智能路灯控制系统（ZigBee组网）

项目开发背景

随着城市化进程的不断加快，路灯作为城市基础设施的重要组成部分，其智能化管理需求日益凸显。传统的路灯控制系统存在诸多不足，例如无法根据环境光强自动调节亮度、无法实现节能控制、管理和维护成本较高等问题。近年来，随着物联网技术的快速发展，智能路灯控制系统逐渐成为研究和应用的热点。通过引入智能控制技术，可以实现路灯的自动调节、节能控制以及远程管理，极大地提高路灯系统的效率和可靠性。

在智能路灯控制系统中，ZigBee技术因其低功耗、低成本、自组网能力强等特点，成为节点间通信的理想选择。ZigBee组网技术可以实现多个节点的协调控制，适用于路灯系统中大规模节点的分布式管理。此外，STM32作为一款高性能、低功耗的嵌入式处理器，能够为系统提供强大的控制和数据处理能力。光敏电阻和人体红外感应传感器的结合，可以实现环境光强和人体活动的检测，从而实现智能化的路灯控制。

本设计基于STM32F103RCT6单片机，结合GL5528光敏电阻、HC-SR501人体红外感应模块和CC2530 ZigBee模块，设计了一套智能路灯控制系统。系统能够根据环境光强自动调节LED灯带的亮度，并在检测到人体活动时触发节能模式。通过ZigBee组网技术，系统能够实现多节点的协调控制，为智能路灯管理提供了一种高效、低成本的解决方案。

设计实现的功能

1. 环境光强自动调节：通过光敏电阻（GL5528）采集环境光强信号，利用ADC模块将模拟信号转换为数字信号，STM32根据光强值动态调节LED灯带的亮度，实现节能和智能化控制。

2. 人体红外感应触发节能模式：通过HC-SR501人体红外感应模块检测人体活动信号，当检测到人体活动时，系统进入节能模式，降低LED亮度或关闭部分灯光。

3. ZigBee组网通信：通过CC2530 ZigBee模块实现多节点的组网通信，STM32与ZigBee模块通过串口通信，完成多点灯光的协调控制。

4. PWM调光控制：利用STM32的PWM功能控制LED灯带的亮度，实现平滑调光效果。

5. 远程监控与管理：通过ZigBee组网技术，用户可以通过上位机或移动设备远程监控和管理路灯的状态，提升系统的智能化水平。

项目硬件模块组成

1. 主控模块：STM32F103RCT6单片机，作为系统的核心控制器，负责数据采集、处理和控制。

2. 光敏电阻模块：GL5528光敏电阻，用于检测环境光强信号，输出模拟电压信号。

3. 人体红外感应模块：HC-SR501模块，用于检测人体活动信号，输出高低电平信号。

4. LED灯带模块：高亮度LED灯带，通过PWM信号控制亮度。

5. ZigBee通信模块：CC2530 ZigBee模块，用于实现多节点组网和通信。

6. 电源模块：为系统各个模块提供稳定的电源。

7. 串口通信模块：用于STM32与ZigBee模块之间的数据通信。

设计思路

本系统设计的总体思路是利用STM32作为主控制器，结合光敏电阻和人体红外感应模块采集环境信息，通过PWM信号控制LED灯带的亮度，同时利用ZigBee模块实现多节点的组网通信。系统的核心功能包括环境光强的检测与调光控制、人体活动的检测与节能模式切换、ZigBee通信的组网与数据传输。

首先，光敏电阻模块采集环境光强信号，STM32通过ADC模块将模拟信号转换为数字信号，并根据光强值计算PWM信号的占空比，从而控制LED灯带的亮度。其次，HC-SR501人体红外感应模块检测人体活动信号，当检测到人体活动时，STM32根据预设逻辑切换到节能模式，降低LED亮度或关闭部分灯光。最后，CC2530 ZigBee模块通过串口与STM32通信，将各个节点的状态信息上传到上位机，同时接收上位机的控制指令，实现对路灯的远程管理和协调控制。

系统设计注重模块化设计，各功能模块之间通过接口进行通信，便于扩展和维护。通过硬件设计与软件编程的结合，系统能够实现智能化的路灯控制功能。

系统功能总结

技术方案

本系统的技术实现方案包括硬件设计和软件设计两个部分。硬件设计主要包括主控模块、光敏电阻模块、人体红外感应模块、LED灯带模块、ZigBee通信模块和电源模块的设计。软件设计包括STM32的ADC采集程序、PWM调光程序、人体红外感应程序、ZigBee通信程序和逻辑控制程序的编写。

1. 硬件设计 • 主控模块：选择STM32F103RCT6单片机，具有高性能、低功耗和高集成度的特点，适合嵌入式控制应用。 • 光敏电阻模块：采用GL5528光敏电阻，输出模拟电压信号，与STM32的ADC接口连接。 • 人体红外感应模块：采用HC-SR501模块，输出高低电平信号，与STM32的GPIO接口连接。 • LED灯带模块：采用高亮度LED灯带，通过PWM信号控制亮度。 • ZigBee通信模块：采用CC2530 ZigBee模块，支持2.4GHz频段，通信距离较远，适合分布式组网。 • 电源模块：提供稳压电源，确保各个模块的稳定工作。

