基于LoRa和STM32的路燈自動監控系統的研究*

田旭飛，姚凱學，王凱鵬，王運峰

(貴州大學計算機科學與技術學院,貴州 貴陽 550025)

1 引言

隨著物聯網技術的發展，越來越多的物聯網技術被運用到各行各業之中，在建設智慧城市的道路上起到了關鍵性的作用。然而，我國的智慧城市建設雖有進步，但目前的覆蓋面并不是很廣。比如缺少智能化的路燈控制系統，而路燈又是一個城市和農村基礎設施的重要組成部分，也是人類生活中必不可少的工具。如今大部分地區的路燈系統還處在傳統控制方式、傳統現場人工巡檢、傳統電路故障排查、傳統市電供電、傳統電力線布設、沒有統一的管理平臺等階段，從而造成了巨大的能源浪費[1 - 4]。

Leccese[5]研究了使用傳感器檢測自然光環境數據來統一調控路燈開關的系統。該系統雖然使得路燈便于管理，但只通過光照傳感數據容易受粉塵、閃電、汽車燈光、落葉等環境因素干擾，從而影響節能效果，而且控制方式單一、不靈活，也無法檢測路燈是否故障、路燈運行狀態等信息。Bae等人[6]提出使用太陽能LED路燈來達到節能的效果，應用支持向量機根據氣象多因子提前一小時預測太陽輻射，從而預測儲能系統的功率和電池容量。但是，該方法沒有對路燈系統進行實時的管控、運行狀態監測和調光控制，所以照明亮度和時間達不到城市主干道路的要求，目前僅能用于鄉村、市郊等地區。譚承恒等人[7]提出了基于LoRa(Long Range)通信的太陽能路燈控制系統，通過LoRa模塊將路燈的位置、太陽能電池板的信息和蓄電池的電能信息發送到LoRa集中器,再由集中器通過4G移動網絡將信息發送到遠程控制中心。該路燈系統的主要功能是通過分時段分功率的工作模式以及路況檢測進行開關燈控制，使得路燈對于能源的分配相對合理。但是，該研究方案沒有對路燈的運行狀態、故障信息等進行監測，同時LoRa技術只是建立星型網絡拓撲，會受到城市建筑物的干擾，沒有發揮其最大性能。

目前，我國大部分路燈系統還處于手動控制、時間控制或純光照控制階段，不能在光照發生變化時或特殊情況下及時地對某一部分或某一個單燈進行調整，會造成開關燈的時間過晚或過早，影響居民正常出行或造成巨大的能源浪費，也達不到精準控制的要求，而且也需要專職人員來控制路燈，會造成巨大的人力資源成本浪費；其次，傳統路燈需要現場人工巡檢和故障排查，不能在路燈發生故障時及時有效地發現，且在故障排查以及維修時不能及時有效地發現故障點，會造成故障路燈長期處于故障或維修狀態，影響道路交通的暢通性，同時，也影響居民的正常出行[8,9]；再者，傳統路燈系統沒有統一的管理平臺，不能統一管理所有路燈的狀態信息，從而造成路燈系統管理混亂，信息資源得不到整合，達不到實時控制和監測的目的，也沒有進行實時數據采集、處理及可視化。最后，傳統路燈系統存在巨大的能源浪費，根據不完全調查研究顯示，在國家整體的照明損耗當中，城市照明系統大約占到30%左右，而每年在照明方面的費用至少為上百億人民幣。而城市對路燈照明的利用率非常低，僅僅只有60%左右，這就造成了嚴重的電能浪費[10]。

對此，本文研究了基于LoRa和STM32的路燈自動監控系統，本文系統能夠自動監測路燈實際運行狀態、是否故障、地理位置、環境數據等信息，能夠根據實際情況提供多種控制方式，能夠自動監測路燈運行狀態及進行故障排查，能夠統一管理所有路燈。同時，本文系統既能最大限度提高路燈資源利用率節約電能，減少市政在路燈照明方面的成本開支，也能有效地提高路燈科學管理水平，提升路燈所在地區的形象。鑒于智慧城市的建設，道路照明管控系統也終將朝著智能化控制的主流趨勢發展[11,12]。

2 系統總體設計

基于LoRa和STM32的路燈自動監控系統采用了LoRa級聯組網模式，并將該組網結構應用到路燈自動監控系統的總體設計體系中，針對此架構進行軟硬件開發和設計，同時對整個系統開展測試并完成調試。單個路燈系統架構圖如圖1所示。系統主要包括數據采集儀MCU(Micro Control Unit)、數據檢測模塊、太陽能供電模塊、通信模塊、電路調光控制模塊、LED燈、后臺人機交互模塊等。其中，太陽能供電模塊為整個系統提供電源；MCU與電路調光控制模塊連接，對LED燈進行開關燈和調光控制；MCU與數據檢測模塊連接，實現相關參數的采集；MCU與通信模塊連接，實現硬件系統與后臺服務器之間的實時數據傳輸，其中4G通信網絡實現MCU與后臺服務器雙向數據實時傳輸，藍牙與串口通信主要用于現場調試和相關參數設置，方便對系統進行安裝調試，LoRa通信實現路燈系統之間的組網和通信。

