基于LoRa的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅青青 ，許美玨，王松林，孫廨堯，丁玉祥

(1.安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與人工智能學(xué)院，安徽 蕪湖 241002;2.光電材料科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241002)

傳統(tǒng)路燈的控制系統(tǒng)主要采用電力載波通信以及通用分組無線服務(wù)技術(shù)的組合通信方式，該方式需要對(duì)道路施工布線及設(shè)備安裝，且存在著工頻諧波干擾大的缺點(diǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)終端需求增多時(shí)，成本增加，安裝難度加大[1]．隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代路燈已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)連接到網(wǎng)路中，其組網(wǎng)方式通常采用WiFi、ZigBee等短距離通信方式，但還是存在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性不高的情況[2]．而LoRa通信技術(shù)具有低功耗、抗干擾強(qiáng)和通信距離遠(yuǎn)、穿透性好的特點(diǎn)[3-5]，符合本系統(tǒng)遠(yuǎn)距離、低功耗和低成本的需求．

本文基于LoRa技術(shù)特征，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的路燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：實(shí)時(shí)采集路燈狀態(tài)及周圍的環(huán)境信息；檢測(cè)路燈是否工作正常；自動(dòng)控制路燈亮滅；用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢路燈狀態(tài)及周圍的環(huán)境信息；用戶遠(yuǎn)程控制路燈的狀態(tài)．該系統(tǒng)改變了當(dāng)前路燈網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高、耗能大等缺點(diǎn)，并減少路燈不正常工作造成的資源浪費(fèi)．

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括四個(gè)部分：用戶平臺(tái)、路燈云平臺(tái)、LoRa基站及路燈節(jié)點(diǎn)．路燈節(jié)點(diǎn)包括采集模塊和執(zhí)行模塊．采集模塊用于采集路燈狀態(tài)及周圍環(huán)境的信息，如路燈的電壓、溫度、周圍環(huán)境光照及是否有人員或車輛經(jīng)過．執(zhí)行模塊用于控制路燈亮滅．LoRa基站用于實(shí)現(xiàn)路燈云平臺(tái)與路燈節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸．路燈云平臺(tái)用于處理整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并存入到數(shù)據(jù)庫(kù)供用戶使用．用戶平臺(tái)包括PC及手機(jī)等．另外，一個(gè)LoRa基站覆蓋一個(gè)路段的路燈節(jié)點(diǎn)，一個(gè)路燈云平臺(tái)可連接多個(gè)LoRa基站，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多路段路燈的統(tǒng)一管理[3]．系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖如圖1所示：一方面，采集模塊檢測(cè)的信息通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絃oRa基站，并通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)铰窡粼破脚_(tái)，云平臺(tái)發(fā)送相應(yīng)的指令，最終控制路燈的亮滅，用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢路燈的狀態(tài)及周圍的環(huán)境信息；另一方面，用戶使用PC或手機(jī)發(fā)送指令至路燈云平臺(tái)，并通過5G網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送至LoRa基站，再通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程控制路燈狀態(tài)的目的．

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，硬件部分包括路燈節(jié)點(diǎn)及LoRa基站．

2.1 路燈節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)路燈節(jié)點(diǎn)的硬件包括采集模塊和執(zhí)行模塊．采集模塊包括電源模塊、檢測(cè)模塊、控制模塊及LoRa模塊，實(shí)現(xiàn)了將采集到的路燈信息發(fā)送至LoRa基站．檢測(cè)模塊包括定位模塊、電壓電流檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、聲音檢測(cè)模塊及光照檢測(cè)模塊．執(zhí)行模塊為繼電器．路燈節(jié)點(diǎn)示意圖如圖2所示．

