基于STM32的智能路灯系统设计与实现

基于STM32的智能路灯系统设计与实现

摘要

针对传统路灯存在能耗高、管理效率低、缺乏自适应调节能力等问题，本文设计了一款以STM32微控制器为核心的智能路灯系统。该系统集成光照感应、人体检测、远程通信及故障诊断功能，通过智能化控制算法实现路灯的按需调光、人来灯亮、人走灯暗，并支持远程集中管理。测试结果表明，系统调光精度达1%，响应时间小于0.5秒，较传统路灯节能40%以上，可广泛应用于城市道路、园区等场景，具有显著的经济与社会效益。

关键词：STM32；智能路灯；节能控制；远程管理；光照感应

引言

路灯作为城市基础设施的重要组成部分，其能耗与运维成本占城市公共支出的较大比例。传统路灯多采用固定功率运行模式，无论车流量、人流量及环境光照如何变化，均保持恒定亮度，造成能源极大浪费。据统计，我国城市道路照明耗电量占全国总耗电量的10%以上，若采用智能控制技术，可实现30%-50%的节能率。

现有智能路灯方案存在通信延迟高、调光精度不足、兼容性差等问题。本文设计的智能路灯系统以STM32F407IGH6为核心，融合传感器技术、电力线通信（PLC）与模糊控制算法，实现单灯自适应调节与多灯协同管理，兼顾节能性与可靠性，为智慧城市照明提供解决方案。

一、系统总体设计

（一）设计目标

本系统需实现以下核心功能：

    1.    自适应调光：根据环境光照强度（0-10000lux）自动调节路灯亮度（10%-100%）；

    2.    人体感应控制：检测到行人或车辆时，自动将亮度提升至100%，离开后30秒恢复至基础亮度；

    3.    远程管理：支持通过监控平台实现单灯/群组开关、亮度调节及参数配置；

    4.    故障诊断：实时监测路灯工作状态，出现短路、过温、过流等故障时自动报警；

    5.    节能指标：较传统路灯节能40%以上，单灯待机功耗≤1W。

（二）总体架构

系统采用“分层分布式”架构，分为感知层、控制层、通信层与应用层。以STM32为主控核心，外围模块包括：光照传感模块、人体检测模块、调光驱动模块、通信模块、保护模块及电源模块。架构如图1所示：
┌─────────────────────┐  
│     远程监控平台     │  
└───────────┬─────────┘  
            │ PLC/4G  
┌───────────▼─────────┐  
│     集中控制器      │  
└───┬───────┬───────┬─┘  
    │       │       │  
┌───▼───┐ ┌─▼───┐ ┌─▼───┐  
│路灯节点1│ │路灯节点2│ │路灯节点n│  
└───────┘ └───────┘ └───────┘  
（STM32+传感器+驱动）  
图1 系统总体架构图

二、硬件电路设计

（一）主控模块

选用STM32F407IGH6作为核心控制器，该芯片基于ARM Cortex-M4内核，主频168MHz，内置1MB Flash与192KB RAM，支持浮点运算与DMA传输，满足多传感器数据处理与高速通信需求。主控电路包含复位电路、8MHz与32.768kHz晶振电路及JTAG调试接口，确保系统稳定运行。

（二）感知模块

    1.    光照检测电路：采用BH1750FVI数字光照传感器，通过I²C接口与STM32通信，检测范围0-65535lux，精度±20%，可实时采集环境光照强度，为调光提供依据。传感器安装于路灯顶部避光处，避免直射光干扰。

    2.    人体检测电路：选用HC-SR501红外热释电传感器，检测距离3-7米，角度110°，通过透镜扩大感应范围。当检测到人体或车辆红外辐射时，输出高电平至STM32外部中断引脚，触发亮度调节。

（三）调光驱动模块

采用“PWM+DC-DC”两级调光方案：

    •    主光源选用100W LED模组（色温5000K），通过XL6009降压芯片将AC-DC模块输出的12V转换为36V（LED工作电压）；

    •    STM32通过TIM定时器输出0-1000Hz可调PWM信号，经光电耦合器（PC817）隔离后，控制MOS管（IRF540）的导通占空比，实现亮度10%-100%连续调节，调光精度达1%。

（四）通信模块

采用“PLC+4G”双模通信：

    1.    PLC通信：选用HT6300电力线载波芯片，通过电力线传输数据，速率可达1Mbps，传输距离≥1km，适用于路灯集群内的数据交互；

    2.    4G通信：采用EC20模块，支持LTE Cat 4标准，通过USART接口与STM32连接，实现路灯系统与远程平台的广域通信，确保控制指令与状态数据的实时传输。

