基于STM32的太阳能路灯智能管理系统设计

摘要：为了积极响应国家安全、绿色、健康照明的战略要求，并满足日益增长的道路照明需求，文章设计并实现了一种基于STM32单片机的太阳能路灯智慧管理系统。该系统利用STM32F103C6T6单片机、声光报警、红外传感器等模块分别控制，利用光敏传感器、远程检测模块实现了太阳能路灯的亮度调节、远程智能监控与管理。现场测试结果表明，该系统性能稳定，达到了设计要求。

关键词：智慧管理系统；STM32F103C6T6单片机；光敏传感器

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）09-0085-05 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

随着城市化进程加快，城市路灯管理面临着效率低、成本高、资源浪费等问题[1]。传统交流供电路灯维护不便，而智能化管理成为未来发展方向。新型路灯智慧管理对相关管理部门人员有着极高的便捷性，足不出户便可管理路灯。因此，用一种新型的路灯管理手段，可以有效解决管理人员的劳动强度，使城市路灯得到高质量发展。

近年来，随着国内光伏产业技术与LED照明技术结合发展，叠加国家政策对于太阳能路灯税收、补贴等支持力度推动的影响，我国太阳能路灯行业快速扩展。通过数据统计分析，2010—2021年，我国太阳能路灯行业安装设备总量达5 000万盏以上；2021年，国内太阳能路灯行业市场规模突破50 亿元，预计到2025年，行业市场规模或将突破达到69.85亿元，从而持续拉动我国光伏照明行业市场加速突破发展。国家的大力支持，城市发展的需要已成为太阳能路灯管理的历史所趋。

1 系统结构

太阳能路灯智慧管理系统框图如图1所示，系统结构分为STM32F103C6T6控制下的时钟芯片控制、红外传感器、功能键盘、光线检测、LCD显示、电源、远程控制检测以及蜂鸣器报警等八个功能模块。对于此系统来说，远程控制检测模块与STM32单片机进行数据交互[2]；时钟芯片控制路灯的开关时间并进行数据统计[3]；红外传感器控制人流量；功能键盘实现模式切换；光敏传感器检测环境光强；LCD显示模块显示系统状态；太阳能电池板为系统供电；蜂鸣器报警模块则使检修人员通过蜂鸣器是否报警了解系统是否出现故障。从而该系统实现了数据查询、传输和便捷管理等功能。

2 硬件设计

系统终端监控层是核心部分，其设计直接影响系统的稳定性和可行性。本节将详细介绍各个模块的功能实现。

2.1 单片机模块

一个完整的系统必须具有控制芯片，所以考虑到系统功能的实现，单片机部分采用STM32F103C6T6 芯片，此芯片是基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，这使得它具有更高的性能，更丰富的外设和更大的存储容量。它的多个接口可以控制各个功能模块的实现，如时钟芯片功能等。该芯片可以直接与系统中各个模块相互配合，实现各个功能[4]。

2.2 时钟芯片控制模块

为了实现太阳能路灯的智慧化管理，实现节约资源，需要用时钟芯片来进行信息的设计与统计。该模块采用DS1302（如图2所示） ，是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路[5]，可以对年、月、日、时、分、秒进行计时。它能够对小于31天的月和月末的日期进行自动调整，还包括闰年校正功能。

除了对日期进行计时外，还有节能功能。在此系统中，实现起始时间、关闭时间等，需要通过系统设计。而此设计是通过时钟芯片控制模块参数设置实现的。时钟芯片控制模块如图3所示。通过引脚5、6、7进行输入设置，使DS1302中的时钟计数器与控制器工作，其次1脚和8脚接地，最后通过2、3引脚连接晶振、电容，使此模块进行路灯工作的时间控制，将时间数据传展现在LCD屏幕上。

2.3 红外传感器模块

为了采集单位时间内人流量，并让路灯合理化运行，须采用红外传感器模块。其模块应用红外对管模块。红外传感器模块的主要电路图如图4所示，红外线对管是分为红外线发射管与红外线接收管，也是常用的红外发光二极管，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93 μm） 。管压降约1.4 V，工作电流一般小于20 mA。为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻[6]。拥有全自动感应功能，当人或其他动物出现在路灯感应区域内后，输出高电平，路灯亮起，进行照明；当其离开感应区域后，则自动延时关闭高电平，输出低电平，路灯灭掉。它还可以设置光敏控制，当白天或者其他光强烈时，路灯不亮。更重要的是，路灯不是晚上一直都进行照明的，当人流量达到预先设置的一定范围后，路灯亮起时间增多；而当人流量减少时，路灯亮起的时间则会变短。对于该原理图来说，由白色灯为发射管发射红外光线，黑色灯为接收管接收红外光线。当发射管发射的红外光线白色的路面时，绝大部分的光线都会经过路面反射回来[7]，而黑色管接收到返回的红外光线时，红外传感器将处于导通状态，out引脚输出低电平。

