状况反馈给工作人员，这减轻了工作人员的工作量，同时工作人员及时发现损坏路灯并维修，也减少了一些意外事故的发生。由于此系统具有因路况制宜的特点，不仅可以用于农村道路的照明系统，一些城市道路照明系统甚至高校、小区里面的道路照明系统均可采用此系统，以达到节能减排的效果。该系统构建合理，绿色环保，具有可靠性高、可用性强、安装方便等特点，具有实际的应用价值。

【参考文献】

【1】包子建.基于IoT的道路照明系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019（10）：213-214.

【2】丁亮.基于物联网的城市路灯监控系统架构及相关技术实现[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.