安科瑞 鮑靜君

　　摘要：本文提出采用LoRa通信技術開發(fā)設計建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的建議，通過系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能完善、界面友好、通信穩(wěn)定，在建筑能耗監(jiān)測領域中有較高的推廣價值。

　　關鍵詞：LoRa通信；建筑能耗；監(jiān)測系統(tǒng)；系統(tǒng)設計；電氣設備調控

　　0 引言

　　既往有統(tǒng)計的資料記載，我國建筑能耗在總能耗中所占比例高于27.0%。伴隨城市現(xiàn)代化快速建設進程中，國內每年新增建筑工程的規(guī)模達到20億m2，其中大部分隸屬于高能耗建筑，并且現(xiàn)有建筑很少配置節(jié)能措施。結合業(yè)內人員的測算結果，若不實施應對措施，再過10年我國建筑總能耗量將是即時的3倍以上。降低建筑能耗，一方面能節(jié)省能源投用量，降低建設成本，另一方面也提高中國經(jīng)濟與社會可持續(xù)、健康發(fā)展。當下國內尚未建成一個系統(tǒng)的檢測網(wǎng)絡用語統(tǒng)計分析的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)。建筑能耗長時間被分割于能耗的各個領域內，尤其是空調、電梯及照明等家用電器尚未實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測與網(wǎng)絡化傳導，根本原因是有關核心技術不成熟，監(jiān)測系統(tǒng)平臺未能大規(guī)模開發(fā)。RS485、Zigbee等通信技術在用于能耗監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)的過程中，暴露出布線復雜傳導距離偏短穿透能力較弱等不足。本文以LoRa通信技術為基礎設計的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)有覆蓋范疇廣、系統(tǒng)功率耗損量低、節(jié)點規(guī)劃敏捷等優(yōu)勢，在建筑能耗監(jiān)測領域中有較廣闊的應用空間。

　　1 LoRa技術介紹

　　LoRa是一種遠距離低功耗的無線通信技術,可以將LoRa理解為將擴頻通信與GFSK調制整合為一的無線調制和解調技術，通信載波＜1GHz，多被用于低功耗與長距離的場所內，它將數(shù)字擴頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術合在一起。LoRa技術拓展了頻移鍵控的低功耗屬性，且持有相對較遠的通信距離，信號接收敏捷度處于較高水平，能夠抵達-148dBm。一般地，在城市中無線距離范圍是1~2公里，在郊區(qū)無線距離可達20km。LoRa技術與業(yè)界其他sub-GHz芯片相比，接收靈敏度提高了20db以上，這確保了網(wǎng)絡連接可靠性。不管發(fā)送端是否采用相同頻率傳導數(shù)據(jù)信息，只要不同終端選用的擴頻碼存在差異性，那么在接收數(shù)據(jù)信息過程中彼此間就不會相互擾亂。LoRa通信組網(wǎng)內單個集中器/網(wǎng)關（Concentrator/Gateway）對數(shù)個終端節(jié)點能形成較強大的支撐作用，并且能夠以并行形式接收數(shù)據(jù)，借此方式進一步拓展了系統(tǒng)容量。

　　*的是，無線通信是新時期下社會上廣為流行的通信形式，大部分電子產品設計、加工制造領域中均有應用。不同的無線通信技術在通信距離指標存在一定差異，BlueTooth、ZigBee、Sub-1G等通信技術均是短距離無線通信技術的*，但是常規(guī)數(shù)據(jù)傳送效率、功耗均偏低；WiFi是近距離通信的代表，其在應對寬帶末節(jié)點接入問題方面表現(xiàn)出良好效能；GSM是常見的中遠距離通信技術，廣泛的應用于宏站網(wǎng)絡建設。表1呈現(xiàn)出幾種無線通信技術屬性。

　　4種無線通信技術屬性統(tǒng)計

　　屬性              LoRa    ZigBee         BlueTooth          WiFi                  GSM

