基于LORA通訊的路燈光感開關(guān)設(shè)計(jì)

王安

（浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司，浙江杭州，310051）

0 引言

目前輸氣站內(nèi)的夜間照明路燈與工藝區(qū)防爆路燈的控制均是由基建時(shí)安裝好的時(shí)控開關(guān)控制，由于白晝時(shí)間變化不一，以及天氣關(guān)系的影響，每日天黑天亮?xí)r間不定，因此傳統(tǒng)時(shí)控開關(guān)的定時(shí)開關(guān)模式就顯得不夠靈活。出于安全生產(chǎn)考慮，同時(shí)為了減少天氣因素和季節(jié)變化的帶來(lái)影響，時(shí)控開關(guān)的設(shè)置開燈時(shí)間一般比天黑時(shí)間早1小時(shí)，以此保證天黑時(shí)需要照明的場(chǎng)所均已得到照明。因此往往天還沒黑路燈就亮了或者天亮了路燈還沒有關(guān)閉，此時(shí)路燈均屬于無(wú)效照明，增加了路燈的無(wú)效使用時(shí)間，同時(shí)造成了電能的浪費(fèi)，違背國(guó)家碳達(dá)峰碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。而且隨著四季更替造成天黑天亮?xí)r間變化，每月需要站內(nèi)運(yùn)行人員去修改時(shí)控開關(guān)的定時(shí)參數(shù)，或者人工開啟關(guān)閉路燈，耗費(fèi)人力[1]。同時(shí)經(jīng)常性的去修改位于配電箱內(nèi)的時(shí)控開關(guān)參數(shù)無(wú)形中增加了許多作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，為此本文提出了基于LORA通訊的路燈光感開關(guān)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 模塊設(shè)計(jì)概述

模塊由主機(jī)和從機(jī)構(gòu)成，主機(jī)主要負(fù)責(zé)檢測(cè)，從機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行，模塊整體功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

主機(jī)由光照度傳感器TSL2561、微控制器STM32F072、LORA通信模塊和電源模塊等構(gòu)成。其中TSL2561光照度傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)外界環(huán)境的明暗程度[2]。通過微控制器STM32F072讀取光傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，再和預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較分析，根據(jù)分析結(jié)果產(chǎn)生開關(guān)燈指令。開關(guān)燈指令采用無(wú)線通訊方式進(jìn)行傳輸，通過LORA模塊發(fā)送給從機(jī)。同時(shí)主機(jī)內(nèi)置故障自檢分析診斷電路，根據(jù)從機(jī)反饋的繼電器狀態(tài)信號(hào)，以及對(duì)通訊連接狀態(tài)的判斷，智能分析故障原因，通過報(bào)警指示燈進(jìn)行故障提示，用戶也可通過連接主機(jī)藍(lán)牙查看具體故障報(bào)告。由于主機(jī)使用金屬外殼，若將藍(lán)牙模塊內(nèi)置在主機(jī)內(nèi)則還需額外增加一根天線，并且用戶只有在配置參數(shù)或者查看故障報(bào)告時(shí)才使用到藍(lán)牙功能，日常很少使用，因此選擇將藍(lán)牙模塊外置，通過航空插頭與主機(jī)連接。連接外置藍(lán)牙模塊后用戶可以進(jìn)行各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)查看與配置。主機(jī)如圖2所示。

圖2 主機(jī)

從機(jī)主要由繼電器、微控制器STM32F072、LORA通信模塊和電源模塊構(gòu)成。主控STM32F072根據(jù)LORA通信模塊接收到的開關(guān)指令控制繼電器的吸合與釋放，再通過繼電器控制外部接觸器的開啟與關(guān)閉，繼而控制路燈的開啟和關(guān)閉。針對(duì)繼電器可能出現(xiàn)觸點(diǎn)粘連或繼電器未動(dòng)作等造成路燈無(wú)法正常開啟的情況，從機(jī)主控下達(dá)完開關(guān)指令后，主控通過檢測(cè)繼電器的輔助觸點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)而得知繼電器主觸點(diǎn)的實(shí)際狀態(tài)，并將檢測(cè)結(jié)果通過LORA模塊反饋給主機(jī)，以此完成繼電器故障自檢。從機(jī)如圖3所示。

圖3 從機(jī)