Figure 1 Structural diagram of a single street lamp system圖1 單個路燈系統架構圖

Figure 2 Structural diagram of multiple street lamp systems圖2 多個路燈系統架構圖

多個路燈系統架構圖如圖2所示。系統工作時，數據檢測模塊將采集到的數據信息上傳到STM32的MCU中進行分析處理，然后，MCU根據當前的參數對路燈狀態是否需要改變進行判斷，并通過路燈控制模塊對路燈系統執行相應的控制操作。其中故障檢測模塊對路燈的工作狀態進行實時監測，在監測到故障時及時向MCU發送故障信息。最后，MCU將路燈運行狀態信息進行打包封裝成數據幀向STM32串口發送。若該MCU攜帶的是LoRa協調器節點，則數據幀由4G通信模塊發送至后臺服務器。若該MCU攜帶的是LoRa全功能節點，則需要經過LoRa網絡將數據幀轉發路由到LoRa協調器，再由4G通信模塊將數據幀發送至后臺服務器。同時，后臺也可向路燈發送控制指令使路燈系統完成相應的參數設置或執行相應的控制功能。

3 系統硬件設計

本文將以STM32系列的STM32F103ZET6芯片為例，外圍模塊主要包括光照強度傳感器、PM2.5傳感器、電流傳感器、PWM(Pulse Width Modulation)調節電子開關控制模塊、4G通信模塊、北斗定位模塊、藍牙模塊、LoRa模塊、可充電鋰電池和LED燈等。其系統硬件實物如圖3所示。

Figure 3 Physical diagram of system hardware圖3 系統硬件實物圖

3.1 數據采集儀硬件設計

數據采集儀是本文系統的核心，它為硬件系統提供計算處理能力，主要用來實現任務調度、數據接收與轉發、執行各種控制指令操作等。數據采集儀的處理器模塊采用基于Cortex-M3內核的STM32F103ZET6單片機作為硬件系統的MCU，此芯片最高工作頻率為72 MHz，靜態隨機存儲器SRAM可達64 KB，具有5個通信串口、4個通用定時器、2個IIC、3個ADC(12位)、3個SPI和2個DMA控制器[13 - 15]。基于STM32F103ZET6的集成電路板設計框圖如圖4所示。

Figure 4 Design diagram of integrated circuit board based on STM32F103ZET6 圖4 基于STM32F103ZET6的集成電路板設計框圖

MCU外圍電路主要有數據備份電路、時鐘電路、電源電路、保護電路、電池電量檢測電路、通信接口電路、調光控制電路、RS485節能電路和電路故障檢測電路等。其中，鐵電存儲器用于保存用戶設置的參數數據，本文系統選用64 KB的非易失性鐵電存儲器FM24CL64GB，以便在重啟后能夠快速自動恢復斷電之前的工作狀態。電量和電路故障檢測主要是檢測電池的電壓和流過路燈的電流。RS485節能電路主要用于光照強度傳感器和PM2.5傳感器的數據信號轉換和節能。時鐘電路為系統提供時間信息。調光控制電路是本文系統節能的主要控制方式。

Figure 5 Diagram of RS485 circuit圖5 RS485電路圖

3.2 數據檢測模塊硬件設計

數據檢測模塊包括光照強度傳感器、PM2.5傳感器、電流傳感器、電量檢測和路燈地理位置檢測等。其中，光照強度傳感器和PM2.5傳感器與RS485電路連接，RS485電路圖如圖5所示；電流傳感器與電路故障檢測電路連接，電路故障檢測電路圖如圖6所示；電量檢測電路與太陽能供電系統的電池連接，電量檢測電路圖如圖7所示。其中，光照強度傳感器采用BH1750FVI數字光度計，PM2.5傳感器采用SDS011激光型傳感器，電流傳感器采用WCS2702型傳感器，電量檢測采用MCU的ADC采集電池的電壓，通過電池的充放電曲線來計算。同時，本文系統對光照強度傳感器和PM2.5傳感器進行了二次開發，即在傳感器上設計了數據信號處理模塊。地理位置檢測主要是采集路燈所在區域內攜帶4G通信模塊的路燈位置，然后通過這一區域對路燈進行編號定位。其定位模塊選用北斗定位模塊，北斗定位模塊通過串口電路將數據傳送至數據采集儀的MCU中進行處理。