圖2 路燈節(jié)點(diǎn)示意圖

定位模塊用于檢測(cè)路燈的位置信息；電壓電流檢測(cè)模塊用于提供控制模塊對(duì)路燈回路功率計(jì)算時(shí)所需的電壓值及電流值；溫度檢測(cè)模塊用于檢測(cè)路燈燈泡的溫度，由功率和燈泡的發(fā)熱來判斷路燈工作是否正常；聲音檢測(cè)模塊用來檢測(cè)是否有車輛或人經(jīng)過；光強(qiáng)檢測(cè)模塊用來檢測(cè)戶外的光強(qiáng)，若戶外亮度低且有車輛或人員經(jīng)過時(shí)，則打開路燈開關(guān)；否則，則關(guān)閉路燈．控制模塊還用于響應(yīng)LoRa基站發(fā)送的控制指令進(jìn)而控制執(zhí)行模塊來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)路燈的亮滅．

控制模塊采用STM32L151C8T6D，主要用于傳輸路燈節(jié)點(diǎn)的信息及響應(yīng)LoRa基站發(fā)送的控制路燈亮滅的指令．STM32L151C8T6D是一款超低功耗STM32 L1系列的32位微控制器，基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，最高主頻可達(dá)32 MHz，具有32 KB的RAM和64 KB的Flash、豐富的外設(shè)資源，其工作電壓范圍為1.65～3.6 V，可用于醫(yī)療、自動(dòng)化與過程控制、通信與網(wǎng)絡(luò)、傳感與儀器等領(lǐng)域．

LoRa模塊采用利爾達(dá)LSD4RF-2F717N30無線模塊，該芯片是基于SEMTECH射頻集成芯片SX127X的射頻模塊，是一款高性能的物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器，大大增加了通信距離，該芯片具有功耗低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，可快速部署LoRa網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集[4]．STM32L151C8T6D與LSD4RF-2F717N30芯片采用SPI的通訊方式連接，其連接電路圖如圖3所示．

圖3 STM32L151C8T6D與LSD4RF-2F717N30芯片連接電路圖

2.2 LoRa基站設(shè)計(jì)

由電源模塊、控制模塊、LoRa模塊及網(wǎng)絡(luò)接口模塊構(gòu)成．LoRa基站采用的控制芯片和射頻芯片與路燈節(jié)點(diǎn)一樣，但不需要接檢測(cè)模塊，LoRa基站如圖4所示．

圖4 LoRa基站示意圖

LoRa基站接收采集模塊采集到的節(jié)點(diǎn)信息，并通過5G發(fā)送至路燈云平臺(tái)，也可以接收路燈云平臺(tái)發(fā)送的指令，并通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至節(jié)點(diǎn)控制路燈亮滅．

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 路燈管理節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

如圖5所示，啟動(dòng)LoRa模塊后，當(dāng)接收到結(jié)束字節(jié)時(shí)，需判斷數(shù)據(jù)幀是采集模塊的數(shù)據(jù)還是LoRa基站的數(shù)據(jù)．若是采集模塊的數(shù)據(jù)，需將數(shù)據(jù)封裝成幀，即將數(shù)據(jù)增加幀頭和幀尾，并通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至LoRa基站；若是LoRa基站的數(shù)據(jù)，需將數(shù)據(jù)解幀，即將數(shù)據(jù)拆除幀頭、幀尾[3]，再把數(shù)據(jù)傳送至控制模塊，控制模塊接收到數(shù)據(jù)后，控制路燈的亮滅．實(shí)現(xiàn)采集模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送及LoRa基站的指令發(fā)送．

圖5 路燈節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2 LoRa基站設(shè)計(jì)

如圖6所示，啟動(dòng)LoRa模塊后，當(dāng)接收到結(jié)束字節(jié)時(shí)，需判斷數(shù)據(jù)幀是路燈云平臺(tái)的數(shù)據(jù)還是路燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)．若是云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，需將數(shù)據(jù)封裝成幀，并通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給LoRa基站；若是路燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀，需將數(shù)據(jù)先解幀[3]，再通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊將數(shù)據(jù)傳送給路燈云平臺(tái)，路燈云平臺(tái)再將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至用戶平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)LoRa基站數(shù)據(jù)的發(fā)送和路燈云平臺(tái)指令的發(fā)送．

