智能物联网太阳能壁灯的APP控制

摘 要：针对现有普通太阳能壁灯普遍存在的能量转换效率低、安装条件严苛、控制不智能等问题，本文设计了一种具有远程APP控制的太阳能壁灯控制系统。壁灯控制系统主要包括STM32单片机以及人体感应器、光强传感器和LED亮度调节驱动模块。壁灯通信模块采用MQTT协议与APP实现壁灯智能联动、智能控制。服务器端对壁灯节点网络进行控制和数据分析，用户可通过APP对壁灯进行远程操作和检测。试验结果表明：智能太阳能壁灯设计可提供节能高效、智能稳定的照明效果和控制功能，真正实现了远程太阳能壁灯智能化管理，在该领域具有广阔的应用前景。

关键词：MQTT；远程通信；智能控制；太阳能；智慧照明；STM32

中图分类号：TP277；TP311.56 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）02-00-06

0 引 言

随着我国可持续发展与乡村振兴战略的深入推进，物联网与新能源在乡村基建设施中的应用前景也日益扩大，它们作为新一轮科技革命和产业变革的核心支撑技术，将会成为我国农村事业飞速发展的核心驱动力。然而在当前，虽然我国在新农村基础设施建设中更多地使用新能源，但在农村道路或者户外照明场景中广泛应用的太阳能照明系统不够信息化和智能化，功能单一，不能满足人们在复杂多样化场景中的使用要求。因此，本文介绍了一种可用APP控制的智能物联网太阳能壁灯，以解决传统太阳能照明装置不够智能的问题。

目前，国内外不少学者围绕太阳能壁灯的设计进行了大量研究。文献[1]采用以STC89C52单片机为核心控制器件的路灯控制系统，通过实时采集的周围环境信息控制当前路灯的亮灭状态；文献[2]中设计了一种智能感应太阳能壁灯，可通过蓝牙接口传输数据并与上位机通信；文献[3]中实现了Udine太阳能智能灯的声控操作。

从以上研究可看出，当前的太阳能照明设备已经具备成熟可靠的核心控制器件与驱动电路，但是目前现有的太阳能照明设备仍然只依据外界光照强度进行照明开关的调整，功能较为单一，没有远程智能控制功能，并且在多设备分布时不能方便排查问题所在。因此，本文设计了一种以STM32为控制器的智能物联网太阳能壁灯，并设计了相应APP对其进行远程操控，能够实现人体感应、光照检测、亮度控制等功能，具有功能丰富、结构简单、性能可靠、方便实用等特点。

1 系统结构与技术实现

1.1 系统结构

智能型太阳能壁灯的整体结构如图1所示。

该太阳能壁灯由发光灯、壁灯控制系统、通信系统和光伏发电模块构成。其中，壁灯控制系统分别与发光灯和通信模块连接，光伏发电模块向壁灯、控制模块和通信系统提供电能，并且壁灯控制系统通过通信模块与壁灯控制端连接，接收壁灯控制端发送的控制信号。

壁灯控制系统由单片机以及与单片机连接的人体感应器、光强传感器和LED亮度调节驱动模块组成。通信模块采用MQTT协议可实时传输数据至云端服务器，再由云端服务器转发信息至用户APP端，同时用户在APP端也可根据当前状态发送信息至云端服务器，并由服务器转发信息至通信模块，进而实现二者相互通信；光伏发电模块包括太阳能光伏板、锂电池和太阳能控制器。在光伏发电模块的稳定供能下，控制模块中的单片机通过通信模块与手机APP端实现信号连接，接收APP端发送的控制信号，可实现壁灯的定时开关、亮度调节、灯亮灭以及壁灯常亮等功能。

1.2 系统结构

1.2.1 光伏发电系统设计

光伏发电系统主要由太阳能电池、控制器与负载组成，能够通过光生伏特效应为电池充电。

（1）系统结构

阳光充足时，太阳能电池组件产生电能，并给电池充电，但如果白天光照不足或者处于夜间时，则由蓄电池在控制器的控制下向直流负载供电，对于含交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电变成交流电。根据此原理，本文设计了一个可靠的光伏发电系统，它由太阳能电池组、充放电控制器、逆变器、测试仪表等电力电子设备组成，整体结构如图2所示。

（2）参数设计与验证

通过查阅《LED灯具维护标准》和《照明设计规范》，本文设计出符合壁灯日常生活使用场景的照射环境，并利用系数法计算LED灯所需照度，其中各项系数见表1所列。经过计算最终选择功率为5 W的LED灯。

基于太阳能壁灯在连续3天阴雨天气情况下续航工作的设计要求，不仅需要让锂电池容量至少为LED负载的每日工作消耗与度过连续阴雨天所需要消耗的总电量之和，还要考虑到放电深度、配线损失、温度等因素对锂电池实际容量的影响。根据重庆地区的需求可求出满足要求的锂电池容量为20 A·h。

