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(fā)展中不可或缺的要素。傳統(tǒng)城市路燈僅能簡單滿足照明需求，但無法實現(xiàn)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(fā)并實施了一種創(chuàng)新的智慧路燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32作為核心控制器，通過ESP8266連接到后臺通信服務器，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸、在線命令執(zhí)行以及策略下發(fā)，從而實現(xiàn)了路燈的智能化控制，為城市照明提供了更安全、可靠、節(jié)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(tǒng)路燈管理方式的弊端日益凸顯。其一，傳統(tǒng)路燈壽命較短； 其二，傳統(tǒng)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(tǒng)路燈存在光污染問題，因其照明亮度固定無法適應環(huán)境變化，難以根據(jù)實際環(huán)境變化進行智能調(diào)節(jié)，無法根據(jù)天氣、交通流量等因素進行實時調(diào)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(shù)字技術和網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，人們對路燈系統(tǒng)的數(shù)字化和網(wǎng)絡化管理進行了深入研究。這不僅有助于節(jié)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(fā)生率。隨著人民生活水平的提高，對公共路燈的監(jiān)控變得越來越重要。近年來，路燈監(jiān)控系統(tǒng)的研究和實踐在國內(nèi)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(tǒng)仍存在穩(wěn)定性方面的一些缺陷和改進空間。智能化、網(wǎng)絡化、實時化、精確化和動態(tài)化已成為現(xiàn)代城市道路照明管理系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1]。

1 系統(tǒng)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(qū)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(jīng)穩(wěn)壓模塊給鋰電池充電，然后為系統(tǒng)供電；設計中提供了“光控模式”和“手動模式”兩種模式，可根據(jù)光照情況調(diào)節(jié)LED燈的亮度；系統(tǒng)能夠采集光照數(shù)據(jù)，并根據(jù)光照數(shù)據(jù)和模式，通過單片機內(nèi)部PWM驅(qū)動高亮LED燈。對高亮LED燈的狀態(tài)、光照采集數(shù)據(jù)以及充電時長進行顯示；系統(tǒng)采集的鋰電池電壓、電量等數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示，并將這些數(shù)據(jù)通過ESP8266模塊傳送至終端。STM32 控制主機將收到的環(huán)境信息數(shù)據(jù)以及路燈狀態(tài)信息等上傳到后臺服務器，Android APP通過訪問服務器進行數(shù)據(jù)的獲取和顯示，同時APP也可以向主控板發(fā)送控制指令使路燈系統(tǒng)完成相應的參數(shù)設置或執(zhí)行相應的控制功能[2]。

1.2 設計流程

系統(tǒng)設計流程如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 主控系統(tǒng)

主控制器采用嵌入式處理器 STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)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(tǒng)中具有以下優(yōu)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(shù)字轉換器（ADC）、脈寬調(diào)制器（PWM）等，為系統(tǒng)提供了靈活的連接和控制方式。

（2）豐富的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)：STMicroelectronics提供了完善的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，包括開發(fā)工具、免費的集成開發(fā)環(huán)境（如STM32CubeMX和STM32CubeIDE）以及豐富的技術支持和文檔資料，有利于開發(fā)人員快速開發(fā)和調(diào)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(jù)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(tǒng)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(tǒng)時采用電網(wǎng)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(wǎng)獲取電力，為路燈全天候供電；智能電網(wǎng)連接備用電源的系統(tǒng)設計可使系統(tǒng)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(tǒng)會自動切換到電網(wǎng)供電，確保路燈不間斷照明。系統(tǒng)配備了監(jiān)測和管理功能，可以實時監(jiān)測太陽能電池的狀態(tài)和電網(wǎng)連接情況[5]。這有助于及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施，以確保路燈正常運行，同時便于系統(tǒng)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(wǎng)供電，從而實現(xiàn)節(jié)能目標。

2.3 太陽能發(fā)電模塊

太陽能發(fā)電模塊是太陽能電力系統(tǒng)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(tǒng)供電。本系統(tǒng)選擇多晶硅太陽能電池板作為發(fā)電元件，太陽能發(fā)電后經(jīng)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(tǒng)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(xiàn)對光照條件的實時監(jiān)測和控制，使其在不同環(huán)境下能夠自動調(diào)整光線水平。這種電路的應用不僅有助于節(jié)約能源，還在安防、照明等領域發(fā)揮著重要作用。通過精心設計和調(diào)校光敏檢測電路，可以實現(xiàn)系統(tǒng)對環(huán)境光變化的高度敏感性，從而提高自動化系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。ESP8266以其低功耗、先進的功耗管理技術，以及全球范圍內(nèi)的廣泛支持而備受青睞。開發(fā)人員可以利用其豐富的開發(fā)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(xiàn)無線連接和物聯(lián)網(wǎng)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(shù)，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(wǎng)絡連接。NB-IoT是能夠在全球范圍內(nèi)廣泛部署的低功耗廣域網(wǎng)，可以直接部署在現(xiàn)有運營商網(wǎng)絡，消耗約180 kHz帶寬，且成本低，功耗低，還可將采集的數(shù)據(jù)上傳至云端[8]。通信任務需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送功能，包括將路燈控制器的狀態(tài)信息、環(huán)境數(shù)據(jù)或其他相關信息封裝成數(shù)據(jù)包，并通過NB-IoT網(wǎng)絡發(fā)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(diào)節(jié)、工作模式設置等。系統(tǒng)通信任務程序流程如圖3所示。

3.3 通信協(xié)議

在智能路燈系統(tǒng)中，采用MQTT通信協(xié)議，該協(xié)議通過其輕量級、高效的特性，實現(xiàn)了智能路燈與中心服務器之間快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。通過MQTT的發(fā)布/訂閱模式，系統(tǒng)可以實現(xiàn)靈活的燈光調(diào)控，遠程監(jiān)控和管理，并能夠利用事件觸發(fā)和其自動化模塊實現(xiàn)更智能化的路燈控制。同時，MQTT協(xié)議的跨平臺和互操作性保證了不同設備和系統(tǒng)之間的良好兼容性，為智能路燈系統(tǒng)的部署和擴展提供了便利。智能路燈系統(tǒng)基于MQTT通信協(xié)議實現(xiàn)，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(tǒng)應用STM32嵌入式處理器采集路燈周圍的相關環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)信息，結合WiFi模塊實現(xiàn)無線傳輸，完成路燈控制系統(tǒng)的智能控制，同時可以實時監(jiān)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(yōu)勢，因而在城市照明方案中展現(xiàn)出廣泛的開發(fā)和應用前景。本系統(tǒng)成功解決了傳統(tǒng)路燈按時控制的問題，其獨特之處在于能夠根據(jù)路面的行人情況智能補光，尤其在光照不足的情況下表現(xiàn)出色。隨著智慧交通的不斷演進，系統(tǒng)將進一步優(yōu)化，將太陽能路燈融入網(wǎng)絡中，以實現(xiàn)路面信息的網(wǎng)絡化和可視化監(jiān)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(fā)展前景為城市照明和交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。

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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(fā)。

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