基于LoRa技术的智能路灯系统设计

胡晓龙 林嘉 邱小群 杨妙芸

摘  要：在我国公路的建设进程中，路灯是必备要素。而路灯的智能化管理是相关工程科研人员的研究方向。基于此，文章提出智能路灯系统的设计方案。由路灯控制器、LoRa网关节点、物联网网关、路由器、云平台、设置计算机等组成了智能路灯管理系统，充分整合传感器技术、物联网技术、嵌入式技术、计算机技术，实现智能路灯系统的信息化、智能化。

关键词：智能路灯系统;传感器技术;信息化;智能化

中图分类号：TP212.9;TU113.6       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）20-0039-04

Design of Intelligent Street Lamp System Based on LoRa Technology

HU Xiaolong，LIN Jia，QIU Xiaoqun，YANG Miaoyun

（Zhuhai City Polytechnic，Zhuhai  519090，China）

Abstract：In the process of highway construction in China，street lamp is an essential element. The intelligent management of street lamp is the research direction of related engineering researchers. Based on this，the design scheme of the intelligent street lamp system is proposed in this paper. An intelligent street lamp management system is composed of street lamp controllers，LoRa gateway nodes，internet of things gateways，routers，cloud platforms，setting computers，etc.，which fully integrates sensor technology，internet of things technology，embedded technology，and computer technology to realize the informatization and intellectualization of intelligent street lamp system.

Keywords：intelligent street lamp system;sensor technology;informatization;intelligent

0  引  言

国家为畅通经济活动，不断增加公路修建，同时也产生了路灯需求的增加。我国现有城乡路灯总数已超过2亿支，并以每年20%的速度增长。而随之而来的是能源消耗的上升，据统计，路灯照明耗电量占全国照明总耗电量30%以上;路灯一般在夜晚开启，但进入深夜后，过往车辆已经减少，一直开启路灯不利于节能;另外，公路上的路灯一旦出现故障，不易被发现并修复，从而造成行车的安全隐患，所以路灯维护和故障排除有很大的改进空间。

近年来，有不少工程师与学者开展了关于路灯智能化的研究。研究的内容包括LED路灯模块、采集模块、智能监控等。笔者根据以往关于传感器、远距离及低功耗通信、数据协议转换、Web服务和数据库技术的研究经历，提供一套既能实现新建路灯的智能化，也能实现对已建成的路燈实施智能化补充的解决方案，减少路灯的能源耗费，并能通过远端计算机实时监控，而且可以准确定位故障路灯的位置。

本方案首先研究在路灯端设计一款控制器，以实现光照度、电压、电流和过往车辆的检测，通过一块液晶屏显示出来，以及控制光源的开和关与亮度调节。采用STM32L151C8作为核心，把收集到的传感器数据通过LoRa通信芯片LSD4RF-2F717N30与LoRa网关节点联系。负责汇聚所有路灯控制器的LoRa网关节点，与路灯控制器的基本结构相同。其作用是把所有数据通过TTL232转RS485接口发送至物联网网关。同时，物联网网关通过路由器设备，以实现连接因特网，把接收的数据按照TCP/IP协议上传至云平台。云平台则实现路灯运行情况的监测，且根据制定的规则控制路灯开关与亮度调节。

1  系统设计

本系统由路灯控制器（LoRa普通节点）、LoRa网关节点、物联网网关、云平台、设置计算机组成。系统的物理结构如图1所示。

路灯控制器在公路现场收集相关信息，包括路灯的电压、电流、当前时间的光照度、行车信息等。LoRa网关节点主动发出读取指令，汇聚路灯控制器的各项信息。物联网网关接收到的LoRa网关节点数据转换为TCP/IP的格式发送至云平台。

