一種應用LoRa通信的LED路燈智能控制系統(tǒng)設計

王佑民 魏宏安

（福州大學物理與信息工程 福建省福州市 350108）

城市路燈照明作為智慧城市建設的組成部分，隨著智慧城市建設的深入推進，傳統(tǒng)的路燈管理已經(jīng)無法滿足智慧城市和智能照明建設的需要，基于通信技術、物聯(lián)網(wǎng)技術的智能路燈控制得到越來越廣泛的關注和應用。上世紀90年代至今，我國照明控制技術經(jīng)歷了“三遙”到“五遙”再到單燈控制等發(fā)展階段[1-2]同時，伴隨著新一代光源的迅速發(fā)展，LED可調(diào)控燈具的大規(guī)模推廣應用，智能照明控制成為越來越多城市路燈建設的首先。目前，路燈智能控制應用通信主要為PLC電力載波和LoRa、Nb—IoT、ZigBee等無線方式，第一層級控制主要采用GPRS/4G互聯(lián)網(wǎng)，即控制中心到集中控制器間的通信，第二層級即各個單燈控制節(jié)點與集中控制器間的通信，主采用PLC、ZigBee等通信方式。

本文基于LoRa無線通信網(wǎng)絡技術，設計一種LED路燈智能控制系統(tǒng)，集遠程開關、路面信息檢測、智能調(diào)光、數(shù)據(jù)采集、故障保修、電纜防盜等功能一體，從而實現(xiàn)城市路燈照明的高效、智能、動態(tài)監(jiān)控和節(jié)能控制，推動城市照明管理標準化、網(wǎng)絡化、智能化、節(jié)能化。

1 基于LoRa通信的路燈控制系統(tǒng)整體結構設計

根據(jù)城市照明智能系統(tǒng)功能需求，結合項目實踐過程中對照明控制系統(tǒng)應用的總結,照明智能系統(tǒng)應具備遠程開關燈、調(diào)光控制、狀態(tài)查詢、故障巡查、照明策略管理、數(shù)據(jù)存儲查詢等功能。通信技術是路燈照明控制系統(tǒng)實現(xiàn)精準控制的前提，現(xiàn)應用較廣泛ZigBee、LoRa、Nb—IoT等技術，打破了傳統(tǒng)有線通信的約束，大大推動了路燈照明控制模式朝著網(wǎng)絡化深度融合之路發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的應用，將物與物聯(lián)成了一張網(wǎng)，各個網(wǎng)節(jié)點之間既相互獨立工作，又相互融合互聯(lián)互通。

傳統(tǒng)的路燈控制方式只是簡單的對路燈進行定時開關，而隨著電子通信、物聯(lián)網(wǎng)技術在路燈控制領域的不斷，照明控制也由單一的機械控制向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化、智能化方面發(fā)展。開關燈是照明控制系統(tǒng)最基礎的功能，與以網(wǎng)單一的設置時間開關燈不同，路燈智能控制綜合考慮天氣、周邊環(huán)境等多種因素，從而選擇最佳的開關燈模式。如陰雨天氣時，根據(jù)周邊的光照環(huán)境進行自動開燈。節(jié)能調(diào)光，下半夜可將路燈功率降低。本文應用電子通信、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術，通過開關策略管理選擇，路燈照明系統(tǒng)可根據(jù)時間、光照強度以及不同用戶的不同需要，有針對性的進行數(shù)據(jù)信息采集，并對數(shù)據(jù)信息進行分析和判斷，最后根據(jù)反饋結果進行指令控制操作，實現(xiàn)對路燈開關的控制。針對不同的道路車流人流情況及下深夜照明需求，通過調(diào)光設置或自主調(diào)光模式選擇，對路燈進行智能調(diào)光，從而達到節(jié)電節(jié)能的目標。各路燈子節(jié)點將電壓、電流等數(shù)據(jù)反饋到集中控制器，并通過公網(wǎng)傳輸之控制平臺中心，通過電壓、電流信息變化時時監(jiān)控路燈運行狀態(tài)，一但發(fā)現(xiàn)有報警信息，就可以迅速鎖定故障路燈，繼而組織維修。