Figure 6 Circuit diagram of fault detection圖6 電路故障檢測電路圖

Figure 7 Circuit diagram of electricity detection圖7 電量檢測電路圖

3.3 通信模塊硬件設計

系統設計的藍牙通信主要是在現場安裝測試及參數設置時使用，這種設計方便設備安裝調試，而且藍牙模塊攜帶方便且價格便宜。而LoRa通信則是本文系統的主要組網方式，選擇LoRa來組網主要是因為它具有3個最大的特點：一是傳輸距離遠，理論可達10 km；二是超低功耗，一節電池可用時間以年為單位來計算；三是可容納的節點數目多。因此，LoRa通信符合本文的設計要求。后臺與硬件系統之間的數據通信采用4G通信方式，而各個路燈之間數據的路由和轉發則通過LoRa級聯組網方式來實現，LoRa組網級聯時，每一臺設備相當于一個中繼器，從而將數據轉發出去，這樣可實現超長距離通信，數據匯聚到這一片區內的LoRa協調器模塊，最后通過4G通信模塊將片區內的所有數據發送至后臺服務器[16,17]。LoRa級聯組網方式原理如圖8所示。

Figure 8 Schematic diagram of LoRa cascade network mode圖8 LoRa級聯組網方式原理圖

MCU與4G 通信模塊之間設計有數據通信接口電路，用于進行不同信號類型之間的轉換，同時為數據幀傳輸提供通用接口。數據采集儀中的MCU在與4G通信模塊進行通信時，首先通過SIPEX3232芯片將串口的TTL信號轉換為RS232信號，然后將轉換的信號發送給4G通信模塊，最后由4G通信模塊將數據轉發到后臺服務器。同理，后臺也可通過4G通信模塊將數據指令轉發給SIPEX3232芯片，然后SIPEX3232將指令信號轉換為TTL電平信號，從而讓STM32的MCU讀取[18,19]。數據通信接口電路原理如圖9所示。

Figure 9 Schematic diagram of data communication interface圖9 數據通信接口原理圖

3.4 電路調光控制模塊硬件設計

本文系統的LED調光原理是利用STM32編程輸出的PWM波信號來調制電源的DC(Direct Current)信號，通過減小或增加流過LED燈的電流，從而起到調節LED燈燈光輸出強度的作用。PWM波是脈沖寬度調制信號，而其中的“脈沖寬度”就是脈沖高電平持續的時間。PWM波信號調節LED燈亮度時，信號頻率是不變的，改變的是脈沖高低電平持續的時間，即LED燈的導通時間。使用這種信號調節亮度相當于調節LED燈的平均電流，所以流過路燈的電流會發生變化，從而可達到節能的目的[20 - 22]。本文系統的PWM波觸發驅動模塊采用型號為XY-MOS的PWM調節控制板。設計LED燈調光控制模塊，能在最大程度上節約電能，也能減少LED燈的發熱量，從而可以延長LED燈的壽命，同時，也可以對燈光進行“因地制宜”的精準管控。

4 系統軟件設計

本文的路燈自動監測控制系統軟件設計主要以硬件系統的軟件設計為主，后臺軟件設計將不做重點介紹。

4.1 硬件系統程序設計

系統啟動后，進行系統初始化，讀取鐵電存儲器的相應參數，判斷是否有參數數據，若沒有檢測到默認參數，則將系統默認參數寫入鐵電存儲器的相應地址之中。若系統已經設置了預設參數，則等待采集時間的時鐘信號，當到達采集時間，MCU向各傳感器或檢測模塊發送采集指令，并對各傳感器返回的數據進行解析和存儲處理。為了能夠得到更加準確的環境信息，對光照強度傳感器和PM2.5傳感器進行平均化處理，在系統采集完11次環境信息之后，第12次采集完畢后，才對所有的數據進行處理，計算本組的環境數據的平均值、最大值、最小值和總值。系統每執行一次循環，同時也檢測電路是否有故障以及LED燈是否達到開關燈或調光控制的條件，若有故障，則將故障信息發送至后臺服務器，若達到燈光改變條件，則執行PWM波調光。之后系統進入休眠狀態，等待下一個時鐘中斷喚醒。最后，將所有的數據封裝成數據幀發送給通信串口，由串口將數據幀轉發路由至4G通信模塊，再由4G通信模塊將數據幀發送至后臺服務器。反之，后臺也可進行相應的控制指令發送，硬件系統的MCU對后臺發過來的指令進行解析和處理，執行相應的操作，并將相應的反饋信息返回至后臺服務器。系統自動監測控制流程如圖10所示。