　　使用標準          無     802.15.4           802.15.1      802.11b              TIA

　　通信距離         5km    10~2000m        10m             100m            ＞10km

　　通信速率      300Kbps  250Kbps       10Kbps        11Kbps          2Kbps

　　低功耗超低支持不支持不支持不支持

　　頻段137M~1050MHz2.4G/868M-915MHz2.4GHz2.4GHz800/900/1800/1900MHz

　　主要應用范圍傳感與控制傳感與控制數(shù)據(jù)與音頻數(shù)據(jù)與音頻移動通信

　　對表1內數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)大部分情況下，無線通信技術的通信距離遠近和遵循通信速率高低之間呈正相關性，射頻模塊發(fā)射功率是影響通信距離的獨立因素，進而誘導通信設備功耗伴隨距離增加而上升的過程。但在偏低功耗的工況下，LoRa依然能夠維持較長的通信距離，其在數(shù)據(jù)傳輸速率方面略微遜色于其他通信技術手段，這也預示著LoRa在那些對網(wǎng)絡覆蓋范疇、低功耗有較嚴格要求但數(shù)據(jù)傳導速率偏低領域中持有較高適用性。

　　2基于LoRa的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計

　　近些年現(xiàn)代城市持續(xù)發(fā)展進步，智能建筑將作為主要運作方向，該類建筑類型是實現(xiàn)系統(tǒng)化管理建筑有關公共安全、設備管理及信息設施應用等諸多問題，在整個智能建筑內將管理與服務優(yōu)化匯聚為一身，使建筑結構有節(jié)能環(huán)保便捷可靠等諸多特征。能耗管理系統(tǒng)是以智能建筑為基礎而研發(fā)的，其主要是基于自動化控制系統(tǒng)落實計算機管理系統(tǒng)流程擬編工作，程序內儲有數(shù)個指令，用于收集與解讀建筑體能耗參數(shù)，其中局部指令擬編屬于操控指令，是在樓宇智能控制系統(tǒng)內完成操作的。

　　2.1系統(tǒng)設計需求與整體架構

　　2.1.1需求分析

　　（1）收集與呈現(xiàn)溫濕度光照強度等環(huán)境參數(shù)；

　　（2）在檢測到可燃性氣體時，能自動啟用報警功能，及時將相關信息反饋給管理人員；

　　（3）管理及注冊人員均能通過上位機合伙收集客戶端檢查觀看建筑體內部信息。

　?。?）可以采用手機APP調控窗簾與照明裝置。

　　2.1.2整體架構

　　LoRa網(wǎng)絡架構是一個典型的星形拓撲結構，在這個網(wǎng)絡架構中，LoRa網(wǎng)關是一個透明的中繼，連接終端設備和服務器。網(wǎng)關與服務器通過標準IP連接，而終端設備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關通信，所有的節(jié)點均是雙向通信。基于系統(tǒng)設計的需求分析，擬定選用嵌入式、LoRa以及GPRS技術組織設計工作。依照物聯(lián)網(wǎng)體系架構可以把建筑能耗系統(tǒng)分為如下三層：（1）業(yè)務層：由無線傳感網(wǎng)絡與設備調控系統(tǒng)構成，前者作用是采集建筑環(huán)境信息，后者功能以調控室內電器設備為主。（2）網(wǎng)絡層：業(yè)務層完成數(shù)據(jù)信息采集任務后，會以LoRa通信網(wǎng)絡為載體，將數(shù)據(jù)傳導至網(wǎng)絡層，網(wǎng)絡層為這些信息配置“新包裝”，經(jīng)GPRS、串口通信技術傳導到應用層。業(yè)務層會依照應用層下達的指令，有針對性的調控室內部分設備。（3）應用層：由手機客戶端APP和上位機構成，為用戶提供一個友好型界面，但網(wǎng)絡層將數(shù)據(jù)傳導至APP和上位機時，用戶變更動態(tài)化觀察建筑內部的能耗數(shù)據(jù)，手機APP還能下達指令，經(jīng)由業(yè)務層調控室內的家用電器（見圖1）。

