基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的校園智能終端的設(shè)計(jì)與研究

武永紅 趙國(guó)成

摘 要：針對(duì)校園電能管理問(wèn)題，在對(duì)比分析主流無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，選用LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，規(guī)劃基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的校園電能管理系統(tǒng)框架，配置LoRa物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)承擔(dān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與控制的智能終端硬件系統(tǒng)，以及智能終端的配套程序，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電量數(shù)據(jù)的采集、上傳，以及上級(jí)控制命令的接收和執(zhí)行，能夠完成環(huán)境智能調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：校園網(wǎng);LoRa物聯(lián)網(wǎng);能源管理;智能終端設(shè)計(jì);命令控制;數(shù)據(jù)采集

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）05-00-03

0 引 言

針對(duì)目前校園、科技園區(qū)等場(chǎng)所電能使用效率較低，配套運(yùn)行成本較高的情況，為了降低不必要的電能浪費(fèi)，同時(shí)降低電能管理與維護(hù)的人力資源成本，從校園電能管理入手，研究并設(shè)計(jì)一套基于無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電能管理系統(tǒng)，切實(shí)提高校園能源管理水平，就顯得尤為重要。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)比

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用，滲透到社會(huì)的多個(gè)方面，物聯(lián)網(wǎng)正在快速改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活。目前主流的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要包括：LoRa，NB-IoT，SIGFOX和RPMA等，國(guó)內(nèi)普遍采用的是LoRa，NB-IoT技術(shù)。而常用的WiFi，RFID，Bluetooth，ZigBee等技術(shù)均屬于短距離通信技術(shù)，比較適宜室內(nèi)無(wú)線通信或通過(guò)增設(shè)中繼器實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的通信，覆蓋距離短，穿透性差，更適宜短距離小局域網(wǎng)的部署。相比主流的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和短距離通信技術(shù)，LoRa技術(shù)以其覆蓋距離遠(yuǎn)、建設(shè)與運(yùn)行成本低、節(jié)點(diǎn)功耗低、設(shè)備維護(hù)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)更適合校園電能管理環(huán)境。主流無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)照分析校園運(yùn)行涉及的電能供應(yīng)與電能消耗環(huán)境和設(shè)備，該校園電能管理系統(tǒng)主要圍繞室內(nèi)外照明、廣播、多媒體、空調(diào)、通風(fēng)、電梯、教學(xué)設(shè)備等系統(tǒng)的電能消耗監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)與智能管理進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的框架設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧校園應(yīng)急電源與新能源補(bǔ)充供給的監(jiān)視與控制。該系統(tǒng)總框架如圖1所示。

按照模塊化設(shè)計(jì)思路，該系統(tǒng)主要由信息采集與控制部分（智能終端）、物聯(lián)網(wǎng)通信部分和后臺(tái)監(jiān)視控制部分組成。

信息采集與控制部分+物聯(lián)網(wǎng)通信部分合稱(chēng)智能終端，選用PLC作為核心控制器，配置電能采集模塊采集不同場(chǎng)景下的電能使用信息和應(yīng)急電源與新能源的供給信息。PLC還采集電能消耗場(chǎng)景的環(huán)境信息，比如人體、溫度、濕度等，供系統(tǒng)分析、決策使用，同時(shí)PLC接收后臺(tái)下發(fā)的控制命令，控制、調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)照明、空調(diào)等設(shè)備的電能使用。物聯(lián)網(wǎng)通信部分選用LoRa無(wú)線網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換核心，配合各LoRa無(wú)線物聯(lián)終端模塊，搭建物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)，為上傳現(xiàn)場(chǎng)電能數(shù)據(jù)和下發(fā)控制、調(diào)節(jié)命令信息提供信息傳輸通道。后臺(tái)監(jiān)視控制部分負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比分析、判斷和決策，形成一套智能控制、調(diào)節(jié)的方案，并與系統(tǒng)運(yùn)行管理人員交互信息，提供遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù)巡視、診斷，輔助管理人員決策管理。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的校園能源管理系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了承擔(dān)信息采集與控制功能+物聯(lián)網(wǎng)通信功能的智能終端硬件系統(tǒng)。

3.1 智能終端的采集與控制硬件設(shè)計(jì)