2  硬件设计

智能路灯系统包括两大部分，一部分是以LoRa模块为核心的两类设备组成的LoRa网络，另一部分是传统以太网。两种网络数据转换传输通过物联网网关实现。

2.1  LoRa网络构建

2.1.1  LoRa无线技术

LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，是低功率广域网络通信技术中的一种，是SEMTECH公司创建的低功耗局域网无线标准。这一方案为用户提供一种简单的能实现远距离、低功耗无线通信手段。它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3～5倍。它的传输距离在城镇可达2～5 km，郊区可达15 km;电池的寿命可以长达10年。非常适合应用于高速公路的路灯系统。

LoRa网关节点与路灯控制器都是基于一块LoRa核心板。核心板的射频模块采用型号为LSD4RF-2F717N30的芯片。该芯片是基于SEMTECH射频集成芯片系列S×127X，是一款高性能物联网无线收发器，用于超长距离扩频通信，抗干扰性强，能够最大限度降低电流消耗。

核心板的MCU采用STM32L151C8。STM32是意法半导体（STMicroelectronics，ST）有限公司出品的一系列微控制器（Micro Controller Unit，MCU）的统称。STM32L151C8属于超低功耗系列MCU，在功耗要求低的射频通信场合十分合适。

2.1.2  路灯控制器

路灯控制器是智能路灯系统重要的组成部分之一。其控制模块以STM32L151C8为核心，外加以LSD4RF-2F717N30芯片为核心的射频模块，组成LoRa核心基板。外围还有光照传感器、电能计量模块、超声波传感器、LED调光驱动电路和一块1.5英寸的OLED屏。

（1）LoRa核心基板，路灯控制器均加入光照度传感器，用于检测环境光照度。检测得到的光照度，作为光源亮度变化的控制条件之一。图2是以光电二极管为检测元件的模块化的光照度传感器。

（2）要测量路灯的电压电流值，需要借助电能计量模块来实现。电能计量模块是以HLW8012为核心搭建的电路。HLW8012一般SOP8封装，体积小，可以测量电压有效值、电流有效值;其引脚CF输出高频脉冲，指示有功功率，在1 000：1范围内达到±0.3%的精度;引脚CF1同样输出高频脉冲，指示電流或电压有效值，通SEL引脚选择，在500：1范围内达到±0.5%的精度;内置晶振、2.43 V电压参考源及电源监控电路;5 V单电源供电，工作电流小于3 mA。通过电阻采样用电负载的电压和电流信息，经过HLW8012的处理，把信息通过高频脉冲的形式输出至MCU。图3为检测电压电流信息信号流图。

（3）远距离超声波传感器，用于检测过往车辆，为路灯的控制提供判断条件。ME007-ULS V1超声波传感器，是采用一体化防水探头设计而成的一款高性能的测距传感器。供电电压3.3 V～12 V，纹波小于100 mV，探测距离最远可达90米，测量数据轻松可得，直接通过UART传输至MCU。

（4）LED调光驱动电路，适用于路灯光源的亮度调节。LED光源需要能恒定电流、稳定电压作用的开关电源。MB15026驱动芯片是非常合适的调光电路驱动芯片。它是一种16位LED恒流驱动器。采用Bi_CMOS工艺，其恒流值可以通过外接电阻调节（lout=5～90 mA）。

（5）OLED显示屏。控制器上也安装了1.5英寸的OLED显示屏，以便于现场观察数据，或用于测量检修。

2.1.3  LoRa网关节点

LoRa网关节点和路灯控制器一样，都是基于相同的LoRa核心基板。由于同宗同源，两者的通信无障碍。LoRa网关节点不需要传感器，只要其软件上定义为网关节点，就能准确识别每一个路灯控制器。由于通信的长距离特性，LoRa网关接点不必安装在现场，可以安排在远端，继而通过RS485接口连接物联网网关。LoRa网关节点的作用是轮询各路灯控制器的传感器数据，再送至物联网网关。

