【毕业设计】基于STM32的智能路灯控制系统设计与实现（光照检测+人体感应+LoRa组网+上位机管理）

基于STM32F103设计一套面向校园道路、园区步道和社区照明场景的智能路灯控制系统，集成光照检测、人体红外感应、RTC定时、PWM调光和LoRa无线组网，实现自动亮灯、分时调光、异常告警与上位机集中管理，适合作为STM32相关毕业设计、课程设计和项目实战参考。

qq_40431685

633人浏览 · 2026-05-06 13:59:59

qq_40431685 · 2026-05-06 13:59:59 发布

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一、项目概述

1.1 项目背景

传统路灯系统大多采用固定时段开关控制，方案简单，但也暴露出几个典型问题：

白天阴雨、傍晚光线突变时，固定时段控制不够精准
深夜人流较少时仍全功率点亮，能源浪费明显
单灯故障只能靠人工巡检，维护效率低
多灯集中管理能力弱，缺少状态回传和策略调整接口

如果把它放在校园、工业园区或者住宅小区场景里，这类问题会直接影响照明效果、运维成本和节能指标。因此，毕业设计完全可以围绕“感知 + 控制 + 通信 + 管理”四个关键词展开，做成一套既有硬件、又有软件、还能讲工程价值的完整系统。

本文给出一套可直接用于论文和答辩展示的实现思路：以 STM32F103C8T6 为主控，结合 BH1750 光照传感器、HC-SR505 人体红外模块、DS3231 时钟模块、MOS 管 PWM 调光驱动、LoRa 无线通信模块，构建分布式智能路灯节点，并通过上位机完成参数配置、状态显示和故障记录。

1.2 设计目标

本项目重点解决以下几个问题：

根据环境光照强度自动控制路灯开关
根据人体经过情况进行亮度提升和延时熄灭
根据 RTC 时间段执行分时调光策略
通过 LoRa 将多个路灯节点接入网关，实现远距离低功耗组网
上位机实时显示节点亮度、在线状态、故障信息和告警日志

1.3 系统功能

自动采集环境照度，判断是否进入亮灯状态
人体经过时提升灯光亮度，无人时自动降到节能模式
支持凌晨低功耗调光，降低整体能耗
支持手动模式、自动模式、定时模式三种工作模式
支持灯具开路、节点离线、通信异常等故障检测
支持上位机统一查看和下发控制参数

二、技术选型表

技术领域	选型方案	选择理由
主控芯片	STM32F103C8T6	成本低、资源充足、开发资料丰富
光照检测	BH1750	I2C 接口，照度数据直观，适合照明场景
人体感应	HC-SR505 / PIR	接口简单，适合做路灯联动触发
实时时钟	DS3231	走时稳定，支持断电保持
调光方式	TIM PWM + MOS 驱动	实现亮度可调，控制逻辑清晰
无线通信	SX1278 LoRa	低功耗、远距离、适合路灯组网
本地显示	OLED 0.96 寸	调试方便，可本地查看状态
上位机	Python + PyQt5	可视化效率高，适合毕业设计展示
数据存储	SQLite	轻量、易部署、便于日志查询

三、系统架构设计

3.1 总体架构

系统采用“路灯节点 + LoRa 网关 + 上位机”的三级架构：

路灯节点层：STM32 采集照度、人体状态、时钟数据，执行调光控制
通信层：LoRa 模块负责节点与网关之间的状态上传和命令下发
管理层：PyQt5 上位机负责参数配置、日志显示、节点监控和故障统计

如果需要在 CSDN 正文中插图，架构关系可以概括为：

BH1750/人体感应/RTC
         ↓
 STM32 数据采集与策略判断
         ↓
   PWM 调光 + 本地状态显示
         ↓
      LoRa 无线传输
         ↓
     网关串口转发到PC
         ↓
 PyQt5 上位机监控与日志管理

3.2 工作模式设计

为了让项目更像工程方案，建议至少设计三种工作模式：

自动模式：根据光照阈值自动开关灯，同时结合人体感应进行亮度提升
定时模式：按照 RTC 时间段执行亮灯和降功率策略
手动模式：通过上位机直接设置节点开关和亮度占空比

3.3 数据帧设计

LoRa 上传的节点数据建议采用简单字符串协议，便于调试：

ID=01,LUX=128,PIR=1,MODE=AUTO,DUTY=85,ERR=0

下位机解析简单，上位机也容易拆包。后续如果想扩展多字段配置，也可以改为 JSON 格式。

四、硬件设计

4.1 硬件清单

模块	型号	数量	说明
最小系统板	STM32F103C8T6	1	核心控制器
光照模块	BH1750	1	环境照度采集
人体感应模块	HC-SR505	1	路人经过检测
RTC 模块	DS3231	1	定时策略执行
LoRa 模块	SX1278	1	远距离无线通信
OLED 模块	SSD1306	1	本地状态显示
LED 灯驱动	MOS 管 + LED 负载	1	PWM 调光控制
蜂鸣器	有源蜂鸣器	1	故障本地告警

4.2 关键引脚分配

功能	引脚
I2C1_SCL	PB6
I2C1_SDA	PB7
PIR 输入	PA1
PWM 输出	PA8
LoRa 串口 TX/RX	PA9 / PA10
蜂鸣器控制	PB12

