基于LoRa 物聯網的城市道路照明能耗與竊電監測系統

何湘桂 ，孟志強 ?，周華安

（1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082）

隨著智慧城市的發展，城市道路照明已不僅僅作為夜間道路交通安全的重要保障，其燈桿也成為智慧城市建設基礎設施的載體，不僅接入LED 燈具，還接入大量的LED 屏、攝像頭、物聯網設備等智能設備，實現城市的智慧化管控［1-2］.因此，照明系統供電回路的電力數據不再是單一的照明用電數據，直接使用供電回路的電力數據已不能準確獲得照明能耗.

隨著物聯網技術的發展，ZigBee、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT 等無線通信技術逐漸被應用于城市照明系統LED 燈具的無線控制與單燈數據采集，實現LED燈具的有效管控與靈活控制，也為照明能耗數據監測與分析提供了有效途徑［3-5］.相比于ZigBee 與Wi-Fi，LoRa具有更遠的通信距離、更強的抗干擾能力和容量大等特點［6-8］；相比于NB-IoT 等基于電信運營商基站通信的無線通信技術，LoRa 用戶可構建私有通信網絡，不需要向電信運營商繳納通信運營費用，成本相對更低［9］.因此，將LoRa 應用在城市道路照明系統中具有明顯的優勢.文獻［10］提出了一種LoRa無線城市道路照明監控系統，利用LoRa 無線單燈控制器對燈具進行無線監控，通過智能電表監測照明供電回路的照明能耗，未考慮回路中接入其他用電設備的影響.文獻［11］提出了一種具備LoRa 無線通信的可調光LED 數字化電源，直接對LED 光源模組進行調光與開關控制，并對LED 光源模組的電壓、電流和功率進行無線數據采集.文獻［12］提出了一種LoRa 級聯組網的路燈控制系統，可避免因城市建筑物遮擋對無線通信信號的影響，進一步延長無線網絡的通信距離，并可對燈具運行狀態進行監測和故障報警.文獻［13］使用LoRa 通信技術實現城市路燈數據監測與控制，設計了一種可視化智能監控平臺，以提高路燈巡檢效率.

LoRa 是一類通信速率較低的半雙工通信技術，難以在同一時刻實現道路照明系統數量眾多燈具與用電設備運行數據的同步采集.因此，現有研究成果一般都是通過無線輪詢采集單燈電力數據，統計一定時間內的照明總能耗，不能實時評估智能照明系統策略的節能效果，更不能實現照明線路竊電行為的實時診斷.

本文研究與實現一種基于LoRa 物聯網技術的城市道路照明能耗與竊電監測系統.該系統采用LoRa 無線通信技術開發集中控制器，實現對LED 燈具的無線監控；提出一種兩步無線通信、分時同步采集所有LED 燈具和其他用電設備的照明累計能耗等電力數據，由集中控制器計算同一時刻回路總功率與照明及其他用電設備功率之差，進而進行竊電行為判斷的實時照明能耗與竊電監測策略；給出軟件實現方法，設計了集中控制器硬件與程序，并修改了LoRa 無線LED 燈具驅動電源程序實現LED 燈具數據的定時同步采集與存儲；實驗結果驗證了無線照明能耗與竊電監測系統功能的有效性.

1 系統架構與集中控制器

1.1 系統架構與功能

照明能耗與竊電監測系統架構如圖1 所示，包含設備有集中控制器、智能電表、LoRa 無線LED 燈具驅動電源、LoRa無線數據采集器，LED燈具驅動電源和數據采集器構成系統的LoRa 無線網絡監測對象節點，簡稱網絡節點.圖1 中LED 光源為照明燈具，用電設備1～m為LED 廣告屏、環境監測裝置、攝像頭等其他用電設備.智能電表計量供電回路的總能耗等電力數據；驅動電源控制LED 燈具的調光，使用電能計量芯片采集LED 燈具的電力數據；數據采集器使用電能計量芯片采集對應用電設備的電力數據；集中控制器分別與智能電表RS485 通信，與網絡節點LoRa 通信，同步獲取用電設備累計能耗等電力數據，運行照明智能控制、照明能耗與竊電監測策略，實現城市照明的智能化控制、照明能耗與竊電監測.

圖1 照明能耗與竊電監測系統架構Fig.1 System architecture of lighting energy consumption and power theft monitoring

1.2 集中控制器

集中控制器為照明能耗與竊電監測系統的主控制器，實現城市照明系統的回路控制與狀態監測、回路各用電設備電力數據采集、回路電表數據采集和能耗監測與竊電監測等功能，并通過4G-CAT1 模塊與遠程監控平臺進行數據通信，實現照明系統遠程監控.