圖1：路燈控制系統(tǒng)架構

常用的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方式有兩類，一種是短距離通信技術，如比較常見的ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth等傳統(tǒng)通信方式；另一種是LoRa、NB-IOT等基于LPWAN技術的低功耗廣域通信方式。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術。NB-IoT構建于蜂窩網(wǎng)絡，應用窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術，其主要特征是功耗低、廣域傳輸、單點接入量大。LoRa是LPWAN通信技術的一種，靈敏度在-148dbm左右，在接收靈敏度方面較其它Sub-GHz芯片也改善了許多，達到20dB以上[3]。這三種通信技術各有優(yōu)缺（見表1），用戶可以根據(jù)需要選擇合適的通信方式。

表1：三種通信方式比較

表2：LoRa協(xié)議棧

圖2：集成LoRa通信模塊的LED路燈驅(qū)動電源結構示意圖

圖3：路燈控制終端結構

圖4：集中控制器邏輯圖

綜合考慮傳輸距離、抗干擾能力、能耗、成本、適用領域及發(fā)展趨勢，選用LoRa技術。本系統(tǒng)由終端管理平臺、集中控制器（LoRa關）、LoRa路燈控制器（本系統(tǒng)將路燈控制器與LED路燈電源集成）、GPRS/4G通信網(wǎng)絡等組成[4]，系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

系統(tǒng)應用LoRa無線網(wǎng)絡通信，支持LoRaWAN規(guī)范，終端管理平臺和集中控制器(LoRa網(wǎng)關)之間通過GPRS/4G移動通信網(wǎng)絡進行通信,路燈集中控制器與路燈單燈控制器通過LoRa無線網(wǎng)絡進行通信。路燈集中控制器還負責移動通信網(wǎng)絡和無線通信網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交互轉換。路燈控制器（集成于驅(qū)動電源中）安裝在現(xiàn)場路燈運行場所，集中控制器（LoRa網(wǎng)關）安裝在路燈集中控制箱處，實現(xiàn)與路燈單燈控制器LoRa組網(wǎng)通信。終端管理平臺對路燈進行控制和運行狀態(tài)的監(jiān)控，通過GPRS/4G通信網(wǎng)絡將下發(fā)的命令數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊锌刂破?，之后下發(fā)到每個路燈控制器。路燈控制器根據(jù)數(shù)據(jù)指令完成如定時開關、 根據(jù)四周光照強度或車流人流進行開關及亮度調(diào)節(jié)、故障統(tǒng)計、能耗監(jiān)測等。路燈控制器作為子節(jié)點，將采集的數(shù)據(jù)動態(tài)傳輸?shù)街行墓?jié)點集中控制器(LoRa網(wǎng)關)處，每個子節(jié)點數(shù)據(jù)自動匯總到中心節(jié)點對應的網(wǎng)絡中[5]。

2 LoRa通信組網(wǎng)方式

2.1 LoRa協(xié)議棧和數(shù)據(jù)包格式

LoRaWAN是為遠距離通信設計的一套低功耗廣域網(wǎng)協(xié)議。LoRa協(xié)議棧中主要劃分了三個層次，即物理層、MAC層和應用層。LoRa協(xié)議棧如表2所示。

LoRaWAN系統(tǒng)主要分為三個部分：節(jié)點/終端、網(wǎng)關/基站和服務器[6]。物理層主要包含不同地區(qū)的頻段劃分和LoRa技術的調(diào)制解調(diào)機制。在MAC層中，LoRaWAN有Class A、Class B和Class C三種工作模式，同時定義了通信時使用的各類幀格式（請求連接幀格式、數(shù)據(jù)幀格式等）、三種模式下的接收窗口、網(wǎng)關與終端之間交互的MA命令等。在Class A工作模式下，終端主動上報數(shù)據(jù) ；在Class B工作模式下，終端固定一個周期打開接收窗口；在 Class C工作模式下，終端的發(fā)送窗口和接收窗口長時間打開，終端不考慮功耗，隨時接收來自基站的下行數(shù)據(jù)[7]。如表3所示。

LoRa數(shù)據(jù)包主要由Preamble（前導碼）、Header（可選類型的報頭）、Payload（數(shù)據(jù)有效負載）三部份構成，前導碼用于保持接收機與輸入的數(shù)據(jù)流同步。如報表4所示。

