胡曉龍 林嘉 邱小群 楊妙蕓

摘? 要：在我國公路的建設進程中，路燈是必備要素。而路燈的智能化管理是相關工程科研人員的研究方向。基于此，文章提出智能路燈系統(tǒng)的設計方案。由路燈控制器、LoRa網(wǎng)關節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、路由器、云平臺、設置計算機等組成了智能路燈管理系統(tǒng)，充分整合傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、嵌入式技術、計算機技術，實現(xiàn)智能路燈系統(tǒng)的信息化、智能化。

關鍵詞：智能路燈系統(tǒng);傳感器技術;信息化;智能化

中圖分類號：TP212.9;TU113.6? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）20-0039-04

Design of Intelligent Street Lamp System Based on LoRa Technology

HU Xiaolong，LIN Jia，QIU Xiaoqun，YANG Miaoyun

（Zhuhai City Polytechnic，Zhuhai? 519090，China）

Abstract：In the process of highway construction in China，street lamp is an essential element. The intelligent management of street lamp is the research direction of related engineering researchers. Based on this，the design scheme of the intelligent street lamp system is proposed in this paper. An intelligent street lamp management system is composed of street lamp controllers，LoRa gateway nodes，internet of things gateways，routers，cloud platforms，setting computers，etc.，which fully integrates sensor technology，internet of things technology，embedded technology，and computer technology to realize the informatization and intellectualization of intelligent street lamp system.

Keywords：intelligent street lamp system;sensor technology;informatization;intelligent

0? 引? 言

國家為暢通經(jīng)濟活動，不斷增加公路修建，同時也產(chǎn)生了路燈需求的增加。我國現(xiàn)有城鄉(xiāng)路燈總數(shù)已超過2億支，并以每年20%的速度增長。而隨之而來的是能源消耗的上升，據(jù)統(tǒng)計，路燈照明耗電量占全國照明總耗電量30%以上;路燈一般在夜晚開啟，但進入深夜后，過往車輛已經(jīng)減少，一直開啟路燈不利于節(jié)能;另外，公路上的路燈一旦出現(xiàn)故障，不易被發(fā)現(xiàn)并修復，從而造成行車的安全隱患，所以路燈維護和故障排除有很大的改進空間。

近年來，有不少工程師與學者開展了關于路燈智能化的研究。研究的內(nèi)容包括LED路燈模塊、采集模塊、智能監(jiān)控等。筆者根據(jù)以往關于傳感器、遠距離及低功耗通信、數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、Web服務和數(shù)據(jù)庫技術的研究經(jīng)歷，提供一套既能實現(xiàn)新建路燈的智能化，也能實現(xiàn)對已建成的路燈實施智能化補充的解決方案，減少路燈的能源耗費，并能通過遠端計算機實時監(jiān)控，而且可以準確定位故障路燈的位置。

本方案首先研究在路燈端設計一款控制器，以實現(xiàn)光照度、電壓、電流和過往車輛的檢測，通過一塊液晶屏顯示出來，以及控制光源的開和關與亮度調(diào)節(jié)。采用STM32L151C8作為核心，把收集到的傳感器數(shù)據(jù)通過LoRa通信芯片LSD4RF-2F717N30與LoRa網(wǎng)關節(jié)點聯(lián)系。負責匯聚所有路燈控制器的LoRa網(wǎng)關節(jié)點，與路燈控制器的基本結(jié)構相同。其作用是把所有數(shù)據(jù)通過TTL232轉(zhuǎn)RS485接口發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。同時，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關通過路由器設備，以實現(xiàn)連接因特網(wǎng)，把接收的數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議上傳至云平臺。云平臺則實現(xiàn)路燈運行情況的監(jiān)測，且根據(jù)制定的規(guī)則控制路燈開關與亮度調(diào)節(jié)。

1? 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)由路燈控制器（LoRa普通節(jié)點）、LoRa網(wǎng)關節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、云平臺、設置計算機組成。系統(tǒng)的物理結(jié)構如圖1所示。

路燈控制器在公路現(xiàn)場收集相關信息，包括路燈的電壓、電流、當前時間的光照度、行車信息等。LoRa網(wǎng)關節(jié)點主動發(fā)出讀取指令，匯聚路燈控制器的各項信息。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關接收到的LoRa網(wǎng)關節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP的格式發(fā)送至云平臺。

2? 硬件設計

智能路燈系統(tǒng)包括兩大部分，一部分是以LoRa模塊為核心的兩類設備組成的LoRa網(wǎng)絡，另一部分是傳統(tǒng)以太網(wǎng)。兩種網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關實現(xiàn)。

