張釗源 張文康 王建威 張偉

摘 ? 要：本項(xiàng)目基于LoRa的線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，由STM32單片機(jī)、SX1278-LoRa、霍爾電流檢測(cè)模組、煙感傳感器、GPRS等組成，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)分布式多點(diǎn)IO設(shè)備監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)用電設(shè)備的使用情況以及煙感報(bào)警、照明控制等功能并利用單火線取電技術(shù)為照明設(shè)備供電，減少電流損耗。該系統(tǒng)配套云管理平臺(tái)，利用Webstocket通信協(xié)議，結(jié)合JS與EChart將數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖的形式顯示;同時(shí)，各傳感器采集的信息會(huì)形成歷史表單，用戶可以隨時(shí)登錄平臺(tái)查看所需信息。

關(guān)鍵詞：LoRa線性擴(kuò)頻 ?Webstocket ?低功耗 ?遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TU113 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）01（a）-0139-02

針對(duì)一些倉(cāng)庫(kù)、圖書(shū)館、教室、地下停車場(chǎng)等場(chǎng)合照明設(shè)備存在控制距離受限、電路搭建冗雜、利用率低、能耗大的問(wèn)題，研究基于LoRa的線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和單火線取電技術(shù)的照明設(shè)備控制系統(tǒng)。針對(duì)這些情況研究一款可以在低功耗模式下可對(duì)照明設(shè)備的廣域控制和室內(nèi)火災(zāi)預(yù)警的控制系統(tǒng)，并結(jié)合云管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，方便用戶管理相關(guān)設(shè)備。

1 ?系統(tǒng)方案概述

本項(xiàng)的主要研究對(duì)象為基于LoRa線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的照明設(shè)備的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，主要針對(duì)傳統(tǒng)照明控制器的通訊方式和接線方式進(jìn)行改進(jìn)，主要內(nèi)容如下。

（1）傳感終端節(jié)能低功耗。

PI-3V3-B4單火線取電芯片盡可能的降低待機(jī)功耗，減小待機(jī)電流，避免出現(xiàn)照明設(shè)備關(guān)閉后閃爍或者微亮，并提供足夠的輸出電流給傳感終端電路。在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)給控制終端提供很小的電流，用以維持工作，并使控制關(guān)態(tài)供電的單元提前進(jìn)入大電流工作狀態(tài)，有效解決照明設(shè)備關(guān)閉后閃爍或者微亮問(wèn)題。

（2）LoRa對(duì)照明設(shè)備廣域控制。

借助LoRa的線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，通過(guò)從機(jī)LoRa網(wǎng)關(guān)與主機(jī)LoRa網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。借助主機(jī)LoRa模塊向終端節(jié)點(diǎn)MCU發(fā)送指令，對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行有效地控制?；贚oRa技術(shù)構(gòu)建的傳感網(wǎng)絡(luò)組成主要包括LoRa通信終端、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、服務(wù)器和云端四部分組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)、用戶指令可雙向傳輸[1]。

（3）上位機(jī)、Web照明設(shè)備管理平臺(tái)。

基于Web照明設(shè)備云管理平臺(tái)與上位機(jī)的控制終端，克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案在長(zhǎng)距離傳輸中效果不理想、難以精確控制的問(wèn)題。用戶可以借助手機(jī)登錄平臺(tái)或者PC上位機(jī)完成對(duì)照明設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以STM32為核心，搭配LoRa無(wú)線擴(kuò)頻通信模塊、ACS712霍爾電流傳感器、PI-3V3-B4單火線模塊、煙感傳感器，通過(guò)云管理平臺(tái)與上位機(jī)的協(xié)同實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的狀態(tài)（電流）監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制和失火預(yù)警。

2 ?系統(tǒng)硬件與軟件工作流程

系統(tǒng)工作流程：本系統(tǒng)由三大部分組成，分別是傳感終端、通信終端及傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、控制終端。傳感終端將采集的數(shù)據(jù)處理后通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)部署將處理后的數(shù)據(jù)在控制終端的上位機(jī)與Web管理平臺(tái)顯示，同時(shí)用戶也可以通過(guò)控制終端實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的廣域控制。

（1）傳感終端。

傳感終端由基于單火線取電技術(shù)的單火線模塊、傳感器模塊、總控制模塊組成[2]。單火線取電芯片PI-3V3-B4可直接從火線取電（使整個(gè)傳感終端掛載在火線上，不需要接零線），由于PI-3V3-B4的開(kāi)、關(guān)態(tài)的供電方式，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感終端在能耗最低的原則下實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷工作。根據(jù)下圖分析：接入MOS管和繼電器為總系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)單線制供電方式，解決負(fù)載燈具閃爍問(wèn)題。