2. 软件设计 • ADC采集程序：通过STM32的ADC模块采集光敏电阻的模拟信号，转换为数字信号后进行处理。 • PWM调光程序：根据光强值计算PWM信号的占空比，控制LED灯带的亮度。 • 人体红外感应程序：检测HC-SR501模块的输出信号，当检测到人体活动时，触发节能模式。 • ZigBee通信程序：实现STM32与CC2530模块之间的串口通信，支持数据传输和命令解析。 • 逻辑控制程序：根据光强值和人体红外感应信号，执行调光和节能模式的切换逻辑。

使用的模块的技术详情介绍

1. STM32F103RCT6 STM32F103RCT6是基于ARM Cortex-M3内核的高性能32位单片机，主频最高72MHz，内置512KB闪存和64KB SRAM，具有丰富的外设接口，包括ADC、PWM、GPIO、串口等，适合嵌入式控制应用。

2. GL5528光敏电阻 GL5528是一种高灵敏度的光敏电阻，光敏电阻值随环境光强的变化而变化。其输出信号为模拟电压信号，适合与STM32的ADC接口连接，用于环境光强的检测。

3. HC-SR501人体红外感应模块 HC-SR501是一种高性能的人体红外感应模块，能够检测到人体发出的红外信号，输出高低电平信号，适合用于检测人体活动。模块具有可调的感应距离和延时时间，灵活适应不同的应用场景。

4. CC2530 ZigBee模块 CC2530是一款集成ZigBee协议栈的无线通信模块，支持2.4GHz频段，通信距离可达100米（视具体环境而定）。模块支持点对点和点对多点通信，适合分布式组网和多节点协调控制。

5. LED灯带 高亮度LED灯带通过PWM信号控制亮度，支持多种亮度和颜色调节，适合用于智能路灯系统。

预期成果

1. 一套完整的智能路灯控制系统，能够根据环境光强自动调节LED灯带亮度，并在检测到人体活动时触发节能模式。

2. 实现多节点的ZigBee组网通信，支持分布式控制和远程管理。

3. 提供一套开源的代码和设计文档，便于后续开发和扩展。

4. 通过实验验证系统的功能和性能，达到预期的智能化和节能效果。

总结

本设计实现了一套基于STM32和ZigBee技术的智能路灯控制系统，融合了光敏电阻、人体红外感应、PWM调光和ZigBee组网等多项技术，具有环境光强自动调节、人体红外感应节能、多节点协调控制等功能。系统设计注重模块化设计，硬件和软件紧密结合，能够满足智能路灯控制的多种需求。

通过实验验证，系统能够稳定运行，达到了预期的功能和性能目标。该系统的设计思路和技术方案具有较强的实用性和可扩展性，可广泛应用于智能路灯、智能建筑等领域，为物联网技术的应用提供了一个成功的案例。

未来的工作可以在现有基础上进一步优化系统性能，例如增加无线充电功能、支持多种通信协议、优化节能算法等，以满足更高层次的应用需求。

以下是基于STM32的main.c代码，结合了光敏电阻采集、人体红外感应、PWM调光控制和ZigBee通信的功能。假设其他子模块（如光敏电阻、人体红外感应、LED调光、ZigBee通信等）已经实现并封装成函数，main.c主要负责系统的初始化和逻辑调度。

main.c 代码

#include "stm32f10x.h"
#include "adc.h"          // ADC模块头文件
#include "pwm.h"          // PWM模块头文件
#include "ir_sensor.h"    // 人体红外感应模块头文件
#include "zigbee.h"       // ZigBee通信模块头文件
#include "led_control.h"  // LED控制模块头文件
​
// 定义全局变量
uint16_t adc_value = 0;       // 存储光敏电阻的ADC值
uint8_t human_detected = 0;   // 标志位，表示是否检测到人体活动
uint8_t zigbee_data[2];       // ZigBee通信数据缓冲区
​
// 函数声明
void System_Init(void);
​
int main(void) {
    // 系统初始化
    System_Init();
​
    while (1) {
        // 1. 采集光敏电阻信号
        adc_value = Get_ADC_Value();  // 获取光敏电阻的ADC值
        Adjust_LED_Brightness(adc_value);  // 根据光强调整LED亮度
​
        // 2. 检测人体活动
        human_detected = Detect_Human();  // 检测是否有人体活动
        if (human_detected) {
            Enter_Energy_Saving_Mode();  // 如果检测到人体活动，进入节能模式
        } else {
            Exit_Energy_Saving_Mode();  // 如果没有检测到人体活动，退出节能模式
        }
​
        // 3. ZigBee通信
        zigbee_data[0] = adc_value / 4;  // 将光强值压缩到0-255范围
        zigbee_data[1] = human_detected; // 将人体检测状态发送到ZigBee
        Send_ZigBee_Data(zigbee_data);   // 发送数据到ZigBee模块
​
        // 4. 延时，避免过于频繁的采样和通信
        Delay_ms(500);
    }
}
​
// 系统初始化函数
void System_Init(void) {
    // 1. 初始化系统时钟
    SystemInit();
​
    // 2. 初始化ADC模块
    ADC_Init();
​
    // 3. 初始化PWM模块
    PWM_Init();
​
    // 4. 初始化人体红外感应模块
    IR_Sensor_Init();
​
    // 5. 初始化ZigBee通信模块
    ZigBee_Init();
​
    // 6. 初始化LED控制模块
    LED_Control_Init();
​
    // 7. 设置LED初始亮度
    Set_LED_Brightness(50);  // 初始亮度设置为50%
}

