智能物聯網太陽能壁燈的APP控制

摘 要：針對現有普通太陽能壁燈普遍存在的能量轉換效率低、安裝條件嚴苛、控制不智能等問題，本文設計了一種具有遠程APP控制的太陽能壁燈控制系統。壁燈控制系統主要包括STM32單片機以及人體感應器、光強傳感器和LED亮度調節驅動模塊。壁燈通信模塊采用MQTT協議與APP實現壁燈智能聯動、智能控制。服務器端對壁燈節點網絡進行控制和數據分析，用戶可通過APP對壁燈進行遠程操作和檢測。試驗結果表明：智能太陽能壁燈設計可提供節能高效、智能穩定的照明效果和控制功能，真正實現了遠程太陽能壁燈智能化管理，在該領域具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：MQTT；遠程通信；智能控制；太陽能；智慧照明；STM32

中圖分類號：TP277；TP311.56 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-06

0 引 言

隨著我國可持續發展與鄉村振興戰略的深入推進，物聯網與新能源在鄉村基建設施中的應用前景也日益擴大，它們作為新一輪科技革命和產業變革的核心支撐技術，將會成為我國農村事業飛速發展的核心驅動力。然而在當前，雖然我國在新農村基礎設施建設中更多地使用新能源，但在農村道路或者戶外照明場景中廣泛應用的太陽能照明系統不夠信息化和智能化，功能單一，不能滿足人們在復雜多樣化場景中的使用要求。因此，本文介紹了一種可用APP控制的智能物聯網太陽能壁燈，以解決傳統太陽能照明裝置不夠智能的問題。

目前，國內外不少學者圍繞太陽能壁燈的設計進行了大量研究。文獻[1]采用以STC89C52單片機為核心控制器件的路燈控制系統，通過實時采集的周圍環境信息控制當前路燈的亮滅狀態；文獻[2]中設計了一種智能感應太陽能壁燈，可通過藍牙接口傳輸數據并與上位機通信；文獻[3]中實現了Udine太陽能智能燈的聲控操作。

從以上研究可看出，當前的太陽能照明設備已經具備成熟可靠的核心控制器件與驅動電路，但是目前現有的太陽能照明設備仍然只依據外界光照強度進行照明開關的調整，功能較為單一，沒有遠程智能控制功能，并且在多設備分布時不能方便排查問題所在。因此，本文設計了一種以STM32為控制器的智能物聯網太陽能壁燈，并設計了相應APP對其進行遠程操控，能夠實現人體感應、光照檢測、亮度控制等功能，具有功能豐富、結構簡單、性能可靠、方便實用等特點。

1 系統結構與技術實現

1.1 系統結構

智能型太陽能壁燈的整體結構如圖1所示。

該太陽能壁燈由發光燈、壁燈控制系統、通信系統和光伏發電模塊構成。其中，壁燈控制系統分別與發光燈和通信模塊連接，光伏發電模塊向壁燈、控制模塊和通信系統提供電能，并且壁燈控制系統通過通信模塊與壁燈控制端連接，接收壁燈控制端發送的控制信號。

壁燈控制系統由單片機以及與單片機連接的人體感應器、光強傳感器和LED亮度調節驅動模塊組成。通信模塊采用MQTT協議可實時傳輸數據至云端服務器，再由云端服務器轉發信息至用戶APP端，同時用戶在APP端也可根據當前狀態發送信息至云端服務器，并由服務器轉發信息至通信模塊，進而實現二者相互通信；光伏發電模塊包括太陽能光伏板、鋰電池和太陽能控制器。在光伏發電模塊的穩定供能下，控制模塊中的單片機通過通信模塊與手機APP端實現信號連接，接收APP端發送的控制信號，可實現壁燈的定時開關、亮度調節、燈亮滅以及壁燈常亮等功能。

