一种应用LoRa通信的LED路灯智能控制系统设计

王佑民 魏宏安

（福州大学物理与信息工程 福建省福州市 350108）

城市路灯照明作为智慧城市建设的组成部分，随着智慧城市建设的深入推进，传统的路灯管理已经无法满足智慧城市和智能照明建设的需要，基于通信技术、物联网技术的智能路灯控制得到越来越广泛的关注和应用。上世纪90年代至今，我国照明控制技术经历了“三遥”到“五遥”再到单灯控制等发展阶段[1-2]同时，伴随着新一代光源的迅速发展，LED可调控灯具的大规模推广应用，智能照明控制成为越来越多城市路灯建设的首先。目前，路灯智能控制应用通信主要为PLC电力载波和LoRa、Nb—IoT、ZigBee等无线方式，第一层级控制主要采用GPRS/4G互联网，即控制中心到集中控制器间的通信，第二层级即各个单灯控制节点与集中控制器间的通信，主采用PLC、ZigBee等通信方式。

本文基于LoRa无线通信网络技术，设计一种LED路灯智能控制系统，集远程开关、路面信息检测、智能调光、数据采集、故障保修、电缆防盗等功能一体，从而实现城市路灯照明的高效、智能、动态监控和节能控制，推动城市照明管理标准化、网络化、智能化、节能化。

1 基于LoRa通信的路灯控制系统整体结构设计

根据城市照明智能系统功能需求，结合项目实践过程中对照明控制系统应用的总结,照明智能系统应具备远程开关灯、调光控制、状态查询、故障巡查、照明策略管理、数据存储查询等功能。通信技术是路灯照明控制系统实现精准控制的前提，现应用较广泛ZigBee、LoRa、Nb—IoT等技术，打破了传统有线通信的约束，大大推动了路灯照明控制模式朝着网络化深度融合之路发展。物联网的应用，将物与物联成了一张网，各个网节点之间既相互独立工作，又相互融合互联互通。

传统的路灯控制方式只是简单的对路灯进行定时开关，而随着电子通信、物联网技术在路灯控制领域的不断，照明控制也由单一的机械控制向系统化、网络化、智能化方面发展。开关灯是照明控制系统最基础的功能，与以网单一的设置时间开关灯不同，路灯智能控制综合考虑天气、周边环境等多种因素，从而选择最佳的开关灯模式。如阴雨天气时，根据周边的光照环境进行自动开灯。节能调光，下半夜可将路灯功率降低。本文应用电子通信、互联网、物联网等技术，通过开关策略管理选择，路灯照明系统可根据时间、光照强度以及不同用户的不同需要，有针对性的进行数据信息采集，并对数据信息进行分析和判断，最后根据反馈结果进行指令控制操作，实现对路灯开关的控制。针对不同的道路车流人流情况及下深夜照明需求，通过调光设置或自主调光模式选择，对路灯进行智能调光，从而达到节电节能的目标。各路灯子节点将电压、电流等数据反馈到集中控制器，并通过公网传输之控制平台中心，通过电压、电流信息变化时时监控路灯运行状态，一但发现有报警信息，就可以迅速锁定故障路灯，继而组织维修。

图1：路灯控制系统架构

常用的物联网组网方式有两类，一种是短距离通信技术，如比较常见的ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth等传统通信方式；另一种是LoRa、NB-IOT等基于LPWAN技术的低功耗广域通信方式。ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。NB-IoT构建于蜂窝网络，应用窄带物联网通信技术，其主要特征是功耗低、广域传输、单点接入量大。LoRa是LPWAN通信技术的一种，灵敏度在-148dbm左右，在接收灵敏度方面较其它Sub-GHz芯片也改善了许多，达到20dB以上[3]。这三种通信技术各有优缺（见表1），用户可以根据需要选择合适的通信方式。

表1：三种通信方式比较

表2：LoRa协议栈

图2：集成LoRa通信模块的LED路灯驱动电源结构示意图

图3：路灯控制终端结构

图4：集中控制器逻辑图

综合考虑传输距离、抗干扰能力、能耗、成本、适用领域及发展趋势，选用LoRa技术。本系统由终端管理平台、集中控制器（LoRa关）、LoRa路灯控制器（本系统将路灯控制器与LED路灯电源集成）、GPRS/4G通信网络等组成[4]，系统整体结构如图1所示。

