摘要随着全球能源危机和环境问题的日益严峻太阳能光伏发电作为一种清洁、可再生的能源技术在家庭照明领域展现出广阔的应用前景。传统家用照明系统多采用市电直接供电存在能耗高、依赖传统能源、缺乏智能化管理等问题难以满足现代家庭对节能环保、便捷控制和智能化用电的需求。基于STM32F103C8T6单片机的物联网家用光伏照明系统整合了光伏板电压电流监测模块、蓄电池电压监测模块、环境光照监测模块、按键、OLED显示屏、4G模块及家用照明调光执行设备实现了光伏发电的高效利用、照明亮度智能调节、系统状态远程监控与供电模式自动切换。系统通过整合光伏板电压电流监测、蓄电池状态采集及环境光照感知等多模态数据采用智能阈值分析与自动控制算法实现了照明亮度的自适应调节与能源的高效管理。设计中引入了4G无线通信技术构建了远程控制与交互平台支持用户通过手机端进行数据可视化查看及系统参数配置。同时系统通过继电器驱动电路实现了光伏储能与市电之间的无缝切换保障了照明系统的稳定可靠运行。该系统的实现有效提升了家庭照明的能源自给率与智能化水平减少了市电消耗确保了照明系统的稳定可靠运行为家庭绿色能源利用与智能家居发展提供了高效解决方案具有重要的实际应用价值。关键词STM32F103C8T6家用光伏照明光照监测远程控制节能调控4G通信DesignofIoTDomesticPhotovoltaicLightingSystemBasedonMCUAbstract:With the increasingly severe global energy crisis and environmental issues, solar photovoltaic power generation, as a clean and renewable energy technology,has demonstrated broad application prospects in the field of household lighting. Traditional household lighting systems mostly rely on direct mains power supply, which presents issues such as high energy consumption, dependence on traditional energy sources,and lack of intelligent management, making it difficult to meet modern households demands for energy conservation, environmental protection, convenient control, and intelligent power utilization. The IoT household PV lighting system based on the STM32F103C8T6 microcontroller integrates a PV panel voltage and current monitoring module, a battery voltage monitoring module, an ambient light monitoring module, buttons, an OLED display, a 4G module, and household lighting dimming actuators. It achieves efficient utilization of PV power generation, intelligent adjustment of lighting brightness,remote monitoring of system status, and automatic switching of power supply modes. By integrating multimodal data such as PV panel voltage and current monitoring, battery status acquisition, and ambient light sensing, and employing intelligent threshold analysis and automatic control algorithms, the system achieves adaptive