圖1 建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構圖

　　2.2硬件設計

　　2.2.1采集節(jié)點

　　采集節(jié)點硬件電路部署相對繁雜，分為如下幾大部分：

　?。?）傳感器：由DHT11、BH1750FVI以及MQ-2傳感器構成，分別檢測溫濕度、光照強度及煙霧環(huán)境參數(shù)，圖2是DHT11傳感器電路接口圖。

圖2 DHT11傳感器電路接口示意圖

　?。?）照明與窗簾調控設備：分別控制燈光和窗簾設施。步進電機驅動點動窗簾，控制電機正向運轉時開啟窗簾，逆向運轉時關閉窗簾，本系統(tǒng)選用了28BYJ-48-5V型步進電機，ULN2003驅動芯片負責驅動工作。

　　（3）STM32單片機：其功能是讀取與處置數(shù)據(jù)信息。基于Cortex內核的STM32系列為近些年廣泛應用的一類微處理器，選用的是哈佛結構，有處理快速、外設豐富的特征，本能耗系統(tǒng)設計開發(fā)時選用了STM32F103C8T6單片機作為主控器。

　?。?）LoRa通信模塊：針對收集到的環(huán)境參數(shù)以及調控設備的信息，將其統(tǒng)一傳導至中繼節(jié)點。ATK-LORA-01為ALIENTEK開發(fā)的一個體積微小、功率低、功耗小、性能優(yōu)良的遠距離式LORA無線串口模塊，其配置了ISM頻段射頻SX1278擴頻芯片，模塊的作業(yè)頻率為410~441MPa之間，本系統(tǒng)選用1MHz頻率作為步進信道，共計設計了32個信道（圖3）。

圖3 ATK-LORA-01的硬件接口圖

　　2.2.2中繼節(jié)點

　　中繼節(jié)點相當于能耗監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡層，囊括了一個STM32單片機與LoRa通信模塊，負責傳導始源于自采集節(jié)點的數(shù)據(jù)、接收匯聚節(jié)點下達的指令，等用于采用單片機調控LoRa通信模塊進而傳導數(shù)據(jù)，因而該硬件電路規(guī)劃設計和采集節(jié)點的STM32和LoRa模塊接口一致。

　　2.2.3匯聚節(jié)點

　　匯聚節(jié)點隸屬于系統(tǒng)結構的網(wǎng)絡層，主要有如下四大部分構成：

　　（1）LoRa模塊：接收中繼節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)信息，下達手機APP的控制信息，LoRa模塊具有功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強的特點，廣泛應用于多種場景。

　?。?）GPRS模塊：整合節(jié)點與服務器的數(shù)據(jù)傳導過程。本系統(tǒng)采用GA6模塊作為匯聚節(jié)點和服務器兩者之間的通信模塊，該模塊單電壓為3.5V-4.2V，數(shù)據(jù)速率上傳、下載依次是85.6kbps、42.8kbps，敏捷度-107dbm、通信接口選定為TTL天平，溫度區(qū)間為-30℃~80℃。該模塊通過串口和MCU實現(xiàn)通信，內部設置了內置TCP/IP協(xié)議棧，MCU能夠傳送命令以調控模塊。該模塊選用的是模塊化設計，設計階段僅需重視STM32與GA6的接口，圖4是接口電路，模塊的發(fā)送、接受接口依次銜接PB10、PB11。

圖4 GPRS模塊接口圖示

　?。?）STM32控制板：讀獲數(shù)據(jù)并下傳設定值；

　　（4）串口通信電路：負責傳送匯聚節(jié)點與上位機數(shù)據(jù)。

　　2.3軟件設計

　　2.3.1采集節(jié)點流程

　　該節(jié)點扮演者系統(tǒng)結構體系業(yè)務層的角色，負責的任務主要是收集和傳送環(huán)境數(shù)據(jù)，也能夠接收始源于手機APP調控設備下達的指令并加以落實。

