基于LoRa物联网的校园智能终端的设计与研究

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　　摘 要：针对校园电能管理问题，在对比分析主流无线物联网技术的基础上，选用LoRa物联网技术，规划基于LoRa物联网的校园电能管理系统框架，配置LoRa物联网平台，设计承担基础数据采集与控制的智能终端硬件系统，以及智能终端的配套程序，实现现场电量数据的采集、上传，以及上级控制命令的接收和执行，能够完成环境智能调节。
　　关键词：校园网;LoRa物联网;能源管理;智能终端设计;命令控制;数据采集
　　中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）05-00-03
　　0 引 言
　　针对目前校园、科技园区等场所电能使用效率较低，配套运行成本较高的情况，为了降低不必要的电能浪费，同时降低电能管理与维护的人力资源成本，从校园电能管理入手，研究并设计一套基于无线物联网技术的智能电能管理系统，切实提高校园能源管理水平，就显得尤为重要。
　　1 物联网技术对比
　　随着物联网技术的快速发展，物联网技术已经逐步应用，渗透到社会的多个方面，物联网正在快速改变人们的生产生活。目前主流的无线物联网技术主要包括：LoRa，NB-IoT，SIGFOX和RPMA等，国内普遍采用的是LoRa，NB-IoT技术。而常用的WiFi，RFID，Bluetooth，ZigBee等技术均属于短距离通信技术，比较适宜室内无线通信或通过增设中继器实现较远距离的通信，覆盖距离短，穿透性差，更适宜短距离小局域网的部署。相比主流的无线物联网技术和短距离通信技术，LoRa技术以其覆盖距离远、建设与运行成本低、节点功耗低、设备维护周期长等特点更适合校园电能管理环境。主流无线物联网技术特点对比如表1所示。
　　2 系统总体设计
　　对照分析校园运行涉及的电能供应与电能消耗环境和设备，该校园电能管理系统主要围绕室内外照明、广播、多媒体、空调、通风、电梯、教学设备等系统的电能消耗监视、统计与智能管理进行物联网技术的框架设计，同时兼顾校园应急电源与新能源补充供给的监视与控制。该系统总框架如图1所示。
　　按照模块化设计思路，该系统主要由信息采集与控制部分（智能终端）、物联网通信部分和后台监视控制部分组成。
　　信息采集与控制部分+物联网通信部分合称智能终端，选用PLC作为核心控制器，配置电能采集模块采集不同场景下的电能使用信息和应急电源与新能源的供给信息。PLC还采集电能消耗场景的环境信息，比如人体、温度、湿度等，供系统分析、决策使用，同时PLC接收后台下发的控制命令，控制、调节现场照明、空调等设备的电能使用。物联网通信部分选用LoRa无线网关作为物联网数据交换核心，配合各LoRa无线物联终端模块，搭建物联网通信平台，为上传现场电能数据和下发控制、调节命令信息提供信息传输通道。后台监视控制部分负责对现场数据进行统计、对比分析、判断和决策，形成一套智能控制、调节的方案，并与系统运行管理人员交互信息，提供远程设备数据巡视、诊断，辅助管理人员决策管理。
　　3 硬件系统设计
　　按照基于LoRa物联网的校园能源管理系统框架结构，重点设计了承担信息采集与控制功能+物联网通信功能的智能终端硬件系统。
　　3.1 智能终端的采集与控制硬件设计
　　智能终端的信息采集与控制部分采用一个核心控制器，配置若干外围功能模块，采用RS 485形式连接的模式设计。该部分选用PLC作为核心控制器，并分别配置核心控制器、电能采集模块、用电控制单元、环境采集模块和无线物联网终端模块。电能采集与控制部分结构图如图2所示。
　　以上各模块，除继电器组成的用电控制单元与PLC输出端口直接电气连接外，其他各模块均采用RS 485总线与PLC连接，用数据传递的方式实现采集与控制，大大降低了电气采集转换的难度。
　　考虑到系统终端工作环境可能存在的电磁、温度、湿度等诸多不利因素，在此选用性能稳定、抗干扰性强的西门子公司的S7-200型PLC作为智能终端的核心控制器。该PLC使用技术成熟、开发维护简便、成本较低、性价比高，适宜校园较低维护率的运行环境。
　　PLC作为核心控制器负责收集校园不同部位电能供应、消耗的相关数据，并将这些数据通过LoRa无线物联网模块传送至网关，供后台监视、统计、控制和诊断使用。此外，PLC还收集教室、实训室、公寓等场所的是否有人、光照度数据和温湿度数据，对这些数据进行综合判断，形成节能控制、调节方案，并将这些数据和节能控制参考方案，经LoRa无线物联网模块上传至网关，供决策人员参考使用。电能采集模块用于采集校园各处电能使用的电压、电流、电功率、电能等数据，并通过RS 485传送给PLC，实现前端的电量基础数据采集功能。
　　电能采集模块选用虹润仪表公司的NHR-D13型单相电量变送模块和NHR-D13型三相电量变送模块。选用的电能采集模块如图3所示。