adjustment of lighting brightness and efficient energy management. The design incorporates 4G wirelesscommunication technology to build a remote control and interaction platform, enablingusers to view data visualization and configure system parameters through a mobile phone terminal. Additionally, the system achieves seamless switching between PV energystorage and mains power through a relay drive circuit, ensuring stable and reliable operation of the lighting system. The implementation of this system effectively enhances the energy self-sufficiency and intelligence level of household lighting, reduces mains power consumption, ensures stable and reliable operation of the lighting system, and provides an efficient solution for household green energy utilization and smart home development, thus having significant practical application value.Keywords:STM32F103C8T6;Householdphotovoltaiclighting;Lightmonitoring;Remotecontrol;Energy-savingregulation;4Gcommunication目 录摘要 ⅠAbstract Ⅱ第1章绪论1.1研究的目的及意义1.2国内外发展情况1.3本设计主要研究内容第2章设计思路与方案2.1设计任务与要求2.2整体设计方案2.3主要元器件选择52.3.1主控芯片选择2.3.2光照监测模块选择2.3.3电压电流监测模块选择2.3.4显示模块选择2.3.54G模块选择2.3.6按键模块选择第3章硬件设计3.1主控电路模块3.25516光照检测模块电路3.3INA219电压电流监测模块电路3.4OLED显示模块电路3.54G模块电路3.6按键模块电路3.7执行设备驱动电路3.8电路图第4章系统程序设计4.1编程软件介绍4.2系统主流程设计4.3独立按键4.4OLED显示流程设计4.5LED灯亮度调节子流程设计4.64G模块联网子流程设计20第5章 仿真与实物测试5.1 系统仿真设计5.2 仿真测试结果分析5.3PCB的绘制与实物制作5.3.1PCB的绘制5.3.2实物制作5.4整体实物测试5.55516光照检测模块功能测试5.6INA219电压电流监测模块功能测试5.7锂电池电压监测模块功能测试5.84G模块功能测试5.9按键设置与显示功能测试30第6章总结与展望316.1总结316.2展望31参考文献致谢附录A35第1章 绪论1.1 研究的目的及意义随着分布式光伏发电技术的成熟和智能家居理念的普及家用光伏照明系统作为家庭绿色能源利用的重要形式其节能性、智能化水平和运行可靠性日益受到关注。传统的家用光伏照明系统多采用简单的手动开关或定时控制方式不仅存在光照强度适配性差、能源利用效率低的问题还因缺乏对光伏电池板、蓄电池等关键部件状态的实时监测导致故障发现滞后、依赖人工巡检维护难以满足现代家庭对智能化、节能化照明管理的需求。基于STM32单片机的物联网家用光伏照明系统的研究与应用对于推动家庭能源管理向自动化、智能化转型具有重要的现实意义[1]。该系统的研究旨在提升家用光伏照明系统的能源利用效率。在传统控制模式中照明灯具无论环境光照如何变化均按照固定模式开启和关闭或保持恒定亮度导致在白天或光照充足时仍可能亮灯、夜间或阴雨天气时亮度不足等问题造成电能浪费或照明体验不佳。智能家用光伏照明系统通过光照监测模块实时感知室内外环境光照变化自动调节灯具亮度实现“按需照明”在保证照明效果的同时大幅降低电能消耗优化光伏发电的利用效率[2]。