基于LoRa通信的可視化城市照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 偉，田國(guó)瑞，常彥文

(北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617)

路燈在城市照明中發(fā)揮著重要作用的同時(shí)也消耗了大量的電能。傳統(tǒng)的路燈主要采用的是光控和時(shí)控的控制方式，控制方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)電能的利用率不高，而且無法反饋路燈運(yùn)行的狀態(tài)信息，增加了人工巡查維護(hù)的問題，造成了人力物力的浪費(fèi)。為了節(jié)約電能，降低路燈的運(yùn)維成本，國(guó)內(nèi)有人提出了基于ZigBee的城市路燈管理系統(tǒng)[1]，雖然在總體上解決了路燈管控的問題，但由于ZigBee通信距離近，不得不進(jìn)行深度組網(wǎng)，但如此組網(wǎng)會(huì)加大路燈的功耗，并且父節(jié)點(diǎn)若出現(xiàn)故障，會(huì)造成大面積路燈癱瘓，處于無監(jiān)管狀態(tài)。目前基于LoRa的智能照明系統(tǒng)研究只針對(duì)路燈在城市中的定位以及簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)定時(shí)對(duì)照明控制[2]，面對(duì)復(fù)雜的情況，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)大量信息同時(shí)上傳的功能。王曉暉等[3]雖實(shí)現(xiàn)了LoRa對(duì)遠(yuǎn)距離的路燈控制，但未能實(shí)現(xiàn)上報(bào)節(jié)點(diǎn)信息等功能。針對(duì)路燈控制管理系統(tǒng)實(shí)際情況及不足，筆者提出了一種基于LoRa遠(yuǎn)距離通信的照明系統(tǒng)，使管理者能夠及時(shí)準(zhǔn)確地看到系統(tǒng)運(yùn)行情況。運(yùn)用了LoRa技術(shù)、4G技術(shù)構(gòu)建了高效的、遠(yuǎn)距離的通信網(wǎng)絡(luò)；運(yùn)用阿里云中的IoT Sudio模塊對(duì)各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)上傳的ID號(hào)在地圖上標(biāo)定位置，并顯示每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息；路燈節(jié)點(diǎn)的外線傳感器、光照強(qiáng)度傳感器采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息以及電能計(jì)量模塊的實(shí)時(shí)電能功耗等信息一并上傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息后再把數(shù)據(jù)傳到阿里云服務(wù)器，以更直觀的方式看到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)參數(shù)以及運(yùn)行狀況，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照明發(fā)送指令實(shí)行遠(yuǎn)距離控制每個(gè)照明單元。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要是由照明控制云平臺(tái)、網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器和路燈控制終端3部分組成，如圖1所示。在最底層的終端單元實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分級(jí)照明，并且采集數(shù)據(jù)信息，主要采集的信息有電能、電流、電壓、照明情況以及指令執(zhí)行情況等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；位處中間層的是網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器的作用是接收云端服務(wù)器發(fā)來的指令并對(duì)該報(bào)文進(jìn)行解析、透?jìng)鞯铰窡艄?jié)點(diǎn)，并把節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器；云服務(wù)器接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存并處理，將數(shù)據(jù)圖形化到地圖上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)時(shí)需求下發(fā)各種命令。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 The overall framework of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在智慧城市中應(yīng)用最多的通信技術(shù)是WiFi、Bluetooth、Sigfox、LoRa等[4]。在低功耗遠(yuǎn)距離傳輸中LoRa技術(shù)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，其各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)參數(shù)如表1所示。由表1中可以看出，其不僅功耗低，而且通信距離遠(yuǎn)、可靠性高。LoRa在低功耗廣域網(wǎng)領(lǐng)域中是一種革命性的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，廣泛應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市等方面。

表1 LoRa遠(yuǎn)距離通信參數(shù)

2.1 路燈控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

LoRa節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要有6個(gè)模塊，如圖2所示。路燈控制節(jié)點(diǎn)中的MCU主控芯片采用的是ST公司的STML451CCU6，通過LoRa模塊與SPI串口通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的控制任務(wù)[5]。

圖2 路燈控制節(jié)點(diǎn)的框架Fig.2 Street lamp control node frame

光照強(qiáng)度傳感器采用GY302，光照強(qiáng)度測(cè)量范圍是0～65535lx，傳感器內(nèi)置16 bitAD轉(zhuǎn)換器直接數(shù)字輸出。數(shù)據(jù)通過IIC總線向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)采集到的GY-302數(shù)據(jù)越大，電流值越大，進(jìn)而得到測(cè)量光照強(qiáng)度的目的[6]。