　　电量变送器基本参数如下：输入电压信号AC 500 V（最大）;输入电流信号AC 5 A（最大，可选配电流互感器）;数据通信为RS 485;测量精度為0.3%FS。
　　继电器用于执行PLC发出的控制命令，负责接通和开断校园各种电气回路，实现电能的供应和使用控制。
　　继电器选用TRA-23D型固体继电器，采用DC 3～32 V控制，最大可开断AC 80 A的电路，能够满足校园电路控制的需要。
　　配置人体红外模块用于探测教室、实训室、公寓是否有人，并将信息发送至PLC，供PLC综合分析，做出节能控制、调节的方案。
　　人体红外模块利用拓安达公司的TAD-K218D-220智能人体红外感应开关，采用吸顶式安装在离地3 m高的天花板，每间教室180 m2配置4～6个人体红外模块，保证人员检测无死角。 　　配置温湿度采集模块、光照度采集模块和空调控制调节模块，用于采集教室、实训室、公寓的环境参数，并将该参数传送至PLC，供PLC分析、决策，为照明、空调等电器设备控制、调节提供依据。通过PLC发送信号给空调控制模块，由空调控制调节模块转化成红外线遥控信号，控制或调节空调的运行。人体探测、温湿度、光照度采集和空调控制模块如图4所示。
　　温湿度采集模块选用建大仁科公司的RS-WS-N01-2温湿度变送器。该变送器温度分辨率为0.1 ℃，湿度分辨率为0.1%RH，支持RS 485数据通信;光照度采集模块选用建大仁科公司RS-GZ-N01-2，光照度采集误差为±7%，支持
　　RS 485数据通信;空调控制调节模块选用建大仁科公司的RS-KTC-N01，支持RS 485数据通信。
　　3.2 智能终端的通信功能设计
　　按照图1的系统框架，LoRa物联网通信技术架构主要包括LoRa网关、LoRa物联网节点和后台监控。LoRa物联网在城市可覆盖2～5 km的距离，覆盖半径为1～2.5 km。按照200亩的校园面积规划，配置一台LoRa网关即可满足距离覆盖的要求。同时考虑到校园人群密度大、电气设备集中、通信节点多的特点，再增设一台LoRa网关，既满足节点多、通信量大的需求，又兼顾第一台LoRa网关的冗余需求，保证系统稳定。
　　在LoRa网关的支撑下，LoRa物联网节点将PLC的数据发送至网关，实现数据上传。LoRa物联网节点接收后台经网关下发的控制命令，并将控制命令转发各智能终端的PLC，由PLC指挥执行模块调节或控制系统。LoRa网关与LoRa物联网节点之间采用LoRaWAN的标准协议通信，LoRa物联网节点与PLC之间采用RS 485的自由口协议通信。每台PLC配置两个LoRa物联网节点，一个负责数据上传，一个负责接收下行命令，二者互为冗余，保证系统通信可靠。
　　LoRa网关和LoRa物联网节点均选用深圳唯传科技公司的产品，以便有机协调配合。LoRa网关选用GW5000A型物联网网关，LoRa物联网节点选用AN-201A的物联网节点，如图5所示。
　　4 智能终端程序设计
　　智能终端程序主程序流程图如图6所示。ModBus主站通信程序需要在开机时，先初始化，以便为后续通信做好准备。
　　初始化完成后，调用环境调节子程序。在环境调节子程序中需要判断教室、实训室、公寓是否有人。在有人的情况下，温湿度、光照度是否达标。若不达标则自动控制照明、空调系统进行灯光和温湿度调节，保证舒适环境。如果检测到无人，则自动判断是否有特殊需要，如果无特殊需求，则关闭全部电器，以便节能。
　　调节完毕，系统调用ModBus RTU主站读取数据程序，分别读取电量采集模块的电压、电流、电量等数据。读取完成，系统自动调用RS 485接口的自由口协议发送程序，將读取的数据通过自由口协议发送给LoRa物联网节点，由LoRa物联网节点将数据上传至LoRa网关，实现数据上传。
　　数据发送完成后，系统再调用RS 485接口的自由口协议的通信接收子程序，通过另一个LoRa物联网节点，接收LoRa网关的控制、调节指令，并将该指令应用于环境调节。周而复始，从而实现数据的动态采集和环境的动态调整。
　　5 结 语
　　在对比分析主流无线物联网的基础上，针对校园电能管理系统中承担信息采集与控制功能的智能终端开展设计和研究，规划设计基于LoRa物联网的校园电能管理系统框架结构，重点设计以PLC为核心兼具LoRa通信功能的智能终端集成小系统的硬件，选取LoRa物联网通信平台，设计智能终端配套的软件系统，实现智能终端现场电压、电流、电量等数据上传，并能接收上级下发的控制命令，同时具备智能判断、调节教学生活环境的功能。
　　经过系统初步调试，环境调节功能准确，数据采集、上传及时，数据出错率控制在5%以下，控制下发命令接收及时，动作调节准确，已经具备生产使用条件。
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