黃潔文

（桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西 南寧 530001）

在計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)日新月異的今天，智能化、網(wǎng)絡(luò)化以超出想象的速度發(fā)展。特別是物聯(lián)網(wǎng)[1]概念的提出，各種應(yīng)用更是如雨后春筍般出現(xiàn)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)終端就可以為人們提供更加便捷的信息和決策服務(wù)，還可以遠(yuǎn)程對(duì)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行查詢(xún)和控制，從而減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高了設(shè)備的管理水平。智能校園照明管理系統(tǒng)就是在這樣的需求下進(jìn)行的研究。

1 LoRa技術(shù)簡(jiǎn)介

LoRa[2]是一種新型的數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)。2013年8月，Semtech公司向業(yè)界發(fā)布了一種新型的基于1 Ghz以下的超長(zhǎng)距離低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（LongRange，簡(jiǎn)稱(chēng)LoRa）的芯片。其接收靈敏度達(dá)到了驚人的-148 dBm.它使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，既保持了像FSK調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離。這些關(guān)鍵特征使得LoRa技術(shù)非常適合于要求功耗低、距離遠(yuǎn)、大量連接和數(shù)據(jù)量小的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能抄表、智慧農(nóng)業(yè)、智慧校園等等應(yīng)用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能校園照明管理系統(tǒng)主要由運(yùn)行于智能終端的應(yīng)用App、控制主機(jī)、開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)三部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用App運(yùn)行于智能終端上，智能終端通過(guò)WiFi連接控制主機(jī)的熱點(diǎn)。運(yùn)行App可與控制主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在App端設(shè)定好的數(shù)據(jù)，通過(guò)WiFi傳輸給控制主機(jī)?？刂浦鳈C(jī)根據(jù)App發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過(guò)LoRa發(fā)送給開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)再驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)照明用電設(shè)備的控制。系統(tǒng)具有對(duì)被控照明設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、定時(shí)控制，并能反饋被控照明設(shè)備的狀態(tài)。通過(guò)智能終端可對(duì)照明系統(tǒng)的集中遠(yuǎn)程控制和查詢(xún)，方便對(duì)照明設(shè)備的管理和維護(hù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制主機(jī)

控制主機(jī)由單片機(jī)模塊、液晶顯示模塊、WiFi模塊、LoRa無(wú)線通信模塊、鍵盤(pán)模塊五部分組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

（1）單片機(jī)模塊采用宏晶科技公司的STC15W4K 56S4作為主控芯片，該芯片是增強(qiáng)型8051單片機(jī)，芯片擁有4KBram，56KBflash存儲(chǔ)器以及豐富的片上資源，具有運(yùn)行速度快，運(yùn)行電壓寬（2.5 V～5.5 V），抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。單片機(jī)作為控制主機(jī)的大腦，協(xié)調(diào)與之相連的模塊運(yùn)行。

圖2 控制主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（2）WiFi模塊采用ESP8266[3]芯片的模塊。該芯片為樂(lè)鑫信息科技（上海）有限公司專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。芯片集成了Tensilica’sL106系列32bit處理器、天線開(kāi)關(guān)、射頻balun、功率放大器、低噪聲放大器等模塊。其支持802.11b/g/n，可工作在Station模式和softAP模式。在該設(shè)計(jì)中，ESP8266工作于softAP模式，智能終端通過(guò)WiFi接入控制主機(jī)，通過(guò)socket編程進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（3）LoRa無(wú)線通信模塊采用深圳安信可科技的LoRa模塊，該模塊是安信可科技基于Semtech專(zhuān)利技術(shù)芯片SX1278研發(fā)的一款高品質(zhì)LoRa射頻前端，具有超遠(yuǎn)距離擴(kuò)頻通信，抗干擾性強(qiáng)、低電流消耗等特征。同時(shí)支持傳統(tǒng)的FSK調(diào)制技術(shù)和LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，最高可實(shí)現(xiàn)-148 dBm的高靈敏度，芯片內(nèi)部集成了高功率放大器，可實(shí)現(xiàn)最大20 dBm的功率輸出，非常適合遠(yuǎn)距離傳輸且對(duì)可靠性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。在低速率傳輸條件下，開(kāi)闊環(huán)境通信距離可達(dá)數(shù)十公里。在控制主機(jī)中，LoRa無(wú)線通信模塊是與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信橋梁，單片機(jī)通過(guò)WiFi模塊接收到的數(shù)據(jù)，再通過(guò)LoRa模塊發(fā)送給開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