系统应用LoRa无线网络通信，支持LoRaWAN规范，终端管理平台和集中控制器(LoRa网关)之间通过GPRS/4G移动通信网络进行通信,路灯集中控制器与路灯单灯控制器通过LoRa无线网络进行通信。路灯集中控制器还负责移动通信网络和无线通信网络之间的数据交互转换。路灯控制器（集成于驱动电源中）安装在现场路灯运行场所，集中控制器（LoRa网关）安装在路灯集中控制箱处，实现与路灯单灯控制器LoRa组网通信。终端管理平台对路灯进行控制和运行状态的监控，通过GPRS/4G通信网络将下发的命令数据传输到集中控制器，之后下发到每个路灯控制器。路灯控制器根据数据指令完成如定时开关、 根据四周光照强度或车流人流进行开关及亮度调节、故障统计、能耗监测等。路灯控制器作为子节点，将采集的数据动态传输到中心节点集中控制器(LoRa网关)处，每个子节点数据自动汇总到中心节点对应的网络中[5]。

2 LoRa通信组网方式

2.1 LoRa协议栈和数据包格式

LoRaWAN是为远距离通信设计的一套低功耗广域网协议。LoRa协议栈中主要划分了三个层次，即物理层、MAC层和应用层。LoRa协议栈如表2所示。

LoRaWAN系统主要分为三个部分：节点/终端、网关/基站和服务器[6]。物理层主要包含不同地区的频段划分和LoRa技术的调制解调机制。在MAC层中，LoRaWAN有Class A、Class B和Class C三种工作模式，同时定义了通信时使用的各类帧格式（请求连接帧格式、数据帧格式等）、三种模式下的接收窗口、网关与终端之间交互的MA命令等。在Class A工作模式下，终端主动上报数据 ；在Class B工作模式下，终端固定一个周期打开接收窗口；在 Class C工作模式下，终端的发送窗口和接收窗口长时间打开，终端不考虑功耗，随时接收来自基站的下行数据[7]。如表3所示。

LoRa数据包主要由Preamble（前导码）、Header（可选类型的报头）、Payload（数据有效负载）三部份构成，前导码用于保持接收机与输入的数据流同步。如报表4所示。

MAC 帧封装在物理层负载（PHYPayload）报文中，其主要格式如表5和表6所示。

LoRaWAN规范中通过MType字段区分不同的数据包， MType是3位的，总共可以表示8种不同类型的数据，其中前六种是不同的数据包，分别是“入网请求”、“入网回复”、“不需要确认上行数据包”、“需要确认上行数据包”、“不需要确认下行数据包”、“需要确认下行数据包”，后面两个一个是预留（RFU），一个开放给用户自定义（Proprietary）。如表7所示。

2.2 通信组网方式

路灯智能控制系统的通信包括单个路灯控制节点与现场集中控制器网关之间的通信和集中控制器网关和终端管理平台之间的通信。终端管理平台与集中控制器网关之间采用4G/GPRS通信，路灯控制节点与集中控制器网关之关应用LoRa无线通信。考虑到LoRaWAN使用成本较高，技术要求也高，许多互联网应用场景都只是应用LoRa芯片，采用Class C的场景，参考电力抄表DLT645相关协议。如表8所示。

3 系统硬件设计重点

3.1 集成LoRa模组的的路灯控制电源设计

目前照明工程建设中使用的LED路灯驱动电源大多与路灯控制器分离，各自独立安装，路灯控制器安装于路灯灯杆底部检修阀门处，LED路灯驱动电源置于灯具内侧，不仅增加了建设成本，而且给后续维护检修带来不便。本设计通过集成整合，应用独立的辅助电源给路灯控制器、LoRa模块等提供电源，如图2所示。

选用集成度高且耗能低的扩频调制SX1278射频芯片，结合EFM8SB1微控制器，实现LED路灯的电源的调节控制[8]。该模块由LED驱动电源、PWM调光、继电器控制输出单元、LoRa单元、光电传感器、红外传感器、指示模块、模拟量输入输出单元、故障检测等单元组成[9][10]，结构如图3所示。

表3：PHY/MAC层总的数据包结构

图5：集中控制器结构

图6：终端管理平台实体-关系E-R图

继电器输出单元控制路灯的开和关，光电传感器根据周围光照强度的变化，通过 LoRa 模块产生的PWM波信号，对路灯进行点对点的调光。红外传感器采集道路车辆和人员情况，当前方有车辆或人员通过时，将信息传输回处理器，从而判定路灯是否提高亮度或降低亮度。