1.2 系統結構

1.2.1 光伏發電系統設計

光伏發電系統主要由太陽能電池、控制器與負載組成，能夠通過光生伏特效應為電池充電。

（1）系統結構

陽光充足時，太陽能電池組件產生電能，并給電池充電，但如果白天光照不足或者處于夜間時，則由蓄電池在控制器的控制下向直流負載供電，對于含交流負載的光伏系統而言，還需要增加逆變器將直流電變成交流電。根據此原理，本文設計了一個可靠的光伏發電系統，它由太陽能電池組、充放電控制器、逆變器、測試儀表等電力電子設備組成，整體結構如圖2所示。

（2）參數設計與驗證

通過查閱《LED燈具維護標準》和《照明設計規范》，本文設計出符合壁燈日常生活使用場景的照射環境，并利用系數法計算LED燈所需照度，其中各項系數見表1所列。經過計算最終選擇功率為5 W的LED燈。

基于太陽能壁燈在連續3天陰雨天氣情況下續航工作的設計要求，不僅需要讓鋰電池容量至少為LED負載的每日工作消耗與度過連續陰雨天所需要消耗的總電量之和，還要考慮到放電深度、配線損失、溫度等因素對鋰電池實際容量的影響。根據重慶地區的需求可求出滿足要求的鋰電池容量為20 A·h。

計算太陽能板功率時需要考慮到在上一個陰雨周期電池耗盡電能的情況下，太陽能電池板在兩個陰雨周期間的晴天階段產生更多電能，且還要滿足晴天每個夜間正常照明，才能確保電池為下一個連續陰雨天做好準備。這里設定相鄰陰雨天周期間隔為4天。根據2015年到2019年重慶地區的年總峰值日照時數，能夠得到單日峰值日照時數為3.06 h，通過計算可得太陽能板功率為25 W，滿足設定需求。

1.2.2 壁燈控制系統設計

根據系統要求和場景要求，本文選用的感知元件為光照傳感器、人體感應器和LED亮度調節驅動模塊。

（1）光照傳感器

BH1750是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器。該傳感器采用I2C通信方式，利用其高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化。BH1750輸入光范圍廣泛，且受紅外線影響小。

（2）人體感應器

人體感應器采用全自動感應的HC-SR501模塊。采用的觸發方式為感應輸出高電平，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍內活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平。

（3）LED亮度調節驅動模塊

LED亮度調節驅動模塊由PT4115芯片及部分外圍電路組成，PT4115是一款工作在連續模式下的電感型降壓轉換器。在電源電壓高于輸出電壓的情況下，能高效驅動單顆或者多顆串聯LED。通過調整其采樣電阻阻值可以達到理想的恒流輸出，還可對芯片的DIM引腳輸入可控PWM信號從而實現PWM調光功能。

1.2.3 通信系統設計

通信系統主要由通信模塊、服務器和用戶控制端組成，選擇通信協議實現各部分間的通信。

（1） WiFi模組

ESP8266 WiFi模塊作為通信模塊主要實現單片機與服務器端的通信，在燒錄好固件后能夠使用AT指令進行WiFi配網、MQTT配置和連接、MQTT消息發布和訂閱、NTP獲取時間等，其所使用的部分AT指令見表2所列。

（2）服務器

由于本產品未實例商用化，服務器主要負責少量產品的接入使用，并且在MQTT通信上使用Apache Apollo平臺作為服務器的主要載體，通過Apache Apollo實現MQTT消息的傳遞，故最終選用騰訊云的標準型S5-2核2G配置，如圖3所示。

此外，配置服務器鏡像為Windows Server 2012 R2 數據中心版64位中文版，方便管理與后期功能的添加。

（3）通信協議

MQTT是IBM開發的即時通信協議，是為在低帶寬、不可靠網絡下的遠程傳感器和控制設備通信而設計的[4]。本文使用MQTT協議作為傳感器和致動器（壁燈）的通信協議。該協議使用發布/訂閱消息模式，提供“一對多”的消息發布模式，解除應用程序耦合；同時有3種消息服務質量，也稱為QoS訂閱等級[5]，可對負載內容屏蔽消息傳輸；小型傳輸，開銷小（固定長度的頭部是2字節），可降低網絡流量。