圖6 LoRa基站流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

4.1 功能檢測(cè)

本設(shè)計(jì)是在每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)安裝有采集模塊和控制模塊，在節(jié)點(diǎn)附近設(shè)有一個(gè)LoRa基站．系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程是：采集模塊采集路燈的狀態(tài)及周圍環(huán)境的信息，數(shù)據(jù)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至LoRa基站，基站將數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到路燈云平臺(tái)，用戶可通過網(wǎng)頁(yè)查詢路燈節(jié)點(diǎn)的信息．路燈云平臺(tái)根據(jù)接收到的路燈節(jié)點(diǎn)信息，發(fā)送相應(yīng)的控制指令至LoRa基站，基站將命令發(fā)送至控制模塊，控制模塊控制執(zhí)行模塊調(diào)節(jié)路燈的亮滅．用戶還可以通過點(diǎn)擊頁(yè)面中執(zhí)行模塊的開關(guān)按鈕，將指令發(fā)送至路燈云平臺(tái)，云平臺(tái)發(fā)送相應(yīng)的指令給LoRa基站，基站將信息發(fā)送至控制模塊，控制模塊控制執(zhí)行模塊將路燈打開或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程手動(dòng)控制路燈的目的．

路燈系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)界面如圖7所示，網(wǎng)頁(yè)顯示可查詢數(shù)據(jù)的傳感器，通過點(diǎn)擊相應(yīng)傳感器的名稱即可查詢數(shù)據(jù)，用戶點(diǎn)擊執(zhí)行模塊的操作項(xiàng)，即可實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程控制路燈開關(guān)狀態(tài)．經(jīng)過對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試，LoRa方案與ZigBee方案相比，抗干擾性、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)性、實(shí)用性等更有優(yōu)勢(shì)．

圖7 路燈系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)界面

4.2 性能測(cè)試

本設(shè)計(jì)是在不同傳輸距離條件下，對(duì)LoRa網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的效果進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)兩種網(wǎng)絡(luò)的丟包率和誤碼率．檢測(cè)距離分別選取100 m、200 m、300 m、400 m、500 m、700 m、900 m、1 150 m、1 450 m、1 800 m，連續(xù)收發(fā)20 000個(gè)數(shù)據(jù)包，分別統(tǒng)計(jì)LoRa網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的丟包率與誤碼率．實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表1和表2所示：隨著通信傳輸距離的增加，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的丟包率和誤碼率都在增加，但使用LoRa網(wǎng)絡(luò)時(shí)，1 800 m的丟包率達(dá)到11.26%，誤碼率達(dá)到5.27%，基本實(shí)現(xiàn)通信；而使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，500 m的丟包率達(dá)到了100%，誤碼率也為100%，不能進(jìn)行通信．

表1 LoRa網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率和誤碼率測(cè)試結(jié)果

表2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率和誤碼率測(cè)試結(jié)果

通過功能測(cè)試，LoRa網(wǎng)絡(luò)便于組網(wǎng)，并可實(shí)現(xiàn)功能需求；通過性能測(cè)試，與ZigBee網(wǎng)絡(luò)相比，LoRa網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)傳輸距離更遠(yuǎn)、準(zhǔn)確性更高、實(shí)用性更好的優(yōu)點(diǎn).因此，LoRa網(wǎng)絡(luò)在路燈控制系統(tǒng)中更具實(shí)用性．

5 結(jié)語(yǔ)

本文是基于LoRa的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了路燈節(jié)點(diǎn)、LoRa基站、路燈云平臺(tái)及用戶平臺(tái)四者之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，達(dá)到了路燈控制系統(tǒng)的功能要求及性能要求．本文從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行研究，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試及分析．分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)便于組網(wǎng)，總體運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，能為路燈管理部門提供路燈供電及節(jié)電的數(shù)據(jù)支持．