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基于STM32的智能路灯节能控制系统

IT业界
2025-09-06 16:09:02

1. 引言

城市照明能耗占市政用电的15%-20%，传统路灯存在常亮浪费、维护困难等问题。本文设计了一款基于STM32的智能路灯节能控制系统，通过环境感知、动态调光与物联网技术，实现按需照明、故障诊断与远程管控，有效降低能耗30%以上。

2. 系统设计 2.1 硬件设计

主控芯片：STM32L476RG，低功耗设计，支持动态电压调节

感知模块：

微波雷达（RCWL-0516）：检测行人/车辆移动

光照传感器（TSL2561）：监测环境光照强度

电流检测模块（INA219）：实时采集路灯功耗

控制模块：

LED调光驱动器（PWM控制）

漏电保护继电器

故障指示LED阵列

通信架构：

ZigBee模块（CC2530）：路灯组网通信

NB-IoT模块（BC95）：连接市政管理平台

供电系统：

太阳能电池板（100W）

锂电储能系统（48V/20Ah）

2.2 软件架构

自适应调光算法：根据交通流量动态调节亮度

故障诊断引擎：基于电流波形分析的故障类型识别

能源管理模块：太阳能充放电智能控制

拓扑管理协议：ZigBee自组网与路由优化

3. 功能模块 3.1 智能照明控制

基础亮度：夜间保持20%亮度

动态增强：检测到移动物体时提升至100%亮度

时段控制：午夜至凌晨自动切换至节能模式

3.2 故障自诊断

灯珠故障：电流突降检测

线路漏电：绝缘电阻监测

储能异常：电压波动分析

3.3 能源优化管理

优先使用太阳能供电

电网充电智能切换（电价谷时段充电）

支持V2G反向供电（紧急情况下向电网送电）

3.4 远程运维平台

GIS地图显示路灯状态

自动生成维修工单

能耗统计报表生成

4. 核心算法 4.1 动态调光算法 #define BASE_LUM 20 // 基础亮度百分比 #define BOOST_TIME 30 // 增强照明持续时间(s) void adaptive_lighting(int motion_flag) { static int timer = 0; if (motion_flag) { set_brightness(100); timer = BOOST_TIME; } else if (timer > 0) { timer--; } else { set_brightness(BASE_LUM); } } 4.2 故障诊断算法 void fault_diagnosis(float current) { if (current < 0.1*NOMINAL_CURRENT) report_fault(LAMP_FAILURE); // 灯珠故障 else if (current > 1.5*NOMINAL_CURRENT) report_fault(LEAKAGE); // 线路漏电 } 4.3 能源调度算法 void energy_management() { if (solar_voltage > 48 && battery_SOC < 90) enable_charging(SOLAR_MODE); else if (grid_price < PRICE_THRESHOLD) enable_charging(GRID_MODE); else if (battery_SOC < 20) enable_charging(EMERGENCY_MODE); } 5. 关键代码实现 5.1 ZigBee组网通信 void mesh_network() { if (receive_beacon()) { // 接收协调器信标 join_network(); // 加入ZigBee网络 send_topology_info(); // 上报拓扑关系 } forward_packet(); // 数据包中继转发 } 5.2 太阳能MPPT控制 void mppt_control() { float V_step = 0.5; // 电压调整步长 do { measure_power(); if (power > prev_power) V_ref += V_step; // 增大参考电压 else V_ref -= V_step; // 减小参考电压 adjust_duty_cycle(V_ref); // 调整PWM占空比 } while (abs(power - prev_power) > 1); // 功率变化<1W停止 }

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6. 系统优化

通信优化：采用TDMA时隙分配降低ZigBee网络冲突

寿命延长：LED软启动控制减少电流冲击（上升时间200ms）

安全加固：AES-128加密传输控制指令

维护优化：配备蓝牙调试接口，支持手机APP现场诊断

7. 结论与展望

本系统实现路灯网络智能化管理，单灯节能35%，运维成本降低40%。未来可扩展5G车路协同接口，支持自动驾驶车辆获取照明信息；结合边缘计算实现AI视频分析，拓展治安监控等城市治理功能。