基于SX1276 的新能源LED路灯无线控制器

付 河，罗婉霞

(广州广日电气设备有限公司，广东 广州 511447)

引言

在道路照明方面，高压钠灯由于能耗高，逐步被LED路灯所代替。新能源LED路灯(以光伏发电、风力发电和风光互补发电为代表的采用可再生资源的供电的LED路灯)由于节能减排效果显著，所以应用越来越广泛。新能源LED路灯共同特点是绿色环保和无污染，不需要敷设电力电缆，不仅降低了发电过程的碳排放，同时减少了工程施工的工作量和施工对环境的影响。通过对新能源LED路灯实施智能化控制，可以进一步降低能源消耗，同时还可以降低维护成本。因为新能源LED路灯不敷设电缆，无法通过电力载波或其它的有线方式进行控制，所以只能通过无线通信进行控制。在此背景下，我们开发了一种基于SX1276无线通信的新能源LED路灯控制器。

1 硬件设计

1.1 SX1276特性

SX1276 RF收发器采用LoRa(升特公司定义的一种通信方式)调制解调方式，是一种远距离传输的调制方式，在实现超远距的扩频方式的同时具有很强的抗干扰能力。SX1276工作在LoRa模式时，接收灵敏度可以达到-148dBm，通过集成的功率放大器取得领先的链路预算(最大可以达168dBm)，最大发射功率为20dBm，实现在通信距离、抗干扰性和功率消耗之间的平衡。在市区通信距离为2～5km，郊区最远可以达到15 km。SX1276的主要特点[1]：频率范围：137～1020 MHz;带宽：7.8～500 kHz;数据传输速率：180 bps～37.5 kbps;RF信号强度检测和CRC校验。

SX1276功能如图1所示，内部集成了高频和低频两个调制解调器，可以支持不同国家开放的频率标准，当产品销售到不同的国家时，不需要更改设计图纸，只需要配置相应的硬件和软件参数就可以实现无缝兼容。

图1 SX1276功能框图Fig.1 Function Diagram of SX1276

1.2 SX1276 RF电路设计

1.2.1 接收电路

SX1276具有高频和低频两组接收电路，为了可以接收低频和高频的信号，接收电路(图2)的必须有两组，两组电路的结构形式完全一致，只是电路的硬件参数不同，根据接收频率设定滤波电路的电阻、电容和电感的数值。

图2 接收电路Fig.2 Receiver Circuit

1.2.2 发射电路

发射电路(图3)采用了多个滤波器，L3,C23组成串联谐振电路，C9隔除直流信号，C13和L14,C16和L5分别组成并联谐振电路，根据不同的发射频率选择对应的硬件参数，使得发射信号达到最优状态。

图3 发射电路Fig.3 Transmitter Circuit

1.2.3 接收和发射选择电路

SX1276是半双工收发器，因此在接收数据和发射数据时，需要进行工作模式切换。在这里有TX和RX信号两种硬件连接方式，第一种是将发射和接收电路在天线处直接并联在一起；第二种是通过RF开关选择连接发射或者接收电路；两种方式相比较，第二种方式虽然增加了一点硬件成本，但是对于接收灵敏度有着显著提高。所以我们选择第二种方式，由于RF信号是137～1020 MHz范围，需要选用高频单刀双掷得RF开关切换发送和接收电路。在本设计中选用PE4259，PE4259是一种10MHz～3GHz的RF开关，通过+3V电平逻辑信号控制开关切换。SW_TR控制天线接通发射还是接收电路，电路见图4。

图4 接收和发射开关电路Fig.4 The Switch Circuit for Receiver and Transmitter

1.3 SX1276通信接口

SX1276与MCU的接口是通过SPI接口进行寄存器配置和数据的接收与发射，同时还提供DIO0～DIO5 六个数字接口，为MCU提供状态指示，见图5。

MCU选用瑞萨公司的uPD78F9234的单片机，由于uPD78F9234没有SPI接口，用通用I/O口模拟SPI功能。同时将SX1276的复位引脚连接到单片机的输出口，由单片机控制SX1276复位和工作。通过读取SX1276的DIO0-DIO5电平，并根据表1判断SX1276工作状态。

1.4 LED恒流驱动

由于本控制器针对光伏发电路灯和风光互补发电路灯设计，发电设备输出的是直流电，所以电源输入设计成低压直流输入，输入电压范围是12～60V，以适应不同的LED灯的应用。电源分为两个部分：电压调节电路(图6)和控制电路(图7、图8)。电压调节电路是BUCK电路[2]，所以在使用时必须保证输入电压高于LED的额定输入电压。

表1 状态指示表Table1 Status indictor

图5 SX1276通信接口Fig.5 SX1276 Communication Interface

图6 电压调节电路Fig.6 Buck Circuit

图7 电压和电流控制电路Fig.7 Voltage and Constant Current Control Circuit

图8 PWM驱动电路Fig.8 PWM Driver Circuit

在图6中，Q1可以防止输入电源正负极接反损坏控制器，与二极管相比具有通过电流大和压降小等优点。Q2是开关管控制输出电压和电流，通过电感L2和电容C13实现恒流输出。图7输出控制信号控制图8中U3的输出PWM波形。由PWM信号控制Q2开通与关断。

2 软件设计

SX1276 RF收发器必须初始化之后才可以工作在指定的模式，SX1276的寄存器必须在休眠或者空闲状态时才可以进行配置，所以在操作寄存器之前需要设置SX1276工作在相应的状态。下面分别介绍SX1276的初始化、接收、发送和组网功能。

2.1 SX1276初始化

首先通过单片机的控制SX1276的复位脚维持低电平100μs以上，然后拉高复位引脚，5ms以后才可以进行读写操作；如果SX1276是从休眠状态中恢复，高电平维持10ms之后才可以读写寄存器。具体初始化过程是：SX1276进入空闲状态，依次设置载波频率、扩频因子、编码率、CRC校验、信号带宽和数据包头格式(显式或隐式)。