MAC 幀封裝在物理層負載（PHYPayload）報文中，其主要格式如表5和表6所示。

LoRaWAN規(guī)范中通過MType字段區(qū)分不同的數(shù)據(jù)包， MType是3位的，總共可以表示8種不同類型的數(shù)據(jù)，其中前六種是不同的數(shù)據(jù)包，分別是“入網(wǎng)請求”、“入網(wǎng)回復”、“不需要確認上行數(shù)據(jù)包”、“需要確認上行數(shù)據(jù)包”、“不需要確認下行數(shù)據(jù)包”、“需要確認下行數(shù)據(jù)包”，后面兩個一個是預留（RFU），一個開放給用戶自定義（Proprietary）。如表7所示。

2.2 通信組網(wǎng)方式

路燈智能控制系統(tǒng)的通信包括單個路燈控制節(jié)點與現(xiàn)場集中控制器網(wǎng)關之間的通信和集中控制器網(wǎng)關和終端管理平臺之間的通信。終端管理平臺與集中控制器網(wǎng)關之間采用4G/GPRS通信，路燈控制節(jié)點與集中控制器網(wǎng)關之關應用LoRa無線通信?？紤]到LoRaWAN使用成本較高，技術要求也高，許多互聯(lián)網(wǎng)應用場景都只是應用LoRa芯片，采用Class C的場景，參考電力抄表DLT645相關協(xié)議。如表8所示。

3 系統(tǒng)硬件設計重點

3.1 集成LoRa模組的的路燈控制電源設計

目前照明工程建設中使用的LED路燈驅(qū)動電源大多與路燈控制器分離，各自獨立安裝，路燈控制器安裝于路燈燈桿底部檢修閥門處，LED路燈驅(qū)動電源置于燈具內(nèi)側，不僅增加了建設成本，而且給后續(xù)維護檢修帶來不便。本設計通過集成整合，應用獨立的輔助電源給路燈控制器、LoRa模塊等提供電源，如圖2所示。

選用集成度高且耗能低的擴頻調(diào)制SX1278射頻芯片，結合EFM8SB1微控制器，實現(xiàn)LED路燈的電源的調(diào)節(jié)控制[8]。該模塊由LED驅(qū)動電源、PWM調(diào)光、繼電器控制輸出單元、LoRa單元、光電傳感器、紅外傳感器、指示模塊、模擬量輸入輸出單元、故障檢測等單元組成[9][10]，結構如圖3所示。

表3：PHY/MAC層總的數(shù)據(jù)包結構

圖5：集中控制器結構

圖6：終端管理平臺實體-關系E-R圖

繼電器輸出單元控制路燈的開和關，光電傳感器根據(jù)周圍光照強度的變化，通過 LoRa 模塊產(chǎn)生的PWM波信號，對路燈進行點對點的調(diào)光。紅外傳感器采集道路車輛和人員情況，當前方有車輛或人員通過時，將信息傳輸回處理器，從而判定路燈是否提高亮度或降低亮度。

3.2 集中控制器(LoRa網(wǎng)關)設計

集中控制器(LoRa網(wǎng)關)是整個智能網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的核心，硬件由電源模塊、LoRa模塊、狀態(tài)指示、GPRS/4G模塊、數(shù)據(jù)存儲單元、故障報警模塊、三相電采集等模塊組成[11]，集中控制器邏輯圖如圖4所示。用于收集匯總上報各個路燈的運行信息，各路燈之間通過LoRa模塊互相通信，各子節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送到集中控制器(LoRa網(wǎng)關)匯總，集中控制器(LoRa網(wǎng)關)則按照每個路燈的ID標識進行識別。集中控制器結構如圖5所示。

表4：LoRa數(shù)據(jù)包結構

表5：MAC幀格式

表6：物理層幀格式

表7：MAC層消息類型

通過公網(wǎng)GPRS/4G通信模塊接收和發(fā)送各控制節(jié)點的路燈控制狀態(tài)信息，采集到的數(shù)據(jù)保存在存儲芯片上；集中控制器（LoRam網(wǎng)關）介于終端管理平臺和路燈控制節(jié)點之間，向上通過GPRS/4G網(wǎng)絡與終端管理平臺進行通信，向下則通過LoRa無線回路方式控制各路燈的開關及調(diào)光等[12]。LED路燈運行時的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)通過三相電采集模塊來收集，動態(tài)實時監(jiān)測LED路燈的運行狀況[13]，發(fā)現(xiàn)故障時，會將故障燈具ID及相關信息通過短信反饋，從而達到對整個路燈網(wǎng)絡運行的監(jiān)控目的。

