基于LoRa技术的智能校园照明管理系统

黄洁文

（桂林理工大学南宁分校，广西 南宁 530001）

在计算机和通信技术日新月异的今天，智能化、网络化以超出想象的速度发展。特别是物联网[1]概念的提出，各种应用更是如雨后春笋般出现。通过物联网终端就可以为人们提供更加便捷的信息和决策服务，还可以远程对联网设备进行查询和控制，从而减轻人们的劳动强度，并提高了设备的管理水平。智能校园照明管理系统就是在这样的需求下进行的研究。

1 LoRa技术简介

LoRa[2]是一种新型的数据通信传输技术。2013年8月，Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1 Ghz以下的超长距离低功耗数据传输技术（LongRange，简称LoRa）的芯片。其接收灵敏度达到了惊人的-148 dBm.它使用线性调频扩频调制技术，既保持了像FSK调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离。这些关键特征使得LoRa技术非常适合于要求功耗低、距离远、大量连接和数据量小的物联网应用，如智能抄表、智慧农业、智慧校园等等应用。

2 系统总体设计

智能校园照明管理系统主要由运行于智能终端的应用App、控制主机、开关节点三部分组成，其系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

应用App运行于智能终端上，智能终端通过WiFi连接控制主机的热点。运行App可与控制主机进行数据交换。在App端设定好的数据，通过WiFi传输给控制主机。控制主机根据App发来的数据进行解析，通过LoRa发送给开关节点，开关节点再驱动相应的继电器，从而实现了对照明用电设备的控制。系统具有对被控照明设备进行实时、定时控制，并能反馈被控照明设备的状态。通过智能终端可对照明系统的集中远程控制和查询，方便对照明设备的管理和维护。

3 系统硬件设计

3.1 控制主机

控制主机由单片机模块、液晶显示模块、WiFi模块、LoRa无线通信模块、键盘模块五部分组成。其结构图如图2所示。

（1）单片机模块采用宏晶科技公司的STC15W4K 56S4作为主控芯片，该芯片是增强型8051单片机，芯片拥有4KBram，56KBflash存储器以及丰富的片上资源，具有运行速度快，运行电压宽（2.5 V～5.5 V），抗干扰能力强的特点。单片机作为控制主机的大脑，协调与之相连的模块运行。

图2 控制主机结构图

（2）WiFi模块采用ESP8266[3]芯片的模块。该芯片为乐鑫信息科技（上海）有限公司专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计。芯片集成了Tensilica’sL106系列32bit处理器、天线开关、射频balun、功率放大器、低噪声放大器等模块。其支持802.11b/g/n，可工作在Station模式和softAP模式。在该设计中，ESP8266工作于softAP模式，智能终端通过WiFi接入控制主机，通过socket编程进行数据交换。

（3）LoRa无线通信模块采用深圳安信可科技的LoRa模块，该模块是安信可科技基于Semtech专利技术芯片SX1278研发的一款高品质LoRa射频前端，具有超远距离扩频通信，抗干扰性强、低电流消耗等特征。同时支持传统的FSK调制技术和LoRa扩频技术，最高可实现-148 dBm的高灵敏度，芯片内部集成了高功率放大器，可实现最大20 dBm的功率输出，非常适合远距离传输且对可靠性要求较高的应用场合。在低速率传输条件下，开阔环境通信距离可达数十公里。在控制主机中，LoRa无线通信模块是与开关节点的通信桥梁，单片机通过WiFi模块接收到的数据，再通过LoRa模块发送给开关节点。

3.2 开关节点

开关节点由单片机模块、LoRa无线通信模块、继电器模块组成，其结构图如图3所示。

图3 开关节点结构图

开关节点在单片机STC15W4K56S4的统一控制下运行。平时LoRa无线通信模块处于接收状态，当接收到数据时，与自己的地址进行比对，如果相同，则对接收的数据包进行解析，并对输出继电器进行开关控制，达到了远程控制负载的目的。

4 系统软件设计

在整个系统中，软件分为三个部分：智能终端Android应用App、控制主机软件、开关节点软件。应用App采用Androidstudio环境进行开发。控制主机和开关节点采用keilC51进行开发。在整个系统中，控制主机的WiFi模块工作于softAP，接收来自应用App的数据。控制主机根据接收到的数据，通过LoRa无线通信模块发送给开关节点。从而达到远程控制用电负载的目的。控制主机程序流程图如图4所示。

图4 控制主机程序流程图

5 测试结论

本设计属桂林理工大学校园科技项目，已在校园环境下做过实际使用测试。按测试方案，将主机安装在4号教学楼3楼，同时在分别处于主机安装点东、西、南三个方向的8号教学楼、实训楼C栋和3号教学楼布设多个开关点（各点距主机的距离分别为210 m、3.5 km和40 m），进行连续一个星期的无间断工作测试。

测试结果表明：在测试期间，各开关节点均能对智能终端发出的命令作出准确及时的响应，对其所分别控制的路灯的开关动作错误率为零，完全达到了设计目的。在随后的测试中，任意增减控制网络的开关节点数目，并未发现对系统的工作有任何不良影响，充分体现了LoRa技术的可靠性和灵活的扩展性。在对处于控制主机最远距离，安装在实训楼C栋的开关节点的检测情况看，虽然两点距离长达3.5 km，且中间有树木及建筑物遮挡，在晴雨、白昼等天气及气象条件下，均能正常工作和随时增减节点。如果采用WiFi或传统FSK的通信方式，要达到同样的覆盖范围和传输效果，必然要增加多个中继，从而增加安装、维护的难度和成本，甚至还会导致可靠性下降等问题，从这点上看，采用LoRa扩频通信技术在传输距离上的优势极为明显。

6 结束语

本文采用的基于LoRa技术设计的智能照明管理系统可以实现利用智能终端对照明用电设备进行远程控制和管理，不仅适用于校园环境使用，还可以推广至办公大楼、住宅小区用电设备的集中控制。在实际使用中无需进行复杂耗时的布线工作。只需增加开关节点即可，具有灵活的扩展性和使用性。随着人们对节能减排的追求，会有更多的应用场景。

[1]王阳，温向明，路兆铭，等.新兴物联网技术——LoRa[J].信息通信技术，2017，11（01）：55-59,72.

[2]赵太飞，陈伦斌，袁 麓，等.基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2016，24（09）：298-301.

[3]王 浩.基于Esp8266WIFI平台和MQTT协议的远程设备数据采集与控制设计[J].泰山学院学报，2017，39（06）：86-91.