基于LORA通訊的路燈光感開關設計

王安

（浙江浙能天然氣運行有限公司，浙江杭州，310051）

0 引言

目前輸氣站內的夜間照明路燈與工藝區防爆路燈的控制均是由基建時安裝好的時控開關控制，由于白晝時間變化不一，以及天氣關系的影響，每日天黑天亮時間不定，因此傳統時控開關的定時開關模式就顯得不夠靈活。出于安全生產考慮，同時為了減少天氣因素和季節變化的帶來影響，時控開關的設置開燈時間一般比天黑時間早1小時，以此保證天黑時需要照明的場所均已得到照明。因此往往天還沒黑路燈就亮了或者天亮了路燈還沒有關閉，此時路燈均屬于無效照明，增加了路燈的無效使用時間，同時造成了電能的浪費，違背國家碳達峰碳中和的戰略目標。而且隨著四季更替造成天黑天亮時間變化，每月需要站內運行人員去修改時控開關的定時參數，或者人工開啟關閉路燈，耗費人力[1]。同時經常性的去修改位于配電箱內的時控開關參數無形中增加了許多作業安全風險，為此本文提出了基于LORA通訊的路燈光感開關的設計。

1 系統設計方案

1.1 模塊設計概述

模塊由主機和從機構成，主機主要負責檢測，從機負責執行，模塊整體功能框圖如圖1所示。

圖1 系統功能框圖

主機由光照度傳感器TSL2561、微控制器STM32F072、LORA通信模塊和電源模塊等構成。其中TSL2561光照度傳感器負責檢測外界環境的明暗程度[2]。通過微控制器STM32F072讀取光傳感器測量數據，再和預先設置的閾值進行比較分析，根據分析結果產生開關燈指令。開關燈指令采用無線通訊方式進行傳輸，通過LORA模塊發送給從機。同時主機內置故障自檢分析診斷電路，根據從機反饋的繼電器狀態信號，以及對通訊連接狀態的判斷，智能分析故障原因，通過報警指示燈進行故障提示，用戶也可通過連接主機藍牙查看具體故障報告。由于主機使用金屬外殼，若將藍牙模塊內置在主機內則還需額外增加一根天線，并且用戶只有在配置參數或者查看故障報告時才使用到藍牙功能，日常很少使用，因此選擇將藍牙模塊外置，通過航空插頭與主機連接。連接外置藍牙模塊后用戶可以進行各項系統參數查看與配置。主機如圖2所示。

圖2 主機

從機主要由繼電器、微控制器STM32F072、LORA通信模塊和電源模塊構成。主控STM32F072根據LORA通信模塊接收到的開關指令控制繼電器的吸合與釋放，再通過繼電器控制外部接觸器的開啟與關閉，繼而控制路燈的開啟和關閉。針對繼電器可能出現觸點粘連或繼電器未動作等造成路燈無法正常開啟的情況，從機主控下達完開關指令后，主控通過檢測繼電器的輔助觸點狀態進而得知繼電器主觸點的實際狀態，并將檢測結果通過LORA模塊反饋給主機，以此完成繼電器故障自檢。從機如圖3所示。

圖3 從機

1.2 主控單片機選型

本設計中主控需要和各個子模塊進行通信，例如光照度傳感器是采用I2C通信協議，而LORA模塊和藍牙模塊則是采用UART串口通信協議。主控是將各個模塊的信息進行匯總處理，在本設計中控制邏輯相對簡單。因此對主控的主頻要求并不高，常規的主流單片機均能滿足本設計需求，故本設計選用了意法半導體的Cortex-M0系列單片機TM32F072作為主控。STM32F072主頻高達48MHz并且擁有兩個I2C總線接口、四個UART接口以及擁有一個16通道的12位ADC（數模轉換器），滿足本項目的設計需求。同時STM32系列單片機擁有豐富的外設固件庫，便于我們開發應用，大大縮短研發周期。主控模塊電路設計如圖4所示，單片機各個電源引腳均放置100nF瓷片電容濾除電源中的高頻干擾，為電路中的高頻噪聲電流提供低阻抗泄放回路，同時作為儲能元件，保障單片機突發的供電需求，確保單片機供電穩定。根據單片機數據手冊選擇IO口PB10、PB11作為藍牙模塊通信串口，IO口PA9、PA10作為LORA模塊通信串口，IO口PB6、PB7作為光照度傳感器的I2C通信接口。因系統還需要監測供電電壓，故選用IO口PB1作為ADC采樣接口，由于ADC的輸入范圍為0～3.3V，因此5V供電電壓需經過兩個10k電阻分壓后才能送到PB1，供單片機采樣供電電壓。BOOT0引腳通過10k 電阻下拉到地，設置單片機直接從內置存儲器啟動程序。

