基于物联网的智能路灯设计-设计说明书
电子校园网 编号：
HJJ-32-2022-013-LW
设计摘要：
本论文设计了一种基于STM32单片机的智能路灯系统，采用了物联网技术实现远程控制和监测。系统由中控部分、输入部分和输出部分组成。中控部分使用STM32单片机作为核心控制器，负责获取输入部分的数据，并通过内部处理控制输出部分。输入部分包括光照检测模块、独立按键和供电电路，分别用于检测光照强度、切换模式和提供电源。输出部分包括OLED显示模块、WIFI模块和USB灯，用于显示光照强度、阈值和模式，并通过WIFI模块实现远程控制和监测，USB灯用于模拟实际路灯。通过实验验证，本系统能够实现智能控制和远程监测路灯的功能，具有较高的实用性和可靠性。该设计为智能路灯的应用提供了一种创新的解决方案，具有广阔的应用前景。
关键词：单片机；WIFI模块；光敏电阻
字数：10000+
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摘 要
ABSTRACT
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
1.2 国内外研究现状
1.3 课题主要内容
2 系统设计方案
2.1 系统整体方案
2.2 单片机的选择
2.3 电源方案的选择
2.4 显示方案的选择
2.5光照检测方案的选择
3系统设计与分析
3.1 整体系统设计分析
3.2 STC89C52单片机
3.3 OLED显示模块
3.4光敏电阻检测模块
3.5 WIFI模块
4 系统程序设计
4.1 编程软件介绍
4.2 主程序流程设计
4.3 按键函数流程设计
4.4 处理函数流程设计
5 实物调试
5.1 电路焊接总图
5.2 自动模式下开关灯检测实物测试
5.3 手动开关灯实物测试
5.4 远程控制实物测试
结 论
参考文献
致 谢
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
随着城镇化进程的加快，城镇道路照明设施的规模也在不断扩大，路灯照明在保障夜间交通安全，方便行人出行，减少夜间犯罪，提供舒适生活环境等方面起着非常重要的作用。路灯规模的快速发展也面临着以下的挑战：路灯照明每年都消耗大量的电能，亟需更加节能的照明方案；另外随着路灯规模的扩大，路灯的管理与维护变得更加的困难。
目前大多数城镇的路灯控制管理系统仍采用有线网络布局方式，施工复杂、灵活性差、耗时耗工；而且，我国绝大多数地区的路灯关开灯都是采用人工控制或者定时控制，这样也有许多不利之处：若采用人工控制，则路灯开关存在着一定的不确定性，同时也占用了一定的人力资源；定时控制则存在着夏冬季白黑昼时间不同的情况，使得天还没黑路灯就开，天还没亮路灯就灭的情况，大大影响了人们的日常出生活。通过“晚上巡灯，白天巡线”的人工方式，不仅消耗大量的人力、物力、财力，而且效率低，有问题不能及时的发现进行解决。如今，照明电路的数量越来越多，所以，对路灯的设计已经成为了当务之急，特别是午夜之后车流量急剧减少时，应该适当的关闭路灯，节约用电。但是我国的既节能又能延长路灯寿命的技术相比国外却是落后了，因此智能路灯控制系统的研究对于社会的发展至关重要。为了解决上诉的一些弊端，本设计是基于物联网的智能路灯设计，主要实现以下功能：我们可以按键能够控制路灯的亮灭;然后通过光照度传感器检测到当前的光照情况（通过继电器控制灯）。同时根据光照强度的不同来自动控制路灯的亮灭(自动模式)；获取的光照数据接入物联网云平台，我们也可以在云平台控制路灯的亮灭;并利用OLED显示光照强度、阈值和模式。该设计对于减少资源浪费和加强路灯的智能化管理具有重要的意义。
1.2 国内外研究现状
