一種應用LoRa通信的LED路燈智能控制系統設計

王佑民 魏宏安

（福州大學物理與信息工程 福建省福州市 350108）

城市路燈照明作為智慧城市建設的組成部分，隨著智慧城市建設的深入推進，傳統的路燈管理已經無法滿足智慧城市和智能照明建設的需要，基于通信技術、物聯網技術的智能路燈控制得到越來越廣泛的關注和應用。上世紀90年代至今，我國照明控制技術經歷了“三遙”到“五遙”再到單燈控制等發展階段[1-2]同時，伴隨著新一代光源的迅速發展，LED可調控燈具的大規模推廣應用，智能照明控制成為越來越多城市路燈建設的首先。目前，路燈智能控制應用通信主要為PLC電力載波和LoRa、Nb—IoT、ZigBee等無線方式，第一層級控制主要采用GPRS/4G互聯網，即控制中心到集中控制器間的通信，第二層級即各個單燈控制節點與集中控制器間的通信，主采用PLC、ZigBee等通信方式。

本文基于LoRa無線通信網絡技術，設計一種LED路燈智能控制系統，集遠程開關、路面信息檢測、智能調光、數據采集、故障保修、電纜防盜等功能一體，從而實現城市路燈照明的高效、智能、動態監控和節能控制，推動城市照明管理標準化、網絡化、智能化、節能化。

1 基于LoRa通信的路燈控制系統整體結構設計

根據城市照明智能系統功能需求，結合項目實踐過程中對照明控制系統應用的總結,照明智能系統應具備遠程開關燈、調光控制、狀態查詢、故障巡查、照明策略管理、數據存儲查詢等功能。通信技術是路燈照明控制系統實現精準控制的前提，現應用較廣泛ZigBee、LoRa、Nb—IoT等技術，打破了傳統有線通信的約束，大大推動了路燈照明控制模式朝著網絡化深度融合之路發展。物聯網的應用，將物與物聯成了一張網，各個網節點之間既相互獨立工作，又相互融合互聯互通。

傳統的路燈控制方式只是簡單的對路燈進行定時開關，而隨著電子通信、物聯網技術在路燈控制領域的不斷，照明控制也由單一的機械控制向系統化、網絡化、智能化方面發展。開關燈是照明控制系統最基礎的功能，與以網單一的設置時間開關燈不同，路燈智能控制綜合考慮天氣、周邊環境等多種因素，從而選擇最佳的開關燈模式。如陰雨天氣時，根據周邊的光照環境進行自動開燈。節能調光，下半夜可將路燈功率降低。本文應用電子通信、互聯網、物聯網等技術，通過開關策略管理選擇，路燈照明系統可根據時間、光照強度以及不同用戶的不同需要，有針對性的進行數據信息采集，并對數據信息進行分析和判斷，最后根據反饋結果進行指令控制操作，實現對路燈開關的控制。針對不同的道路車流人流情況及下深夜照明需求，通過調光設置或自主調光模式選擇，對路燈進行智能調光，從而達到節電節能的目標。各路燈子節點將電壓、電流等數據反饋到集中控制器，并通過公網傳輸之控制平臺中心，通過電壓、電流信息變化時時監控路燈運行狀態，一但發現有報警信息，就可以迅速鎖定故障路燈，繼而組織維修。

圖1：路燈控制系統架構

常用的物聯網組網方式有兩類，一種是短距離通信技術，如比較常見的ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth等傳統通信方式；另一種是LoRa、NB-IOT等基于LPWAN技術的低功耗廣域通信方式。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術。NB-IoT構建于蜂窩網絡，應用窄帶物聯網通信技術，其主要特征是功耗低、廣域傳輸、單點接入量大。LoRa是LPWAN通信技術的一種，靈敏度在-148dbm左右，在接收靈敏度方面較其它Sub-GHz芯片也改善了許多，達到20dB以上[3]。這三種通信技術各有優缺（見表1），用戶可以根據需要選擇合適的通信方式。

表1：三種通信方式比較

表2：LoRa協議棧

圖2：集成LoRa通信模塊的LED路燈驅動電源結構示意圖

圖3：路燈控制終端結構

圖4：集中控制器邏輯圖

綜合考慮傳輸距離、抗干擾能力、能耗、成本、適用領域及發展趨勢，選用LoRa技術。本系統由終端管理平臺、集中控制器（LoRa關）、LoRa路燈控制器（本系統將路燈控制器與LED路燈電源集成）、GPRS/4G通信網絡等組成[4]，系統整體結構如圖1所示。