2.2  云平台管理

第三方云平台，能根据客户的需求，在云端预先部署好数据库和数据接口，并提供友好的数据查询界面及路灯控制规则设置界面。只要设置好相关参数，物联网网关就能把接收到的路灯相关数据上传至云平台。云平台就可以监测路灯数据，用户也可以随时调取数据，并根据具体情况设定路灯调节的控制规则。图4是在云平台上查看各路灯现场的光照度数据界面。

2.3  设置计算机

设置计算机主要作用是对物联网网关的参数进行设置。物联网网关能完成两项工作任务，一是接收来自LoRa网关节点传输的数据，二是基于C/S模式，自动登录云平台，并把网关节点的数据上传。设置计算机没有RS485接口，是通过RS232转RS485接口模块实现数据传送。

3  软件设计及云平台部署

3.1  LoRa通信协议

LoRa网关节点和路灯控制器的通信遵循LoRa协议。协议的内容包括请求帧与响应帧。通信的过程其实就是询问方发出请求帧，等待应答方返回响应帧的过程。

（HEAD）是帧头，是通信双方约定的固定暗号。LoRa网关节点和路灯控制器要在相同的网络ID（NET_ID）下才能通信，且各自有固定的设备地址（LORA_ADDR）。LoRa网关节点通过设备地址识别每一个路灯控制器。当某根路灯发生故障时，LoRa网关节点能根据响应帧的数据异常及设备地址（LORA_ADDR），确定故障路灯的位置。（DATA）是请求或者响应的具体内容。（CHK）是从（HEAD）到（CHK）前一个字节的和，且保留第八位。请求帧和响应帧的结构基本相同，只是响应帧在设备地址（LORA_ADDR）和数据长度（LEN）之间增加一个字节的应答信息（ACK）。表1展示了请求帧的格式;响应帧的格式与之相似。

3.1.1  LoRa网关节点的软件设计

LoRa网关节点首先进行通信初始化和OLED显示屏初始化的工作，接下来就开始轮流读取路灯控制器的传感器数据，将收集的传感器数据显示在OLED屏上，并透传到UART0串口;同时，UART3串口监听云平台发出的控制命令。

3.1.2  路灯控制器软件设计

图5为路灯控制器把检测到的光照值在OLED显示屏上显示出来。

路灯控制器与网关节点相似，LoRa通信初始化和OLED初始化工作完成后，再对电量检测模块、光照度传感器、超声波传感器、LED调光驱动进行初始化;接着控制器开始读取传感器数据，并等待网关节点发出请求以传输数据;同时，接收命令并执行控制任务。

3.2  云平台管理系统部署

通过设置计算机登录云平台，经过新建项目、添加设备等步骤，生成设备ID、设备标识和传输密钥并记录下来，填入物联网网关的参数页面中并保存设置。物联网网关重启后，即能连上云平台。当物联网网关接收到传感器数据时，立即上传至云平台。图6展示需要填入物联网网关设置页面的云平台参数。

云平台除了监视传感器数据外，还能制定控制规则。根据多个路灯控制器的光照度数据计算得到光照度平均值，与设定值比较，若小于设定值则发送开启路灯命令，若大于设定值则发送关闭命令。另外，当路灯开启后，基于路灯控制器中的超声波传感器，判断是否有车辆经过，若无则把光照度调节至50%亮度，以节省能源。

4  结  论

本文针对公路发展的过程中路灯综合管理的问题，在LoRa无线通信技术基础上，提出一套系统设计方案。本方案可实现灵活控制路灯开启关闭、智能路灯光亮度智能化调节、电量测量、车辆检测等功能，云平台对上報的数据进行分析、判断并发送控制命令。该方案软硬件设计合理、稳定且高效，具有良好的工程可行性。

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作者简介：胡晓龙（1999—），男，汉族，四川广安人，本科在读，研究方向：物联网技术;林嘉（1981—），男，汉族，广东云浮人，讲师，硕士研究生，研究方向：物联网技术与应用;邱小群（1980—），男，汉族，广东潮安人，讲师，硕士研究生，研究方向：物联网技术与应用。