智能終端的信息采集與控制部分采用一個(gè)核心控制器，配置若干外圍功能模塊，采用RS 485形式連接的模式設(shè)計(jì)。該部分選用PLC作為核心控制器，并分別配置核心控制器、電能采集模塊、用電控制單元、環(huán)境采集模塊和無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)終端模塊。電能采集與控制部分結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

以上各模塊，除繼電器組成的用電控制單元與PLC輸出端口直接電氣連接外，其他各模塊均采用RS 485總線與PLC連接，用數(shù)據(jù)傳遞的方式實(shí)現(xiàn)采集與控制，大大降低了電氣采集轉(zhuǎn)換的難度。

考慮到系統(tǒng)終端工作環(huán)境可能存在的電磁、溫度、濕度等諸多不利因素，在此選用性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)的西門(mén)子公司的S7-200型PLC作為智能終端的核心控制器。該P(yáng)LC使用技術(shù)成熟、開(kāi)發(fā)維護(hù)簡(jiǎn)便、成本較低、性?xún)r(jià)比高，適宜校園較低維護(hù)率的運(yùn)行環(huán)境。

PLC作為核心控制器負(fù)責(zé)收集校園不同部位電能供應(yīng)、消耗的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊傳送至網(wǎng)關(guān)，供后臺(tái)監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)、控制和診斷使用。此外，PLC還收集教室、實(shí)訓(xùn)室、公寓等場(chǎng)所的是否有人、光照度數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷，形成節(jié)能控制、調(diào)節(jié)方案，并將這些數(shù)據(jù)和節(jié)能控制參考方案，經(jīng)LoRa無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)模塊上傳至網(wǎng)關(guān)，供決策人員參考使用。電能采集模塊用于采集校園各處電能使用的電壓、電流、電功率、電能等數(shù)據(jù)，并通過(guò)RS 485傳送給PLC，實(shí)現(xiàn)前端的電量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集功能。

電能采集模塊選用虹潤(rùn)儀表公司的NHR-D13型單相電量變送模塊和NHR-D13型三相電量變送模塊。選用的電能采集模塊如圖3所示。

電量變送器基本參數(shù)如下：輸入電壓信號(hào)AC 500 V（最大）;輸入電流信號(hào)AC 5 A（最大，可選配電流互感器）;數(shù)據(jù)通信為RS 485;測(cè)量精度為0.3%FS。

繼電器用于執(zhí)行PLC發(fā)出的控制命令，負(fù)責(zé)接通和開(kāi)斷校園各種電氣回路，實(shí)現(xiàn)電能的供應(yīng)和使用控制。

繼電器選用TRA-23D型固體繼電器，采用DC 3～32 V控制，最大可開(kāi)斷AC 80 A的電路，能夠滿(mǎn)足校園電路控制的需要。

配置人體紅外模塊用于探測(cè)教室、實(shí)訓(xùn)室、公寓是否有人，并將信息發(fā)送至PLC，供PLC綜合分析，做出節(jié)能控制、調(diào)節(jié)的方案。

人體紅外模塊利用拓安達(dá)公司的TAD-K218D-220智能人體紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)，采用吸頂式安裝在離地3 m高的天花板，每間教室180 m2配置4～6個(gè)人體紅外模塊，保證人員檢測(cè)無(wú)死角。

配置溫濕度采集模塊、光照度采集模塊和空調(diào)控制調(diào)節(jié)模塊，用于采集教室、實(shí)訓(xùn)室、公寓的環(huán)境參數(shù)，并將該參數(shù)傳送至PLC，供PLC分析、決策，為照明、空調(diào)等電器設(shè)備控制、調(diào)節(jié)提供依據(jù)。通過(guò)PLC發(fā)送信號(hào)給空調(diào)控制模塊，由空調(diào)控制調(diào)節(jié)模塊轉(zhuǎn)化成紅外線遙控信號(hào)，控制或調(diào)節(jié)空調(diào)的運(yùn)行。人體探測(cè)、溫濕度、光照度采集和空調(diào)控制模塊如圖4所示。

溫濕度采集模塊選用建大仁科公司的RS-WS-N01-2溫濕度變送器。該變送器溫度分辨率為0.1 ℃，濕度分辨率為0.1%RH，支持RS 485數(shù)據(jù)通信;光照度采集模塊選用建大仁科公司RS-GZ-N01-2，光照度采集誤差為±7%，支持

RS 485數(shù)據(jù)通信;空調(diào)控制調(diào)節(jié)模塊選用建大仁科公司的RS-KTC-N01，支持RS 485數(shù)據(jù)通信。