圖4 主控連接原理圖

1.3 光照度傳感器選型

本設計中主機需要檢測外界環境光照度，以此來作為開啟或關閉路燈的依據。目前市面上使用的常規方案是光敏電阻檢測外界環境亮度[3]，其原理是根據材料特性，在不同光照強度下呈現出不同的阻抗特征。但光敏電阻無法定量的反應光照強度，不便于閾值設置，且易受溫度影響?？紤]到主機是安裝于室外，因此本設計不選用光敏電阻做為光傳感器。另外一種測量方案是選用光照度傳感器TSL2561作為測量元件，TSL2561是第二代環境光傳感器設備，內部包含兩個光電二極管并集成ADC（數模轉換器）。每次轉換結束后將結果存入寄存器中主控通過讀取TSL2561的寄存器數據后帶入公式可以換算出當前光照度值（單位LX），便于后續進行開關燈的閾值設置。并且TSL2561能自動抑制50 Hz/60 Hz的光照波動，結合后續軟件濾波設置，整體可實現良好的抗干擾能力。TSL2561的工作溫度為-30℃～70℃，完全能夠滿足室外工作的溫度范圍要求。光照度傳感器電路如圖5所示，在芯片電源引腳附近放置100nF和1μF瓷片電容，100nf電容濾除高頻干擾而1μF電容可以保障芯片供電穩定。I2C總線的時鐘線和數據線SCL、SDA通過1k電阻上拉至芯片供電。芯片地址位設置引腳我們通過4.7k電阻下拉到地，設置I2C總線訪問地址為0101001。TSL2561還有一個中斷輸出引腳INT，當光照度超過我們配置的上閾值或者下閾值時，芯片會通過該引腳輸出一個中斷信號，在本設計中由于有單片機進行閾值判斷且不需要低功耗設計需求的考慮故未使用該引腳功能。

圖5 光照度傳感器原理圖

1.4 通訊模塊選型

由于主機安裝于室外，而從機安裝于室內的配電箱內，兩者直線距離相距數十米之遠。若采用有線方式進行通信則線纜鋪設耗費人力物力，并且需要開挖敷線，工程量較大。因此有線通信的方式不適合應用在本設計中。采用無線方式進行通訊，則無需考慮開挖敷線等安裝問題，只需將主從機分別安裝在合適位置即可，方便靈活便于后期大面積安裝部署。

目前常用的無線通信方式有藍牙、WIFI、紅外、LORA、4G、NB-IOT等。在本設計中通信距離達數十米之遠，并且信號需要穿過建筑物墻體，因此藍牙、WIFI、紅外等顯然都不適用于本設計中。剩余的LORA、4G、NB-IOT則均能滿足本設計的應用需求，考慮到4G、NB-IOT是通過電信運營商的網絡傳輸信號，會產生相關的通信費用，因此綜合考慮之下本設計選用LORA作為通信方式。

采用LORA通信模塊，其具有靈敏度高、低成本、低功耗、抗干擾、傳輸距離遠等優點[4]。LORA模塊工作于免牌照頻段節點，非常便于后期的使用安裝部署。而其協議中包含了LBT功能，基于aloha的方式，使其具有了自動頻點跳轉和速率自適應功能，因此LORA具有了抗干擾性強的優點。LORA模塊相關電路如圖6所示。LORA模塊在通訊是突發電流較大，因此除了100nF瓷片電容用于濾波外還在靠近模塊供電引腳的位置額外放置了一顆47μF的鉭電容用于儲能確保模塊的供電穩定性。

圖6 LORA模塊原理圖

1.5 供電設計

本設計中主機和從機均采用市電供電，MCU、光照度傳感器等需要3.3V的供電電壓，而LORA模塊和繼電器則需要5V的供電電壓。因此采用兩級供電方案，第一級采用的反激電源模塊，將交流220V降至直流5V，供給LORA模塊和繼電器。第二級選用線性降壓方案，采用線性穩壓芯片將直流5V降至直流3.3V供給MCU和傳感器等[5]。供電原理圖如圖7所示?？紤]主機安裝是室外環境中，市電供電容易收到雷擊或浪涌影響，故在電源電路中加入保護器件。通過增加壓敏電阻MOV1來防護市電中的浪涌。當線路中的浪涌電壓超過壓敏電阻的壓敏電壓時，壓敏電阻將從高阻抗狀態變成低阻抗狀態，導致電路中熔絲F1燒毀斷開與市電的連接進而保護后級電路避免損壞進一步加劇。同樣當線路中的雷擊感應電壓超過氣體放電管的擊穿電壓時，放電管內部氣體在電場作用下發生電離而形成導體，進而可以將雷擊感應電壓通過地線釋放。為提高電路抗電磁干擾的能力，以及降低反激電源通過電源線向外界傳導電磁干擾，我們在電路中增加安規電容和共模電感，抑制共模干擾。