3.2 集中控制器(LoRa网关)设计

集中控制器(LoRa网关)是整个智能网络控制系统的核心，硬件由电源模块、LoRa模块、状态指示、GPRS/4G模块、数据存储单元、故障报警模块、三相电采集等模块组成[11]，集中控制器逻辑图如图4所示。用于收集汇总上报各个路灯的运行信息，各路灯之间通过LoRa模块互相通信，各子节点数据发送到集中控制器(LoRa网关)汇总，集中控制器(LoRa网关)则按照每个路灯的ID标识进行识别。集中控制器结构如图5所示。

表4：LoRa数据包结构

表5：MAC帧格式

表6：物理层帧格式

表7：MAC层消息类型

通过公网GPRS/4G通信模块接收和发送各控制节点的路灯控制状态信息，采集到的数据保存在存储芯片上；集中控制器（LoRam网关）介于终端管理平台和路灯控制节点之间，向上通过GPRS/4G网络与终端管理平台进行通信，向下则通过LoRa无线回路方式控制各路灯的开关及调光等[12]。LED路灯运行时的电压、电流、功率等数据通过三相电采集模块来收集，动态实时监测LED路灯的运行状况[13]，发现故障时，会将故障灯具ID及相关信息通过短信反馈，从而达到对整个路灯网络运行的监控目的。

4 终端管理平台

管理平台服务软件采用模块化结构，应用用架构 B/S ，用户可直接通过浏览器打开并访问,客户端不需要安装监控系统软件,任何一台网络内的计算机直接通过浏览 器就可以监控城市的路灯，掌握路灯的运行情况。实时准确分析、判断、定位和标注故障，适应于不同层次的工作人员操作。主控程序负责采集数据、发布控制命令信息及提供报警联动信息。

管理平台需要主要包括照明策略管理、路灯监测、数据报表、数据存储、故障报警、设备管理等功能。照明策略：定时任务管理（定时控制开关灯、分时段调光等）、光强度控制等，并且能够对单独一个回路、单盏路灯或自行设定的几组回路中的LED路灯进行开关和调光控制。路灯监测：快速查询路灯开关运行状态、电压、电流、亮灯率、各种开关量状态输入等数据，并将数据永久保存到数据库。数据报表：可以生成主要的数据报表,节能率统计报表等，可以按日、月、年统计节能率，系统可自动进行统计，提供不同的显示方式（如表格、曲线图、柱图、饼图等），能根据不同区域不同电价自动计算电费，能通过每天采集回的数据整理归档，完成数据报表导出生成Excel文档。数据存储：系统可将所有数据永久存储到服务器，同时对系统运行所产生的重要系统数据进行科学的存储和备份，当设备出现故障时，能够追溯操作失误问题，系统能快速启用备份数据确保系统正常运行。故障报警：能够对故障灯具提供报警、检测、分析及维护情况追踪，可以把不同的监控点，不同的报警类型，按照预先设定的内容，采短消息报警等，分别发送给相应的人员，及时处理故障，并将故障数据保存到数据库。设备管理：能提供对集中控制器（LoRa网关）、控制器等设备进行管理，如设备台账信息的添加、编辑、修改、查询、删除等维护功能。终端管理平台实体-关系E-R图如图6所示。

表8：DL-T645通讯协议帧格式

表9：测试点结果

5 LED路灯智能控制系统测试

选定一个可靠的路灯测试环境，在测试过程中，依据不同的测试距离和周围障碍物分布的情况，对每个Led路灯节点发送测试数据包。在某测试点安装50盏120W的LED路灯，50盏60W的LED路灯，将监测管理中心设置于路灯区2至3km的地方，测试结果如表9。在该测试环境下，当传输距离小于500米时，每种环境下数据传输基本上能够实现不丢包；随着距离增加及障碍物的出现，不完整性逐渐增大，但传输距离在1km米范围内时，传输数据尚比较完稳定完整；当传输数据大于2.5km时，数据传输完整明显下降。

6 结语

本文基于LoRa通信技术，将路灯控制器和LED路灯驱动电源进行集成，实现LED路灯数据的采集、动态调光、多样化开关等。子节点到中心节点构成一个局域网，由集中控制器(LoRa网关)进行数据汇聚收发，进而控制每一盏路灯的运行。经实验测试，管理人员只需要通过终端控制平台，就可以对所属回路的路灯进行整体控制，也可以一对一的单独控制，从而实现了路灯照明的精准化管理，提升了照明路灯管理水平，同时也减少了巡查、检修人力物力的投入，具有良好的社会应用价值。