　　當該節(jié)點接收到采集指令后，便檢測核實命令幀CRC校驗碼的準確性，確定其準確無誤后，結合指令采集建筑環(huán)境數(shù)據(jù)，對節(jié)點信息環(huán)境數(shù)據(jù)等行打包處理后就傳導至數(shù)據(jù)包內，以LoRa網(wǎng)絡為媒介傳導至中繼節(jié)點，而后靜候下一次指令，LoRa模塊隨即步入休眠模式中。光照強度是影響建筑能耗量高低的主要環(huán)境參數(shù)之一，本系統(tǒng)的光照強度傳感器配置了BH1750FVI模塊，獨立規(guī)劃光強收集流程，以IIC接口讀獲測量位點的光照數(shù)據(jù)。

　　2.3.2中繼節(jié)點流程

　　該節(jié)點可以看做是信息的中轉站，起到了承上啟下的作用，若接收的是下層采集節(jié)點對應數(shù)據(jù)，那么會對其行再包裝處理后上傳到封上層匯聚節(jié)點；若為匯聚節(jié)點下達的調控指令，責將會快速下傳采集節(jié)點接收相關指令信息后，便會快速開啟調控設備予以執(zhí)行。

　　2.3.3匯聚節(jié)點流程

　　首先，設備原始化，即以原始化為支撐，落實I/O端口與時鐘的配置任務。其次，判斷與辨識接收到信息的始源。然后，對差異性始源的數(shù)據(jù)做出判別與處置：（1）針對始源于手機APP的信息，隸屬于調控采集節(jié)點設備，匯聚節(jié)點對該類信息打包處理后將其轉送到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點再將其傳導給采集節(jié)點。（2）針對始源串口的信息為預警信息，微處理器能夠調控警鈴，對外傳遞出響聲，告知管理員有數(shù)據(jù)逾越了限定區(qū)間。（3）針對始源于低級節(jié)點的信息，其是系統(tǒng)收集到的環(huán)境參數(shù)，匯聚節(jié)點對其包裝處理后，而后將其傳送至手機APP于上位機，并將其呈現(xiàn)出來。

　　2.4手機客戶端APP設計

　　選用Google公司自主研發(fā)的AndroidStudio軟件，以IntelliJIDEA為基礎，聚集了Andriod的研發(fā)工具用于開發(fā)、調試手機APP。MVC為模型、視圖、控制器英文縮寫的首字母，利用業(yè)務邏輯數(shù)據(jù)和界面呈現(xiàn)分離法組織代碼。

　　建設一個newproject開啟創(chuàng)建向導，規(guī)劃兼容的版本。而后設施相關按鈕，設計不同組件的部署形式，而后編輯代碼。主流程確定單擊button能調整TextView的呈現(xiàn)文本，同時對外彈跳出Toast信息，擬定事件代碼，產出一個Apk包，以上便是一個簡易型手機APP的創(chuàng)設過程。

　　3系統(tǒng)試驗與數(shù)據(jù)分析

　　3.1模擬環(huán)境測試

　　選定采集節(jié)點A、B、C、中繼節(jié)點與匯聚節(jié)點各1個，配置計算機、手機各一個。把采集節(jié)點A、B、C依次布設于實驗室301、302與303，中繼節(jié)點部署與三層樓梯口，匯聚節(jié)點、計算機與手機均安置在一層值班室。

　　我們對采集節(jié)點A開展了數(shù)據(jù)分析工作，發(fā)現(xiàn)該位點的溫度是23℃，有些許改變；濕度值上下波動較顯著，但大體維持在60%左右；但實驗進展到20min后，利用手電筒增加了節(jié)點A亮度，實驗曲線和現(xiàn)實狀況相吻合。

　　測試手機APP控制節(jié)點對電動窗簾與照明裝置的情況，發(fā)現(xiàn)每一次均能成功調控，合格率100，設備開關反應過程敏捷、延時偏短。

　　3.2通信距離測試