当INA+＞INA-时，没有障碍物，输出高电平；当INA+＜=INA-时，有障碍物，输出低电平，对应的发光二极管灯亮；INA-电压为0 V或者5 V，输入输出无意义，寻迹失灵。

2.4 功能键盘模块

为了让该系统简洁化使用，设置四个按键分别对应不同模式。功能键盘模块原理图如图5所示，其中S1控制全自动模式，S2控制半自动模式，S3控制手动模式，S4按键使太阳能路灯在有故障且蓝牙控制不了的情况下，强制关闭。对于全自动模式来说，系统中所有的运行都有电脑控制，蓝牙传输信息，各个模块相互配合，实现自动化，减少人力。对于半自动模式来说，有些部分须通过人力进行实现，否则功能不完备。其手动模式就是全部人力实现，增加了人力成本。按键的使用通过STM32F103C6T6 芯片控制进行，可以有效减少人力的加入。

2.5 光线检测模块

由于光敏电阻具有体积小、灵敏度高、性能稳定、价格低等特点，故用光线检测模块检测当时环境光线[8]。光线检测模块的电路图如图6所示，在光线检测模块中使用光敏电阻进行设计，应用光敏电阻进行设计，不同于晚上路灯常亮模式，它是根据人流量的多少进行路灯的亮与灭。与红外传感器一起工作，自动调节光线强弱；并且节能省电。与红外一起，人多时，路灯亮的时间较长；人少时，路灯亮的时间较短。当检测到人体红外信号时，R4开始传输信号，并与R3 传输的信号在U1处进行比较，产生低电平信号，使U3 亮起，即路灯工作。

2.6 远程控制检测模块

为了使人流量信息、光线检测信息等的具体结果在系统后台以及LCD屏幕上显示，则须设计远程检测模块。蓝牙3.0模块GDY-31（如图7所示） ，它可以与支持蓝牙的电脑（台式、笔记本）、手机（Android） 通信。远程控制检测模块电路图如图8所示。

通过p0口与外部电阻相连，控制灯光。

TXD：串行数据发送引脚，用于将数据从模块发送到外部设备。可以将外部设备的接收引脚（RXD） 与JDY-31的TXD引脚连接起来，以接收来自蓝牙模块的数据。

RXD：串行数据接收引脚，用于接收外部设备发送的数据。可以将外部设备的发送引脚（TXD） 与JDY-31 的RXD 引脚连接起来，以向蓝牙模块发送数据。

EN：使能引脚，用于控制模块的工作状态。通过给EN引脚提供高电平（通常是3.3V或5V） ，可以使模块进入工作状态。在没有使能引脚输入或给予低电平时，模块将处于低功耗待机状态。

STATE：状态引脚，用于提供模块的状态信息。通过监测STATE引脚的电平变化，可以获知模块的连接状态或其他相关状态信息。

2.7 LCD 显示模块

为了便于观察系统中的信息等，设置LCD显示。LCD 显示模块采用OLED 128×64 屏幕，其通过STM32F103C6T6单片机、红外传感器模块、光敏传感器模块的功能的实现，则在LCD显示屏上显示出当前状态下太阳能路灯的好坏，路灯光照的强弱以及是否照明等。

2.8 声光报警模块

为了方便检测系统故障，太阳能路灯智慧管理系统设置了声光报警模块，其原理图如图9所示，当系统内部检测出错误或者外部出现问题时，低端控制端自动跳入错误状态，发送警报问题和问题路灯给终端处理。当信号通过p0.7传输过来时，通过三极管Q1传输信号给蜂鸣器XLV1进行报警，报警同时X1闪烁。

2.9 电源

太阳能路灯智慧管理系统采用太阳能板为太阳能路灯进行供电，用太阳能电路板，可以有效利用太阳能资源进行环保：太阳能板利用太阳能发电，不产生任何污染和排放物，对环境没有负面影响，有助于减少温室气体排放，降低温室效应。节约能源：太阳能板能够将太阳能转化为电能，避免对有限自然资源的消耗，减少对电力系统的压力[9]。通过太阳能板给系统供电，带动系统运行。