本文設計主要保證控制指令消息的穩定傳輸，因而選擇的消息級別為至少一次的模式，保證控制信息和數據信息可靠傳輸。同時，也使用心跳包的理念來優化單片機和APP之間的通信顯示，提升使用者的體驗。

2 功能實現

2.1 硬件設計與實現

2.1.1 嵌入式微控制器選擇

本文將STM32系列和51系列微控制器進行比較。由表3可知，STM32系列微控制器的各項性能指標均優于51系列，并且有優秀的數據處理能力以及快速中斷反應能力，能更加精確地完成本系統的各項任務，可應對系統的多個工作場景。考慮到控制系統的實時性和高精度要求，選擇STM32F103ZET6單片機作為微控制器。

2.1.2 電源選擇

由表4可知，磷酸鐵鋰電池具有無記憶效應、能量密度高、工作電壓高等普通鉛蓄電池不具備的優勢。采用磷酸鐵鋰電池設計太陽能壁燈，因為其能量密度高，在相同規格容量下比鉛酸蓄電池的質量小，占用空間小，因此更適合做一體化設計，且對環境友好度更高。所以本文設計的智能太陽能壁燈采用鋰電池作為電源。

2.1.3 硬件電路

硬件電路主要是壁燈控制系統的電路原理，如圖4所示。

2.1.4 光伏發電系統電路結構

光伏發電系統的內部電路如圖5所示，它主要包含太陽能電池電壓采樣模塊與充放電控制模塊。

太陽能電池電壓采樣模塊在有太陽光線照射到電池表面后，有相當一部分的光能被太陽能電池吸收，從而產生一定的光生電勢，這時將負載接入兩極間，就能產生直流電動勢。充放電控制模塊在向負載供電時，按動K2，繼電器開始工作，閉合繼電器的觸點1，3后，電路正常工作，若鋰電池電壓高于10.8 V，二極管D2與Q1、Q3均導通，使繼電器工作在自保導通狀態；在要求斷開電源時，按動K1，使Q1的基極接地，因此Q1、Q2均截止，繼電器斷開，而在鋰電池電壓小于10.8 V時，DW1截止，鋰電池停止放電，避免因過放電損毀鋰電池。

同時，該光伏發電系統與控制系統相連，并在控制系統的控制下為不同應用場景下的LED負載提供電能，同時能夠通過手機APP實現相關功能。

2.2 壁燈控制系統的功能實現

控制系統的功能包括：光照控制、人體感應、亮度控制、常亮控制、人為開關控制和定時開關控制。本文思路是分別編寫實現各功能的函數，同時用各標志位處理各功能之間的邏輯關系。除光照控制和人體感應外，其他功能均通過通信模塊接收命令后實現。控制程序流程如圖6所示。

出于實際情況考慮，將每個功能的優先級設置如下：光照控制和人體感應處于最低優先級，而優先級逐次提升的是亮度控制、定時器開關控制、定時開關控制、常亮控制和人為開關控制。光照控制和人體感應控制根據光照傳感器、人體感應器獲得相關信息來改變單片機定時器PWM占空比以改變燈的亮度。亮度控制根據不同命令來調節單片機定時器的PWM占空比來控制燈的亮度。常亮控制通過保持占空比不變來維持燈的亮度不變。人為開關控制通過人發送命令來控制燈。定時開關控制讓單片機首先通過NTP定時器獲取當前時間，再通過ESP8266獲取在某個時間點的亮滅來控制燈的亮滅[6]。