Figure 10 Flow chart of automatic monitoring and control圖10 系統自動監測控制流程圖

4.2 通信協議設計

路燈自動監測控制系統的通信協議涉及到硬件系統與后臺服務器之間的通信，而MCU的外部數據主要有光照強度、PM2.5、路燈運行狀態信息、路燈電路故障信息、電池電量信息、地理位置信息等。設置的功能主要包括工作模式的選擇、各種數據信息讀取、光照閾值設置、時間設置、各種配置信息設置等。數據讀取操作主要包括當前傳感器數據讀取、工作模式讀取、設備編號讀取、已設置光照閾值讀取、已設置時間段讀取、當前路燈實際狀態、休眠時間讀取等。

本文系統采用字節的串行傳送形式，字節存放順序采用小端模式，即將數據的低字節存放在內存的低地址中，而數據的高字節保存在內存的高地址中。同時，設置1位起始位、8位數據位、1位停止位和無奇偶校驗位。

數據幀由幀的起始符STA(編號1)、地址域AD(編號2)、控制域C(編號3)、數據長度域LEN(編號4)、數據域DATA(編號5)、幀信息校驗域CRC(編號6)和幀結束符END(編號7)7個域組成。通信協議格式如表1所示。

Table 1 Format of communication protocol表1 通信協議格式

表1中的STA是幀起始符，本文系統用E8表示，標識每個數據幀的開始，即幀頭；AD表示地址域，標識當前收(發)設備的地址，可根據用戶需求自定義；C表示控制域或功能碼，表示請求執行的操作和功能；LEN表示數據域的長度，代表數據域中的字節個數；DATA表示數據域，代表需要傳輸的數據；CRC表示校驗碼，采用CRC-16循環冗余校驗，校驗內容為AD、C、LEN和DATA；END是幀結束符，本文系統用E6表示，標識每一幀的結束，即幀尾。

Figure 11 Web browsing interface of backstage圖11 后臺Web瀏覽界面

Figure 12 Spot test and results圖12 現場測試及結果

4.3 后臺軟件設計

路燈自動監測控制系統后臺軟件主要涉及后臺數據接收、發送、數據存儲、功能接口函數和數據可視化等操作。根據通信協議來編寫相應的數據接收函數與指令發送函數，并將接收到的數據處理之后存入到數據庫，然后通過Web系統來做相應的可視化及各種功能操作。后臺Web瀏覽界面如圖11所示。

5 測試結果

本文系統的測試實驗在STM32系列的STM32F103ZET6芯片上進行，連接好硬件系統，把硬件系統程序下載到STM32F103ZET6的MCU中，再配合后臺服務器及Web軟件進行現場測試，測試內容為各種監測控制及功能操作，測試結果與設計原理是一致的，都做出了正確的反應?，F場測試及結果如圖12所示。同時，本文系統可以直接嵌入現有的路燈系統中，可以對已有的路燈系統進行升級和改造。

本文系統實際應用部署在貴州綠之眾科技信息技術有限公司，運行周期為1年，路燈實際運行狀態、故障信息、智能控制、自動監測和節能等各項功能都能正確運行，比傳統路燈系統更節能，控制方式更靈活，能夠真正達到自動監測和故障排查，能夠統一管理所有路燈，提高了路燈科學管理水平。

經過實際測試，本文系統采集數據準確，路燈控制及時有效，未出現異常情況，具有很好的穩定性和可靠性。同時還具有成本低、維護便捷、通用性強、不依賴市電供電、可擴展性好等特點，能廣泛應用于路燈照明系統之中，達到了路燈自動監測控制的功能需求，實現了路燈科學化及智能化管理。

6 結束語

本文重點介紹了基于STM32和LoRa的路燈自動監測控制系統的下位機硬件部分。系統實際測試采用的MCU是STM32系列的STM32F103ZET6芯片，研究了基于STM32和LoRa的路燈自動監測控制系統的硬件設計，本文系統可彌補目前大部分地區現有路燈系統的不足，主要體現在以下幾個方面：(1)在路燈節能方面，設計了一種基于PWM波調光的節能監測控制系統，能夠最大限度減少能源浪費，為社會節約電能，把電能用到更需要的地方，同時，也能減輕或降低市政在路燈照明方面的成本開支；(2)在路燈智能控制方面，設計了一種智能的控制方式，能為不同環境下的路燈提供不用的控制模式，保障了居民的正常出行，且能有效降低人力資源成本，改善路燈的使用效果；(3)在路燈自動監測和故障排查方面，設計了一種自動監測控制路燈運行狀態和自動故障識別的功能，能及時有效地提示報警信息，提高了路燈使用效果，降低了路燈維護成本，同時，也能提升路燈所在地區的形象；(4)在建設路燈統一管理平臺方面，設計了統一的管理平臺，能提高路燈科學管理水平，實現實時自動監測路燈狀態、實時數據采集、實時數據處理及實時數據可視化等服務。