1.2 主控單片機(jī)選型

本設(shè)計(jì)中主控需要和各個(gè)子模塊進(jìn)行通信，例如光照度傳感器是采用I2C通信協(xié)議，而LORA模塊和藍(lán)牙模塊則是采用UART串口通信協(xié)議。主控是將各個(gè)模塊的信息進(jìn)行匯總處理，在本設(shè)計(jì)中控制邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單。因此對(duì)主控的主頻要求并不高，常規(guī)的主流單片機(jī)均能滿足本設(shè)計(jì)需求，故本設(shè)計(jì)選用了意法半導(dǎo)體的Cortex-M0系列單片機(jī)TM32F072作為主控。STM32F072主頻高達(dá)48MHz并且擁有兩個(gè)I2C總線接口、四個(gè)UART接口以及擁有一個(gè)16通道的12位ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器），滿足本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)STM32系列單片機(jī)擁有豐富的外設(shè)固件庫(kù)，便于我們開發(fā)應(yīng)用，大大縮短研發(fā)周期。主控模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示，單片機(jī)各個(gè)電源引腳均放置100nF瓷片電容濾除電源中的高頻干擾，為電路中的高頻噪聲電流提供低阻抗泄放回路，同時(shí)作為儲(chǔ)能元件，保障單片機(jī)突發(fā)的供電需求，確保單片機(jī)供電穩(wěn)定。根據(jù)單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇IO口PB10、PB11作為藍(lán)牙模塊通信串口，IO口PA9、PA10作為L(zhǎng)ORA模塊通信串口，IO口PB6、PB7作為光照度傳感器的I2C通信接口。因系統(tǒng)還需要監(jiān)測(cè)供電電壓，故選用IO口PB1作為ADC采樣接口，由于ADC的輸入范圍為0～3.3V，因此5V供電電壓需經(jīng)過兩個(gè)10k電阻分壓后才能送到PB1，供單片機(jī)采樣供電電壓。BOOT0引腳通過10k 電阻下拉到地，設(shè)置單片機(jī)直接從內(nèi)置存儲(chǔ)器啟動(dòng)程序。

圖4 主控連接原理圖

1.3 光照度傳感器選型

本設(shè)計(jì)中主機(jī)需要檢測(cè)外界環(huán)境光照度，以此來(lái)作為開啟或關(guān)閉路燈的依據(jù)。目前市面上使用的常規(guī)方案是光敏電阻檢測(cè)外界環(huán)境亮度[3]，其原理是根據(jù)材料特性，在不同光照強(qiáng)度下呈現(xiàn)出不同的阻抗特征。但光敏電阻無(wú)法定量的反應(yīng)光照強(qiáng)度，不便于閾值設(shè)置，且易受溫度影響?？紤]到主機(jī)是安裝于室外，因此本設(shè)計(jì)不選用光敏電阻做為光傳感器。另外一種測(cè)量方案是選用光照度傳感器TSL2561作為測(cè)量元件，TSL2561是第二代環(huán)境光傳感器設(shè)備，內(nèi)部包含兩個(gè)光電二極管并集成ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后將結(jié)果存入寄存器中主控通過讀取TSL2561的寄存器數(shù)據(jù)后帶入公式可以換算出當(dāng)前光照度值（單位LX），便于后續(xù)進(jìn)行開關(guān)燈的閾值設(shè)置。并且TSL2561能自動(dòng)抑制50 Hz/60 Hz的光照波動(dòng)，結(jié)合后續(xù)軟件濾波設(shè)置，整體可實(shí)現(xiàn)良好的抗干擾能力。TSL2561的工作溫度為-30℃～70℃，完全能夠滿足室外工作的溫度范圍要求。光照度傳感器電路如圖5所示，在芯片電源引腳附近放置100nF和1μF瓷片電容，100nf電容濾除高頻干擾而1μF電容可以保障芯片供電穩(wěn)定。I2C總線的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線SCL、SDA通過1k電阻上拉至芯片供電。芯片地址位設(shè)置引腳我們通過4.7k電阻下拉到地，設(shè)置I2C總線訪問地址為0101001。TSL2561還有一個(gè)中斷輸出引腳INT，當(dāng)光照度超過我們配置的上閾值或者下閾值時(shí)，芯片會(huì)通過該引腳輸出一個(gè)中斷信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中由于有單片機(jī)進(jìn)行閾值判斷且不需要低功耗設(shè)計(jì)需求的考慮故未使用該引腳功能。

圖5 光照度傳感器原理圖

1.4 通訊模塊選型

由于主機(jī)安裝于室外，而從機(jī)安裝于室內(nèi)的配電箱內(nèi)，兩者直線距離相距數(shù)十米之遠(yuǎn)。若采用有線方式進(jìn)行通信則線纜鋪設(shè)耗費(fèi)人力物力，并且需要開挖敷線，工程量較大。因此有線通信的方式不適合應(yīng)用在本設(shè)計(jì)中。采用無(wú)線方式進(jìn)行通訊，則無(wú)需考慮開挖敷線等安裝問題，只需將主從機(jī)分別安裝在合適位置即可，方便靈活便于后期大面積安裝部署。

