基于LoRa的智能照明控制系统设计
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作者:张钊源 张文康 王建威 张伟
摘 要：本項目基于LoRa的线性扩频调制技术，由STM32单片机、SX1278-LoRa、霍尔电流检测模组、烟感传感器、GPRS等组成，可实现现场分布式多点IO设备监测，可实时检测用电设备的使用情况以及烟感报警、照明控制等功能并利用单火线取电技术为照明设备供电，减少电流损耗。该系统配套云管理平台，利用Webstocket通信协议，结合JS与EChart将数据以动态数据图的形式显示;同时，各传感器采集的信息会形成历史表单，用户可以随时登录平台查看所需信息。
关键词：LoRa线性扩频 Webstocket 低功耗 远程控制
中图分类号：TU113 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（a）-0139-02
针对一些仓库、图书馆、教室、地下停车场等场合照明设备存在控制距离受限、电路搭建冗杂、利用率低、能耗大的问题，研究基于LoRa的线性扩频调制技术和单火线取电技术的照明设备控制系统。针对这些情况研究一款可以在低功耗模式下可对照明设备的广域控制和室内火灾预警的控制系统，并结合云管理平台实现数据交互，方便用户管理相关设备。
1 系统方案概述
本项的主要研究对象为基于LoRa线性扩频调制技术的照明设备的远程控制系统，主要针对传统照明控制器的通讯方式和接线方式进行改进，主要内容如下。
（1）传感终端节能低功耗。
PI-3V3-B4单火线取电芯片尽可能的降低待机功耗，减小待机电流，避免出现照明设备关闭后闪烁或者微亮，并提供足够的输出电流给传感终端电路。在开关关闭时给控制终端提供很小的电流，用以维持工作，并使控制关态供电的单元提前进入大电流工作状态，有效解决照明设备关闭后闪烁或者微亮问题。
（2）LoRa对照明设备广域控制。
借助LoRa的线性扩频调制技术，通过从机LoRa网关与主机LoRa网关实现远距离通信。借助主机LoRa模块向终端节点MCU发送指令，对照明系统进行有效地控制。基于LoRa技术构建的传感网络组成主要包括LoRa通信终端、网关（或称基站）、服务器和云端四部分组成，应用数据、用户指令可双向传输[1]。
（3）上位机、Web照明设备管理平台。
基于Web照明设备云管理平台与上位机的控制终端，克服了传统数据传输方案在长距离传输中效果不理想、难以精确控制的问题。用户可以借助手机登录平台或者PC上位机完成对照明设备的监测与控制。
系统结构以STM32为核心，搭配LoRa无线扩频通信模块、ACS712霍尔电流传感器、PI-3V3-B4单火线模块、烟感传感器，通过云管理平台与上位机的协同实现对照明设备的状态（电流）监测、远程控制和失火预警。
2 系统硬件与软件工作流程
系统工作流程：本系统由三大部分组成，分别是传感终端、通信终端及传感网络建设、控制终端。传感终端将采集的数据处理后通过通信网络部署将处理后的数据在控制终端的上位机与Web管理平台显示，同时用户也可以通过控制终端实现对照明设备的广域控制。
（1）传感终端。
传感终端由基于单火线取电技术的单火线模块、传感器模块、总控制模块组成[2]。单火线取电芯片PI-3V3-B4可直接从火线取电（使整个传感终端挂载在火线上，不需要接零线），由于PI-3V3-B4的开、关态的供电方式，可以实现整个传感终端在能耗最低的原则下实现无间断工作。根据下图分析：接入MOS管和继电器为总系统供电，实现单线制供电方式，解决负载灯具闪烁问题。
总控制模块STM32F103作为传感终端的控制核心，驱动ACS712霍尔电流传感器、烟感穿传感器，通过LoRa通信模块与控制终端实现远程通信，完成数据的传输和用户指令的实现。
（2）通信终端及传感网络建设。
传感网络建设采用三级树通信结构。传感终端的电流检测模块将检测到的电流信息传输到MCU，MCU处理信息（将电流大小转换为照明设备的工作状态信息），通过传感终端的LoRa网关发出，由控制终端的LoRa网关接收并向LoRa处理器[3]发送信息，经过USB转TTL模块将信息传输到控制终端的上位机和Web管理平台，用户通过控制终端监测照明设备的工作状态，借助上位机通过主机的LoRa网关将指令发送到从机的LoRa网关，LoRa接收指令并发送给MCU，MCU分析指令通过控制PI-3V3-B4单火线取电芯片的开关态供电实现对照明设备的远程控制。而从机上的传感器的数据传输也是如此。此外，如果发生失火，MCU接收到火焰传感器测得失火信息，迅速将信息传达给用户还会直接驱动蜂鸣报警器实现失火报警。
（3）控制终端。
控制终端由主机模块、上位机与云管理平台组成。主机模块中的LoRa网关接收数据信息并发送到LoRa处理器，最终在上位机与云管理平台完成更新、显示。用户可以手机登录平台或者通过上位机发送指令到传感终端，完成对照明设备的广域控制。
软件工作流程：与上述硬件系统所配套的云管理平台，可以通过阿里服务器在3G/4G网络下实时登录，查看电路信息。控制系统利用GPRS模块，可通过无线射频，将烟感报警系统、传感器的数据通过发送到云管理平台。当烟感模块检测到异常信息时，及时报送平台告知用户[4]。利用HTML5构建的管理平台，嵌入了最新的EChart图表，可以与MySQL握手通信，实时更新数据库内数据，数据交互引入了Webstocket协议并与JS结合，可以动态显示信息。
3 结语
本项目基于LoRa的线性扩频调制技术和单火线取电技术设计照明设备控制系统。利用LoRa调制技术，实现现场分布式多点IO设备监空以及电路信息采集。组网采用星状拓朴结构，网关星状连接终端节点，但终端节点并不绑定唯一网关[5]，相反，终端节点的上行数据可发送给多个网关，大大提高了云端与设备的双向通讯能力可通过无线射频，数据通过多重方式发送到用户视窗界面。
参考文献
[1] 张呈龙，庄浩然，张永安，等.一种基于LoRa的多层分布式LPWAN数据无线传输系统[J].电子世界， 2018 （14）：140-141.
[2] 智慧城市背景下智能路灯管理系统的设计——基于GIS开发设计[J].顺德职业技术学院学报，2017，15（4）：21-25.
[3] 赵静.LoRa无线网络技术分析[J].移动通信，2016，40 （21）：50-57.
[4] 易代新，韩宏伟.某锰矿区电力设备检测报警器系统方案研究[J].中国锰业，2017（4）：49.
[5] 万芬.浅谈LoRa物联网技术及应用[J].通讯世界，2017（2）：91-92.
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