毕业设计 - 基于STM32的智能路灯设计与实现 - 物联网嵌入式单片机-Toy模板网

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1 简介

Hi，大家好，今天向大家介绍一个单片机项目

基于STM32的智能路灯设计与实现

大家可用于课程设计或毕业设计

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2 绪论

2.1 项目背景

每当夜幕降临，城市中各种各样、色彩缤纷的路灯亮起，为城市披上了一层绚丽的外衣。但在这绚丽的外表下则隐藏着巨大缺点：

1)能源浪费：由于城市的夜晚进入后半夜后，人们已经开始休息，街上人流量开始减少，有些地段在特殊时段根本不需要过多的路灯照明，导致能源浪费，增加了不必要的成本；

2)维护困难：由于使用人工巡检，需要大量人力，而路灯数量庞大，路灯实时状态不能及时获取，导致路灯故障维护、排查效率极低。

2.2 需求分析

近年来中国国力不断增强，资源方面非常欠缺，其中电力能源尤为紧张。环保节能成为当今社会的主题。路灯是城市中处处可见的基础设施，也是一个城市现代化的标志。路灯最原始的控制方式是人工控制，由管理人员手动控制来实现，这种方式不仅浪费人力, 耗时较多，而且效率低下。其次是时控控制方式，由路灯的配电柜内的时控装置控制，也就是通过设置配电箱里的定时器，来实现路灯的定时打开或关闭，是目前城市应用最多的控制方式。但是时控控制照明方式单一且耗能较大，还常常因为不同原因而没有及时启动，例如：特殊天气等。

因此，为了提高城市道路照明系统的效率和可扩展性，丰富其照明方式，现提出了一种基于NB-IoT的智能路灯管理系统，目的是将城市道路照明与空气质量检测相结合，将嵌入式技术与无线通信相结合，同时融入到新的城市物联网（IoT）系统，从而实现对城市路灯的控制精准化、监控智能化、故障检修便捷化。利用传感器技术来完善城市道路智能照明，实现智能化，数字化的同时，具备监测周围环境并实时检测PM2. 5浓度功能。

stm32智能路灯,单片机

3 系统设计

具体功能如下：

1)路灯节点支持自定义控制方式，可支持自定义时间控制策略和多样化控制（两侧路灯全亮、全关、隔杆高亮等）两种方式；

2)根据所在环境光照强度，自动调节路灯亮度，低功耗节能减排；

3)断电保护，电压电流超过安全阈值，路灯自动断电；

4)路灯故障自动报警，GPS精确定位，可从手机APP、微信小程序、PC端和Web平台可视化监控路灯信息，随时可调取任何一处路灯信息；

5)实时采集路灯节点工作状态、电压、电流、功率、功率因数、耗电量、产生二氧化碳、频率、环境光照度和路灯状态数据，实现统计分析和历史查询。

6)使用机器学习算法，根据对路灯节点实现建模，实现城市画像分析。

总之，基于NB-IoT技术的城市道路智慧路灯监控系统有着广阔的前景和宽广的需求。

3.1 功能设计

基于NB-IoT技术的城市道路智慧路灯监控系统，在每个照明节点上安装一个集成了NB-IoT模组的单灯控制器，单灯控制器再经运营商的网络，与路灯控制平台实现双向通信，路灯控制平台直接对每个灯进行控制，包括开关灯控制、光照检测、自动调节明暗、电耗分析等操作。智慧路灯实物图如下所示：

3.1.1 系统角色分析

根据需求分析提出的研究方向，系统的角色分配如图 2-1 所示。管理人员在电脑中查看传感器节点检测回来的光强和 PM2.5 数据，并对数据进行判断。通过阿里云平台，对路灯进行手动控制。

stm32智能路灯,单片机

3.1.2 开发环境

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3.2 总体设计

智能路灯系统的总体设计主要分为软硬件设计和软件设计两个部分。硬件主要由STM32 开发板、光敏传感器、 PM2. 5 空气传感器和串口组成。软件则分为 IOT 云平台，Mysql 和数据的采集、发送和接收。

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3.3 硬件部分

3.3.1 整体架构

基于 NB-IoT 的智能路灯管理系统硬件部分主要以 STM32 开发板作为核心，光敏传感器模块与 PM2. 5 空气传感器模块通过串口与 STM32 核心板连接。传感器节点采集到的数据由核心板处理，然后把处理好的数据通过串口发送给 NB-IoT 模块。

stm32智能路灯,单片机
学长所用到的器件选型为：

（1） STM32 核心板： STM32F103
（2）光敏传感器模块： GY-30
（3） PM2. 5 传感器模块： GP2Y1014AU

3.3.2 stm32部分

学长使用到的具体型号为STM32F103C8T6，是一款 32 位的微控制器。

stm32智能路灯,单片机

STM32芯片接线图

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3.3.3 光敏传感器模块

相比于其他传感器，光敏传感器最为常见、每年的产量也占据多数、被人们所广泛应用。光敏传感器种类繁多，光电管、光电倍增管、光敏电阻等均包含在内。光敏电阻是最简单的光敏传感器，智能路灯管理系统用到的光敏传感器为 GY-30，是一种光敏电阻。其工作原理是利用光敏元件将光信号转换为电信号。