系統應用LoRa無線網絡通信，支持LoRaWAN規范，終端管理平臺和集中控制器(LoRa網關)之間通過GPRS/4G移動通信網絡進行通信,路燈集中控制器與路燈單燈控制器通過LoRa無線網絡進行通信。路燈集中控制器還負責移動通信網絡和無線通信網絡之間的數據交互轉換。路燈控制器（集成于驅動電源中）安裝在現場路燈運行場所，集中控制器（LoRa網關）安裝在路燈集中控制箱處，實現與路燈單燈控制器LoRa組網通信。終端管理平臺對路燈進行控制和運行狀態的監控，通過GPRS/4G通信網絡將下發的命令數據傳輸到集中控制器，之后下發到每個路燈控制器。路燈控制器根據數據指令完成如定時開關、 根據四周光照強度或車流人流進行開關及亮度調節、故障統計、能耗監測等。路燈控制器作為子節點，將采集的數據動態傳輸到中心節點集中控制器(LoRa網關)處，每個子節點數據自動匯總到中心節點對應的網絡中[5]。

2 LoRa通信組網方式

2.1 LoRa協議棧和數據包格式

LoRaWAN是為遠距離通信設計的一套低功耗廣域網協議。LoRa協議棧中主要劃分了三個層次，即物理層、MAC層和應用層。LoRa協議棧如表2所示。

LoRaWAN系統主要分為三個部分：節點/終端、網關/基站和服務器[6]。物理層主要包含不同地區的頻段劃分和LoRa技術的調制解調機制。在MAC層中，LoRaWAN有Class A、Class B和Class C三種工作模式，同時定義了通信時使用的各類幀格式（請求連接幀格式、數據幀格式等）、三種模式下的接收窗口、網關與終端之間交互的MA命令等。在Class A工作模式下，終端主動上報數據 ；在Class B工作模式下，終端固定一個周期打開接收窗口；在 Class C工作模式下，終端的發送窗口和接收窗口長時間打開，終端不考慮功耗，隨時接收來自基站的下行數據[7]。如表3所示。

LoRa數據包主要由Preamble（前導碼）、Header（可選類型的報頭）、Payload（數據有效負載）三部份構成，前導碼用于保持接收機與輸入的數據流同步。如報表4所示。

MAC 幀封裝在物理層負載（PHYPayload）報文中，其主要格式如表5和表6所示。

LoRaWAN規范中通過MType字段區分不同的數據包， MType是3位的，總共可以表示8種不同類型的數據，其中前六種是不同的數據包，分別是“入網請求”、“入網回復”、“不需要確認上行數據包”、“需要確認上行數據包”、“不需要確認下行數據包”、“需要確認下行數據包”，后面兩個一個是預留（RFU），一個開放給用戶自定義（Proprietary）。如表7所示。

2.2 通信組網方式

路燈智能控制系統的通信包括單個路燈控制節點與現場集中控制器網關之間的通信和集中控制器網關和終端管理平臺之間的通信。終端管理平臺與集中控制器網關之間采用4G/GPRS通信，路燈控制節點與集中控制器網關之關應用LoRa無線通信。考慮到LoRaWAN使用成本較高，技術要求也高，許多互聯網應用場景都只是應用LoRa芯片，采用Class C的場景，參考電力抄表DLT645相關協議。如表8所示。

3 系統硬件設計重點

3.1 集成LoRa模組的的路燈控制電源設計

目前照明工程建設中使用的LED路燈驅動電源大多與路燈控制器分離，各自獨立安裝，路燈控制器安裝于路燈燈桿底部檢修閥門處，LED路燈驅動電源置于燈具內側，不僅增加了建設成本，而且給后續維護檢修帶來不便。本設計通過集成整合，應用獨立的輔助電源給路燈控制器、LoRa模塊等提供電源，如圖2所示。

選用集成度高且耗能低的擴頻調制SX1278射頻芯片，結合EFM8SB1微控制器，實現LED路燈的電源的調節控制[8]。該模塊由LED驅動電源、PWM調光、繼電器控制輸出單元、LoRa單元、光電傳感器、紅外傳感器、指示模塊、模擬量輸入輸出單元、故障檢測等單元組成[9][10]，結構如圖3所示。

表3：PHY/MAC層總的數據包結構

圖5：集中控制器結構

圖6：終端管理平臺實體-關系E-R圖

繼電器輸出單元控制路燈的開和關，光電傳感器根據周圍光照強度的變化，通過 LoRa 模塊產生的PWM波信號，對路燈進行點對點的調光。紅外傳感器采集道路車輛和人員情況，當前方有車輛或人員通過時，將信息傳輸回處理器，從而判定路燈是否提高亮度或降低亮度。

