基于LORA通讯的路灯光感开关设计

王安

（浙江浙能天然气运行有限公司，浙江杭州，310051）

0 引言

目前输气站内的夜间照明路灯与工艺区防爆路灯的控制均是由基建时安装好的时控开关控制，由于白昼时间变化不一，以及天气关系的影响，每日天黑天亮时间不定，因此传统时控开关的定时开关模式就显得不够灵活。出于安全生产考虑，同时为了减少天气因素和季节变化的带来影响，时控开关的设置开灯时间一般比天黑时间早1小时，以此保证天黑时需要照明的场所均已得到照明。因此往往天还没黑路灯就亮了或者天亮了路灯还没有关闭，此时路灯均属于无效照明，增加了路灯的无效使用时间，同时造成了电能的浪费，违背国家碳达峰碳中和的战略目标。而且随着四季更替造成天黑天亮时间变化，每月需要站内运行人员去修改时控开关的定时参数，或者人工开启关闭路灯，耗费人力[1]。同时经常性的去修改位于配电箱内的时控开关参数无形中增加了许多作业安全风险，为此本文提出了基于LORA通讯的路灯光感开关的设计。

1 系统设计方案

1.1 模块设计概述

模块由主机和从机构成，主机主要负责检测，从机负责执行，模块整体功能框图如图1所示。

图1 系统功能框图

主机由光照度传感器TSL2561、微控制器STM32F072、LORA通信模块和电源模块等构成。其中TSL2561光照度传感器负责检测外界环境的明暗程度[2]。通过微控制器STM32F072读取光传感器测量数据，再和预先设置的阈值进行比较分析，根据分析结果产生开关灯指令。开关灯指令采用无线通讯方式进行传输，通过LORA模块发送给从机。同时主机内置故障自检分析诊断电路，根据从机反馈的继电器状态信号，以及对通讯连接状态的判断，智能分析故障原因，通过报警指示灯进行故障提示，用户也可通过连接主机蓝牙查看具体故障报告。由于主机使用金属外壳，若将蓝牙模块内置在主机内则还需额外增加一根天线，并且用户只有在配置参数或者查看故障报告时才使用到蓝牙功能，日常很少使用，因此选择将蓝牙模块外置，通过航空插头与主机连接。连接外置蓝牙模块后用户可以进行各项系统参数查看与配置。主机如图2所示。

图2 主机

从机主要由继电器、微控制器STM32F072、LORA通信模块和电源模块构成。主控STM32F072根据LORA通信模块接收到的开关指令控制继电器的吸合与释放，再通过继电器控制外部接触器的开启与关闭，继而控制路灯的开启和关闭。针对继电器可能出现触点粘连或继电器未动作等造成路灯无法正常开启的情况，从机主控下达完开关指令后，主控通过检测继电器的辅助触点状态进而得知继电器主触点的实际状态，并将检测结果通过LORA模块反馈给主机，以此完成继电器故障自检。从机如图3所示。

图3 从机

1.2 主控单片机选型

本设计中主控需要和各个子模块进行通信，例如光照度传感器是采用I2C通信协议，而LORA模块和蓝牙模块则是采用UART串口通信协议。主控是将各个模块的信息进行汇总处理，在本设计中控制逻辑相对简单。因此对主控的主频要求并不高，常规的主流单片机均能满足本设计需求，故本设计选用了意法半导体的Cortex-M0系列单片机TM32F072作为主控。STM32F072主频高达48MHz并且拥有两个I2C总线接口、四个UART接口以及拥有一个16通道的12位ADC（数模转换器），满足本项目的设计需求。同时STM32系列单片机拥有丰富的外设固件库，便于我们开发应用，大大缩短研发周期。主控模块电路设计如图4所示，单片机各个电源引脚均放置100nF瓷片电容滤除电源中的高频干扰，为电路中的高频噪声电流提供低阻抗泄放回路，同时作为储能元件，保障单片机突发的供电需求，确保单片机供电稳定。根据单片机数据手册选择IO口PB10、PB11作为蓝牙模块通信串口，IO口PA9、PA10作为LORA模块通信串口，IO口PB6、PB7作为光照度传感器的I2C通信接口。因系统还需要监测供电电压，故选用IO口PB1作为ADC采样接口，由于ADC的输入范围为0～3.3V，因此5V供电电压需经过两个10k电阻分压后才能送到PB1，供单片机采样供电电压。BOOT0引脚通过10k 电阻下拉到地，设置单片机直接从内置存储器启动程序。