计算太阳能板功率时需要考虑到在上一个阴雨周期电池耗尽电能的情况下，太阳能电池板在两个阴雨周期间的晴天阶段产生更多电能，且还要满足晴天每个夜间正常照明，才能确保电池为下一个连续阴雨天做好准备。这里设定相邻阴雨天周期间隔为4天。根据2015年到2019年重庆地区的年总峰值日照时数，能够得到单日峰值日照时数为3.06 h，通过计算可得太阳能板功率为25 W，满足设定需求。

1.2.2 壁灯控制系统设计

根据系统要求和场景要求，本文选用的感知元件为光照传感器、人体感应器和LED亮度调节驱动模块。

（1）光照传感器

BH1750是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器。该传感器采用I2C通信方式，利用其高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。BH1750输入光范围广泛，且受红外线影响小。

（2）人体感应器

人体感应器采用全自动感应的HC-SR501模块。采用的触发方式为感应输出高电平，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平。

（3）LED亮度调节驱动模块

LED亮度调节驱动模块由PT4115芯片及部分外围电路组成，PT4115是一款工作在连续模式下的电感型降压转换器。在电源电压高于输出电压的情况下，能高效驱动单颗或者多颗串联LED。通过调整其采样电阻阻值可以达到理想的恒流输出，还可对芯片的DIM引脚输入可控PWM信号从而实现PWM调光功能。

1.2.3 通信系统设计

通信系统主要由通信模块、服务器和用户控制端组成，选择通信协议实现各部分间的通信。

（1） WiFi模组

ESP8266 WiFi模块作为通信模块主要实现单片机与服务器端的通信，在烧录好固件后能够使用AT指令进行WiFi配网、MQTT配置和连接、MQTT消息发布和订阅、NTP获取时间等，其所使用的部分AT指令见表2所列。

（2）服务器

由于本产品未实例商用化，服务器主要负责少量产品的接入使用，并且在MQTT通信上使用Apache Apollo平台作为服务器的主要载体，通过Apache Apollo实现MQTT消息的传递，故最终选用腾讯云的标准型S5-2核2G配置，如图3所示。

此外，配置服务器镜像为Windows Server 2012 R2 数据中心版64位中文版，方便管理与后期功能的添加。

（3）通信协议

MQTT是IBM开发的即时通信协议，是为在低带宽、不可靠网络下的远程传感器和控制设备通信而设计的[4]。本文使用MQTT协议作为传感器和致动器（壁灯）的通信协议。该协议使用发布/订阅消息模式，提供“一对多”的消息发布模式，解除应用程序耦合；同时有3种消息服务质量，也称为QoS订阅等级[5]，可对负载内容屏蔽消息传输；小型传输，开销小（固定长度的头部是2字节），可降低网络流量。

本文设计主要保证控制指令消息的稳定传输，因而选择的消息级别为至少一次的模式，保证控制信息和数据信息可靠传输。同时，也使用心跳包的理念来优化单片机和APP之间的通信显示，提升使用者的体验。

2 功能实现

2.1 硬件设计与实现

2.1.1 嵌入式微控制器选择

本文将STM32系列和51系列微控制器进行比较。由表3可知，STM32系列微控制器的各项性能指标均优于51系列，并且有优秀的数据处理能力以及快速中断反应能力，能更加精确地完成本系统的各项任务，可应对系统的多个工作场景。考虑到控制系统的实时性和高精度要求，选择STM32F103ZET6单片机作为微控制器。

2.1.2 电源选择

由表4可知，磷酸铁锂电池具有无记忆效应、能量密度高、工作电压高等普通铅蓄电池不具备的优势。采用磷酸铁锂电池设计太阳能壁灯，因为其能量密度高，在相同规格容量下比铅酸蓄电池的质量小，占用空间小，因此更适合做一体化设计，且对环境友好度更高。所以本文设计的智能太阳能壁灯采用锂电池作为电源。

2.1.3 硬件电路

硬件电路主要是壁灯控制系统的电路原理，如图4所示。

2.1.4 光伏发电系统电路结构

光伏发电系统的内部电路如图5所示，它主要包含太阳能电池电压采样模块与充放电控制模块。

太阳能电池电压采样模块在有太阳光线照射到电池表面后，有相当一部分的光能被太阳能电池吸收，从而产生一定的光生电势，这时将负载接入两极间，就能产生直流电动势。充放电控制模块在向负载供电时，按动K2，继电器开始工作，闭合继电器的触点1，3后，电路正常工作，若锂电池电压高于10.8 V，二极管D2与Q1、Q3均导通，使继电器工作在自保导通状态；在要求断开电源时，按动K1，使Q1的基极接地，因此Q1、Q2均截止，继电器断开，而在锂电池电压小于10.8 V时，DW1截止，锂电池停止放电，避免因过放电损毁锂电池。