3.2 集中控制器(LoRa網關)設計

集中控制器(LoRa網關)是整個智能網絡控制系統的核心，硬件由電源模塊、LoRa模塊、狀態指示、GPRS/4G模塊、數據存儲單元、故障報警模塊、三相電采集等模塊組成[11]，集中控制器邏輯圖如圖4所示。用于收集匯總上報各個路燈的運行信息，各路燈之間通過LoRa模塊互相通信，各子節點數據發送到集中控制器(LoRa網關)匯總，集中控制器(LoRa網關)則按照每個路燈的ID標識進行識別。集中控制器結構如圖5所示。

表4：LoRa數據包結構

表5：MAC幀格式

表6：物理層幀格式

表7：MAC層消息類型

通過公網GPRS/4G通信模塊接收和發送各控制節點的路燈控制狀態信息，采集到的數據保存在存儲芯片上；集中控制器（LoRam網關）介于終端管理平臺和路燈控制節點之間，向上通過GPRS/4G網絡與終端管理平臺進行通信，向下則通過LoRa無線回路方式控制各路燈的開關及調光等[12]。LED路燈運行時的電壓、電流、功率等數據通過三相電采集模塊來收集，動態實時監測LED路燈的運行狀況[13]，發現故障時，會將故障燈具ID及相關信息通過短信反饋，從而達到對整個路燈網絡運行的監控目的。

4 終端管理平臺

管理平臺服務軟件采用模塊化結構，應用用架構 B/S ，用戶可直接通過瀏覽器打開并訪問,客戶端不需要安裝監控系統軟件,任何一臺網絡內的計算機直接通過瀏覽 器就可以監控城市的路燈，掌握路燈的運行情況。實時準確分析、判斷、定位和標注故障，適應于不同層次的工作人員操作。主控程序負責采集數據、發布控制命令信息及提供報警聯動信息。

管理平臺需要主要包括照明策略管理、路燈監測、數據報表、數據存儲、故障報警、設備管理等功能。照明策略：定時任務管理（定時控制開關燈、分時段調光等）、光強度控制等，并且能夠對單獨一個回路、單盞路燈或自行設定的幾組回路中的LED路燈進行開關和調光控制。路燈監測：快速查詢路燈開關運行狀態、電壓、電流、亮燈率、各種開關量狀態輸入等數據，并將數據永久保存到數據庫。數據報表：可以生成主要的數據報表,節能率統計報表等，可以按日、月、年統計節能率，系統可自動進行統計，提供不同的顯示方式（如表格、曲線圖、柱圖、餅圖等），能根據不同區域不同電價自動計算電費，能通過每天采集回的數據整理歸檔，完成數據報表導出生成Excel文檔。數據存儲：系統可將所有數據永久存儲到服務器，同時對系統運行所產生的重要系統數據進行科學的存儲和備份，當設備出現故障時，能夠追溯操作失誤問題，系統能快速啟用備份數據確保系統正常運行。故障報警：能夠對故障燈具提供報警、檢測、分析及維護情況追蹤，可以把不同的監控點，不同的報警類型，按照預先設定的內容，采短消息報警等，分別發送給相應的人員，及時處理故障，并將故障數據保存到數據庫。設備管理：能提供對集中控制器（LoRa網關）、控制器等設備進行管理，如設備臺賬信息的添加、編輯、修改、查詢、刪除等維護功能。終端管理平臺實體-關系E-R圖如圖6所示。

表8：DL-T645通訊協議幀格式

表9：測試點結果

5 LED路燈智能控制系統測試

選定一個可靠的路燈測試環境，在測試過程中，依據不同的測試距離和周圍障礙物分布的情況，對每個Led路燈節點發送測試數據包。在某測試點安裝50盞120W的LED路燈，50盞60W的LED路燈，將監測管理中心設置于路燈區2至3km的地方，測試結果如表9。在該測試環境下，當傳輸距離小于500米時，每種環境下數據傳輸基本上能夠實現不丟包；隨著距離增加及障礙物的出現，不完整性逐漸增大，但傳輸距離在1km米范圍內時，傳輸數據尚比較完穩定完整；當傳輸數據大于2.5km時，數據傳輸完整明顯下降。

6 結語

本文基于LoRa通信技術，將路燈控制器和LED路燈驅動電源進行集成，實現LED路燈數據的采集、動態調光、多樣化開關等。子節點到中心節點構成一個局域網，由集中控制器(LoRa網關)進行數據匯聚收發，進而控制每一盞路燈的運行。經實驗測試，管理人員只需要通過終端控制平臺，就可以對所屬回路的路燈進行整體控制，也可以一對一的單獨控制，從而實現了路燈照明的精準化管理，提升了照明路燈管理水平，同時也減少了巡查、檢修人力物力的投入，具有良好的社會應用價值。