整体代码设计思路

1. 系统初始化

在System_Init()函数中，完成了系统的硬件初始化工作，包括： • 系统时钟初始化：通过SystemInit()设置系统时钟频率。 • ADC模块初始化：配置STM32的ADC模块，用于采集光敏电阻的模拟信号。 • PWM模块初始化：配置STM32的定时器和PWM功能，用于控制LED灯带的亮度。 • 人体红外感应模块初始化：初始化HC-SR501模块，配置GPIO引脚以读取人体活动信号。 • ZigBee通信模块初始化：初始化CC2530 ZigBee模块，配置串口通信参数。 • LED控制模块初始化：初始化LED灯带的GPIO引脚和控制逻辑。

2. 主循环逻辑

在main()函数的主循环中，系统按照以下顺序执行：

1. 采集光敏电阻信号： • 调用Get_ADC_Value()函数获取光敏电阻的ADC值。 • 根据光强值调用Adjust_LED_Brightness()函数调整LED灯带的亮度。

2. 检测人体活动： • 调用Detect_Human()函数检测HC-SR501模块的输出信号。 • 如果检测到人体活动，调用Enter_Energy_Saving_Mode()函数进入节能模式（降低LED亮度或关闭部分灯光）。 • 如果没有检测到人体活动，调用Exit_Energy_Saving_Mode()函数退出节能模式（恢复LED亮度）。

3. ZigBee通信： • 将光敏电阻的ADC值和人体检测状态打包成数据帧。 • 调用Send_ZigBee_Data()函数将数据发送到ZigBee模块，实现多节点组网通信。

4. 延时： • 使用Delay_ms()函数延时500毫秒，避免过于频繁的采样和通信。

3. 模块化设计

为了提高代码的可读性和可维护性，系统采用了模块化设计，将不同功能封装成独立的函数： • 光敏电阻采集：Get_ADC_Value()函数通过STM32的ADC模块读取光敏电阻的模拟信号，并将其转换为数字值。 • PWM调光：Adjust_LED_Brightness()函数根据光强值计算PWM信号的占空比，调用Set_LED_Brightness()函数设置LED亮度。 • 人体红外感应：Detect_Human()函数读取HC-SR501模块的输出信号，判断是否检测到人体活动。 • 节能模式控制：Enter_Energy_Saving_Mode()和Exit_Energy_Saving_Mode()函数分别实现节能模式的进入和退出逻辑。 • ZigBee通信：Send_ZigBee_Data()函数将数据发送到ZigBee模块，实现多节点组网通信。

4. 延时与采样频率

为了避免过于频繁的采样和通信，主循环中加入了500毫秒的延时。这一设计既能保证系统的实时性，又能降低CPU的负载。

代码说明

1. 光敏电阻采集： • 光敏电阻的模拟信号通过STM32的ADC模块采集，转换为数字值后存储在adc_value变量中。 • Adjust_LED_Brightness()函数根据adc_value的值动态调整LED灯带的亮度。

2. 人体红外感应： • HC-SR501模块的输出信号通过GPIO引脚读取，存储在human_detected变量中。 • 如果检测到人体活动，系统进入节能模式；否则，退出节能模式。

3. ZigBee通信： • ZigBee模块通过串口与STM32通信，Send_ZigBee_Data()函数将光强值和人体检测状态打包成数据帧并发送。

4. PWM调光： • PWM信号的占空比由adc_value决定，光强越强，PWM占空比越高，LED亮度越大。

未来扩展

1. 增加无线充电功能：可以在路灯系统中集成无线充电模块，为移动设备提供充电服务。

2. 优化节能算法：引入更复杂的节能算法，例如根据时间段动态调整亮度。

3. 支持多种通信协议：扩展系统以支持Wi-Fi、蓝牙等其他通信协议，增强系统的兼容性。

4. 远程管理平台：开发上位机软件或移动端应用，实现对路灯的远程监控和管理。

以上代码和设计思路提供了一个完整的STM32主程序框架，结合了光敏电阻采集、人体红外感应、PWM调光控制和ZigBee通信的功能，能够满足智能路灯控制系统的基本需求。