集中控制器使用STM32F407ZET6 單片機作為CPU，CPU 與4G-CAT1通信模塊串口連接，實現與遠程監測平臺的數據通信；CPU 通過I/O 口連接4 路繼電器輸出電路與4 路開關量輸入電路，實現對供電回路的交流接觸器控制與狀態監測；選用24C08 型EEPROM 存儲模塊，采用I2C 方式將集中控制器程序內部關鍵參數保存在EEPROM 模塊中；CPU 與觸摸屏串口通信，實現本地操作控制；采用SPI 方式與LoRa 無線通信模塊通信，通過通信模塊實現對網絡節點的無線控制與數據采集；通過串口控制485 通信電路與智能電表進行485 通信，采集回路供電能耗等電力數據；工作電源模塊為集中控制器提供工作電源.

集中控制器電路模塊構成如圖2所示.

圖2 集中控制器電路模塊構成Fig.2 Centralized controller circuit module

2 照明能耗與竊電監測策略

實現能耗與竊電監測需要獲取系統中所有用電設備同一時刻的電力數據，但是，低速率半雙工無線通信LoRa 不能在同一時刻同步完成眾多設備的數據采集.為此，本文提出一種兩步無線通信、分時同步數據采集的照明能耗與竊電監測策略：

第一步，采用廣播方式使系統內所有網絡節點在同一時刻Ti采集對應用電設備的電力數據并保存；第二步，在Ti時刻之后采用輪詢方式分時獲取所有用電設備的電力數據，實現系統照明能耗分析所需電力數據的同步采集.

分類統計計算Ti時刻照明系統各相供電回路LED 照明燈具和其他用電設備的功率、累計能耗，以及照明系統的總功率和總累計能耗，實現能耗分析；將使用智能電表采集的每一相用電總功率，與同一相LED 照明燈具功率、其他用電設備功率之和進行比較，實現回路竊電監測.

照明能耗與竊電監測實現原理與步驟如下：

1）集中控制器通過LoRa 無線通信模塊，向所有網絡節點廣播發送Ti時刻電量采集保存指令，Ti的值為：

式中：T0為每天的集中控制器初次采集時刻；ΔT為能耗監測周期，需大于系統輪詢通信和運行能耗與竊電監測策略所需要的最長時間Ts；j為每天的監測次序，j∈｛1，2，3，…，jmax｝，每次系統完成輪詢通信后更新監測次序，使Ti更新；當j＜jmax時，完成輪詢通信后j遞增1；當j=jmax時，使j=1，使次日的初始采集時刻為T0.jmax滿足：

廣播電量采集保存指令在前次能耗與竊電監測策略執行完后發送，發送時刻Tf為：

Δtj大于所有網絡節點接收廣播電量采集保存指令所需要的時間，監測周期最小值ΔTmin滿足：

2）每臺網絡節點接收到廣播采集保存指令后解析指令獲得Ti，讀取系統內部時鐘t，計算時差Δtc：

通過CPU 自帶定時器模塊采用中斷方式實現時差Δtc的定時，在定時中斷服務子程序中，即在Ti時刻讀取內部電能計量芯片中該時刻采集的用電設備電壓、電流、功率和累計能耗，并保存到指定存儲單元組中.

3）集中控制器在Ti時刻后延時適當時間，向網絡節點輪詢廣播發送包含節點ID 信息的數據反饋指令，并等待接收網絡ID 節點上傳的Ti時刻電力數據.

4）網絡節點接收到數據反饋指令后，解析指令，若指令中的ID 與節點自身ID 一致，則讀取指定存儲單元組保存的Ti時刻電力數據并上傳集中控制器.

5）集中控制器按照各相供電回路上網絡節點的輪詢采集次序，接收并保存網絡節點返回的Ti時刻電力數據，在接收完所有節點數據后，按照回路相序k計算并保存在Ti時刻該相接入的第n個LED 燈具的LED單燈功率Pkn與累計能耗Qkn，及第m臺其他用電設備的功率Pskm與累計能耗Qskm，n∈｛1，2，3，…，Nk｝，Nk為第k相接入的LED 燈具數量，m∈｛1，2，3，…，Mk｝，Mk為第k相接入其他用電設備的數量，k∈｛1，2，3；1=A，2=B，3=C ｝.

若集中控制器在一定時間內的多次重復詢問都沒有接收到被詢問網絡節點的反饋數據，則標記該節點發生了通信故障.

6）集中控制器統計Ti時刻供電回路各相LED 照明燈具功率Pk、照明累計能耗Qk和照明總功率Plamp、累計總能耗Qlamp：

7）集中控制器統計Ti時刻供電回路各相所有的其他用電設備功率Psk、累計能耗Qsk和總功率Prest、總累計能耗Qrest：

8）集中控制器在Ti時刻通過串口采集智能電表數據，獲取Ti時刻的各相用電總功率Phk、總能耗Qhk.