载波频率计算公式如下：

(1)

fRF为载波频率(MHz)，fosc为外部晶体振荡器频率(MHz)，Frf为配置寄存器值。

符号速率计算公式如下：

(2)

Rs为符号速率(bps),Bw为信号带宽(Hz)，SF为扩频因子。

2.2 SX1276数据接收

SX1276可以支持连续接收和单一接收两种接收模式。在连续接收模式下，解调器持续扫描接收通道的先导符，当检测到先导符后，监测接收通道直到接收完数据包为止，然后进入下个循环。在单一模式下，在特定的时间窗口之间扫描先导符，如果侦测到先导符，进入数据接收模式，当数据包接收完成后，通过CRC校验来检查数据是否有效。下面以单一模式为例接收SX1276的接收过程：设定FIFO地址指针指向接收基地址，当收到先导符后，接收数据头，最后开始接收数据包。接收完成后自动进入空闲状态以减小功耗。每次接收完成重新初始化接收模式，具体过程见图9。

图9 接收流程Fig.9 Receive Flow Chart

2.3 SX1276数据发射

发送流程见图10，初始化发送寄存器，在空闲状态下将数据填充到FIFO，在填充完成后，进入发送模式，数据自动发送出去，数据发送完成时，产生数据发送中断。与接收数据相似，在每次填充数据之前需要初始化FIFO指针和发送数据基地址。

2.4 CAD(Channel Activity Detection)接收

为了进一步降低功耗，SX1276采用了通道活动检测技术，快速扫描方法检测活动通道上先导符，如果检测到先导符，SX1276 进入接收模式，如图11所示。CAD模式下的功耗与普通接收模式相比，工作电流和功耗减少约一半。

2.5 控制和保护

如图6和图7所示，控制器根据设定的输出电压和输出电流，通过调节PWMVref的占空比，与电压取样值V*经过运算放大器U5(B)、U5(C) 计算后输出VPI，MCU采样运算调整输入控制，构成电压闭环控制；同理，PWMIref和电流取样值I*经过运算放大器U5(A)、U5(D)计算后输出IPI，MCU采样运算调整输入控制，构成电流闭环控制。PWMVref和PWMIref共同控制VFB 信号，通过U3驱动Q2，实现LED灯恒流驱动。当接收到调光命令时，调整电流PWM占空比，就可以实现LED灯调光。

不论是光伏发电路灯还是风光互补发电路灯，都是将电能储存在蓄电池中，在晚上释放电能驱动LED路灯照明。由于受成本限制或蓄电池性能的衰减，蓄电池容量是有限的，通过分析记录每组蓄电池放电规律进行自学习，预测蓄电池剩余电量的放电时间，与控制器时钟进行比较，如果电池的放电时间不足以供LED路灯工作到天亮时，适度调节LED灯的亮度，以延长LED路灯的照明时间，尽量使LED路灯在整个晚上都可以点亮。

由于具有电压和电流反馈，当电压、电流出现异常时，及时关闭输出，保护控制器和蓄电池不被损坏。当出现异常时，可以通过RF无线通信方式报告故障信息和LED路灯的状态。

图10 发送流程Fig.10 Transmitter Flow Chart

图11 CAD流程Fig.11 CAD Flow Chart

3 结论

与FSK、ZIGBEE和蓝牙等无线通讯方式相比，如表2所示，灵敏度显著提高。

表2 灵敏度表Table2 Sensitivity

由于SX1276灵敏度高，在相同的发射功率条件下通讯距离显著增加，FSK和蓝牙都是短距离通讯方式，不适合LED路灯控制应用；与目前应用较多地ZIGBEE控制方式相比， 在通讯距离、网络可靠性、功耗低和载波频率等方面具有很大的优势。

1)通讯距离：ZIGBEE的在可视条件下最远距离是2km；SX1276在同等条件下可以达到15km，在城市环境中的通讯距离5km。

2)网络可靠性：ZIGBEE组网方式一般采样对等网络，组网算法复杂，网络故障的几率增加，如果网络中的路由发生故障，整个网络就会瘫痪。 SX1276通讯距离远，不需要复杂的组网方式，采用星型网络，实现点对点的方式进行通讯，当网络中某个节点发生故障，不会影响网络中的其它LED路灯的正常控制和工作。

3)功耗低：ZIGBEE接收电流30mA以上，SX1276接收电流小于10mA。

4)载波频率：目前国内ZIGBEE频率都是2.4GHz，由于2.4GHz频率设备众多，比如WIFI、蓝牙等，ZIGBEE通讯易于受到干扰；SX1276是434MHz或868MHz，在室外环境设备较少，不易受到干扰，同时集成了跳频技术，抗干扰能力强。

由于LED路灯控制器的传输数据量小，我们采用434MHz载波频率，信号带宽是250kHz，扩频因子是12，编码率4/8，通信波特率是586bps，在实际通信中，完全满足数据传输需求。基于SX1276的新能源LED路灯控制器已经在逐步推广应用，在城市环境的工程中，实测可靠通信距离最远可以达到5km，完全满足设计和应用要求。网络结构简单，通信出现故障的几率大幅度降低。在LED路灯控制中首次引入RF控制技术，简化了网络拓扑结构，提高了产品的可靠性，为新能源LED路灯的控制提供了一种有效的解决方案。

[1] Semtech Corporation SX1276/77/78 数据手册[Z/OL].www.semtech.com, 2013.

[2] Abraham I Pressman, Keith Billings, Taylor Morey. Switching Power Supply Design(Third Edition)[M].北京：电子工业出版社，2010.