研究该系统对于保障家用光伏照明系统的运行稳定性和安全性具有重要意义。家用光伏系统通常包含光伏板、控制器、蓄电池和照明负载蓄电池的过放、过充以及线路的电压电流异常都可能导致设备损坏甚至安全事故[3]。智能控制系统通过电压电流监测模块实时检测光伏输入、蓄电池状态及负载回路参数一旦发现异常立即触发声光报警并通过4G模块将故障信息推送至用户手机端便于用户及时处理显著提升了系统的安全性和可靠性[4]。此外该系统的研发推动了家庭能源管理的智能化和信息化发展。作为智能家居体系的重要节点物联网家用光伏照明系统通过4G模块实现数据的远程传输和远程控制用户可通过手机端实时查看光伏发电量、蓄电池电压、照明能耗等数据并设置参数阈值摆脱了传统人工操作的空间限制。系统积累的光照数据、用电数据和故障记录还能为家庭节能方案优化、光伏容量匹配和运维决策提供数据支持推动家庭能源管理从经验化向数据化、科学化转变[5]。综上所述基于STM32单片机的物联网家用光伏照明系统的研究不仅提高了家庭照明的能源利用效率和运行可靠性还推动了家庭能源管理的智能化和信息化升级对于降低家庭碳排放、促进绿色智能家居发展具有重要意义[6]。1.2 国内外发展情况在灯光控制技术领域国内外都经历了从人工控制到半自动控制再到自动化、智能化控制的发展过程不断推动着灯光管理水平的提升。国外研究现状国外在家用光伏照明技术的研究起步较早20世纪后期主要采用独立的光伏组件搭配简单的充放电控制器和照明灯具完全依赖手动开关或定时器效率低下且无法根据环境变化灵活调整[7]。21世纪初期随着电子技术和传感器技术的发展开始出现集成光照传感器的光伏照明控制器能够根据环境光照自动开关灯具初步具备了环境自适应能力但功能相对单一主要解决“亮灯/关灯”问题缺乏亮度调节和远程监控功能[8]。近年来国外的家用光伏照明系统向智能化、网络化方向快速发展。一些发达国家推出了集成多种传感器光照、电压、电流、温湿度等的智能光伏照明控制器采用高性能微控制器如ARM系列单片机作为核心实现了灯具亮度的连续调节PWM调光、蓄电池状态实时监测、故障自动报警等功能[9]。同时借助物联网技术如4G/5G、Wi-Fi、Zigbee将系统接入家庭网络用户可通过手机APP远程查看光伏发电量、蓄电池电量、照明状态并发送控制指令。部分系统还融合了家庭能源管理系统根据电价、天气预测和用电习惯优化光伏照明策略进一步提升节能效果典型项目可实现30%~50%的照明节能率[10]。国内研究现状国内家用光伏照明技术的研究起步相对较晚20世纪90年代以前主要采用简易的光伏照明产品技术水平较为落后[11]。2000年以后随着光伏产业的发展和城市家庭对绿色能源的关注开始出现配备充放电控制器和自动开关功能的家用光伏照明系统逐步替代了传统的手动控制方式。这一时期的系统多为独立运行缺乏智能化调节和远程管理能力[12]。进入2010年后国内企业和科研机构加大了对智能光伏照明控制技术的研发投入在本地化适配和功能拓展方面取得了显著进展。基于STM32等高性能单片机的控制器开始普及集成了光照检测、PWM亮度调节、蓄电池电压监测等功能能够根据环境光照和蓄电池电量自动调节照明亮度延长蓄电池寿命。同时4G、GPRS、Wi-Fi等通信技术被引入实现了系统的远程监控用户可通过手机或电脑查看数据、修改参数[13]。近年来国内的家用光伏照明技术向物联网化、平台化方向发展。基于云平台的智能光伏照明管理系统逐渐成熟支持多设备集中管理具备数据采集、远程控制、故障报警、能耗分析等功能。部分系统还整合了市电互补供电技术实现了“光伏市电”的混合供电模式进一步提升了供电可靠性[14]。随着智慧家庭和“双碳”目标的推进国内的家用光伏照明系统开始与智能家居生态联动例如根据人员活动情况动态调节照明兼具安防联动功能技术水平逐渐接近国际先进水平。政府对新能源和节能减排的政策支持也为家用光伏照明技术的推广应用提供了良好的环境[15]。1.3 本设计主要研究内容本设计基于STM32单片机围绕家用光伏照明系统的智能化控制展开研究具体研究内容如下1.通过光照监测模块实时采集环境光照强度实现照明亮度的自动调节当环境光照大于设定最大值时自动关闭照明小于最小值时以最大亮度点亮介于两者之间时线性调节亮度。2.通过电压电流监测模块实时获取光伏板或负载回路的电压、电流值实现异常检测当电压或电流超出设定阈值时触发声光报警并通过4G模块将异常信息远程推送至手机端。3..通过锂电池电压监测模块实时监测蓄电池电压实现供电模式的智能切换当电压高于设定最小值时优先使用蓄电池供电否则自动切换至市电供电。4.