基于LoRa技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡曉龍 林嘉 邱小群 楊妙蕓

摘? 要：在我國公路的建設(shè)進(jìn)程中，路燈是必備要素。而路燈的智能化管理是相關(guān)工程科研人員的研究方向?；诖耍恼绿岢鲋悄苈窡粝到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。由路燈控制器、LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、路由器、云平臺(tái)、設(shè)置計(jì)算機(jī)等組成了智能路燈管理系統(tǒng)，充分整合傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能路燈系統(tǒng)的信息化、智能化。

關(guān)鍵詞：智能路燈系統(tǒng);傳感器技術(shù);信息化;智能化

中圖分類號(hào)：TP212.9;TU113.6? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）20-0039-04

Design of Intelligent Street Lamp System Based on LoRa Technology

HU Xiaolong，LIN Jia，QIU Xiaoqun，YANG Miaoyun

（Zhuhai City Polytechnic，Zhuhai? 519090，China）

Abstract：In the process of highway construction in China，street lamp is an essential element. The intelligent management of street lamp is the research direction of related engineering researchers. Based on this，the design scheme of the intelligent street lamp system is proposed in this paper. An intelligent street lamp management system is composed of street lamp controllers，LoRa gateway nodes，internet of things gateways，routers，cloud platforms，setting computers，etc.，which fully integrates sensor technology，internet of things technology，embedded technology，and computer technology to realize the informatization and intellectualization of intelligent street lamp system.

Keywords：intelligent street lamp system;sensor technology;informatization;intelligent

0? 引? 言

國家為暢通經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，不斷增加公路修建，同時(shí)也產(chǎn)生了路燈需求的增加。我國現(xiàn)有城鄉(xiāng)路燈總數(shù)已超過2億支，并以每年20%的速度增長。而隨之而來的是能源消耗的上升，據(jù)統(tǒng)計(jì)，路燈照明耗電量占全國照明總耗電量30%以上;路燈一般在夜晚開啟，但進(jìn)入深夜后，過往車輛已經(jīng)減少，一直開啟路燈不利于節(jié)能;另外，公路上的路燈一旦出現(xiàn)故障，不易被發(fā)現(xiàn)并修復(fù)，從而造成行車的安全隱患，所以路燈維護(hù)和故障排除有很大的改進(jìn)空間。

近年來，有不少工程師與學(xué)者開展了關(guān)于路燈智能化的研究。研究的內(nèi)容包括LED路燈模塊、采集模塊、智能監(jiān)控等。筆者根據(jù)以往關(guān)于傳感器、遠(yuǎn)距離及低功耗通信、數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、Web服務(wù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究經(jīng)歷，提供一套既能實(shí)現(xiàn)新建路燈的智能化，也能實(shí)現(xiàn)對已建成的路燈實(shí)施智能化補(bǔ)充的解決方案，減少路燈的能源耗費(fèi)，并能通過遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且可以準(zhǔn)確定位故障路燈的位置。

本方案首先研究在路燈端設(shè)計(jì)一款控制器，以實(shí)現(xiàn)光照度、電壓、電流和過往車輛的檢測，通過一塊液晶屏顯示出來，以及控制光源的開和關(guān)與亮度調(diào)節(jié)。采用STM32L151C8作為核心，把收集到的傳感器數(shù)據(jù)通過LoRa通信芯片LSD4RF-2F717N30與LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)聯(lián)系。負(fù)責(zé)匯聚所有路燈控制器的LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，與路燈控制器的基本結(jié)構(gòu)相同。其作用是把所有數(shù)據(jù)通過TTL232轉(zhuǎn)RS485接口發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過路由器設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)連接因特網(wǎng)，把接收的數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議上傳至云平臺(tái)。云平臺(tái)則實(shí)現(xiàn)路燈運(yùn)行情況的監(jiān)測，且根據(jù)制定的規(guī)則控制路燈開關(guān)與亮度調(diào)節(jié)。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由路燈控制器（LoRa普通節(jié)點(diǎn)）、LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、云平臺(tái)、設(shè)置計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

路燈控制器在公路現(xiàn)場收集相關(guān)信息，包括路燈的電壓、電流、當(dāng)前時(shí)間的光照度、行車信息等。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)出讀取指令，匯聚路燈控制器的各項(xiàng)信息。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收到的LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP的格式發(fā)送至云平臺(tái)。

2? 硬件設(shè)計(jì)

智能路燈系統(tǒng)包括兩大部分，一部分是以LoRa模塊為核心的兩類設(shè)備組成的LoRa網(wǎng)絡(luò)，另一部分是傳統(tǒng)以太網(wǎng)。兩種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

2.1? LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2.1.1? LoRa無線技術(shù)

LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，是低功率廣域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中的一種，是SEMTECH公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)。這一方案為用戶提供一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無線通信手段。它最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍。它的傳輸距離在城鎮(zhèn)可達(dá)2～5 km，郊區(qū)可達(dá)15 km;電池的壽命可以長達(dá)10年。非常適合應(yīng)用于高速公路的路燈系統(tǒng)。

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與路燈控制器都是基于一塊LoRa核心板。核心板的射頻模塊采用型號(hào)為LSD4RF-2F717N30的芯片。該芯片是基于SEMTECH射頻集成芯片系列S×127X，是一款高性能物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器，用于超長距離擴(kuò)頻通信，抗干擾性強(qiáng)，能夠最大限度降低電流消耗。

核心板的MCU采用STM32L151C8。STM32是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics，ST）有限公司出品的一系列微控制器（Micro Controller Unit，MCU）的統(tǒng)稱。STM32L151C8屬于超低功耗系列MCU，在功耗要求低的射頻通信場合十分合適。

2.1.2? 路燈控制器

路燈控制器是智能路燈系統(tǒng)重要的組成部分之一。其控制模塊以STM32L151C8為核心，外加以LSD4RF-2F717N30芯片為核心的射頻模塊，組成LoRa核心基板。外圍還有光照傳感器、電能計(jì)量模塊、超聲波傳感器、LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路和一塊1.5英寸的OLED屏。

（1）LoRa核心基板，路燈控制器均加入光照度傳感器，用于檢測環(huán)境光照度。檢測得到的光照度，作為光源亮度變化的控制條件之一。圖2是以光電二極管為檢測元件的模塊化的光照度傳感器。

（2）要測量路燈的電壓電流值，需要借助電能計(jì)量模塊來實(shí)現(xiàn)。電能計(jì)量模塊是以HLW8012為核心搭建的電路。HLW8012一般SOP8封裝，體積小，可以測量電壓有效值、電流有效值;其引腳CF輸出高頻脈沖，指示有功功率，在1 000：1范圍內(nèi)達(dá)到±0.3%的精度;引腳CF1同樣輸出高頻脈沖，指示電流或電壓有效值，通SEL引腳選擇，在500：1范圍內(nèi)達(dá)到±0.5%的精度;內(nèi)置晶振、2.43 V電壓參考源及電源監(jiān)控電路;5 V單電源供電，工作電流小于3 mA。通過電阻采樣用電負(fù)載的電壓和電流信息，經(jīng)過HLW8012的處理，把信息通過高頻脈沖的形式輸出至MCU。圖3為檢測電壓電流信息信號(hào)流圖。

（3）遠(yuǎn)距離超聲波傳感器，用于檢測過往車輛，為路燈的控制提供判斷條件。ME007-ULS V1超聲波傳感器，是采用一體化防水探頭設(shè)計(jì)而成的一款高性能的測距傳感器。供電電壓3.3 V～12 V，紋波小于100 mV，探測距離最遠(yuǎn)可達(dá)90米，測量數(shù)據(jù)輕松可得，直接通過UART傳輸至MCU。

（4）LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路，適用于路燈光源的亮度調(diào)節(jié)。LED光源需要能恒定電流、穩(wěn)定電壓作用的開關(guān)電源。MB15026驅(qū)動(dòng)芯片是非常合適的調(diào)光電路驅(qū)動(dòng)芯片。它是一種16位LED恒流驅(qū)動(dòng)器。采用Bi_CMOS工藝，其恒流值可以通過外接電阻調(diào)節(jié)（lout=5～90 mA）。

（5）OLED顯示屏。控制器上也安裝了1.5英寸的OLED顯示屏，以便于現(xiàn)場觀察數(shù)據(jù)，或用于測量檢修。

2.1.3? LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和路燈控制器一樣，都是基于相同的LoRa核心基板。由于同宗同源，兩者的通信無障礙。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不需要傳感器，只要其軟件上定義為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，就能準(zhǔn)確識(shí)別每一個(gè)路燈控制器。由于通信的長距離特性，LoRa網(wǎng)關(guān)接點(diǎn)不必安裝在現(xiàn)場，可以安排在遠(yuǎn)端，繼而通過RS485接口連接物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的作用是輪詢各路燈控制器的傳感器數(shù)據(jù)，再送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

2.2? 云平臺(tái)管理

第三方云平臺(tái)，能根據(jù)客戶的需求，在云端預(yù)先部署好數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)接口，并提供友好的數(shù)據(jù)查詢界面及路燈控制規(guī)則設(shè)置界面。只要設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)就能把接收到的路燈相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。云平臺(tái)就可以監(jiān)測路燈數(shù)據(jù)，用戶也可以隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)，并根據(jù)具體情況設(shè)定路燈調(diào)節(jié)的控制規(guī)則。圖4是在云平臺(tái)上查看各路燈現(xiàn)場的光照度數(shù)據(jù)界面。