3.2 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)

開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)模塊、LoRa無(wú)線通信模塊、繼電器模塊組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)在單片機(jī)STC15W4K56S4的統(tǒng)一控制下運(yùn)行。平時(shí)LoRa無(wú)線通信模塊處于接收狀態(tài)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，與自己的地址進(jìn)行比對(duì)，如果相同，則對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并對(duì)輸出繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，達(dá)到了遠(yuǎn)程控制負(fù)載的目的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，軟件分為三個(gè)部分：智能終端Android應(yīng)用App、控制主機(jī)軟件、開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件。應(yīng)用App采用Androidstudio環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)?？刂浦鳈C(jī)和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用keilC51進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在整個(gè)系統(tǒng)中，控制主機(jī)的WiFi模塊工作于softAP，接收來(lái)自應(yīng)用App的數(shù)據(jù)?？刂浦鳈C(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，通過(guò)LoRa無(wú)線通信模塊發(fā)送給開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制用電負(fù)載的目的?？刂浦鳈C(jī)程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制主機(jī)程序流程圖

5 測(cè)試結(jié)論

本設(shè)計(jì)屬桂林理工大學(xué)校園科技項(xiàng)目，已在校園環(huán)境下做過(guò)實(shí)際使用測(cè)試。按測(cè)試方案，將主機(jī)安裝在4號(hào)教學(xué)樓3樓，同時(shí)在分別處于主機(jī)安裝點(diǎn)東、西、南三個(gè)方向的8號(hào)教學(xué)樓、實(shí)訓(xùn)樓C棟和3號(hào)教學(xué)樓布設(shè)多個(gè)開(kāi)關(guān)點(diǎn)（各點(diǎn)距主機(jī)的距離分別為210 m、3.5 km和40 m），進(jìn)行連續(xù)一個(gè)星期的無(wú)間斷工作測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果表明：在測(cè)試期間，各開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)均能對(duì)智能終端發(fā)出的命令作出準(zhǔn)確及時(shí)的響應(yīng)，對(duì)其所分別控制的路燈的開(kāi)關(guān)動(dòng)作錯(cuò)誤率為零，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。在隨后的測(cè)試中，任意增減控制網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，并未發(fā)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的工作有任何不良影響，充分體現(xiàn)了LoRa技術(shù)的可靠性和靈活的擴(kuò)展性。在對(duì)處于控制主機(jī)最遠(yuǎn)距離，安裝在實(shí)訓(xùn)樓C棟的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)情況看，雖然兩點(diǎn)距離長(zhǎng)達(dá)3.5 km，且中間有樹(shù)木及建筑物遮擋，在晴雨、白晝等天氣及氣象條件下，均能正常工作和隨時(shí)增減節(jié)點(diǎn)。如果采用WiFi或傳統(tǒng)FSK的通信方式，要達(dá)到同樣的覆蓋范圍和傳輸效果，必然要增加多個(gè)中繼，從而增加安裝、維護(hù)的難度和成本，甚至還會(huì)導(dǎo)致可靠性下降等問(wèn)題，從這點(diǎn)上看，采用LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)在傳輸距離上的優(yōu)勢(shì)極為明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用的基于LoRa技術(shù)設(shè)計(jì)的智能照明管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)利用智能終端對(duì)照明用電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理，不僅適用于校園環(huán)境使用，還可以推廣至辦公大樓、住宅小區(qū)用電設(shè)備的集中控制。在實(shí)際使用中無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜耗時(shí)的布線工作。只需增加開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)即可，具有靈活的擴(kuò)展性和使用性。隨著人們對(duì)節(jié)能減排的追求，會(huì)有更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

[1]王陽(yáng)，溫向明，路兆銘，等.新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——LoRa[J].信息通信技術(shù)，2017，11（01）：55-59,72.

[2]趙太飛，陳倫斌，袁 麓，等.基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（09）：298-301.

[3]王 浩.基于Esp8266WIFI平臺(tái)和MQTT協(xié)議的遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)計(jì)[J].泰山學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，39（06）：86-91.