基于LoRa技術的智能校園照明管理系統

黃潔文

（桂林理工大學南寧分校，廣西 南寧 530001）

在計算機和通信技術日新月異的今天，智能化、網絡化以超出想象的速度發展。特別是物聯網[1]概念的提出，各種應用更是如雨后春筍般出現。通過物聯網終端就可以為人們提供更加便捷的信息和決策服務，還可以遠程對聯網設備進行查詢和控制，從而減輕人們的勞動強度，并提高了設備的管理水平。智能校園照明管理系統就是在這樣的需求下進行的研究。

1 LoRa技術簡介

LoRa[2]是一種新型的數據通信傳輸技術。2013年8月，Semtech公司向業界發布了一種新型的基于1 Ghz以下的超長距離低功耗數據傳輸技術（LongRange，簡稱LoRa）的芯片。其接收靈敏度達到了驚人的-148 dBm.它使用線性調頻擴頻調制技術，既保持了像FSK調制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離。這些關鍵特征使得LoRa技術非常適合于要求功耗低、距離遠、大量連接和數據量小的物聯網應用，如智能抄表、智慧農業、智慧校園等等應用。

2 系統總體設計

智能校園照明管理系統主要由運行于智能終端的應用App、控制主機、開關節點三部分組成，其系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

應用App運行于智能終端上，智能終端通過WiFi連接控制主機的熱點。運行App可與控制主機進行數據交換。在App端設定好的數據，通過WiFi傳輸給控制主機。控制主機根據App發來的數據進行解析，通過LoRa發送給開關節點，開關節點再驅動相應的繼電器，從而實現了對照明用電設備的控制。系統具有對被控照明設備進行實時、定時控制，并能反饋被控照明設備的狀態。通過智能終端可對照明系統的集中遠程控制和查詢，方便對照明設備的管理和維護。

3 系統硬件設計

3.1 控制主機

控制主機由單片機模塊、液晶顯示模塊、WiFi模塊、LoRa無線通信模塊、鍵盤模塊五部分組成。其結構圖如圖2所示。

（1）單片機模塊采用宏晶科技公司的STC15W4K 56S4作為主控芯片，該芯片是增強型8051單片機，芯片擁有4KBram，56KBflash存儲器以及豐富的片上資源，具有運行速度快，運行電壓寬（2.5 V～5.5 V），抗干擾能力強的特點。單片機作為控制主機的大腦，協調與之相連的模塊運行。

圖2 控制主機結構圖

（2）WiFi模塊采用ESP8266[3]芯片的模塊。該芯片為樂鑫信息科技（上海）有限公司專為移動設備、可穿戴電子產品和物聯網應用而設計。芯片集成了Tensilica’sL106系列32bit處理器、天線開關、射頻balun、功率放大器、低噪聲放大器等模塊。其支持802.11b/g/n，可工作在Station模式和softAP模式。在該設計中，ESP8266工作于softAP模式，智能終端通過WiFi接入控制主機，通過socket編程進行數據交換。

（3）LoRa無線通信模塊采用深圳安信可科技的LoRa模塊，該模塊是安信可科技基于Semtech專利技術芯片SX1278研發的一款高品質LoRa射頻前端，具有超遠距離擴頻通信，抗干擾性強、低電流消耗等特征。同時支持傳統的FSK調制技術和LoRa擴頻技術，最高可實現-148 dBm的高靈敏度，芯片內部集成了高功率放大器，可實現最大20 dBm的功率輸出，非常適合遠距離傳輸且對可靠性要求較高的應用場合。在低速率傳輸條件下，開闊環境通信距離可達數十公里。在控制主機中，LoRa無線通信模塊是與開關節點的通信橋梁，單片機通過WiFi模塊接收到的數據，再通過LoRa模塊發送給開關節點。

3.2 開關節點

開關節點由單片機模塊、LoRa無線通信模塊、繼電器模塊組成，其結構圖如圖3所示。

圖3 開關節點結構圖

開關節點在單片機STC15W4K56S4的統一控制下運行。平時LoRa無線通信模塊處于接收狀態，當接收到數據時，與自己的地址進行比對，如果相同，則對接收的數據包進行解析，并對輸出繼電器進行開關控制，達到了遠程控制負載的目的。

4 系統軟件設計

在整個系統中，軟件分為三個部分：智能終端Android應用App、控制主機軟件、開關節點軟件。應用App采用Androidstudio環境進行開發。控制主機和開關節點采用keilC51進行開發。在整個系統中，控制主機的WiFi模塊工作于softAP，接收來自應用App的數據。控制主機根據接收到的數據，通過LoRa無線通信模塊發送給開關節點。從而達到遠程控制用電負載的目的。控制主機程序流程圖如圖4所示。

圖4 控制主機程序流程圖

5 測試結論

本設計屬桂林理工大學校園科技項目，已在校園環境下做過實際使用測試。按測試方案，將主機安裝在4號教學樓3樓，同時在分別處于主機安裝點東、西、南三個方向的8號教學樓、實訓樓C棟和3號教學樓布設多個開關點（各點距主機的距離分別為210 m、3.5 km和40 m），進行連續一個星期的無間斷工作測試。

測試結果表明：在測試期間，各開關節點均能對智能終端發出的命令作出準確及時的響應，對其所分別控制的路燈的開關動作錯誤率為零，完全達到了設計目的。在隨后的測試中，任意增減控制網絡的開關節點數目，并未發現對系統的工作有任何不良影響，充分體現了LoRa技術的可靠性和靈活的擴展性。在對處于控制主機最遠距離，安裝在實訓樓C棟的開關節點的檢測情況看，雖然兩點距離長達3.5 km，且中間有樹木及建筑物遮擋，在晴雨、白晝等天氣及氣象條件下，均能正常工作和隨時增減節點。如果采用WiFi或傳統FSK的通信方式，要達到同樣的覆蓋范圍和傳輸效果，必然要增加多個中繼，從而增加安裝、維護的難度和成本，甚至還會導致可靠性下降等問題，從這點上看，采用LoRa擴頻通信技術在傳輸距離上的優勢極為明顯。

6 結束語

本文采用的基于LoRa技術設計的智能照明管理系統可以實現利用智能終端對照明用電設備進行遠程控制和管理，不僅適用于校園環境使用，還可以推廣至辦公大樓、住宅小區用電設備的集中控制。在實際使用中無需進行復雜耗時的布線工作。只需增加開關節點即可，具有靈活的擴展性和使用性。隨著人們對節能減排的追求，會有更多的應用場景。

[1]王陽，溫向明，路兆銘，等.新興物聯網技術——LoRa[J].信息通信技術，2017，11（01）：55-59,72.

[2]趙太飛，陳倫斌，袁 麓，等.基于LoRa的智能抄表系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2016，24（09）：298-301.

[3]王 浩.基于Esp8266WIFI平臺和MQTT協議的遠程設備數據采集與控制設計[J].泰山學院學報，2017，39（06）：86-91.