9）計算每一相的用電功率差值ΔPk：

10）比較功率差值，設置竊電標志Sk：

式中：ΔPek表示竊電監測判斷閾值.當ΔPk小于ΔPek，第k相供電回路用電正常，不存在竊電行為，則置Sk=0；否則，第k相供電回路上存在竊電行為，則置Sk=1.

11）當存在竊電行為，即Sk=1 時，計算該相回路產生的竊電功率Pqk：

3 軟件實現

3.1 集中控制器程序設計

3.1.1 集中控制器主程序

集中控制器主程序流程圖如圖3 所示.初始化SPI、Uart、I2C、I/O、定時器等CPU內部功能模塊；通過SPI 接口初始化LoRa 無線通信模塊，配置通信頻率、擴頻因子、調制帶寬等通信參數；通過I2C 讀取EEPROM 中保存的系統關鍵參數；通過Uart 初始化4G-CAT1通信模塊，連接遠程平臺；調用照明能耗與竊電監測子程序，實現照明系統能耗與竊電監測.

圖3 集中控制器主程序流程圖Fig.3 Main program flow chart of centralized controller

3.1.2 照明能耗與竊電監測子程序

照明能耗與竊電監測子程序執行照明能耗與竊電監測策略，在Ti時刻之后輪詢采集Ti時刻網絡節點的電力數據，實現能耗分析與竊電監測，照明能耗與竊電監測子程序流程圖如圖4 所示.集中控制器讀取系統時間Tst和系統設置的T0、ΔT、Δtj，由式（1）～式（3）計算Ti、Tf、jmax；讀取系統設置的各相用電設備數量Nk、Mk，并賦變量初值p=0，m=n=j=k=1，當Tst=Tf時，廣播發送Ti時刻電量采集保存指令；當Tst=Ti時，通過串口采集電表數據Phk、Qhk，為確保網絡節點Ti時刻完成數據采集與保存，延時Ty1時間后輪詢發送節點數據反饋指令，采集各相LED 照明燈具和其他用電設備的功率、累計能耗；在輪詢過程中，集中控制器發送數據采集指令后，延時Ty2時間等待節點數據上傳，若節點無反饋數據，則執行數據反饋指令重發，若連續2 次重發節點仍無反饋數據，則標記該節點通信故障；集中控制器對各相供電回路的網絡節點完成輪詢后，由式（6）～ 式（14）計算得到Ti時刻的Pk、Plamp、Qk、Qlamp、Psk、Qsk、Prest、Qrest、ΔPk，根據式（15）得到Sk，并在Sk=1時由式（16）計算Pqk.

圖4 能耗與竊電監測子程序流程圖Fig.4 Flow chart of subroutine for energy consumption and power theft monitoring

3.2 LoRa無線LED燈具驅動電源主程序修改

LoRa 無線LED 燈具驅動電源在城市道路無線照明系統中作為LED 燈具的控制終端和驅動電源，使用電能計量芯片采集LED 照明燈具電壓、電流、功率、累計能耗等電力數據，能接收集中控制器的無線指令，實現LED 燈具的無線調光與控制，能上傳燈具的電力數據，是作者團隊成功開發的專利產品.

由于LED 驅動電源為一個成熟產品，其程序不能實現城市照明系統中數量眾多的LED 燈具能耗等電力數據的定時同步采集，因此，本文對LoRa 無線LED 燈具驅動電源中涉及數據采集的主程序進行了修改，使LoRa 無線LED 燈具驅動電源接收集中控制器廣播發送的Ti時刻電量采集保存指令，在Ti時刻采集LED 照明燈具功率、累計能耗等電力數據，并將數據存入存儲單元組，若接收到集中控制器發送的數據反饋指令，則讀取存儲單元組中保存的電力數據，將數據無線傳輸到集中控制器.

修改后的LoRa 無線LED 燈具驅動電源主程序流程圖如圖5 所示，修改部分見圖5 中虛線以下部分.初始化CPU 的SPI、Uart、I/O、定時器等內部功能模塊和LoRa 無線通信模塊，設置通信模塊為接收模式，通信參數與集中控制器的一致；循環運行驅動電源常態化智能控制子程序，實現LED 照明燈具的無線調光、開關控制等功能；采用查詢方式判斷通信模塊是否有接收數據，即查詢CPU 引腳PD2的電平.有接收數據，即PD2為高電平1，CPU通過SPI通信使通信模塊置位PD2 為低電平0，讀取接收的指令數據；識別指令ID 碼，若指令是發給本電源的，則識別功能碼執行相應功能程序：若為Ti時刻電量采集保存功能碼，則讀取系統內部時鐘t，根據式（5）計算Δtc，啟動定時器進行Δtc定時中斷，在定時器中斷服務子程序中讀取Ti時刻內部電能計量芯片中采集的LED照明燈具的電壓、電流、功率和累計能耗等電力數據，并保存到指定存儲單元組中；若為數據反饋功能碼，則將通信模塊轉為發送模式，發送指定存儲單元組中保存的Ti時刻電力數據到集中控制器，發送完成后將通信模塊轉為接收模式.