電能計(jì)量模塊用的是HLW8112，能夠測(cè)量線電壓、電流，并能夠計(jì)算出功率、有功功率等。該器件有2個(gè)可配置的脈沖輸出引腳，通過INT1和INT2兩個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)過流、過壓、過零和漏電檢測(cè)的功能[7]。該器件采用常規(guī)直流5.0 V電源供電，并與STM32用SPI接口相連。

LoRa無線通信模塊采用的是ZM470SX模組，其主要由SX1278芯片、外圍電路和無線射頻收發(fā)電路組成[7]。其DIO0引腳通過高低電平的變化發(fā)送中斷至STM32芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)以及發(fā)送完成提示等，并且通過SCK、MISO、MOSI、NSS引腳與單片機(jī)進(jìn)行SPI數(shù)據(jù)交互，通過配置不同的時(shí)鐘極性與時(shí)鐘相位來控制單片機(jī)與SX1278的數(shù)據(jù)采集方式，采用Mode1模式:CPOL=0，CPHA=0，即表示SCK=0是處于空閑狀態(tài)，有效狀態(tài)為SCK處于高電平時(shí)的輸出，CPHA=0表示數(shù)據(jù)采樣在第1個(gè)邊沿，數(shù)據(jù)發(fā)送在第2個(gè)邊沿。

2.2 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器

網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器由6個(gè)模塊組成，分別有各自的功能，如圖3所示，其中MCU主控芯片采用的是ST公司運(yùn)用哈佛架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZGT6芯片，其具有32位RISC核心，工作頻率為72 MHz，高速嵌入式存儲(chǔ)器(閃存向上)。1M字節(jié)FLASH和最高96千字節(jié)的SRAM，以及廣泛范圍的增強(qiáng)I/O和外圍設(shè)備連接到2個(gè)APB總線[8]。設(shè)備提供3個(gè)12位ADC、10個(gè)通用16位定時(shí)器加2個(gè)PWM定時(shí)器，以及標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C、3個(gè)SPI、2個(gè)I2SS、1個(gè)SDIO、5個(gè)USART、1個(gè)USB[9]。通過控制模塊與LoRa模塊通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈節(jié)點(diǎn)的控制任務(wù)。綜合通信速率、STM32F103的運(yùn)算速率、路燈120s的輪詢間隔以及路燈現(xiàn)場(chǎng)信息時(shí)效性等因素的影響，一個(gè)協(xié)調(diào)器最多控制64個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)。

圖3 網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器的總體框架Fig.3 The overall framework of the gateway coordinator

APR346電源芯片是用于同步整流的二次側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器。同步整流可以有效地降低二次側(cè)整流器的功耗，為5～20 V輸出電壓的應(yīng)用提供了高性能的解決方案[10]。

RP502是基于CMOS工藝的降壓型同步整流DC/DC 轉(zhuǎn)換器。將這2種整流降壓模塊相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)輸出3.3、12 V電壓。經(jīng)過APR346可以實(shí)現(xiàn)對(duì)220 V交流電轉(zhuǎn)成12 V直流電給led燈供電，再經(jīng)過RP502將電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V給MCU、傳感器、SX1278供電，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4G模塊采用的是移遠(yuǎn)的EC20模塊，包含76個(gè)LCC引腳，采用了低功耗技術(shù)，在睡眠模式下，電流僅需4.3 mA。嵌入了TCP、UDP等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并且擴(kuò)展了AT指令，與過USART串口實(shí)現(xiàn)與STM32的異步雙向通信，最大上行傳輸速率50 Mbps，能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜情況下上報(bào)大量實(shí)時(shí)信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

在每個(gè)路燈終端節(jié)點(diǎn)采集到實(shí)時(shí)信息后，需要上傳到LoRa網(wǎng)關(guān)集中器，這就需要1套通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析。因此，對(duì)物理層進(jìn)行了自定義協(xié)議設(shè)計(jì)，對(duì)本文數(shù)據(jù)報(bào)打包與解析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透?jìng)?。?shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綖閿?shù)據(jù)幀模式，且傳輸序列為二進(jìn)制的字節(jié)流。路燈節(jié)點(diǎn)與集中器通信協(xié)議幀格式如表2所示。

