基于LoRa技術(shù)的智能校園照明管理系統(tǒng)

黃潔文

（桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西 南寧 530001）

在計算機和通信技術(shù)日新月異的今天，智能化、網(wǎng)絡(luò)化以超出想象的速度發(fā)展。特別是物聯(lián)網(wǎng)[1]概念的提出，各種應(yīng)用更是如雨后春筍般出現(xiàn)。通過物聯(lián)網(wǎng)終端就可以為人們提供更加便捷的信息和決策服務(wù)，還可以遠程對聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行查詢和控制，從而減輕人們的勞動強度，并提高了設(shè)備的管理水平。智能校園照明管理系統(tǒng)就是在這樣的需求下進行的研究。

1 LoRa技術(shù)簡介

LoRa[2]是一種新型的數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)。2013年8月，Semtech公司向業(yè)界發(fā)布了一種新型的基于1 Ghz以下的超長距離低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（LongRange，簡稱LoRa）的芯片。其接收靈敏度達到了驚人的-148 dBm.它使用線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù)，既保持了像FSK調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離。這些關(guān)鍵特征使得LoRa技術(shù)非常適合于要求功耗低、距離遠、大量連接和數(shù)據(jù)量小的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能抄表、智慧農(nóng)業(yè)、智慧校園等等應(yīng)用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能校園照明管理系統(tǒng)主要由運行于智能終端的應(yīng)用App、控制主機、開關(guān)節(jié)點三部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用App運行于智能終端上，智能終端通過WiFi連接控制主機的熱點。運行App可與控制主機進行數(shù)據(jù)交換。在App端設(shè)定好的數(shù)據(jù)，通過WiFi傳輸給控制主機。控制主機根據(jù)App發(fā)來的數(shù)據(jù)進行解析，通過LoRa發(fā)送給開關(guān)節(jié)點，開關(guān)節(jié)點再驅(qū)動相應(yīng)的繼電器，從而實現(xiàn)了對照明用電設(shè)備的控制。系統(tǒng)具有對被控照明設(shè)備進行實時、定時控制，并能反饋被控照明設(shè)備的狀態(tài)。通過智能終端可對照明系統(tǒng)的集中遠程控制和查詢，方便對照明設(shè)備的管理和維護。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 控制主機

控制主機由單片機模塊、液晶顯示模塊、WiFi模塊、LoRa無線通信模塊、鍵盤模塊五部分組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

（1）單片機模塊采用宏晶科技公司的STC15W4K 56S4作為主控芯片，該芯片是增強型8051單片機，芯片擁有4KBram，56KBflash存儲器以及豐富的片上資源，具有運行速度快，運行電壓寬（2.5 V～5.5 V），抗干擾能力強的特點。單片機作為控制主機的大腦，協(xié)調(diào)與之相連的模塊運行。

圖2 控制主機結(jié)構(gòu)圖

（2）WiFi模塊采用ESP8266[3]芯片的模塊。該芯片為樂鑫信息科技（上海）有限公司專為移動設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計。芯片集成了Tensilica’sL106系列32bit處理器、天線開關(guān)、射頻balun、功率放大器、低噪聲放大器等模塊。其支持802.11b/g/n，可工作在Station模式和softAP模式。在該設(shè)計中，ESP8266工作于softAP模式，智能終端通過WiFi接入控制主機，通過socket編程進行數(shù)據(jù)交換。

（3）LoRa無線通信模塊采用深圳安信可科技的LoRa模塊，該模塊是安信可科技基于Semtech專利技術(shù)芯片SX1278研發(fā)的一款高品質(zhì)LoRa射頻前端，具有超遠距離擴頻通信，抗干擾性強、低電流消耗等特征。同時支持傳統(tǒng)的FSK調(diào)制技術(shù)和LoRa擴頻技術(shù)，最高可實現(xiàn)-148 dBm的高靈敏度，芯片內(nèi)部集成了高功率放大器，可實現(xiàn)最大20 dBm的功率輸出，非常適合遠距離傳輸且對可靠性要求較高的應(yīng)用場合。在低速率傳輸條件下，開闊環(huán)境通信距離可達數(shù)十公里。在控制主機中，LoRa無線通信模塊是與開關(guān)節(jié)點的通信橋梁，單片機通過WiFi模塊接收到的數(shù)據(jù)，再通過LoRa模塊發(fā)送給開關(guān)節(jié)點。

