基于LoRa技术的远距离智能照明系统

发布时间：2022-02-22

　　摘要：针对目前智能照明传输距离局限性问题，采用基于 LoRa技术的无线组网方式，对远距离照明设备进行亮度调节、远程控制和故障报错等一系列的智能化控制。使社区、校园、公园和广场等远距离无线照明系统控制成为可能，减少有线施工布线的困难性，提高传输效率，节约了配置成本。

　　关键词：LoRa;智能照明;stm32

　　随着物联网技术的不断进步，智慧城市、智慧社区得到了快速的发展。无线通信技术在各个领域得到广范的应用。在无线智能照明领域蓝牙、ZigBee、GPRS等无线通信技术应用较多[1]。但在智慧城市背景下的无线智能照明，基于通信距离的考量蓝牙、ZigBee不能满足千米级别的长距离控制。在成本方面，GPRS不断持续累计的流量费用成本负担较大。之前广为使用的电力载波技术近年来也暴露出了抗干扰能力差、布线复杂等问题[2]。无 线 远 距 离 路 灯 控 制 目 前 业 界 没 有 很 好 的 解 决 方 案。采 用 LPWAN 的 LoRa(LongRange)是一种适用于远距离和超远距离无线数据传输的新一代传输技术[3]。该技术可以最大程度地实现更长距离通信与更低功耗，同时还可节省额外的中继器成本。本文在无线智能照明系统中采用 LoRa的线性扩频调制技术———LoRaTM 。其高灵敏度(最高能达到-148dBm)、超长距离传输、较强的抗干扰性以及低功耗的工作模式等一系列优点使其较比于 WIFI、Zigbee、蓝牙等技术存在显著的优势[4]。至今为止，LoRa技术主要依附于全球免费的频段进行信息传输，有433MHz、868MHz、915MHz等。本论文采用的 SX1278芯片所选用的频段即为433MHz[5]。

　　1 系统设计

　　图1 星型拓扑结构图　　本系统主要由终端节点和汇聚节点两部分构成。总体的工作流程主要为汇聚节点的上位机通过 LoRa模块向终端节点的 MCU 的发送指令，对照明系统进行有效地控制;终端节点也可以通过各种传感器将实时的数据由 LoRa模块提交给上位机，进行信息的统计和处理。在整个信息传输过程中，本文采用模块化设计，极大地降低了系统设计的复杂度，同时也使得后期调试，维护等工作更加简便。系统的网络布局结构采用星型拓扑结构，具有组网简单和功耗低等特点，图1为星型拓扑结构示意图。在 LoRa组网过程中，一个汇聚节点可以最多允许存在300K 个子节点，这就足够满足照明系统实现。

　　2 硬件设计

　　2.1 控制模块

　　图2 控制模块框图　　汇聚节点的 MCU 主控芯片采用 ST 公司生产的基于 Cortex-M3内核的STM32F103ZET6芯片，其具 有 高 达 32 位 的 处 理 器，工 作 频 率 最 高 可 达72MHz，片内 FLASH 为 512k，拥有两个 DMA 控制器、3个16位定时器、3个 USART 接口、2个I2C接口、2 个 SPI接口，足以完成系统所要实现的功能。通过控制模块与 LoRa模块进行通信，实现对整个照明系统的控制任务。其模块框图如图2所示。

　　2.2 无线传输模块

　　本系统采用的 LoRa无线收发模块的核心芯片为SX1278，载波频率为433MHz，发射功率20dBm，工作电压为3.3V，具有无线唤醒功能。由自由空间通信距离方程

　　Los= 32.44 + 20lgD + 20lgF

　　其中，Los为传输损耗，其等于发射功率和接收灵敏度的差值减去传播过程中的耗损，单位dB;D 为传输距离，单位km;F 为工作频率，单位 MHz。假设其灵敏度为-100dBm，传播过程中存在的损耗为25dB，将数值代入得到SX1278的传输距离可达3.1km，显然能够完成长距离的信息传输[6]。SX1278模块原理图如3所示。