同时，该光伏发电系统与控制系统相连，并在控制系统的控制下为不同应用场景下的LED负载提供电能，同时能够通过手机APP实现相关功能。

2.2 壁灯控制系统的功能实现

控制系统的功能包括：光照控制、人体感应、亮度控制、常亮控制、人为开关控制和定时开关控制。本文思路是分别编写实现各功能的函数，同时用各标志位处理各功能之间的逻辑关系。除光照控制和人体感应外，其他功能均通过通信模块接收命令后实现。控制程序流程如图6所示。

出于实际情况考虑，将每个功能的优先级设置如下：光照控制和人体感应处于最低优先级，而优先级逐次提升的是亮度控制、定时器开关控制、定时开关控制、常亮控制和人为开关控制。光照控制和人体感应控制根据光照传感器、人体感应器获得相关信息来改变单片机定时器PWM占空比以改变灯的亮度。亮度控制根据不同命令来调节单片机定时器的PWM占空比来控制灯的亮度。常亮控制通过保持占空比不变来维持灯的亮度不变。人为开关控制通过人发送命令来控制灯。定时开关控制让单片机首先通过NTP定时器获取当前时间，再通过ESP8266获取在某个时间点的亮灭来控制灯的亮灭[6]。

2.3 APP的开发与运行结构

由于壁灯的控制主要是在单片机内进行，APP端仅负责展示壁灯状态和发送控制指令，故本文选择Google App Inventor作为APP软件开发平台[7]。

APP主要功能有显示壁灯联网状态（在线/离线）、控制灯是否响应的开关、指定等级的光照强度设定、定时开/关和灯的常亮开关（亮/灭），其主要运行流程如图7所示。

屏幕初始化各操作功能部件，完成底层功能流程后等待用户操作，执行对应指令。简化的图形化代码如图8所示。

2.4 服务器端的构建与实现

在服务器端的选择上，本文使用Apache Apollo平台作为MQTT服务器的载体，其配置简单且能够支持多种连接方式，这里主要使用其MQTT协议的功能部分。

在Apache Apollo平台上，可以清楚看到当前存在的主题，并且能够查看订阅者和发布者的连接地址和消息内容，服务器界面与Apollo控制台界面分别如图9与图10所示。其能够帮助识别不同的壁灯和APP端，并且端代码在不同设备发布相同指令时也能一一对应指定的壁灯端，同时避免了遭受不法入侵时的失控风险[8]。

在此基础上，还可以通过创建第三方接口来进行不同设备的互联。只要是支持MQTT协议的设备，均可以通过指定的指令协议进行互联操作和类似端对端操作，也可以使用多个壁灯组成物联网节点。通过APP进行整体或部分控制，能够在服务器端进行壁灯状态信息的可视化展示，通过用户个性化设置，能够仿制出节点分布图的观展界面，从而使得用户对太阳能壁灯的体验感大大增强，其物联网拓扑关系如图11所示[9]。

除此之外，服务器端可设置SQL数据库进行用户习惯储存，用以智能调节控制模式下的自主操作学习，进而优化智能逻辑与推荐配置设置[10]。

3 实验验证

3.1 太阳能续航实验验证

针对重庆晴天和阴天情况下太阳能板正常充电和供电进行项目测试1，具体测试情况见表5所列。

3.2 功能验证与分析

针对目前壁灯具有的基本功能种类，分别进行项目测试2

与项目测试3。项目测试2主要进行亮度设定、时间定时、开关这三项性能的测试，测试内容及结果见表6所列。

由表6的测试结果可知，在指令控制方式上，传输过程均一致，出现指令无法实现的原因是APP端网络条件差或是壁灯端网络条件不良导致数据丢包。在服务器端可以确认每次指令操作是否已上传至服务器端，从而判断是来自APP还是壁灯的问题。

项目测试3主要进行依光照自调节亮度与充电续航维持这两项性能的测试，测试内容与结果见表7所列。

通过依光照自调节亮度测试发现，当前问题的原因是有外部其他光源和开关灯光引起传感器错误检测，所以需要将传感器放在合理的位置并做保护措施以防止外部干扰。而对充电续航维持的测试结果分析得出，通过对太阳能续航部分的过盈计算可以极大程度保证壁灯的续航稳定性。

4 结 语

本文基于STM32单片机设计了一个以物联网APP智能控制为核心的太阳能壁灯，在完成自建服务器后，通过BH1750传感器的信息采集与ESP8266通信模块的信息传输，实现了对壁灯周围环境光照强度的实时监测。该壁灯能够实现自动光照控制与APP遥控控制两大基本功能，从而对壁灯周围环境的变化迅速反应并做出相应调整，使设备控制的灵活性显著提高，即使壁灯工作异常，也能立即发现并采取相应措施，最大程度减少维护成本与公共财产损失。并且在对壁灯各项基本功能的多次测试中，执行效果基本满足设计需求，使设备的稳定性与可靠性得以保证。随着太阳能壁灯应用的日益广泛与功能的日渐成熟，对现代低碳城市生活的稳定发展与乡村振兴战略的严格落实也将更进一步，为我国“双碳”目标的实现持续添砖加瓦。

参考文献

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