图4 主控连接原理图

1.3 光照度传感器选型

本设计中主机需要检测外界环境光照度，以此来作为开启或关闭路灯的依据。目前市面上使用的常规方案是光敏电阻检测外界环境亮度[3]，其原理是根据材料特性，在不同光照强度下呈现出不同的阻抗特征。但光敏电阻无法定量的反应光照强度，不便于阈值设置，且易受温度影响。考虑到主机是安装于室外，因此本设计不选用光敏电阻做为光传感器。另外一种测量方案是选用光照度传感器TSL2561作为测量元件，TSL2561是第二代环境光传感器设备，内部包含两个光电二极管并集成ADC（数模转换器）。每次转换结束后将结果存入寄存器中主控通过读取TSL2561的寄存器数据后带入公式可以换算出当前光照度值（单位LX），便于后续进行开关灯的阈值设置。并且TSL2561能自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动，结合后续软件滤波设置，整体可实现良好的抗干扰能力。TSL2561的工作温度为-30℃～70℃，完全能够满足室外工作的温度范围要求。光照度传感器电路如图5所示，在芯片电源引脚附近放置100nF和1μF瓷片电容，100nf电容滤除高频干扰而1μF电容可以保障芯片供电稳定。I2C总线的时钟线和数据线SCL、SDA通过1k电阻上拉至芯片供电。芯片地址位设置引脚我们通过4.7k电阻下拉到地，设置I2C总线访问地址为0101001。TSL2561还有一个中断输出引脚INT，当光照度超过我们配置的上阈值或者下阈值时，芯片会通过该引脚输出一个中断信号，在本设计中由于有单片机进行阈值判断且不需要低功耗设计需求的考虑故未使用该引脚功能。

图5 光照度传感器原理图

1.4 通讯模块选型

由于主机安装于室外，而从机安装于室内的配电箱内，两者直线距离相距数十米之远。若采用有线方式进行通信则线缆铺设耗费人力物力，并且需要开挖敷线，工程量较大。因此有线通信的方式不适合应用在本设计中。采用无线方式进行通讯，则无需考虑开挖敷线等安装问题，只需将主从机分别安装在合适位置即可，方便灵活便于后期大面积安装部署。

目前常用的无线通信方式有蓝牙、WIFI、红外、LORA、4G、NB-IOT等。在本设计中通信距离达数十米之远，并且信号需要穿过建筑物墙体，因此蓝牙、WIFI、红外等显然都不适用于本设计中。剩余的LORA、4G、NB-IOT则均能满足本设计的应用需求，考虑到4G、NB-IOT是通过电信运营商的网络传输信号，会产生相关的通信费用，因此综合考虑之下本设计选用LORA作为通信方式。

采用LORA通信模块，其具有灵敏度高、低成本、低功耗、抗干扰、传输距离远等优点[4]。LORA模块工作于免牌照频段节点，非常便于后期的使用安装部署。而其协议中包含了LBT功能，基于aloha的方式，使其具有了自动频点跳转和速率自适应功能，因此LORA具有了抗干扰性强的优点。LORA模块相关电路如图6所示。LORA模块在通讯是突发电流较大，因此除了100nF瓷片电容用于滤波外还在靠近模块供电引脚的位置额外放置了一颗47μF的钽电容用于储能确保模块的供电稳定性。

图6 LORA模块原理图

1.5 供电设计

本设计中主机和从机均采用市电供电，MCU、光照度传感器等需要3.3V的供电电压，而LORA模块和继电器则需要5V的供电电压。因此采用两级供电方案，第一级采用的反激电源模块，将交流220V降至直流5V，供给LORA模块和继电器。第二级选用线性降压方案，采用线性稳压芯片将直流5V降至直流3.3V供给MCU和传感器等[5]。供电原理图如图7所示。考虑主机安装是室外环境中，市电供电容易收到雷击或浪涌影响，故在电源电路中加入保护器件。通过增加压敏电阻MOV1来防护市电中的浪涌。当线路中的浪涌电压超过压敏电阻的压敏电压时，压敏电阻将从高阻抗状态变成低阻抗状态，导致电路中熔丝F1烧毁断开与市电的连接进而保护后级电路避免损坏进一步加剧。同样当线路中的雷击感应电压超过气体放电管的击穿电压时，放电管内部气体在电场作用下发生电离而形成导体，进而可以将雷击感应电压通过地线释放。为提高电路抗电磁干扰的能力，以及降低反激电源通过电源线向外界传导电磁干扰，我们在电路中增加安规电容和共模电感，抑制共模干扰。