　　图3中的 U1即为SX1278芯片，由28个引脚组成，其中 DIO0～DIO5为数字I/O 引脚，可进行外部扩展配置，其中DIO0引脚能够对数据接收或者发送是否完成进行指示，由DIO0引脚的高低电平变化，可以中断STM32F103进行数据接收和发送完毕的提示;SCK，MISO，MOSI，NSS引脚与 STM32F103芯片进行SPI通信。C1、C2、Q1组成了晶振电路;U2是SAW Filter(声表面滤波器)，其作用是过滤规定频带以外的信号，只允许规定范围内的频率通过，增强抗干扰能力;U3为 RFSwitch(模拟开关)，由于SX1278的工作模式为半双工收发，因此收发数据转换时要进行模式的切换[7]。

　　U3芯片通过 VDD和 CTRL 两个引脚的电平转换从而实现 SX1278 的接收和发送模式的切换。当VDD=0，CTRL=1时，RF1与 RFC导通，进入发送模式;当 VDD=1，CTRL=0时，RF2与 RFC导通，进入发送模式。进入到接收模式时，L2、L3、C14、C15组成了一个滤波电路;进入发送模式时，采用了多个滤波器的组合进行滤波，L8和 C7、C8组成了串联谐振电路，C18、L5和 C20、L6组成了两个并联谐振电路，共同保证了发送信息的准确性。

　　2.3 终端驱动模块

　　为了方便操作和管理，LED 驱动模块控制芯 片 同 样 采 用 ST 公 司 生 产 的STM32F103ZET6芯片，其拥有低功率运行的睡眠模式，且从停止到唤醒仅需要 8μs。LED驱动模块还配备了各种传感器和 PWM 调光器，各器件之间协同操作共同实现对 LED灯珠串的智能化控制。其功能框图见图4。

　　主要用到的传感器有声音、红外、光敏、光照强度传感器。其中，声音和光敏传感器采用低电平触发的工作模式;红外传感器选用的是 HC-SR501模块，其主要组成器件为 LH1778探头，具有极高的灵敏度，能够自动感应周围移动的物体，并进行响应和延时处理，另外，其还拥有 L不可触发和 H 可重复触发两种工作模式[8]。声音、红外、光敏传感器均通过I/O 口与 STM32通信，当控制中心向终端节点发送自动模式命令时，此时终端节点将根据传感器实时感应的外界环境变化做出相应的响应。光照强度传感器采用 GY-30数字光模块，光谱响应符合 CIE标准，通过I2C总线进行通信，用于对外界环境进行光照强度检测，可定时通过终端节点的 MCU 向控制中心发送信息，当强度没有达到之前的规定值，即为阴天状态，可通过控制中心开启照明设备。

　　本系统使用以 AL1792芯片为主的调光电路进行 PWM 调光，拥有4个 PWM 调光通道，含有欠压、过压、断路、短路等保护电路，同时其 FAULTB引脚和 LEDPG 引脚能够对 LED的工作状态进行监督，并将数据定时的反馈给 MCU;通过 REF引脚挂载的电阻的阻值可以调控流经LED电流的最大值[9]。照明设备采用冷、暖两 种 LED 照 明 灯 珠 串，分 别 用 PWM1 和 PWM2 两 个 引 脚 进 行 调 光 控 制。暖 光 LED 色 温 为3000K，冷光色温为7500K，使用寿命可达到30000小时以上。

　　各种器件均通过电源中 AC-DC转换电模块输出的3.3V、12V、24V 电压供电。AC-DC转换电模块采用以 AL6562和 TPS54062为主的转换电路构成。通过交流直流转换和 AL6562校正功率因数电路得到24V和12V的工作电压。24V是LED灯珠串的正级输入电压，12V 为 PWM 模块的工作电压。再经由 TPS54062芯片构成的电压转换电路输出3.3V电压，为 MCU、传感器、SX1278进行供电，使整个系统正常运行。