重大科学技术的发展成熟总是给人类社会生活带来重大的变革,一直以来,路灯都是仅以照明为目的,但随着科技日新月异的同时,尤其物联网技术成为现实之后,人们意识中的传统路灯已经满足不了建设智慧城市,智慧社区的要求.传统路灯大多数是采用手动,光照,时钟控制以及半夜的超大功率运行,不能按需调节亮度,不仅造成能源的浪费而且降低了其使用寿命.此外,路灯分布分散,缺乏有效的定位手段,给维护管理增加了难度,浪费了社会资源.在此背景下,设计实现智能路灯控制系统势在必行.2019年张宁针对目前国内外路灯系统的现状,分析了路灯系统实现智能化的必要性和可行性,结合嵌入式技术,云技术,Web技术以及LPWAN,设计实现了基于NB-IOT的智能路灯控制系统.本系统包括主控模块,路灯现场环境数据采集模块,通信模块,输出控制模块,云平台,PC机Web管理系统等.本文选取基于Cortex-M4内核的32位低功耗微处理器STM32L476RCT6作为主控MCU,选取低功耗,低成本,广覆盖,广连接的NB-IOT模组BC95为通信模块,结合多个传感器,GPS模块以及继电器等外围电路模块实现了数据采集和输出控制,最终实现了系统硬件设计.选用FreeRTOS实时操作系统和状态机编程思想利用C语言实现了系统软件设计,同时使用了当前非常流行的云技术完成了设备到云平台的连接,使用Java语言完成了应用服务器和PC机Web管理系统.本系统改善了传统路灯的不足,实现了新时代,新技术下的智能路灯控制系统.该系统以提高照明的舒适性,人性化和智能化以及资源的节约性,系统安全性为基础,与Web终端,无线通信技术,物联网技术和传统路灯相结合,实现了按需照明,数据采集,数据传输,数据处理和控制执行的一体化.文章最后对系统的整体性能进行了全面测试,测试结果表明,此系统能实现准确定位,准确采集各种数据,并根据数据执行相应的动作,同时将数据上传到应用端,并能从Web准确下发命令实现远程控制[1],满足了对智能路灯的需求。
针对传统照明设备存在能源浪费,维护困难等问题,2021年李超提出一种基于NBIOT通信的智能路灯监控系统,系统以STM32为主控芯片,利用安装在照明节点上的单灯控制器采集路灯节点能耗,环境光照度和路灯状态等数据,通过NB-IOT通信模组将数据发送到系统管理平台,对路灯进行管理和监控.测试结果表明,相比同类其他产品方案,基于NBIOT通信技术的系统在穿透能力,稳定性,可靠性方面更具有优势,具有很强的实用价值和推广价值[2]。
目前，在全世界范围内，路灯消耗着巨大的电能，当天黑时自动打开，变亮时自动关闭。这是全世界能源的巨大浪费，应该改变。Fahad M S,Anwer M S ,Reza M S探讨了一种基于电力线通信技术的智能路灯节能系统。在这里，他们将实现基于PLC（电力线通信）技术和RTOS的智能路灯节能系统。从PC开始，他们通过PLC通过微控制器控制路灯。微控制器将放置在每个路灯中。每个路灯的开和关信号将从PC关键字给出：RTOS，PLC，PC，微控制器[9]。
为了解决传统路灯控制系统中电力和人力资源的浪费问题，2022年Y Qu，Y Yang，Y Li设计了一种基于STM32和LoRa技术的智能路灯集中控制系统。集中控制系统由一个集中控制装置和多个单灯控制装置组成。STM32F103是集中控制器件的MCU。系统利用LoRa技术通信成本低、传输距离远的特点，实现集中控制设备与单灯控制设备之间的通信。集中控制设备使用Modbus RTU协议与传感器模块进行通信，并根据环境因素进行调整。路灯的亮度实现了路灯的“按需照明”，提出了一种自适应速率算法来优化LoRa网络的通信，提高系统的工作效率。该集中控制系统结合了嵌入式和无线通信技术，在成本、可靠性、节能和智能控制方面具有优势。可应用于各种环境下的路灯照明控制[10]。它具有高度的智能性和强大的市场潜力。
与上述几种设计方案相比，该设计方案更加方便易懂，便于实际操作，价格低廉，在集成电路的选择上更易于使用和精巧。
1.3 课题主要内容
本设计是基于STM32单片机和物联网技术的智能路灯系统。系统由中控部分、输入部分和输出部分组成。中控部分使用STM32单片机作为核心控制器，负责获取输入部分的数据并控制输出部分。输入部分包括光照检测模块、独立按键和供电电路，用于检测光照强度、切换模式和提供电源。输出部分包括OLED显示模块、WIFI模块和USB灯，用于显示光照强度、阈值和模式，并通过WIFI模块实现远程控制和监测。该设计实现了智能控制和远程监测路灯的功能，具有实用性和可靠性，并为智能路灯应用提供了创新的解决方案。
