代码收藏家 【基于STM32的智能路灯：物联网、嵌入式与单片机的实现】
文章目录
1 简介
Hi，大家好，这里是丹成学长，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
单片机-嵌入式毕设选题大全及项目分享:
https://blog.csdn.net/m0_71572576/article/details/125409052
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。
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。
3.1.2 开发环境
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。
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。
学长所用到的器件选型为：
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芯片接线图
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。
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。
引脚图：
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。
引脚图：
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。
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；
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；
3.5 实现效果
路灯在不同光照强度下的亮度对比
3.6 部分相关代码
/************************************************
作者：丹成学长，Q746876041
************************************************/
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。
}
/*******************************************************************
篇幅有限，只展示部分代码
作者：丹成学长，Q746876041
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