2.1? LoRa網(wǎng)絡構建

2.1.1? LoRa無線技術

LoRa是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，是低功率廣域網(wǎng)絡通信技術中的一種，是SEMTECH公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標準。這一方案為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、低功耗無線通信手段。它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3～5倍。它的傳輸距離在城鎮(zhèn)可達2～5 km，郊區(qū)可達15 km;電池的壽命可以長達10年。非常適合應用于高速公路的路燈系統(tǒng)。

LoRa網(wǎng)關節(jié)點與路燈控制器都是基于一塊LoRa核心板。核心板的射頻模塊采用型號為LSD4RF-2F717N30的芯片。該芯片是基于SEMTECH射頻集成芯片系列S×127X，是一款高性能物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器，用于超長距離擴頻通信，抗干擾性強，能夠最大限度降低電流消耗。

核心板的MCU采用STM32L151C8。STM32是意法半導體（STMicroelectronics，ST）有限公司出品的一系列微控制器（Micro Controller Unit，MCU）的統(tǒng)稱。STM32L151C8屬于超低功耗系列MCU，在功耗要求低的射頻通信場合十分合適。

2.1.2? 路燈控制器

路燈控制器是智能路燈系統(tǒng)重要的組成部分之一。其控制模塊以STM32L151C8為核心，外加以LSD4RF-2F717N30芯片為核心的射頻模塊，組成LoRa核心基板。外圍還有光照傳感器、電能計量模塊、超聲波傳感器、LED調(diào)光驅(qū)動電路和一塊1.5英寸的OLED屏。

（1）LoRa核心基板，路燈控制器均加入光照度傳感器，用于檢測環(huán)境光照度。檢測得到的光照度，作為光源亮度變化的控制條件之一。圖2是以光電二極管為檢測元件的模塊化的光照度傳感器。

（2）要測量路燈的電壓電流值，需要借助電能計量模塊來實現(xiàn)。電能計量模塊是以HLW8012為核心搭建的電路。HLW8012一般SOP8封裝，體積小，可以測量電壓有效值、電流有效值;其引腳CF輸出高頻脈沖，指示有功功率，在1 000：1范圍內(nèi)達到±0.3%的精度;引腳CF1同樣輸出高頻脈沖，指示電流或電壓有效值，通SEL引腳選擇，在500：1范圍內(nèi)達到±0.5%的精度;內(nèi)置晶振、2.43 V電壓參考源及電源監(jiān)控電路;5 V單電源供電，工作電流小于3 mA。通過電阻采樣用電負載的電壓和電流信息，經(jīng)過HLW8012的處理，把信息通過高頻脈沖的形式輸出至MCU。圖3為檢測電壓電流信息信號流圖。

（3）遠距離超聲波傳感器，用于檢測過往車輛，為路燈的控制提供判斷條件。ME007-ULS V1超聲波傳感器，是采用一體化防水探頭設計而成的一款高性能的測距傳感器。供電電壓3.3 V～12 V，紋波小于100 mV，探測距離最遠可達90米，測量數(shù)據(jù)輕松可得，直接通過UART傳輸至MCU。

（4）LED調(diào)光驅(qū)動電路，適用于路燈光源的亮度調(diào)節(jié)。LED光源需要能恒定電流、穩(wěn)定電壓作用的開關電源。MB15026驅(qū)動芯片是非常合適的調(diào)光電路驅(qū)動芯片。它是一種16位LED恒流驅(qū)動器。采用Bi_CMOS工藝，其恒流值可以通過外接電阻調(diào)節(jié)（lout=5～90 mA）。

（5）OLED顯示屏?？刂破魃弦舶惭b了1.5英寸的OLED顯示屏，以便于現(xiàn)場觀察數(shù)據(jù)，或用于測量檢修。

2.1.3? LoRa網(wǎng)關節(jié)點

LoRa網(wǎng)關節(jié)點和路燈控制器一樣，都是基于相同的LoRa核心基板。由于同宗同源，兩者的通信無障礙。LoRa網(wǎng)關節(jié)點不需要傳感器，只要其軟件上定義為網(wǎng)關節(jié)點，就能準確識別每一個路燈控制器。由于通信的長距離特性，LoRa網(wǎng)關接點不必安裝在現(xiàn)場，可以安排在遠端，繼而通過RS485接口連接物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。LoRa網(wǎng)關節(jié)點的作用是輪詢各路燈控制器的傳感器數(shù)據(jù)，再送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。

2.2? 云平臺管理

第三方云平臺，能根據(jù)客戶的需求，在云端預先部署好數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)接口，并提供友好的數(shù)據(jù)查詢界面及路燈控制規(guī)則設置界面。只要設置好相關參數(shù)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關就能把接收到的路燈相關數(shù)據(jù)上傳至云平臺。云平臺就可以監(jiān)測路燈數(shù)據(jù)，用戶也可以隨時調(diào)取數(shù)據(jù)，并根據(jù)具體情況設定路燈調(diào)節(jié)的控制規(guī)則。圖4是在云平臺上查看各路燈現(xiàn)場的光照度數(shù)據(jù)界面。