4 終端管理平臺

管理平臺服務軟件采用模塊化結構，應用用架構 B/S ，用戶可直接通過瀏覽器打開并訪問,客戶端不需要安裝監(jiān)控系統(tǒng)軟件,任何一臺網(wǎng)絡內(nèi)的計算機直接通過瀏覽 器就可以監(jiān)控城市的路燈，掌握路燈的運行情況。實時準確分析、判斷、定位和標注故障，適應于不同層次的工作人員操作。主控程序負責采集數(shù)據(jù)、發(fā)布控制命令信息及提供報警聯(lián)動信息。

管理平臺需要主要包括照明策略管理、路燈監(jiān)測、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)存儲、故障報警、設備管理等功能。照明策略：定時任務管理（定時控制開關燈、分時段調(diào)光等）、光強度控制等，并且能夠?qū)为氁粋€回路、單盞路燈或自行設定的幾組回路中的LED路燈進行開關和調(diào)光控制。路燈監(jiān)測：快速查詢路燈開關運行狀態(tài)、電壓、電流、亮燈率、各種開關量狀態(tài)輸入等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)永久保存到數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)報表：可以生成主要的數(shù)據(jù)報表,節(jié)能率統(tǒng)計報表等，可以按日、月、年統(tǒng)計節(jié)能率，系統(tǒng)可自動進行統(tǒng)計，提供不同的顯示方式（如表格、曲線圖、柱圖、餅圖等），能根據(jù)不同區(qū)域不同電價自動計算電費，能通過每天采集回的數(shù)據(jù)整理歸檔，完成數(shù)據(jù)報表導出生成Excel文檔。數(shù)據(jù)存儲：系統(tǒng)可將所有數(shù)據(jù)永久存儲到服務器，同時對系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的重要系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行科學的存儲和備份，當設備出現(xiàn)故障時，能夠追溯操作失誤問題，系統(tǒng)能快速啟用備份數(shù)據(jù)確保系統(tǒng)正常運行。故障報警：能夠?qū)收蠠艟咛峁﹫缶?、檢測、分析及維護情況追蹤，可以把不同的監(jiān)控點，不同的報警類型，按照預先設定的內(nèi)容，采短消息報警等，分別發(fā)送給相應的人員，及時處理故障，并將故障數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。設備管理：能提供對集中控制器（LoRa網(wǎng)關）、控制器等設備進行管理，如設備臺賬信息的添加、編輯、修改、查詢、刪除等維護功能。終端管理平臺實體-關系E-R圖如圖6所示。

表8：DL-T645通訊協(xié)議幀格式

表9：測試點結果

5 LED路燈智能控制系統(tǒng)測試

選定一個可靠的路燈測試環(huán)境，在測試過程中，依據(jù)不同的測試距離和周圍障礙物分布的情況，對每個Led路燈節(jié)點發(fā)送測試數(shù)據(jù)包。在某測試點安裝50盞120W的LED路燈，50盞60W的LED路燈，將監(jiān)測管理中心設置于路燈區(qū)2至3km的地方，測試結果如表9。在該測試環(huán)境下，當傳輸距離小于500米時，每種環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸基本上能夠?qū)崿F(xiàn)不丟包；隨著距離增加及障礙物的出現(xiàn)，不完整性逐漸增大，但傳輸距離在1km米范圍內(nèi)時，傳輸數(shù)據(jù)尚比較完穩(wěn)定完整；當傳輸數(shù)據(jù)大于2.5km時，數(shù)據(jù)傳輸完整明顯下降。

6 結語

本文基于LoRa通信技術，將路燈控制器和LED路燈驅(qū)動電源進行集成，實現(xiàn)LED路燈數(shù)據(jù)的采集、動態(tài)調(diào)光、多樣化開關等。子節(jié)點到中心節(jié)點構成一個局域網(wǎng)，由集中控制器(LoRa網(wǎng)關)進行數(shù)據(jù)匯聚收發(fā)，進而控制每一盞路燈的運行。經(jīng)實驗測試，管理人員只需要通過終端控制平臺，就可以對所屬回路的路燈進行整體控制，也可以一對一的單獨控制，從而實現(xiàn)了路燈照明的精準化管理，提升了照明路燈管理水平，同時也減少了巡查、檢修人力物力的投入，具有良好的社會應用價值。