　　3 软件设计

　　3.1 LoRa软件设计

　　SX1278进行收发通信遵循LoRaWAN 通信协议，其网络架构是一个星型拓扑结构，具有ClassA、ClassB、ClassC三种传输方式，其传输支持 CRC(循环冗余校验)，保证传输信息的准确性。每个终端节点的 Lo-Ra模块都配有自身的设备地址编号，网络环境配置成功后，汇聚节点与终端节点能够进行一对多的映射关系，其传输数据格式为地址编号+信道+传输数据。LoRa自带了256byte的数据缓存器 FIFO，用于存储发送和接收的数据，MCU 通过访问 FIFO 来对收发的数据进行读取，并且 FIFO 在睡眠模式下会自动清空内部数据[10]。接收和发送流程图如图5，图6所示，接受状态下，LoRa模块先将接收到的数据保存在 FIFO中，并进行 CRC校验，校验通过后，DIO0会发出取数据指令，此时 MCU 便会读取 FIFO 中的数据，完成整个接受过程。发送状态下，MCU 先将数据写入到 FIFO 中，接收到数据后 SX1278会自动发送数据，当检测到 DIO0为高电平时，证明已将传输完毕，否则将会返回重复进行。

　　3.2 终端节点软件设计

　　终端节点的 MCU 软件设计中要将 USART、I2C和SPI几个通信端口进行初始化配置，使其对各个传感器模块及 LoRa、PWM 模块能够正常通信。然后，应配置指令应答机制，能够对控制端发送过来的指令进行相应的操作和反馈。每个终端节点配备有特定的地址编号，在此基础上可以实现定点传输数据和无线唤醒等功能。每个终端节点既统一又独特，是整个系统不可缺失的组成部分。

　　3.3 控制节点软件设计

　　主控制模块的软件设计算法主要依附于状态机模型，对于光照控制分成四个功能模式：全开模式、单开模式、调光模式和自动模式，模型图如图7所示[11]。全开模式下，LED 灯始终处于照明状态，也可以人工手动控制全关;单开模式下，我们可以通过给特定地址的终端节点发送指令来使部分 LED 灯亮;调光模式下，可以人为的对灯光的强弱进行调控，使其达到理想的光照状态;当进入自动模式，终端节点将摆脱主控模块的控制，根据外界环境和人为活动的状态，进行自动控制。各功能模块之间可以相互切换，相辅相成，形成一个完全的照明体系。

　　5、 结论

　　LoRa网络由于易建设和部署，已经成为物联网技术中比较青睐的网络通信技术，国际上已经成立了LoRa联盟。本文在 LoRa技术收发数据原理的基础上，进一步应用到社会生活中，提出了基于 LoRa的远程智能照明设计。将智能照明和 LoRa技术巧妙地结合了起来，成功完成了远程传输、无线组网、远程控制、高效传输等一系列难题，为智慧社区的照明控制系统提供一个较好的解决方案。——论文作者：王晓晖，杨厚俊，范延滨

　　参考文献

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　　[2] 王洋，温向明，路兆铭，程刚，潘奇.新兴物联网技术———LoRa[J].信息通信技术，2017，(1)：55-59.

　　[3] 孙曼，张乃谦，金立标，余少波.基于 LoRa标准的 MAC层协议研究[J].电视技术，2016，40(10)：77-81.

　　[4] GregoraL，VojtechL，NerudaMIndoorsignalpropagationofLoRatechnology[C]//MechatronicsMechatronika(ME)，201617thInter-nationalConferenceon.IEEE，2016：1-4.

　　[5] 黄增波，叶锦娇，赵华玮.基于 LoRa技术的低功耗无线锚杆应力传感器设计[J].煤矿现代化，2017，(1)：39-42.

　　[6] 吕慧，徐武平，牛晓光.物联网通信技术[M].北京：机械工业出版社，2016.

　　[7] 王瑞，李跃忠.基于SX1278的水表端无线抄表控制器[J].电子质量，2015，(12)：67-68.

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　　[9] 王强，范延滨.基于Zigbee技术的智能家庭照明系统[J].工业控制计算机，2016，29(10)：12-13.

　　[10]赵太飞，陈伦斌，袁麓，等.基于 LoRa的智能抄表系统设计与实现[J].计算及测量与控制.2016，24(9)：298-301.

　　[11]何佳锋，范延滨.基于STM32的喷气织机引纬控制系统硬件设计与分析[J].青岛大学学报(工程技术版)，2012，27(3)：74-78.