3.2 開關(guān)節(jié)點

開關(guān)節(jié)點由單片機模塊、LoRa無線通信模塊、繼電器模塊組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 開關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)節(jié)點在單片機STC15W4K56S4的統(tǒng)一控制下運行。平時LoRa無線通信模塊處于接收狀態(tài)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時，與自己的地址進行比對，如果相同，則對接收的數(shù)據(jù)包進行解析，并對輸出繼電器進行開關(guān)控制，達到了遠程控制負(fù)載的目的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，軟件分為三個部分：智能終端Android應(yīng)用App、控制主機軟件、開關(guān)節(jié)點軟件。應(yīng)用App采用Androidstudio環(huán)境進行開發(fā)。控制主機和開關(guān)節(jié)點采用keilC51進行開發(fā)。在整個系統(tǒng)中，控制主機的WiFi模塊工作于softAP，接收來自應(yīng)用App的數(shù)據(jù)?？刂浦鳈C根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，通過LoRa無線通信模塊發(fā)送給開關(guān)節(jié)點。從而達到遠程控制用電負(fù)載的目的?？刂浦鳈C程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制主機程序流程圖

5 測試結(jié)論

本設(shè)計屬桂林理工大學(xué)校園科技項目，已在校園環(huán)境下做過實際使用測試。按測試方案，將主機安裝在4號教學(xué)樓3樓，同時在分別處于主機安裝點東、西、南三個方向的8號教學(xué)樓、實訓(xùn)樓C棟和3號教學(xué)樓布設(shè)多個開關(guān)點（各點距主機的距離分別為210 m、3.5 km和40 m），進行連續(xù)一個星期的無間斷工作測試。

測試結(jié)果表明：在測試期間，各開關(guān)節(jié)點均能對智能終端發(fā)出的命令作出準(zhǔn)確及時的響應(yīng)，對其所分別控制的路燈的開關(guān)動作錯誤率為零，完全達到了設(shè)計目的。在隨后的測試中，任意增減控制網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)節(jié)點數(shù)目，并未發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)的工作有任何不良影響，充分體現(xiàn)了LoRa技術(shù)的可靠性和靈活的擴展性。在對處于控制主機最遠距離，安裝在實訓(xùn)樓C棟的開關(guān)節(jié)點的檢測情況看，雖然兩點距離長達3.5 km，且中間有樹木及建筑物遮擋，在晴雨、白晝等天氣及氣象條件下，均能正常工作和隨時增減節(jié)點。如果采用WiFi或傳統(tǒng)FSK的通信方式，要達到同樣的覆蓋范圍和傳輸效果，必然要增加多個中繼，從而增加安裝、維護的難度和成本，甚至還會導(dǎo)致可靠性下降等問題，從這點上看，采用LoRa擴頻通信技術(shù)在傳輸距離上的優(yōu)勢極為明顯。

6 結(jié)束語

本文采用的基于LoRa技術(shù)設(shè)計的智能照明管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)利用智能終端對照明用電設(shè)備進行遠程控制和管理，不僅適用于校園環(huán)境使用，還可以推廣至辦公大樓、住宅小區(qū)用電設(shè)備的集中控制。在實際使用中無需進行復(fù)雜耗時的布線工作。只需增加開關(guān)節(jié)點即可，具有靈活的擴展性和使用性。隨著人們對節(jié)能減排的追求，會有更多的應(yīng)用場景。

[1]王陽，溫向明，路兆銘，等.新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——LoRa[J].信息通信技術(shù)，2017，11（01）：55-59,72.

[2]趙太飛，陳倫斌，袁 麓，等.基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2016，24（09）：298-301.

[3]王 浩.基于Esp8266WIFI平臺和MQTT協(xié)議的遠程設(shè)備數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)計[J].泰山學(xué)院學(xué)報，2017，39（06）：86-91.