表2 LoRa網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議幀格式

幀頭固定為0x3a，為了區(qū)分各個(gè)幀數(shù)據(jù)；命令包含2個(gè)字節(jié)，0x01是LoRa網(wǎng)關(guān)查詢路燈節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的命令，包括電壓、電流、當(dāng)前亮度、光照強(qiáng)度、功率等實(shí)時(shí)信息；0x02命令是返回當(dāng)前路燈節(jié)點(diǎn)信息；目的地址是網(wǎng)關(guān)發(fā)給每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的唯一ID;源地址是該網(wǎng)關(guān)的地址；CRC是對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，其校驗(yàn)范圍是從命令開始到幀數(shù)據(jù)。

路燈節(jié)點(diǎn)在功能上要實(shí)現(xiàn)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和上傳實(shí)時(shí)信息的功能，其與網(wǎng)關(guān)集中器的工作流程如圖4所示。路燈節(jié)點(diǎn)在無線傳輸過程中會(huì)遇到多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息給網(wǎng)關(guān)集中器的情況，這就會(huì)造成信號(hào)疊加的現(xiàn)象，因此，為了避免產(chǎn)生多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信信道沖突，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，采用確認(rèn)重發(fā)和響應(yīng)機(jī)制、TDMA機(jī)制[11]。每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)都被分配到了1個(gè)獨(dú)一無二的網(wǎng)絡(luò)ID，網(wǎng)關(guān)集中器存儲(chǔ)了控制區(qū)域內(nèi)的所有路燈的ID，當(dāng)網(wǎng)關(guān)發(fā)廣播命令后，要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送實(shí)時(shí)信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間間隙發(fā)送數(shù)據(jù)，利用CAD檢測(cè)信道中的前導(dǎo)碼信號(hào)進(jìn)而喚醒節(jié)點(diǎn)；每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)接收到節(jié)點(diǎn)信息后，返回給節(jié)點(diǎn)一個(gè)ACK，判定數(shù)據(jù)發(fā)送成功，隨即進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，節(jié)省電能；如果節(jié)點(diǎn)沒有接收到ACK，則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，若還是沒有接收到ACK，則停止發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)入待機(jī)模式。

圖4 網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)的交互流程Fig.4 Gateway and node interaction flow

3.2 云平臺(tái)的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)是基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的IoT Studio開發(fā)，包括Web監(jiān)控軟件。IoT Studio開發(fā)服務(wù)提供了移動(dòng)可視化開發(fā)、Web可視化開發(fā)等開發(fā)工具，解決了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層軟件開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、技術(shù)復(fù)雜等問題。

阿里云平臺(tái)是基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。MQTT即消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸，由客戶端、代理(broker)組成。其運(yùn)作機(jī)制為：客戶端首先向broker發(fā)送連接請(qǐng)求，broker在收到客戶端的請(qǐng)求之后，立即進(jìn)行認(rèn)證，若認(rèn)證通過，則在客戶端與代理之間搭建一個(gè)TCP通道，之后客戶端利用該通道訂閱關(guān)注的主題(Topic)。當(dāng)客戶端的狀態(tài)發(fā)生變化或者要求改變狀態(tài)時(shí)，則向相應(yīng)的主題發(fā)布消息，代理會(huì)將該消息下發(fā)至已訂閱該主題的所有客戶端[12]。MQTT是一種多對(duì)多的通信協(xié)議，設(shè)備與設(shè)備之間并不是直接相連接的，而是經(jīng)過代理實(shí)現(xiàn)其之間的通訊。工作流程如圖5所示，其是一種異步協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)請(qǐng)求端與響應(yīng)端解耦[13]。

圖5 MQTT工作流程Fig.5 MQTT workflow

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的IoT Studio設(shè)計(jì)的可視化界面如圖6所示，把每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)集中器標(biāo)定在高德地圖上，并且把每個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗電量、功率等狀態(tài)信息在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置能夠直接顯示出來。