2.3? 設置計算機

設置計算機主要作用是對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的參數(shù)進行設置。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關能完成兩項工作任務，一是接收來自LoRa網(wǎng)關節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，二是基于C/S模式，自動登錄云平臺，并把網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)上傳。設置計算機沒有RS485接口，是通過RS232轉(zhuǎn)RS485接口模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

3? 軟件設計及云平臺部署

3.1? LoRa通信協(xié)議

LoRa網(wǎng)關節(jié)點和路燈控制器的通信遵循LoRa協(xié)議。協(xié)議的內(nèi)容包括請求幀與響應幀。通信的過程其實就是詢問方發(fā)出請求幀，等待應答方返回響應幀的過程。

（HEAD）是幀頭，是通信雙方約定的固定暗號。LoRa網(wǎng)關節(jié)點和路燈控制器要在相同的網(wǎng)絡ID（NET_ID）下才能通信，且各自有固定的設備地址（LORA_ADDR）。LoRa網(wǎng)關節(jié)點通過設備地址識別每一個路燈控制器。當某根路燈發(fā)生故障時，LoRa網(wǎng)關節(jié)點能根據(jù)響應幀的數(shù)據(jù)異常及設備地址（LORA_ADDR），確定故障路燈的位置。（DATA）是請求或者響應的具體內(nèi)容。（CHK）是從（HEAD）到（CHK）前一個字節(jié)的和，且保留第八位。請求幀和響應幀的結(jié)構基本相同，只是響應幀在設備地址（LORA_ADDR）和數(shù)據(jù)長度（LEN）之間增加一個字節(jié)的應答信息（ACK）。表1展示了請求幀的格式;響應幀的格式與之相似。

3.1.1? LoRa網(wǎng)關節(jié)點的軟件設計

LoRa網(wǎng)關節(jié)點首先進行通信初始化和OLED顯示屏初始化的工作，接下來就開始輪流讀取路燈控制器的傳感器數(shù)據(jù)，將收集的傳感器數(shù)據(jù)顯示在OLED屏上，并透傳到UART0串口;同時，UART3串口監(jiān)聽云平臺發(fā)出的控制命令。

3.1.2? 路燈控制器軟件設計

圖5為路燈控制器把檢測到的光照值在OLED顯示屏上顯示出來。

路燈控制器與網(wǎng)關節(jié)點相似，LoRa通信初始化和OLED初始化工作完成后，再對電量檢測模塊、光照度傳感器、超聲波傳感器、LED調(diào)光驅(qū)動進行初始化;接著控制器開始讀取傳感器數(shù)據(jù)，并等待網(wǎng)關節(jié)點發(fā)出請求以傳輸數(shù)據(jù);同時，接收命令并執(zhí)行控制任務。

3.2? 云平臺管理系統(tǒng)部署

通過設置計算機登錄云平臺，經(jīng)過新建項目、添加設備等步驟，生成設備ID、設備標識和傳輸密鑰并記錄下來，填入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的參數(shù)頁面中并保存設置。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關重啟后，即能連上云平臺。當物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關接收到傳感器數(shù)據(jù)時，立即上傳至云平臺。圖6展示需要填入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設置頁面的云平臺參數(shù)。

云平臺除了監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)外，還能制定控制規(guī)則。根據(jù)多個路燈控制器的光照度數(shù)據(jù)計算得到光照度平均值，與設定值比較，若小于設定值則發(fā)送開啟路燈命令，若大于設定值則發(fā)送關閉命令。另外，當路燈開啟后，基于路燈控制器中的超聲波傳感器，判斷是否有車輛經(jīng)過，若無則把光照度調(diào)節(jié)至50%亮度，以節(jié)省能源。

4? 結(jié)? 論

本文針對公路發(fā)展的過程中路燈綜合管理的問題，在LoRa無線通信技術基礎上，提出一套系統(tǒng)設計方案。本方案可實現(xiàn)靈活控制路燈開啟關閉、智能路燈光亮度智能化調(diào)節(jié)、電量測量、車輛檢測等功能，云平臺對上報的數(shù)據(jù)進行分析、判斷并發(fā)送控制命令。該方案軟硬件設計合理、穩(wěn)定且高效，具有良好的工程可行性。

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作者簡介：胡曉龍（1999—），男，漢族，四川廣安人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術;林嘉（1981—），男，漢族，廣東云浮人，講師，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術與應用;邱小群（1980—），男，漢族，廣東潮安人，講師，碩士研究生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術與應用。