2.3 APP的開發與運行結構

由于壁燈的控制主要是在單片機內進行，APP端僅負責展示壁燈狀態和發送控制指令，故本文選擇Google App Inventor作為APP軟件開發平臺[7]。

APP主要功能有顯示壁燈聯網狀態（在線/離線）、控制燈是否響應的開關、指定等級的光照強度設定、定時開/關和燈的常亮開關（亮/滅），其主要運行流程如圖7所示。

屏幕初始化各操作功能部件，完成底層功能流程后等待用戶操作，執行對應指令。簡化的圖形化代碼如圖8所示。

2.4 服務器端的構建與實現

在服務器端的選擇上，本文使用Apache Apollo平臺作為MQTT服務器的載體，其配置簡單且能夠支持多種連接方式，這里主要使用其MQTT協議的功能部分。

在Apache Apollo平臺上，可以清楚看到當前存在的主題，并且能夠查看訂閱者和發布者的連接地址和消息內容，服務器界面與Apollo控制臺界面分別如圖9與圖10所示。其能夠幫助識別不同的壁燈和APP端，并且端代碼在不同設備發布相同指令時也能一一對應指定的壁燈端，同時避免了遭受不法入侵時的失控風險[8]。

在此基礎上，還可以通過創建第三方接口來進行不同設備的互聯。只要是支持MQTT協議的設備，均可以通過指定的指令協議進行互聯操作和類似端對端操作，也可以使用多個壁燈組成物聯網節點。通過APP進行整體或部分控制，能夠在服務器端進行壁燈狀態信息的可視化展示，通過用戶個性化設置，能夠仿制出節點分布圖的觀展界面，從而使得用戶對太陽能壁燈的體驗感大大增強，其物聯網拓撲關系如圖11所示[9]。

除此之外，服務器端可設置SQL數據庫進行用戶習慣儲存，用以智能調節控制模式下的自主操作學習，進而優化智能邏輯與推薦配置設置[10]。

3 實驗驗證

3.1 太陽能續航實驗驗證

針對重慶晴天和陰天情況下太陽能板正常充電和供電進行項目測試1，具體測試情況見表5所列。

3.2 功能驗證與分析

針對目前壁燈具有的基本功能種類，分別進行項目測試2

與項目測試3。項目測試2主要進行亮度設定、時間定時、開關這三項性能的測試，測試內容及結果見表6所列。

由表6的測試結果可知，在指令控制方式上，傳輸過程均一致，出現指令無法實現的原因是APP端網絡條件差或是壁燈端網絡條件不良導致數據丟包。在服務器端可以確認每次指令操作是否已上傳至服務器端，從而判斷是來自APP還是壁燈的問題。

項目測試3主要進行依光照自調節亮度與充電續航維持這兩項性能的測試，測試內容與結果見表7所列。

通過依光照自調節亮度測試發現，當前問題的原因是有外部其他光源和開關燈光引起傳感器錯誤檢測，所以需要將傳感器放在合理的位置并做保護措施以防止外部干擾。而對充電續航維持的測試結果分析得出，通過對太陽能續航部分的過盈計算可以極大程度保證壁燈的續航穩定性。

4 結 語

本文基于STM32單片機設計了一個以物聯網APP智能控制為核心的太陽能壁燈，在完成自建服務器后，通過BH1750傳感器的信息采集與ESP8266通信模塊的信息傳輸，實現了對壁燈周圍環境光照強度的實時監測。該壁燈能夠實現自動光照控制與APP遙控控制兩大基本功能，從而對壁燈周圍環境的變化迅速反應并做出相應調整，使設備控制的靈活性顯著提高，即使壁燈工作異常，也能立即發現并采取相應措施，最大程度減少維護成本與公共財產損失。并且在對壁燈各項基本功能的多次測試中，執行效果基本滿足設計需求，使設備的穩定性與可靠性得以保證。隨著太陽能壁燈應用的日益廣泛與功能的日漸成熟，對現代低碳城市生活的穩定發展與鄉村振興戰略的嚴格落實也將更進一步，為我國“雙碳”目標的實現持續添磚加瓦。

參考文獻

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