圖5 LoRa無線LED燈具驅動電源主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart of LoRa Wireless LED lamp driver power

4 實驗驗證

本文搭建的無線照明能耗與竊電監測系統測試平臺如圖6 所示.主要由集中控制器、智能電表、交流接觸器、LoRa 無線LED 燈具驅動電源、LoRa 無線數據采集器、LED 廣告屏等組成.A、B、C 三相供電回路上各接入3個120 W 的LoRa無線LED 燈具驅動電源及其LED 光源模組，驅動電源樣機及其所接LED光源模組如圖7所示.

圖6 照明能耗與竊電監測系統測試平臺Fig.6 System test platform of lighting energy consumption and power theft monitoring

圖7 LoRa無線LED燈具驅動電源樣機及其LED模組Fig.7 LoRa Wireless LED lamp driver power prototype and its LED module

4.1 無線照明能耗監測實驗

T0設為每天的00：00，ΔT設為30 min，Δtj設置為1 s.經實際測試，對該系統內所有網絡節點完成系統輪詢通信和能耗與竊電監測策略所需的時間Ts約為50 s，所有網絡節點接收廣播電量采集保存指令所需要的最長時間約為400 ms，ΔT與Δtj的設置滿足照明能耗與竊電監測策略要求.

LED 燈具滿功率連續運行，不接入LED 廣告屏，監測19：00 與21：00 時刻各相供電回路上無線采集的LED 燈具照明能耗變化量ΔQk和智能電表采集的各相電能數據變化量ΔQhk，并監測21：00 時的Pk與Phk，測試結果見表1.

表1 19：00與21：00燈具與電表的數據變化量Tab.1 Data changes of lamps and electricity meters at 19：00 and 21：00

照明功率與能耗誤差計算如下：

式中：EPk為無線采集LED 燈具照明功率Pk相對于電表采集功率Phk的誤差；EQk為無線采集LED 燈具照明能耗變化量ΔQk相對于電表采集能耗變化量ΔQhk的誤差.

經計算，EP1=0.1%、EP2=0.2%、EP3=0.1%；EQ1=0.1%、EQ2=0.3%、EQ3=0.1%.通過無線采集的照明累計能耗與功率相對于通過智能電表采集的累計能耗與功率的誤差較小，系統能有效采集照明能耗與功率數據.

4.2 竊電監測實驗

在A 相供電回路中接入功率為38 W 的LED 廣告屏，在B 相、C 相供電回路分別接入1 個40 W 的普通LED 燈，使用LoRa 無線數據采集器采集LED 廣告屏與普通LED 燈的電力數據.三相竊電判斷閾值ΔPek均設為10 W.無竊電情況的節點總功率與電表功率數據如表2 所示，三相竊電標志值均為0，未產生竊電報警.在A 相中再接入1 個40 W 的LED 燈模擬竊電情況，存在竊電時的節點總功率與電表功率數據如表3 所示，竊電標志值S1=1，A 相的竊電功率值Pq1=39.8 W，當系統存在竊電時能及時報警，并得到竊電功率值.

表2 無竊電時的節點總功率與電表功率數據Tab.2 Total node power and meter power data without power theft

表3 竊電時的節點總功率與電表功率數據Tab.3 Total node power and meter power data with power theft

5 結論

基于LoRa 物聯網技術的城市照明系統已得到廣泛應用，本文研究了基于LoRa 物聯網技術的無線照明能耗與竊電監測系統，采用嵌入式單片機STM32、LoRa 無線通信模塊、4G-CAT1 通信模塊等研發了集中控制器，以集中控制器為系統主控制器搭建無線照明能耗與竊電監測系統；提出了一種兩步無線通信、分時同步采集所有LED 燈具和其他用電設備的照明累計能耗等電力數據，由集中控制器計算同一時刻回路總功率與照明及其他用電設備功率之差，進而進行竊電行為判斷的實時照明能耗與竊電監測策略.通過軟件設計實現該策略，完成了集中控制器程序設計，并修改了燈具控制終端LoRa 無線LED 燈具驅動電源主程序，實現LED 燈具電力數據定時同步采集與存儲.最后，搭建了無線照明能耗與竊電監測系統測試平臺，實驗結果驗證了無線照明能耗與竊電監測系統能有效采集照明功率與累計能耗數據，并進行能耗分析，在系統發生竊電時及時報警.