圖6 路燈監(jiān)控大屏Fig.6 Street lamp a day of on-site lighting information

在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)可視化界面時(shí)，大致需要4個(gè)步驟：首先，構(gòu)建產(chǎn)品與設(shè)備，先在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上設(shè)備注冊(cè)1個(gè)有效的身份信息，并獲取設(shè)備證書信息(ProductKey、DeviceName和Device-secret)。該證書信息將被燒錄到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，用于設(shè)備連接平臺(tái)時(shí)，進(jìn)行身份認(rèn)證，區(qū)分各個(gè)設(shè)備；然后，對(duì)每個(gè)產(chǎn)品定義實(shí)物模型，從屬性、服務(wù)和事件的3個(gè)維度定義產(chǎn)品的功能。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將根據(jù)功能構(gòu)建出產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，用于云端后臺(tái)與設(shè)備端進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信[14]；之后，建立各個(gè)設(shè)備與平臺(tái)之間的通信，開發(fā)設(shè)備端的SDK，燒錄設(shè)備的證書信息；最后，服務(wù)端訂閱設(shè)備消息，服務(wù)端通過訂閱消息類型，接收設(shè)備的相關(guān)消息，如設(shè)備上下線通知、設(shè)備實(shí)時(shí)信息上報(bào)等功能[15]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

LoRa智慧路燈系統(tǒng)功能測(cè)試可以分別通過Web端登陸智慧路燈管控平臺(tái)查看及管控路燈的運(yùn)行，同時(shí)可以與LoRa路燈網(wǎng)關(guān)通過4G模塊與阿里云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為檢驗(yàn)該系統(tǒng)的性能，在北京某科技公司毓秀路段進(jìn)行了功能測(cè)試，測(cè)試選取了5個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)和1個(gè)網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)按照20 m相隔的方式安置在街道上且均為單側(cè)照明，每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)分配1個(gè)ID號(hào)用于識(shí)別各個(gè)位置的照明節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用這個(gè)ID上傳現(xiàn)場(chǎng)照明路況，圖6為路燈節(jié)點(diǎn)在地圖上的位置信息，且路燈節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)可以通過該界面顯示出來。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器將傳來的ID號(hào)與云端分配的阿里云三元組進(jìn)行匹配，并把路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息通過EC20轉(zhuǎn)發(fā)到阿里云服務(wù)器，云端通過三元組的信息確認(rèn)路燈的位置信息并實(shí)現(xiàn)云端遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈現(xiàn)場(chǎng)情況。在PC端顯示的某日的路燈節(jié)點(diǎn)在云端的數(shù)據(jù)記錄并生成曲線，結(jié)果如圖7所示，主要有電流、電壓、瞬時(shí)功率以及光照強(qiáng)度等實(shí)時(shí)信息的狀態(tài)參數(shù)，通過圖形化界面更便于分析當(dāng)日路燈的狀況，進(jìn)而分配亮度等級(jí)以節(jié)省電力。

圖7 路燈某天現(xiàn)場(chǎng)照明信息Fig.7 Street lamp a day of on-site lighting information

在路燈實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中2種不同路燈的功耗對(duì)比測(cè)試如圖8所示。該科技公司此路段原為高壓鈉燈照明路段，現(xiàn)改良為用ARM芯片調(diào)制出的PWM波，進(jìn)而控制LED路燈的方式，利用三相多功能電表測(cè)得2種不同方式的電能消耗，可以明顯地看出ARM調(diào)制的LED路燈功耗明顯低于高壓鈉燈，節(jié)能效率提升了75.3%，功耗大大降低。

圖8 LED路燈與高壓鈉燈功耗對(duì)比Fig.8 Comparison of power consumption between LED street lamps and high pressure sodium lamps

綜上所述，LoRa智能路燈在管理上可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，其在地圖上直觀地顯示出各個(gè)路燈照明節(jié)電的信息并對(duì)路燈故障報(bào)警；在功耗上，相較于上一代的高壓鈉燈有明顯的降低，節(jié)能效果更加明顯，因此，LoRa路燈更適合現(xiàn)代城市照明。

5 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)的城市照明系統(tǒng)能耗偏大、管控不及時(shí)、人工巡查成本高等問題，綜合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和嵌入式開發(fā)等技術(shù)設(shè)計(jì)了基于可視化城市照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的實(shí)時(shí)信息可以在現(xiàn)場(chǎng)做出判斷是否開關(guān)并分配亮度等級(jí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理，而且路燈節(jié)點(diǎn)將信息上報(bào)控制中心，控制中心可綜合各方面信息進(jìn)一步對(duì)路燈節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)控制。