2.3? 設(shè)置計(jì)算機(jī)

設(shè)置計(jì)算機(jī)主要作用是對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能完成兩項(xiàng)工作任務(wù)，一是接收來自LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，二是基于C/S模式，自動(dòng)登錄云平臺(tái)，并把網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳。設(shè)置計(jì)算機(jī)沒有RS485接口，是通過RS232轉(zhuǎn)RS485接口模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

3? 軟件設(shè)計(jì)及云平臺(tái)部署

3.1? LoRa通信協(xié)議

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和路燈控制器的通信遵循LoRa協(xié)議。協(xié)議的內(nèi)容包括請求幀與響應(yīng)幀。通信的過程其實(shí)就是詢問方發(fā)出請求幀，等待應(yīng)答方返回響應(yīng)幀的過程。

（HEAD）是幀頭，是通信雙方約定的固定暗號(hào)。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和路燈控制器要在相同的網(wǎng)絡(luò)ID（NET_ID）下才能通信，且各自有固定的設(shè)備地址（LORA_ADDR）。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過設(shè)備地址識(shí)別每一個(gè)路燈控制器。當(dāng)某根路燈發(fā)生故障時(shí)，LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能根據(jù)響應(yīng)幀的數(shù)據(jù)異常及設(shè)備地址（LORA_ADDR），確定故障路燈的位置。（DATA）是請求或者響應(yīng)的具體內(nèi)容。（CHK）是從（HEAD）到（CHK）前一個(gè)字節(jié)的和，且保留第八位。請求幀和響應(yīng)幀的結(jié)構(gòu)基本相同，只是響應(yīng)幀在設(shè)備地址（LORA_ADDR）和數(shù)據(jù)長度（LEN）之間增加一個(gè)字節(jié)的應(yīng)答信息（ACK）。表1展示了請求幀的格式;響應(yīng)幀的格式與之相似。

3.1.1? LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行通信初始化和OLED顯示屏初始化的工作，接下來就開始輪流讀取路燈控制器的傳感器數(shù)據(jù)，將收集的傳感器數(shù)據(jù)顯示在OLED屏上，并透傳到UART0串口;同時(shí)，UART3串口監(jiān)聽云平臺(tái)發(fā)出的控制命令。

3.1.2? 路燈控制器軟件設(shè)計(jì)

圖5為路燈控制器把檢測到的光照值在OLED顯示屏上顯示出來。

路燈控制器與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相似，LoRa通信初始化和OLED初始化工作完成后，再對電量檢測模塊、光照度傳感器、超聲波傳感器、LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)進(jìn)行初始化;接著控制器開始讀取傳感器數(shù)據(jù)，并等待網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求以傳輸數(shù)據(jù);同時(shí)，接收命令并執(zhí)行控制任務(wù)。

3.2? 云平臺(tái)管理系統(tǒng)部署

通過設(shè)置計(jì)算機(jī)登錄云平臺(tái)，經(jīng)過新建項(xiàng)目、添加設(shè)備等步驟，生成設(shè)備ID、設(shè)備標(biāo)識(shí)和傳輸密鑰并記錄下來，填入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的參數(shù)頁面中并保存設(shè)置。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)重啟后，即能連上云平臺(tái)。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收到傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，立即上傳至云平臺(tái)。圖6展示需要填入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)置頁面的云平臺(tái)參數(shù)。

云平臺(tái)除了監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)外，還能制定控制規(guī)則。根據(jù)多個(gè)路燈控制器的光照度數(shù)據(jù)計(jì)算得到光照度平均值，與設(shè)定值比較，若小于設(shè)定值則發(fā)送開啟路燈命令，若大于設(shè)定值則發(fā)送關(guān)閉命令。另外，當(dāng)路燈開啟后，基于路燈控制器中的超聲波傳感器，判斷是否有車輛經(jīng)過，若無則把光照度調(diào)節(jié)至50%亮度，以節(jié)省能源。

4? 結(jié)? 論

本文針對公路發(fā)展的過程中路燈綜合管理的問題，在LoRa無線通信技術(shù)基礎(chǔ)上，提出一套系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本方案可實(shí)現(xiàn)靈活控制路燈開啟關(guān)閉、智能路燈光亮度智能化調(diào)節(jié)、電量測量、車輛檢測等功能，云平臺(tái)對上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷并發(fā)送控制命令。該方案軟硬件設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定且高效，具有良好的工程可行性。

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作者簡介：胡曉龍（1999—），男，漢族，四川廣安人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);林嘉（1981—），男，漢族，廣東云浮人，講師，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用;邱小群（1980—），男，漢族，廣東潮安人，講師，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。