3.2 智能終端的通信功能設(shè)計(jì)

按照?qǐng)D1的系統(tǒng)框架，LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)架構(gòu)主要包括LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和后臺(tái)監(jiān)控。LoRa物聯(lián)網(wǎng)在城市可覆蓋2～5 km的距離，覆蓋半徑為1～2.5 km。按照200畝的校園面積規(guī)劃，配置一臺(tái)LoRa網(wǎng)關(guān)即可滿(mǎn)足距離覆蓋的要求。同時(shí)考慮到校園人群密度大、電氣設(shè)備集中、通信節(jié)點(diǎn)多的特點(diǎn)，再增設(shè)一臺(tái)LoRa網(wǎng)關(guān)，既滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)多、通信量大的需求，又兼顧第一臺(tái)LoRa網(wǎng)關(guān)的冗余需求，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

在LoRa網(wǎng)關(guān)的支撐下，LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將PLC的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收后臺(tái)經(jīng)網(wǎng)關(guān)下發(fā)的控制命令，并將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)各智能終端的PLC，由PLC指揮執(zhí)行模塊調(diào)節(jié)或控制系統(tǒng)。LoRa網(wǎng)關(guān)與LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間采用LoRaWAN的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通信，LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與PLC之間采用RS 485的自由口協(xié)議通信。每臺(tái)PLC配置兩個(gè)LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)上傳，一個(gè)負(fù)責(zé)接收下行命令，二者互為冗余，保證系統(tǒng)通信可靠。

LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)均選用深圳唯傳科技公司的產(chǎn)品，以便有機(jī)協(xié)調(diào)配合。LoRa網(wǎng)關(guān)選用GW5000A型物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選用AN-201A的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

4 智能終端程序設(shè)計(jì)

智能終端程序主程序流程圖如圖6所示。ModBus主站通信程序需要在開(kāi)機(jī)時(shí)，先初始化，以便為后續(xù)通信做好準(zhǔn)備。

初始化完成后，調(diào)用環(huán)境調(diào)節(jié)子程序。在環(huán)境調(diào)節(jié)子程序中需要判斷教室、實(shí)訓(xùn)室、公寓是否有人。在有人的情況下，溫濕度、光照度是否達(dá)標(biāo)。若不達(dá)標(biāo)則自動(dòng)控制照明、空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行燈光和溫濕度調(diào)節(jié)，保證舒適環(huán)境。如果檢測(cè)到無(wú)人，則自動(dòng)判斷是否有特殊需要，如果無(wú)特殊需求，則關(guān)閉全部電器，以便節(jié)能。

調(diào)節(jié)完畢，系統(tǒng)調(diào)用ModBus RTU主站讀取數(shù)據(jù)程序，分別讀取電量采集模塊的電壓、電流、電量等數(shù)據(jù)。讀取完成，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用RS 485接口的自由口協(xié)議發(fā)送程序，將讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)自由口協(xié)議發(fā)送給LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，由LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至LoRa網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，系統(tǒng)再調(diào)用RS 485接口的自由口協(xié)議的通信接收子程序，通過(guò)另一個(gè)LoRa物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，接收LoRa網(wǎng)關(guān)的控制、調(diào)節(jié)指令，并將該指令應(yīng)用于環(huán)境調(diào)節(jié)。周而復(fù)始，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集和環(huán)境的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

5 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)比分析主流無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)校園電能管理系統(tǒng)中承擔(dān)信息采集與控制功能的智能終端開(kāi)展設(shè)計(jì)和研究，規(guī)劃設(shè)計(jì)基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的校園電能管理系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)以PLC為核心兼具LoRa通信功能的智能終端集成小系統(tǒng)的硬件，選取LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)，設(shè)計(jì)智能終端配套的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能終端現(xiàn)場(chǎng)電壓、電流、電量等數(shù)據(jù)上傳，并能接收上級(jí)下發(fā)的控制命令，同時(shí)具備智能判斷、調(diào)節(jié)教學(xué)生活環(huán)境的功能。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)初步調(diào)試，環(huán)境調(diào)節(jié)功能準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)采集、上傳及時(shí)，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率控制在5%以下，控制下發(fā)命令接收及時(shí)，動(dòng)作調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，已經(jīng)具備生產(chǎn)使用條件。

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