通过按键模块实现参数阈值的现场设置包括光照上下限、电压电流报警值、蓄电池切换电压等。5.通过OLED显示模块实时显示系统的监测数据如光照强度、电压、电流、蓄电池电压、工作模式等。6.通过4G模块实现数据的远程传输与远程控制将监测数据上传至手机端并支持手机端远程设置阈值、控制照明亮度及开关。第2章 设计思路与方案2.1 设计任务与要求本设计旨在开发一套智能化的家用光伏照明控制系统具体要求如下能够根据环境光照强度自动调节照明亮度实现按需照明减少电能浪费。能够实时监测光伏输入或负载回路的电压、电流并在异常时发出报警并远程通知用户。能够监测蓄电池电压并根据电压值自动切换供电模式蓄电池供电或市电供电。提供按键和手机端两种方式方便用户设置各类参数阈值。能够实时显示系统运行数据并通过4G网络实现远程监控与控制。2.2 整体设计方案本设计以STM32F103C8T6单片机为核心控制器加上其他的模块一起组成家用光伏照明控制检测系统其中包含中控部分、输入部分和输出部分。中控部分采用了STM32F103C8T6单片机其主要作用是获取输入的部分数据经过内部处理控制输出部分。输入由五部分组成第一部分是光照检测模块通过该模块检测当前光照值第二部分是电压电流检测模块通过该模块检测当前灯光电压电流值第三部分是电池电压采集电路通过该模块检测锂电池电压第四部分是按键模块通过按键设置灯光电流电压最大值光照最大值最小值以及锂电池电压最小值第五部分是供电模块通过该模块可给整个系统进行供电。输出由三部分组成第一部分是通过OLED显示屏显示数据显示电流电压和光照值等第二部分是声光报警模块当灯光电流电压大于设置最大值时进行声光报警提醒第三部分是继电器控制电路模拟供电。除此之外4G模块将检测的数据传输到手机端也可以远程控制照明的开关系统框图如图2.1所示。图2.1 系统框图2.3 主要元器件选择2.3.1 主控芯片选择方案一选择STC89C52作为此次设计的主控模块。优势成本低廉价格仅为STM32系列的1/5能大幅降低系统硬件成本。技术成熟作为8位51内核经典型号开发资料丰富编程门槛低适合简单逻辑控制。功耗较低静态电流约1mA适合低功耗场景。不足性能有限主频仅11.0592MHz在处理多传感器数据光照、电压、电流及4G通信协议时响应速度不足难以实现亮度无级调节等复杂功能。外设资源匮乏I/O口和通信接口数量少连接4G模块、光照传感器、OLED等设备时需复杂扩展稳定性差。方案二选择STM32F103C8T6作为此次设计的主控模块。优势高性能表现基于Cortex-M3内核主频72MHz运算能力强能高效处理多传感器数据融合、PWM无级调光、4G数据收发等复杂任务满足灯光智能化控制需求。外设资源丰富具备多个UART、SPI、I2C接口及12位ADC可直接连接光照模块、电压电流传感器、OLED、4G模块和按键无需额外扩展电路。开发支持完善拥有HAL库和丰富的例程便于实现4G通信、阈值算法判断等功能且后续可轻松拓展车流量联动等高级功能。不足成本较高单价约为STC89C52的5倍增加系统初期投入。学习曲线较陡需掌握ARM架构和嵌入式开发工具对开发人员技术要求较高。综上所述本设计选择STM32F103C8T6作为主控芯片。家用光伏照明系统需同时处理光照调节、多参数监测、4G通信及复杂控制逻辑STM32F103C8T6的高性能和丰富外设能确保系统稳定高效运行其优势远大于成本差异。2.3.2 光照监测模块选择方案一选用5516光照检测模块。优点成本低廉单价不足10元适合批量部署的灯光系统。结构简单通过光敏电阻输出模拟电压信号直接连接单片机ADC接口电路设计简便。响应速度快能快速感知光照强度变化满足灯光实时调光需求。缺点线性度较差输出电压与光照强度呈非线性关系需通过软件校准才能获得准确光照值。测量范围有限约0-20000Lux强光环境下可能饱和影响调节精度。方案二采用BH1750光照传感器。优点测量精度高误差仅±20Lux能精确到1Lux且输出与光照强度呈线性关系无需复杂校准。测量范围广1-65535Lux可覆盖从黄昏到正午的全光照场景适合不同时段灯光调光。支持I2C通信数据传输稳定直接输出数字量减少单片机数据处理压力。缺点成本较高单价约为5516模块的3倍。对布线要求稍高需严格遵循I2C时序规范否则易出现通信故障。综上所述本设计选择5516光照检测模块。灯光系统对成本敏感度高且调光精度无需达到实验室级别5516模块的低成本、结构简单、响应快等特点更符合大规模部署需求。通过软件校准可弥补线性度不足的问题完全能满足“光照大于最大值关灯、小于最小值强光、中间值自适应调节”的核心功能性价比优势显著。2.3.3 电压电流监测模块选择方案一选用INA219电流电压监测模块。