圖7 供電原理圖

1.6 看門狗設計

本設計中主機和從機是需要7×24小時不間斷工作，為了防止單片機意外死機或程序卡死等導致設備故障，我們額外增加看門狗芯片，在單片死機時可以自動將單片機復位。其主要原理是看門狗芯片定期檢測單片機產生的方波信號，一旦當該信號消失時，看門狗便判定單片機處于死機狀態，便立即拉低單片機的復位引腳后釋放，使單片機復位重啟。

2 功能介紹

參數設置與查看功能：將外置藍牙模塊通過航空插頭與主機連接后，用戶可以通過手機APP查看主機相關參數信息。例如當前環境光照度值、設置的開燈光照度閾值、關燈光照度閾值。用戶在APP上發送指令：set up limit:5,可以設置關燈的光照度閾值為5LX；發送指令set low limit:1, 可以設置開燈的光照度閾值為1LX。TSL2561 LUX：99為當前傳感器測量光照度的實時數值。TSL2561 temp LUX：97為最近一分鐘傳感器實時數值的平均值，采用平均值與設定閾值進行比較，可以避免外界突發光照干擾造成的錯誤開關燈指令。系統各個參數和相關配置信息如圖8所示。

圖8 主機信息展示

故障告警功能：當從機和主機通訊異?；蛘邚臋C的繼電器沒有正常動作時，主機的告警指示燈將亮起，提醒巡檢人員設備發生故障須及時處理。同時巡檢人員可通過手機APP查看詳細故障報告，便于故障快速定位與處理。

3 系統測試

根據上述設計我們研制了一臺樣機并安裝在浙江省溫州市某一輸氣站內進行相關實驗和測試。我們將從機安裝在配電間內的路燈控制箱中，替換掉原先的時控開關，主機我們安裝在控制室陽臺墻壁上，樣機測試數據的記錄時間是2021年7月至10月。樣機開燈光照度設置為1LX，關燈光照度設置為5LX。為便于記錄測試數據，我們給主機增加了蜂鳴提醒功能，每當主機下達開燈或者關燈指令時蜂鳴器會發出響聲，便于我們值班人員能夠及時準確的記錄下每天開燈和關燈時間。最終我們將記錄的數據繪制成圖表并加以分析。

通過如圖9所示的關燈時間整體趨勢我們可以看出關燈時間從7月的凌晨5點慢慢推遲到10月的凌晨6點，基本上數據總體呈現線性遞增的趨勢，關燈時間越來越晚，這一數據結論是符合我們的自然規律的，夏季的日出時間早于秋季，隨著秋季的到來，天亮時間越來越晚，因此關燈的時間越來越晚。

圖9 關燈時間趨勢

通過如圖10所示的開燈時間整體趨勢我們可以看出開燈時間從7月的傍晚19點慢慢提前到10月的傍晚17點，基本上數據總體呈現線性遞減的趨勢，開燈時間越來越早，這一數據結論也是符合我們的自然規律的，夏季的日落時間晚于秋季，隨著秋季的到來，天黑的越來越早，因此開燈的時間越來越早。

圖10 開燈時間趨勢

對于兩份圖表中個別時間點較相鄰數據點偏差較大偏離線性趨勢線的情況，我們通過拉取歷史數據并查詢該數據點當日天氣情況分析得出個別數據偏離趨勢線是受天氣情況的影響。若當日天氣為陰雨天則勢必會導致該日天黑時間略早于平日或天亮時間略晚于平日。故天氣狀況是造成統計表中個別數據點偏離趨勢線的主要原因。

4 結論

本文設計了基于LORA通訊的具有故障告警功能路燈光感開關，目前安裝于輸氣站內并穩定運行。通過上述相關測試表明，本設計能根據環境亮度情況自動開啟關閉路燈，有效解決因季節變化而頻繁調整時控開關設定值的問題，同時也有效避免能源浪費，助力碳達峰、碳中和，并顯著提高了路燈的有效使用時間，并減輕輸氣站內運行人員工作量。