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3.3.4 PM2. 5 空气传感器模块

智能路灯管理系统中的 PM2. 5 空气传感器模块采用 GP2Y1014AU 粉尘传感器，是一款利用光学对空气中的灰尘进行检测的传感器模块，由夏普公司所开发研制。

stm32智能路灯,单片机

引脚图：

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3.3.5 NB-I oT 模块

NB-IoT 是万物互联网络的一个重要分支，是物联网领域的一个新兴技术，中文名称为窄带物联网。 NB-IoT 构建于蜂窝网络，消耗的带宽较小，大约为 180kHz。为了降低部署的成本，可直接部署于 GSM 网络（2G）、 UMTS 网络（3G）或 LTE 网络(4G) ，还能实现平滑升级。

stm32智能路灯,单片机

引脚图：

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3.4 软件部分

3.4.1 核心部分 - NBIOT 模块通讯控制

NB 作为通讯模块，将各传感器采集回来的数据，经过 STM32 处理后上传到服务器。

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NB 模组通过串口通讯，使用之前我们要对 NB 硬件进行复位，配置 USART 为中断源，初始化配置 NVIC，优先级的设置。然后我们就可以对 NB_UART 进行配置。第一步，初始化 GPIO，打开串口 GPIO 的时钟后分别配置 USART 的 Tx/Rx 的 GPIO模式；

stm32智能路灯,单片机

第二步，配置串口的初始化结构体，首先打开串口外设的时钟，然后配置串口的工作参数，其中波特率设置为 9600，数据字长设置为 8bit，设置停止位和校验位、设置工作模式时接收和发送一起设置，到这里串口的初始化配置就基本完成。还要配置串口的中断优先级，使能串口接收中断；

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3.5 实现效果

stm32智能路灯,单片机

路灯在不同光照强度下的亮度对比

stm32智能路灯,单片机

3.6 部分相关代码



void Adc_Init(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB |RCC_APB2Periph_ADC1 ,
ENABLE ); //使能 ADC1 通道时钟
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);  //设置 ADC 分频因子 6 72M/6=12,ADC 时间
不能超过 14M
//PA1 作为模拟通道输入引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入引脚
ADC_DeInit(ADC1); //复位 ADC1
ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent; //ADC 工作模式:ADC1 和
ADC2 工作在独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //转换工作在单通道模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE; //转换工作在单次转换模
式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None; //转换由软
件而不是外部触发启动
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC 数据右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //顺序进行规则转换的 ADC 通道的数目
ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure); //根据指定的参数初始化外设 ADCX 的寄存器
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的 ADC1
ADC_ResetCalibration(ADC1); //使能复位校准
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束
ADC_StartCalibration(ADC1); //开启 AD 校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校准结束
}
unsigned int Get_Adc(unsigned char ch)
{
 //设置指定 ADC 规则组通道， 一个序列， 采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ch,1,ADC_SampleTime_239Cycles5 ); //ADC1,ADC
通道， 采样时间为 239， 5 周期
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的 ADC1 的软件转换启
动功能
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));/等待转换结束
return ADC_GetConversionValue(ADC1);
} //返回最近一次 ADC1 规则组转换结果

void DS1302_Dispose() //时钟处理函数
{
unsigned char DS_Tab[7];
if(state==0)
{
ds1302_readtime(time_data_1) ; //先获取时间
ds1302write(0x8e, 0x80) ; //开保护
}
else
{
DS_Tab[0]=(time_data_1[0]/10) *16+(time_data_1[0]%10) ;
DS_Tab[1]=(time_data_1[1]/10) *16+(time_data_1[1]%10) ;
DS_Tab[2]=(time_data_1[2]/10) *16+(time_data_1[2]%10) ;
DS_Tab[3]=(time_data_1[3]/10) *16+(time_data_1[3]%10) ;
DS_Tab[4]=(time_data_1[4]/10) *16+(time_data_1[4]%10) ;
DS_Tab[5]=(time_data_1[5]/10) *16+(time_data_1[5]%10) ;
ds1302write(0x8e, 0x00) ; //关保护
ds1302write(0x80, DS_Tab[0]) ;
ds1302write(0x82, DS_Tab[1]) ;
ds1302write(0x84, DS_Tab[2]) ;
ds1302write(0x86, DS_Tab[3]) ;
ds1302write(0x88, DS_Tab[4]) ;
ds1302write(0x8C, DS_Tab[5]) ;
}
}

// PWM 调光程序如下所示。
if(adcx<300)LED_Count=300;//限制光敏 AD 转换的范围
else if(adcx>3900)LED_Count=3900;
else LED_Count=adcx;
PWM_Count=(LED_Count-300)/360; //光敏的范围是
3900-300=3600， 得到的 AD 值也减去 300， 去除 360 将光敏的强度转化为 10 个等级
}
else //不在范围区间， 是关
{
 PWM_Count = 0 ;
}
}
else
{
if(((time_data_1[2]*60+time_data_1[1])>=(Close_shi*60+Close_fen))&&((time_data_1
[2]*60+time_data_1[1])<(Open_shi*60+Open_fen)))
{
 PWM_Count = 0 ;//否则 PWM 为 0， 关。
}
else //是开
{
if(adcx<300)LED_Count=300;//如果 adcx 值小于 300， LED
输出值为 300
else  if(adcx>3900)LED_Count=3900;//如果 adcx 值大于
3900， LED 输出值为 3900
else LED_Count=adcx;//否则 LED 输出值等于 adcx 值
PWM_Count = (LED_Count-300)/360;
}
}
}
else PWM_Count = 0 ; //否则 PWM 为 0， 关。
}