3 软件设计

太阳能路灯智慧管理系统管理软件从功能划分可分为数据查询、人事管理、常用工具等[10]；根据使用权限可划分为：非内部管理人员与内部管理人员。非内部管理人员只有查询等基础功能的使用权， 而内部管理人员的权限则可使用所有功能。控制其整个系统主程序如图10所示，灯光控制子程序框图如图11 所示。

太阳能路灯智慧管理系统在初始状态时，通过DS1302读取时间，开始进行灯光控制并且检查电路状态，起始步骤完成后，判断LCD显示屏上的显示状态，是正常显示设置、工作时间设置、环境光阈值设置还是灯光检测界面，以上四个设置通过串口发送灯光状态，判断按键按下后进行按键功能处理，若未按下，则重新返回初始状态重新运行。

对于太阳能路灯智慧管理系统的灯光控制方面，在初始状态下检测环境光线，判断系统工作模式，手动、定时、全自动模式。定时模式下判断路灯是否在定时设置下的工作时间段，若为工作时间段内，路灯亮起，否则熄灭，在此情况下，进而判断是否有人经过来控制路灯亮起的时间长短。在全自动模式下，则排除了人为的控制，经过检测环境光线，在起始设定的光线阈值下，环境光线低于设置的阈值，则路灯亮起，否则熄灭。经以上的运行完成后，返回主程序，重新开始新一轮路灯运行。

该系统分为三种模式：全自动模式、半自动模式、手动模式。其流程框图如图12所示。其中全自动模式更能体现智能化管理的优势，它是基于单片机控制，分别对每盏路灯配置一个单元控制模块[11]，分别进行操作，可以减少功能损坏对其他元件的伤害。半自动模式以及手动模式是针对于全自动模式报错时的一种弥补措施。三种模式下的路灯都配置一个单元控制电路，通过在LCD屏幕查看不同的设置页面，温度、湿度等信息采集到LCD低端控制端，将此信息通过系统后台发送到远程终端，进行异地处理，实现人员减少。当然，如果路灯出现问题进行报错警报，则低端控制端将此路灯位置信息发送给终端（维修工人或相关工作人员） ，他们则会及时处理有问题的路灯，实现太阳能路灯智慧管理系统的有效管理，减少城市资源消耗，提高城市智慧化发展[10]。

4 测试结果

搭建的太阳能路灯智慧管理系统模型如图13，手机控制端页面如图14，当手机控制端发送数据时，其系统中的声光报警模块、红外传感器模块、LCD显示模块等通过在面包板上搭建，数据开始实时交互，并显示在LCD屏上，其数据显示如图15所示。

太阳能路灯智慧管理系统搭建模型是此系统简易模型。在面包板上面通过杜邦线将LCD显示屏、光敏传感器、红外传感器、时钟芯片、蜂鸣器报警等模块连接起来，并且将实时数据显示在LCD屏幕上。

手机控制端页面图片，是手机上的页面，通过手机（后台） 控制整个系统。右侧图是系统路灯的控制页面，进入控制页面后，展示路灯的开与关。左侧图则是路灯打开的页面。

太阳能路灯智慧管理系统数据显示图是简易的显示界面。通过系统的运行，在LCD屏幕上显示当日的天气状况以及灯的运行状态。

以下是测试结果。

1） 行人通过，LED灯闪亮，反之不亮，同时在LCD 显示屏上会出现当前状态下的温度、湿度、光照强度等。其反应时间在半分钟之内，远程控制模块在不断地根据当前状态实时交互给后台（手机端） 。

2） 开启全自动模式后，后台（手机端） 针对光强不足的情况对下位机发起命令，增大光照强度。而在光照充足的情况下，自动地对下位机发出减小光强或者关闭的命令。

3） 在程序设置的时间参数内，灯光闭合状况良好。且准确地按照灯光控制程序运行。

4） 当路灯系统产生故障时，报警模块下的蜂鸣器实时报警并且灯光闪烁，此过程反应时间在一分钟之内，且故障的报警准确率较高。

5 结束语

本文提出并实现了基于STM32F103C6T6单片机的太阳能路灯智慧管理系统，将声光报警模块、红外传感器模块等融合在一起，节约了资源，实现了城市路灯的智慧化管理，向智慧化、全能化城市迈出了一大步。本文提出的构想旨在改善城市路灯管理方面的落后问题， 同时也在智慧城市的其他基础设施管理上起到重要的标杆作用[10]。当然，也希望太阳能路灯智慧管理系统能够进一步提升，并在全国乃至全世界范围内实现更高效的管理，从而减少人力检修需求以及对环境资源的消耗。