基于LoRa的智能照明控制系統(tǒng)設計

張釗源 張文康 王建威 張偉

摘 ? 要：本項目基于LoRa的線性擴頻調(diào)制技術，由STM32單片機、SX1278-LoRa、霍爾電流檢測模組、煙感傳感器、GPRS等組成，可實現(xiàn)現(xiàn)場分布式多點IO設備監(jiān)測，可實時檢測用電設備的使用情況以及煙感報警、照明控制等功能并利用單火線取電技術為照明設備供電，減少電流損耗。該系統(tǒng)配套云管理平臺，利用Webstocket通信協(xié)議，結(jié)合JS與EChart將數(shù)據(jù)以動態(tài)數(shù)據(jù)圖的形式顯示;同時，各傳感器采集的信息會形成歷史表單，用戶可以隨時登錄平臺查看所需信息。

關鍵詞：LoRa線性擴頻 ?Webstocket ?低功耗 ?遠程控制

中圖分類號：TU113 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（a）-0139-02

針對一些倉庫、圖書館、教室、地下停車場等場合照明設備存在控制距離受限、電路搭建冗雜、利用率低、能耗大的問題，研究基于LoRa的線性擴頻調(diào)制技術和單火線取電技術的照明設備控制系統(tǒng)。針對這些情況研究一款可以在低功耗模式下可對照明設備的廣域控制和室內(nèi)火災預警的控制系統(tǒng)，并結(jié)合云管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，方便用戶管理相關設備。

1 ?系統(tǒng)方案概述

本項的主要研究對象為基于LoRa線性擴頻調(diào)制技術的照明設備的遠程控制系統(tǒng)，主要針對傳統(tǒng)照明控制器的通訊方式和接線方式進行改進，主要內(nèi)容如下。

（1）傳感終端節(jié)能低功耗。

PI-3V3-B4單火線取電芯片盡可能的降低待機功耗，減小待機電流，避免出現(xiàn)照明設備關閉后閃爍或者微亮，并提供足夠的輸出電流給傳感終端電路。在開關關閉時給控制終端提供很小的電流，用以維持工作，并使控制關態(tài)供電的單元提前進入大電流工作狀態(tài)，有效解決照明設備關閉后閃爍或者微亮問題。

（2）LoRa對照明設備廣域控制。

借助LoRa的線性擴頻調(diào)制技術，通過從機LoRa網(wǎng)關與主機LoRa網(wǎng)關實現(xiàn)遠距離通信。借助主機LoRa模塊向終端節(jié)點MCU發(fā)送指令，對照明系統(tǒng)進行有效地控制?；贚oRa技術構(gòu)建的傳感網(wǎng)絡組成主要包括LoRa通信終端、網(wǎng)關（或稱基站）、服務器和云端四部分組成，應用數(shù)據(jù)、用戶指令可雙向傳輸[1]。

（3）上位機、Web照明設備管理平臺。

基于Web照明設備云管理平臺與上位機的控制終端，克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案在長距離傳輸中效果不理想、難以精確控制的問題。用戶可以借助手機登錄平臺或者PC上位機完成對照明設備的監(jiān)測與控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以STM32為核心，搭配LoRa無線擴頻通信模塊、ACS712霍爾電流傳感器、PI-3V3-B4單火線模塊、煙感傳感器，通過云管理平臺與上位機的協(xié)同實現(xiàn)對照明設備的狀態(tài)（電流）監(jiān)測、遠程控制和失火預警。

2 ?系統(tǒng)硬件與軟件工作流程

系統(tǒng)工作流程：本系統(tǒng)由三大部分組成，分別是傳感終端、通信終端及傳感網(wǎng)絡建設、控制終端。傳感終端將采集的數(shù)據(jù)處理后通過通信網(wǎng)絡部署將處理后的數(shù)據(jù)在控制終端的上位機與Web管理平臺顯示，同時用戶也可以通過控制終端實現(xiàn)對照明設備的廣域控制。

（1）傳感終端。

傳感終端由基于單火線取電技術的單火線模塊、傳感器模塊、總控制模塊組成[2]。單火線取電芯片PI-3V3-B4可直接從火線取電（使整個傳感終端掛載在火線上，不需要接零線），由于PI-3V3-B4的開、關態(tài)的供電方式，可以實現(xiàn)整個傳感終端在能耗最低的原則下實現(xiàn)無間斷工作。根據(jù)下圖分析：接入MOS管和繼電器為總系統(tǒng)供電，實現(xiàn)單線制供電方式，解決負載燈具閃爍問題。