總控制模塊STM32F103作為傳感終端的控制核心，驅(qū)動(dòng)ACS712霍爾電流傳感器、煙感穿傳感器，通過(guò)LoRa通信模塊與控制終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，完成數(shù)據(jù)的傳輸和用戶指令的實(shí)現(xiàn)。

（2）通信終端及傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)采用三級(jí)樹(shù)通信結(jié)構(gòu)。傳感終端的電流檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的電流信息傳輸?shù)組CU，MCU處理信息（將電流大小轉(zhuǎn)換為照明設(shè)備的工作狀態(tài)信息），通過(guò)傳感終端的LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)出，由控制終端的LoRa網(wǎng)關(guān)接收并向LoRa處理器[3]發(fā)送信息，經(jīng)過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL模塊將信息傳輸?shù)娇刂平K端的上位機(jī)和Web管理平臺(tái)，用戶通過(guò)控制終端監(jiān)測(cè)照明設(shè)備的工作狀態(tài)，借助上位機(jī)通過(guò)主機(jī)的LoRa網(wǎng)關(guān)將指令發(fā)送到從機(jī)的LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa接收指令并發(fā)送給MCU，MCU分析指令通過(guò)控制PI-3V3-B4單火線取電芯片的開(kāi)關(guān)態(tài)供電實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。而從機(jī)上的傳感器的數(shù)據(jù)傳輸也是如此。此外，如果發(fā)生失火，MCU接收到火焰?zhèn)鞲衅鳒y(cè)得失火信息，迅速將信息傳達(dá)給用戶還會(huì)直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴報(bào)警器實(shí)現(xiàn)失火報(bào)警。

（3）控制終端。

控制終端由主機(jī)模塊、上位機(jī)與云管理平臺(tái)組成。主機(jī)模塊中的LoRa網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)信息并發(fā)送到LoRa處理器，最終在上位機(jī)與云管理平臺(tái)完成更新、顯示。用戶可以手機(jī)登錄平臺(tái)或者通過(guò)上位機(jī)發(fā)送指令到傳感終端，完成對(duì)照明設(shè)備的廣域控制。

軟件工作流程：與上述硬件系統(tǒng)所配套的云管理平臺(tái)，可以通過(guò)阿里服務(wù)器在3G/4G網(wǎng)絡(luò)下實(shí)時(shí)登錄，查看電路信息?？刂葡到y(tǒng)利用GPRS模塊，可通過(guò)無(wú)線射頻，將煙感報(bào)警系統(tǒng)、傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)送到云管理平臺(tái)。當(dāng)煙感模塊檢測(cè)到異常信息時(shí)，及時(shí)報(bào)送平臺(tái)告知用戶[4]。利用HTML5構(gòu)建的管理平臺(tái)，嵌入了最新的EChart圖表，可以與MySQL握手通信，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)交互引入了Webstocket協(xié)議并與JS結(jié)合，可以動(dòng)態(tài)顯示信息。

3 ?結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目基于LoRa的線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和單火線取電技術(shù)設(shè)計(jì)照明設(shè)備控制系統(tǒng)。利用LoRa調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)分布式多點(diǎn)IO設(shè)備監(jiān)空以及電路信息采集。組網(wǎng)采用星狀拓樸結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)星狀連接終端節(jié)點(diǎn)，但終端節(jié)點(diǎn)并不綁定唯一網(wǎng)關(guān)[5]，相反，終端節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)可發(fā)送給多個(gè)網(wǎng)關(guān)，大大提高了云端與設(shè)備的雙向通訊能力可通過(guò)無(wú)線射頻，數(shù)據(jù)通過(guò)多重方式發(fā)送到用戶視窗界面。

參考文獻(xiàn)

[1] 張呈龍，莊浩然，張永安，等.一種基于LoRa的多層分布式LPWAN數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)[J].電子世界， 2018 （14）：140-141.

[2] 智慧城市背景下智能路燈管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)——基于GIS開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[J].順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，15（4）：21-25.

[3] 趙靜.LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J].移動(dòng)通信，2016，40 （21）：50-57.

[4] 易代新，韓宏偉.某錳礦區(qū)電力設(shè)備檢測(cè)報(bào)警器系統(tǒng)方案研究[J].中國(guó)錳業(yè)，2017（4）：49.

[5] 萬(wàn)芬.淺談LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用[J].通訊世界，2017（2）：91-92.