目前常用的無(wú)線通信方式有藍(lán)牙、WIFI、紅外、LORA、4G、NB-IOT等。在本設(shè)計(jì)中通信距離達(dá)數(shù)十米之遠(yuǎn)，并且信號(hào)需要穿過建筑物墻體，因此藍(lán)牙、WIFI、紅外等顯然都不適用于本設(shè)計(jì)中。剩余的LORA、4G、NB-IOT則均能滿足本設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求，考慮到4G、NB-IOT是通過電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的通信費(fèi)用，因此綜合考慮之下本設(shè)計(jì)選用LORA作為通信方式。

采用LORA通信模塊，其具有靈敏度高、低成本、低功耗、抗干擾、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[4]。LORA模塊工作于免牌照頻段節(jié)點(diǎn)，非常便于后期的使用安裝部署。而其協(xié)議中包含了LBT功能，基于aloha的方式，使其具有了自動(dòng)頻點(diǎn)跳轉(zhuǎn)和速率自適應(yīng)功能，因此LORA具有了抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。LORA模塊相關(guān)電路如圖6所示。LORA模塊在通訊是突發(fā)電流較大，因此除了100nF瓷片電容用于濾波外還在靠近模塊供電引腳的位置額外放置了一顆47μF的鉭電容用于儲(chǔ)能確保模塊的供電穩(wěn)定性。

圖6 LORA模塊原理圖

1.5 供電設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中主機(jī)和從機(jī)均采用市電供電，MCU、光照度傳感器等需要3.3V的供電電壓，而LORA模塊和繼電器則需要5V的供電電壓。因此采用兩級(jí)供電方案，第一級(jí)采用的反激電源模塊，將交流220V降至直流5V，供給LORA模塊和繼電器。第二級(jí)選用線性降壓方案，采用線性穩(wěn)壓芯片將直流5V降至直流3.3V供給MCU和傳感器等[5]。供電原理圖如圖7所示?？紤]主機(jī)安裝是室外環(huán)境中，市電供電容易收到雷擊或浪涌影響，故在電源電路中加入保護(hù)器件。通過增加壓敏電阻MOV1來(lái)防護(hù)市電中的浪涌。當(dāng)線路中的浪涌電壓超過壓敏電阻的壓敏電壓時(shí)，壓敏電阻將從高阻抗?fàn)顟B(tài)變成低阻抗?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致電路中熔絲F1燒毀斷開與市電的連接進(jìn)而保護(hù)后級(jí)電路避免損壞進(jìn)一步加劇。同樣當(dāng)線路中的雷擊感應(yīng)電壓超過氣體放電管的擊穿電壓時(shí)，放電管內(nèi)部氣體在電場(chǎng)作用下發(fā)生電離而形成導(dǎo)體，進(jìn)而可以將雷擊感應(yīng)電壓通過地線釋放。為提高電路抗電磁干擾的能力，以及降低反激電源通過電源線向外界傳導(dǎo)電磁干擾，我們?cè)陔娐分性黾影惨?guī)電容和共模電感，抑制共模干擾。

圖7 供電原理圖

1.6 看門狗設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中主機(jī)和從機(jī)是需要7×24小時(shí)不間斷工作，為了防止單片機(jī)意外死機(jī)或程序卡死等導(dǎo)致設(shè)備故障，我們額外增加看門狗芯片，在單片死機(jī)時(shí)可以自動(dòng)將單片機(jī)復(fù)位。其主要原理是看門狗芯片定期檢測(cè)單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)，一旦當(dāng)該信號(hào)消失時(shí)，看門狗便判定單片機(jī)處于死機(jī)狀態(tài)，便立即拉低單片機(jī)的復(fù)位引腳后釋放，使單片機(jī)復(fù)位重啟。