优点集成度高单模块可同时测量电压和电流无需额外搭建复杂电路简化系统设计。测量精度高电流测量误差±0.5%电压测量误差±0.2%能精准捕捉灯光电压电流的细微异常满足监测需求。支持I2C通信协议与单片机连接方便数据传输稳定可靠软件编程相对简单。量程适配性好可测量0-32V电压和±3.2A电流既能适配市电经过变压后的电压也能满足锂电池供电的电压电流监测场景。自带校准功能可通过软件校准进一步提升测量精度维护便捷。缺点成本相对较高单价约为ACS712组合方案的1.5倍。最大测量电流为3.2A对于大功率灯光如超过700W的电流监测可能存在局限需额外选型更高量程型号。方案二采用HLW8012集成电压电流检测模块。优点集成度高单模块即可同时测量电压、电流和功率直接输出高频脉冲信号通过计数即可计算有效值软件处理简单。测量精度高电压误差±0.5%电流误差±1%满足灯光监测需求。支持I2C通信可直接与单片机交互简化电路设计。缺点成本较高单价与INA219相近。量程固定电压85-265V电流0-10A对低压锂电池供电场景适配性较差无法精准监测锂电池的低压状态。​综上所述本设计选择INA219电流电压监测模块。家用光伏照明系统需要兼顾市电和锂电池两种供电模式的电压电流监测INA219的宽量程特性和高精度优势能完美适配这一需求且其I2C通信方式简化了电路设计和软件编程虽成本略高于ACS712组合方案但综合考虑系统集成效率和监测可靠性更符合家用光伏照明的设计需求。2.3.4 显示模块选择方案一选用OLED显示屏128×64。优点显示清晰对比度高在户外强光下仍能清晰显示光照值、电压电流、电池状态等信息可视性优于其他显示屏。功耗低工作电流仅20mA远低于LCD显示屏适合锂电池供电场景。体积小巧28mm×28mm可灵活嵌入灯光控制盒安装方便。支持字符和图形显示能通过图标直观展示供电模式市电/锂电池和网络状态。缺点成本较高单价约为LCD1602的4倍。低温环境下-10℃以下响应速度略有下降但不影响基本显示功能。方案二采用LCD1602字符显示屏。优点成本低廉单价约10元适合低成本方案。技术成熟抗干扰能力强在复杂电磁环境下不易出现花屏。缺点显示效果差对比度低强光下需背光才能看清增加功耗。显示信息量有限仅能显示字符无法通过图形直观展示系统状态不符合家用光伏照明的交互需求。综上所述本设计选择OLED显示屏。其清晰的显示效果和低功耗特性能确保运维人员快速获取灯光状态信息虽成本较高但对提升系统易用性和智能化观感作用显著。2.3.5 4G模块选择方案一选用Air780E4G模块。优点支持全网通4G网络覆盖范围广偏远地区也能稳定通信确保灯光数据实时上传。集成度高内置GNSS定位功能可选可同步上报灯光位置信息便于资产管理。支持TCP/MQTT协议能直接对接云端平台和手机APP软件开发便捷。功耗适中休眠电流约3mA搭配电源管理可减少锂电池消耗。缺点成本较高单价约80元占系统硬件成本的20%。对供电稳定性要求高需3.8-4.2V稳定电压否则易出现通信中断。方案二采用SIM800CGSM模块。优点成本低廉单价仅为Air780E的1/3适合预算有限的项目。功耗低休眠电流1mA对锂电池续航更友好。缺点仅支持2G网络国内部分地区已停止2G服务存在通信中断风险。数据传输速率低最高9.6kbps无法快速上传批量数据且不支持复杂网络协议手机端远程设置功能实现困难。综上所述本设计选择Air780E4G模块。家用光伏照明对通信稳定性和功能扩展性要求较高Air780E的4G全网通特性和完善的协议支持能确保远程控制、数据上传和阈值设置功能可靠实现符合智慧城市的长期发展需求。2.3.6 按键模块选择方案一使用三个独立按键模块。优点结构简单每个按键直接连接单片机I/O口通过电平变化即可识别操作编程难度低。响应速度快按键按下到单片机识别的延迟小于10ms适合实时参数调节。维护方便单个按键故障不影响其他按键功能排查更换简单。缺点占用3个I/O口相较于矩阵按键不够节省资源但对于灯光系统的少量按键需求而言影响不大。方案二采用2×2矩阵按键模块。优点仅占用4个I/O口即可实现4个按键功能资源利用率高便于后续扩展更多操作如模式切换。集成度高按键排列紧凑节省安装空间。缺点编程复杂需通过行列扫描识别按键易受干扰导致误判。响应速度略慢于独立按键存在约50ms扫描延迟。综上所述本设计选择三个独立按键模块。灯光系统仅需“设置”“加”“减”三个按键即可完成阈值调节独立按键的简单可靠特性更符合户外设备的稳定性需求且无需为节省少量I/O口而增加开发复杂度。以上为部分内容节选如您需要获取完整版欢迎随时联系我们