總控制模塊STM32F103作為傳感終端的控制核心，驅(qū)動ACS712霍爾電流傳感器、煙感穿傳感器，通過LoRa通信模塊與控制終端實現(xiàn)遠程通信，完成數(shù)據(jù)的傳輸和用戶指令的實現(xiàn)。

（2）通信終端及傳感網(wǎng)絡建設。

傳感網(wǎng)絡建設采用三級樹通信結(jié)構(gòu)。傳感終端的電流檢測模塊將檢測到的電流信息傳輸?shù)組CU，MCU處理信息（將電流大小轉(zhuǎn)換為照明設備的工作狀態(tài)信息），通過傳感終端的LoRa網(wǎng)關發(fā)出，由控制終端的LoRa網(wǎng)關接收并向LoRa處理器[3]發(fā)送信息，經(jīng)過USB轉(zhuǎn)TTL模塊將信息傳輸?shù)娇刂平K端的上位機和Web管理平臺，用戶通過控制終端監(jiān)測照明設備的工作狀態(tài)，借助上位機通過主機的LoRa網(wǎng)關將指令發(fā)送到從機的LoRa網(wǎng)關，LoRa接收指令并發(fā)送給MCU，MCU分析指令通過控制PI-3V3-B4單火線取電芯片的開關態(tài)供電實現(xiàn)對照明設備的遠程控制。而從機上的傳感器的數(shù)據(jù)傳輸也是如此。此外，如果發(fā)生失火，MCU接收到火焰?zhèn)鞲衅鳒y得失火信息，迅速將信息傳達給用戶還會直接驅(qū)動蜂鳴報警器實現(xiàn)失火報警。

（3）控制終端。

控制終端由主機模塊、上位機與云管理平臺組成。主機模塊中的LoRa網(wǎng)關接收數(shù)據(jù)信息并發(fā)送到LoRa處理器，最終在上位機與云管理平臺完成更新、顯示。用戶可以手機登錄平臺或者通過上位機發(fā)送指令到傳感終端，完成對照明設備的廣域控制。

軟件工作流程：與上述硬件系統(tǒng)所配套的云管理平臺，可以通過阿里服務器在3G/4G網(wǎng)絡下實時登錄，查看電路信息?？刂葡到y(tǒng)利用GPRS模塊，可通過無線射頻，將煙感報警系統(tǒng)、傳感器的數(shù)據(jù)通過發(fā)送到云管理平臺。當煙感模塊檢測到異常信息時，及時報送平臺告知用戶[4]。利用HTML5構(gòu)建的管理平臺，嵌入了最新的EChart圖表，可以與MySQL握手通信，實時更新數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)交互引入了Webstocket協(xié)議并與JS結(jié)合，可以動態(tài)顯示信息。

3 ?結(jié)語

本項目基于LoRa的線性擴頻調(diào)制技術和單火線取電技術設計照明設備控制系統(tǒng)。利用LoRa調(diào)制技術，實現(xiàn)現(xiàn)場分布式多點IO設備監(jiān)空以及電路信息采集。組網(wǎng)采用星狀拓樸結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關星狀連接終端節(jié)點，但終端節(jié)點并不綁定唯一網(wǎng)關[5]，相反，終端節(jié)點的上行數(shù)據(jù)可發(fā)送給多個網(wǎng)關，大大提高了云端與設備的雙向通訊能力可通過無線射頻，數(shù)據(jù)通過多重方式發(fā)送到用戶視窗界面。

參考文獻

[1] 張呈龍，莊浩然，張永安，等.一種基于LoRa的多層分布式LPWAN數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)[J].電子世界， 2018 （14）：140-141.

[2] 智慧城市背景下智能路燈管理系統(tǒng)的設計——基于GIS開發(fā)設計[J].順德職業(yè)技術學院學報，2017，15（4）：21-25.

[3] 趙靜.LoRa無線網(wǎng)絡技術分析[J].移動通信，2016，40 （21）：50-57.

[4] 易代新，韓宏偉.某錳礦區(qū)電力設備檢測報警器系統(tǒng)方案研究[J].中國錳業(yè)，2017（4）：49.

[5] 萬芬.淺談LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術及應用[J].通訊世界，2017（2）：91-92.