2 功能介紹

參數(shù)設(shè)置與查看功能：將外置藍(lán)牙模塊通過航空插頭與主機(jī)連接后，用戶可以通過手機(jī)APP查看主機(jī)相關(guān)參數(shù)信息。例如當(dāng)前環(huán)境光照度值、設(shè)置的開燈光照度閾值、關(guān)燈光照度閾值。用戶在APP上發(fā)送指令：set up limit:5,可以設(shè)置關(guān)燈的光照度閾值為5LX；發(fā)送指令set low limit:1, 可以設(shè)置開燈的光照度閾值為1LX。TSL2561 LUX：99為當(dāng)前傳感器測(cè)量光照度的實(shí)時(shí)數(shù)值。TSL2561 temp LUX：97為最近一分鐘傳感器實(shí)時(shí)數(shù)值的平均值，采用平均值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，可以避免外界突發(fā)光照干擾造成的錯(cuò)誤開關(guān)燈指令。系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)和相關(guān)配置信息如圖8所示。

圖8 主機(jī)信息展示

故障告警功能：當(dāng)從機(jī)和主機(jī)通訊異?；蛘邚臋C(jī)的繼電器沒有正常動(dòng)作時(shí)，主機(jī)的告警指示燈將亮起，提醒巡檢人員設(shè)備發(fā)生故障須及時(shí)處理。同時(shí)巡檢人員可通過手機(jī)APP查看詳細(xì)故障報(bào)告，便于故障快速定位與處理。

3 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)我們研制了一臺(tái)樣機(jī)并安裝在浙江省溫州市某一輸氣站內(nèi)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。我們將從機(jī)安裝在配電間內(nèi)的路燈控制箱中，替換掉原先的時(shí)控開關(guān)，主機(jī)我們安裝在控制室陽(yáng)臺(tái)墻壁上，樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄時(shí)間是2021年7月至10月。樣機(jī)開燈光照度設(shè)置為1LX，關(guān)燈光照度設(shè)置為5LX。為便于記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，我們給主機(jī)增加了蜂鳴提醒功能，每當(dāng)主機(jī)下達(dá)開燈或者關(guān)燈指令時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出響聲，便于我們值班人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確的記錄下每天開燈和關(guān)燈時(shí)間。最終我們將記錄的數(shù)據(jù)繪制成圖表并加以分析。

通過如圖9所示的關(guān)燈時(shí)間整體趨勢(shì)我們可以看出關(guān)燈時(shí)間從7月的凌晨5點(diǎn)慢慢推遲到10月的凌晨6點(diǎn)，基本上數(shù)據(jù)總體呈現(xiàn)線性遞增的趨勢(shì)，關(guān)燈時(shí)間越來(lái)越晚，這一數(shù)據(jù)結(jié)論是符合我們的自然規(guī)律的，夏季的日出時(shí)間早于秋季，隨著秋季的到來(lái)，天亮?xí)r間越來(lái)越晚，因此關(guān)燈的時(shí)間越來(lái)越晚。

圖9 關(guān)燈時(shí)間趨勢(shì)

通過如圖10所示的開燈時(shí)間整體趨勢(shì)我們可以看出開燈時(shí)間從7月的傍晚19點(diǎn)慢慢提前到10月的傍晚17點(diǎn)，基本上數(shù)據(jù)總體呈現(xiàn)線性遞減的趨勢(shì)，開燈時(shí)間越來(lái)越早，這一數(shù)據(jù)結(jié)論也是符合我們的自然規(guī)律的，夏季的日落時(shí)間晚于秋季，隨著秋季的到來(lái)，天黑的越來(lái)越早，因此開燈的時(shí)間越來(lái)越早。

圖10 開燈時(shí)間趨勢(shì)

對(duì)于兩份圖表中個(gè)別時(shí)間點(diǎn)較相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)偏差較大偏離線性趨勢(shì)線的情況，我們通過拉取歷史數(shù)據(jù)并查詢?cè)摂?shù)據(jù)點(diǎn)當(dāng)日天氣情況分析得出個(gè)別數(shù)據(jù)偏離趨勢(shì)線是受天氣情況的影響。若當(dāng)日天氣為陰雨天則勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致該日天黑時(shí)間略早于平日或天亮?xí)r間略晚于平日。故天氣狀況是造成統(tǒng)計(jì)表中個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離趨勢(shì)線的主要原因。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于LORA通訊的具有故障告警功能路燈光感開關(guān)，目前安裝于輸氣站內(nèi)并穩(wěn)定運(yùn)行。通過上述相關(guān)測(cè)試表明，本設(shè)計(jì)能根據(jù)環(huán)境亮度情況自動(dòng)開啟關(guān)閉路燈，有效解決因季節(jié)變化而頻繁調(diào)整時(shí)控開關(guān)設(shè)定值的問題，同時(shí)也有效避免能源浪費(fèi)，助力碳達(dá)峰、碳中和，并顯著提高了路燈的有效使用時(shí)間，并減輕輸氣站內(nèi)運(yùn)行人員工作量。