4.3 设计要点

BH1750 和 DS3231 都挂在 I2C 总线上，注意总线地址和上拉电阻
PWM 调光建议使用定时器高级输出，便于调整占空比
灯具驱动部分与 STM32 控制部分最好做隔离或分开供电
LoRa 天线布线尽量短，避免贴近高频开关电源区域

五、软件设计

5.1 主程序流程

主循环可以拆成以下几个任务：

周期采集光照值
检查人体感应状态
获取 RTC 时间
根据策略计算目标亮度
执行 PWM 输出
上传节点状态
检查通信和灯具故障

主流程如下：

while (1)
{
    Read_BH1750(&lux);
    pir_state = HAL_GPIO_ReadPin(PIR_GPIO_Port, PIR_Pin);
    DS3231_GetTime(&rtc_time);

    duty = StreetLight_StrategyCalc(lux, pir_state, rtc_time, sys_mode);
    PWM_SetDuty(duty);

    Fault_Check();
    Lora_ReportStatus(lux, pir_state, duty, fault_code);

    HAL_Delay(500);
}

5.2 自动调光策略

自动调光是整篇文章的核心，建议把逻辑写清楚：

当照度高于白天阈值时，灯保持关闭
当照度低于夜间阈值时，进入亮灯状态
如果检测到人体经过，亮度提升到 80%~100%
如果一段时间无人经过，则降到 30%~40% 节能亮度
凌晨低人流时间段继续下调占空比

策略函数示例如下：

uint8_t StreetLight_StrategyCalc(uint16_t lux, uint8_t pir, RTC_TimeTypeDef now, uint8_t mode)
{
    if (mode == MODE_MANUAL)
    {
        return manual_duty;
    }

    if (mode == MODE_TIMER)
    {
        if (now.Hours >= 18 || now.Hours < 6)
        {
            return (now.Hours >= 0 && now.Hours < 5) ? 35 : 70;
        }
        return 0;
    }

    if (lux > 300)
    {
        return 0;
    }

    if (pir)
    {
        no_person_tick = 0;
        return 90;
    }

    if (no_person_tick < 20)
    {
        no_person_tick++;
        return 55;
    }

    return 30;
}

这段代码有几个好处：

答辩时容易讲清楚控制策略
逻辑上兼顾节能与体验
后续扩展 AI 预测、人流统计也方便

5.3 BH1750 光照采集

uint16_t BH1750_ReadLux(void)
{
    uint8_t buf[2];
    HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, BH1750_ADDR, buf, 2, 100);
    return ((buf[0] << 8) | buf[1]) / 1.2f;
}

5.4 PWM 调光控制

void PWM_SetDuty(uint8_t duty)
{
    if (duty > 100) duty = 100;
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty * 10);
}

5.5 LoRa 上传函数

void Lora_ReportStatus(uint16_t lux, uint8_t pir, uint8_t duty, uint8_t err)
{
    char tx_buf[96];
    sprintf(tx_buf, "ID=%02d,LUX=%d,PIR=%d,MODE=%d,DUTY=%d,ERR=%d\r\n",
            node_id, lux, pir, sys_mode, duty, err);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)tx_buf, strlen(tx_buf), 100);
}

六、上位机设计

上位机部分建议体现两个重点：集中监控 和 参数配置。

6.1 主要界面功能

显示所有路灯节点的在线状态
实时显示光照值、人体状态、当前亮度、故障码
允许修改光照阈值、延时时间、手动亮度
支持日志保存、故障筛选、节点离线提示

6.2 串口接收解析示例

def parse_line(line: str):
    result = {}
    for item in line.strip().split(','):
        key, value = item.split('=')
        result[key] = value
    return result

6.3 数据库存储建议

SQLite 表结构可设计为：

CREATE TABLE lamp_log (
    id INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,
    node_id INTEGER,
    lux INTEGER,
    pir INTEGER,
    duty INTEGER,
    err INTEGER,
    created_at DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

七、系统调试与常见问题

7.1 光照值抖动大

原因通常有三个：

传感器供电不稳
I2C 线过长或干扰较大
周围灯具频闪导致采样波动

处理方法：

给传感器单独做去耦
使用滑动平均滤波
设置上下阈值滞回，避免频繁开关灯

7.2 PIR 容易误触发

常见于室外温差变化较大场景，可以：

增加二次确认时间窗口
只在低照度时启用 PIR 触发提升
用“人体触发 + 持续倒计时”代替频繁即时切换

7.3 LoRa 节点偶发离线

检查串口波特率和数据帧格式
检查供电纹波和模块发射瞬时电流
给上位机加心跳包超时判定，不要把一次丢包直接当故障

7.4 路灯亮度变化不平滑

可以在占空比更新时加入渐变逻辑，例如每 20ms 递增一次，占空比逐步逼近目标值，这样现场展示更有“产品感”。

八、测试方案

建议在毕业设计中补充一张测试表，体现工程严谨性。

测试项目	测试方法	预期结果
光照自动亮灯	遮挡 BH1750	路灯自动点亮
人体增亮	PIR 前方经过	亮度提升到高亮模式
无人降亮	停止移动一段时间	占空比降至节能亮度
定时控制	修改 RTC 时间	指定时间段自动开关
无线通信	断开节点天线/供电	上位机显示离线或告警