图7 供电原理图

1.6 看门狗设计

本设计中主机和从机是需要7×24小时不间断工作，为了防止单片机意外死机或程序卡死等导致设备故障，我们额外增加看门狗芯片，在单片死机时可以自动将单片机复位。其主要原理是看门狗芯片定期检测单片机产生的方波信号，一旦当该信号消失时，看门狗便判定单片机处于死机状态，便立即拉低单片机的复位引脚后释放，使单片机复位重启。

2 功能介绍

参数设置与查看功能：将外置蓝牙模块通过航空插头与主机连接后，用户可以通过手机APP查看主机相关参数信息。例如当前环境光照度值、设置的开灯光照度阈值、关灯光照度阈值。用户在APP上发送指令：set up limit:5,可以设置关灯的光照度阈值为5LX；发送指令set low limit:1, 可以设置开灯的光照度阈值为1LX。TSL2561 LUX：99为当前传感器测量光照度的实时数值。TSL2561 temp LUX：97为最近一分钟传感器实时数值的平均值，采用平均值与设定阈值进行比较，可以避免外界突发光照干扰造成的错误开关灯指令。系统各个参数和相关配置信息如图8所示。

图8 主机信息展示

故障告警功能：当从机和主机通讯异常或者从机的继电器没有正常动作时，主机的告警指示灯将亮起，提醒巡检人员设备发生故障须及时处理。同时巡检人员可通过手机APP查看详细故障报告，便于故障快速定位与处理。

3 系统测试

根据上述设计我们研制了一台样机并安装在浙江省温州市某一输气站内进行相关实验和测试。我们将从机安装在配电间内的路灯控制箱中，替换掉原先的时控开关，主机我们安装在控制室阳台墙壁上，样机测试数据的记录时间是2021年7月至10月。样机开灯光照度设置为1LX，关灯光照度设置为5LX。为便于记录测试数据，我们给主机增加了蜂鸣提醒功能，每当主机下达开灯或者关灯指令时蜂鸣器会发出响声，便于我们值班人员能够及时准确的记录下每天开灯和关灯时间。最终我们将记录的数据绘制成图表并加以分析。

通过如图9所示的关灯时间整体趋势我们可以看出关灯时间从7月的凌晨5点慢慢推迟到10月的凌晨6点，基本上数据总体呈现线性递增的趋势，关灯时间越来越晚，这一数据结论是符合我们的自然规律的，夏季的日出时间早于秋季，随着秋季的到来，天亮时间越来越晚，因此关灯的时间越来越晚。

图9 关灯时间趋势

通过如图10所示的开灯时间整体趋势我们可以看出开灯时间从7月的傍晚19点慢慢提前到10月的傍晚17点，基本上数据总体呈现线性递减的趋势，开灯时间越来越早，这一数据结论也是符合我们的自然规律的，夏季的日落时间晚于秋季，随着秋季的到来，天黑的越来越早，因此开灯的时间越来越早。

图10 开灯时间趋势

对于两份图表中个别时间点较相邻数据点偏差较大偏离线性趋势线的情况，我们通过拉取历史数据并查询该数据点当日天气情况分析得出个别数据偏离趋势线是受天气情况的影响。若当日天气为阴雨天则势必会导致该日天黑时间略早于平日或天亮时间略晚于平日。故天气状况是造成统计表中个别数据点偏离趋势线的主要原因。

4 结论

本文设计了基于LORA通讯的具有故障告警功能路灯光感开关，目前安装于输气站内并稳定运行。通过上述相关测试表明，本设计能根据环境亮度情况自动开启关闭路灯，有效解决因季节变化而频繁调整时控开关设定值的问题，同时也有效避免能源浪费，助力碳达峰、碳中和，并显著提高了路灯的有效使用时间，并减轻输气站内运行人员工作量。