（五）保护与电源模块

    1.    保护电路：

    ◦    过流保护：串联0.1Ω采样电阻，通过STM32的ADC检测电流，超过1.5A（额定电流1.2A）时切断驱动电路；

    ◦    过温保护：在LED模组附近安装NTC热敏电阻，温度超过70℃时降低功率至50%；

    ◦    防雷保护：输入端并联气体放电管（GDT）与TVS管，抵御10kV以下浪涌冲击。

    2.    电源模块：AC 220V经整流桥转换为直流，通过开关电源芯片MP2307输出12V与5V，分别为LED驱动电路与控制模块供电，电源效率≥85%。

三、软件系统设计

（一）主程序流程

系统上电后完成初始化（外设、参数、通信协议），随后进入循环监测状态：周期性采集光照与人体感应数据，执行调光算法，接收并响应远程指令，检测设备状态。主程序流程图如图2所示：
开始  
  │  
初始化系统（外设/参数）  
  │  
读取光照强度与人体信号  
  │  
执行模糊调光算法  
  │  
否───有远程指令？───是───执行指令  
  │  
检测故障状态  
  │  
否───故障？───是───本地报警+上传平台  
  │  
循环（周期100ms）  
图2 主程序流程图

（二）核心算法实现

    1.    模糊调光算法：
以光照强度（L）与人体检测状态（P）为输入，亮度输出（B）为输出，建立模糊控制规则：

    ◦    若L≥5000lux（白天），则B=10%（基础亮度）；

    ◦    若2000≤L<5000lux（黄昏），则B=30%-50%（随L降低递增）；

    ◦    若L<2000lux（夜晚）且P=1（有人），则B=100%；

    ◦    若L<2000lux且P=0（无人），则B=30%。
通过隶属度函数将输入量模糊化，经模糊推理与清晰化处理，输出PWM占空比，实现平滑调光。

    2.    人体感应延时控制：
检测到人体信号后，立即将亮度调至100%，同时启动30秒定时器；若期间再次检测到人体活动，定时器重新计时；定时结束后，根据当前光照强度恢复至对应基础亮度，避免频繁切换。

（三）通信协议设计

采用自定义帧格式实现数据传输，帧结构如下：
| 帧头(2B) | 地址(2B) | 指令(1B) | 数据长度(1B) | 数据(nB) | 校验(1B) | 帧尾(2B) |  
    •    帧头/帧尾：固定为0xAA55/0x55AA，用于帧同步；

    •    地址：单灯唯一ID（0001-FFFF），0xFFFF表示广播指令；

    •    指令：0x01（开关）、0x02（调光）、0x03（状态查询）、0x04（故障上报）；

    •    校验：采用异或校验，确保数据完整性。

（四）故障诊断机制

STM32通过ADC实时监测LED电流、电压与温度数据，设定三级故障阈值：

    1.    轻微故障（如温度60-70℃）：降低功率并记录，待维修时处理；

    2.    严重故障（如短路、过流1.5A）：立即切断电源，通过通信模块上传故障代码；

    3.    通信故障：本地保存10条最新状态数据，通信恢复后补传。

四、系统测试与结果分析

（一）测试环境

测试地点：某园区道路（长500米，布设10盏智能路灯）；
测试设备：照度计（精度±5%）、功率计（FLUKE 43B）、示波器（Tektronix TBS1102）；
测试周期：连续7天，记录不同时段功耗、响应时间与故障报警情况。

（二）性能测试

    1.    调光精度测试：
在不同光照条件下，对比设定亮度与实际亮度，结果如表1所示：
设定亮度（%） 实际亮度（%） 误差（%） 
10 10.2 +0.2 
30 29.7 -0.3 
50 50.1 +0.1 
100 99.8 -0.2 

    测试表明，调光误差≤0.3%，精度满足设计要求。

    2.    节能效果测试：
与同功率传统路灯对比，智能路灯在不同时段的功耗如表2所示：
时段 传统路灯功耗（W） 智能路灯功耗（W） 节能率（%） 
白天（8:00-18:00） 100 10 90 
黄昏（18:00-20:00） 100 40 60 
夜间（20:00-6:00） 100 30（无人）/100（有人） 70（平均） 
凌晨（6:00-8:00） 100 20 80 

    综合计算，智能路灯平均节能率达65%，优于设计目标（40%）。

    3.    响应时间测试：
人体感应触发后，路灯从基础亮度提升至100%的平均时间为0.32秒；远程指令下发后，单灯响应时间≤0.5秒，满足实时性要求。

    4.    可靠性测试：
连续运行72小时，模拟雷雨、电压波动（±10%）等场景，系统无异常关机，故障报警准确率100%。

五、结论与展望

本文设计的基于STM32的智能路灯系统，通过模糊调光算法与双模通信技术，实现了亮度自适应调节、人体感应控制与远程管理，测试验证表明系统节能效果显著、响应迅速、运行可靠，可有效降低城市照明能耗与运维成本。

未来优化方向：

    1.    引入车流量预测模型，结合摄像头识别数据提前调节亮度，减少响应延迟；

    2.    集成充电桩功能，利用路灯供电网络实现电动汽车应急充电；

    3.    采用太阳能辅助供电，进一步降低对电网的依赖，适应偏远地区。

本设计为智慧城市照明系统提供了可行方案，具有较高的推广价值。

参考文献

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[2] 国家标准GB 50034-2013《建筑照明设计标准》[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013.
[3] 王亮, 赵伟. 基于电力线通信的智能路灯集群控制系统[J]. 电力自动化设备, 2021, 41(5): 123-127.
[4] 刘军, 陈明. 模糊控制在LED路灯调光中的应用研究[J]. 控制工程, 2020, 27(3): 456-460.