CN110264687B - 一种基于LoRa通信的节能报警灯柱 - Google Patents

一种基于LoRa通信的节能报警灯柱 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于LoRa通信的节能报警灯柱。本发明LoRa无线通信模块只需在传输灯柱状态信息或者人员按下一键报警按钮后启动，但在不进行传输灯柱状态信息或报警通讯时LoRa无线通信模块关闭。根据LoRa无线通信模块的传输状态，动态调节传输带宽，同时动态调节上述各电压分配。本发明利用射频检测模块技术对人员/车辆进行监测，实现了对亮度的实时控制；LoRa通信单元将灯柱的通信状态划分为三个部分，根据不同的状态动态调节发射频率及分散因子，从而减少通信能耗。

Description

一种基于LoRa通信的节能报警灯柱
技术领域
本发明涉及新型智能灯具领域，尤其涉及一种基于LoRa通信的节能报警灯柱。
背景技术
随着照明行业的不断发展，户外灯柱的研发规模也在不断扩大，庭院灯柱被广泛应用于小区、工业园区、公园等地，在照明，景观亮化，提供宜人的居住环境，保障夜间出行的安全性等方面发挥着非常重要的作用。
物联网作为信息化时代重要的革新技术，通过结合物联网的特性使得任何物品能够得到延展，智能灯具作为物联网与灯具的结合体，使得灯具在互联网的基础上得到功能上的扩展和延伸。但是调查研究表明，目前市面上现有的智能灯具存在以下不足:智能灯柱在联网过程中耗电严重，存在不必要的能源浪费；随着照明规模的扩大，由于广泛布置灯柱，存在灯具信息无法得到统筹的问题，极大的增加了后期维护的困难性；以及已有的智能灯柱没有提供突发情况下人员的安全保障。因此，利用物联网技术，制造出更节能，更智能化，更安全的灯具，很有必要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于LoRa通信的节能报警灯柱。本发明的特点在于：利用射频检测模块实时监测外部环境，检测路灯附近是否有人员/车辆靠近灯柱，实现灯柱亮度的自动调整；电流自检模块循环监测灯柱电流，从而保证灯柱的照明状态；灯柱可以通过LoRa模块与服务器进行通信，从而实现了对灯柱状态进行实时监控；基于RDA2560增加一键报警与对讲功能，在遇突发状况时人员可一键报警并通过GPS将灯柱位置发送至设定单位。
为克服现有技术的不足并实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于LoRa通信的节能报警灯柱，包括中央控制模块、电流自检模块、射频检测模块、LoRa无线通信模块、GPS定位模块、报警模块。
电流自检模块用于灯柱电流进行循环检测；当电流超过阈值时告知中央控制模块，同时将电流电压数据传输至中央控制模块。
射频检测模块包括超声波传感器以及红外传感器，用于判断行人/车辆是否靠近灯柱，并告知中央控制模块；该技术属于本领域的常规技术，故不详解。
GPS定位模块接收中央控制模块的命令，并将位置信息反馈给中央控制模块。
LoRa无线通信模块接收将中央控制模块传送的灯柱电压、电流、工作模式(节能、正常)、位置信息等，调制并发送至云服务器；
此处工作模式为节能时，即射频检测模块判断没有行人/车辆靠近灯柱；反之则为工作模式为正常。
报警模块，包括一键报警按钮、语音输入/输出口；当人员按下一键报警按钮时，通过LoRa无线通信模块将灯柱位置信息传输至设定单位，同时开启语音输入/输出口，通过LoRa无线通信模块以此保障用户和设定单位可以进行有效沟通。
所述中央控制模块采用STM32F103控制板，接收电流自检模块传输的灯柱电流电压数据以及初始化自检时异常通知；接收射频检测模块传输的人/车辆是否靠近灯柱信息，并控制灯柱的LED工作模式；接收一键报警按钮的按键命令，并将灯柱位置信息传输至LoRa无线通信模块；接收GPS定位模块传输的灯柱位置信息；接收LoRa无线通信模块反馈的语音通讯信息。
LoRa无线通信模块设有50cm的3db增益拉杆天线。
上述灯柱实现节能的方法如下：
1)为解决通信模块耗电问题，通过动态调节LoRa无线通信模块的动态发射频率及分散因子达到节能效果，将LoRa无线通信模块的能耗模型定义为：
Etotal＝Estart+Etrans+Ecomit 式(1)
其中Estart为LoRa无线通信模块在启动至工作的时间段能耗，Etrans为LoRa无线通信模块在传输灯柱电压、电流、工作模式(节能、正常)、位置信息的能耗，Ecomit为LoRa无线通信模块在与设定单元进行通信时的传输能耗。
进而可知通信模块的传输能耗定义为：
Figure BDA0002079546750000021
其中
Figure BDA0002079546750000022
其中SF表示传输分散因子，分散因子越小，则传输耗时越短，通过传输单元配有的3db增益天线，使得SF＝7，BW表示传输带宽，传输带宽越大则传输用时越短，然而传输所需的能耗则越大。
LoRa无线通信模块的传输状态分为灯柱状态上传及语音通信。当传输状态为上传灯柱状态时，传输单元降低传输带宽；当传输状态为语音通信时，传输单元提升传输带宽，保证通信正常。不同于当前已有的传输单元固定传输率，通过动态调整传输率不仅能够有效提升传输质量，同时还能够降低能耗。
Pstart＝(PON(fMCU)+Pstrans) 式(3)
其中PON(fMCU)表示LoRa无线通信模块使用启动频率fMCU的电压，Pstrans表示LoRa无线通信模块在传输工作初始化时所需的电压。
若传输模式为灯柱状态上传时，
Figure BDA0002079546750000031
其中Pcmd表示LoRa无线通信模块与云服务器进行对接所需的电压，
Figure BDA0002079546750000032
表示LoRa无线通信模块上传至云服务器所需的电压；
若传输模式为语音通信时，
Figure BDA0002079546750000033
其中
Figure BDA0002079546750000034
分别表示LoRa无线通信模块与设定单位进行通信时所需的上传电压、下载电压；
根据传输模式，动态调节上述各电压分配；
不同于常规的传输单元在灯具运行期间保持低能耗的运行，本发明采用的LoRa无线通信模块只需在传输灯柱状态信息或者人员按下报警按钮后启动，但在不进行传输灯柱状态信息或报警通讯时LoRa无线通信模块关闭，从而达到节能的效果。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果：
(1)节能效果好：本发明利用射频检测模块技术对人员/车辆进行监测，实现了对亮度的实时控制；LoRa通信单元将灯柱的通信状态划分为三个部分，根据不同的状态动态调节发射频率及分散因子，从而减少通信能耗。
(2)智能化程度高：设置电流自检模块对电流实时监测，使得照明方案更加节能，解决了耗能严重的问题；利用电流自检模块与GPS定位单元对灯柱状态进行实时监测，在解决庭院灯巡检难等问题的同时，也可以降低维护成本，具有一举多得的好效果；
(3)安全性高：一键报警功能利用GPS定位直接与设定单位相连，将针对突发事件处理不及时、安全隐患大等问题做出重大突破。在一定程度大大提高个人生活安全性，将在建设城市生活方面提供不容小觑的帮助。
附图说明
图1为本发明灯柱系统方法流程图；
图2为本发明灯柱结构模块流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。
一种基于LoRa通信的节能报警灯柱，如图2所示包括中央控制模块、电流自检模块、射频检测模块、LoRa无线通信模块、GPS定位模块、报警模块。
电流自检模块用于灯柱电流进行循环检测；当电流超过阈值时告知中央控制模块，同时将电流电压数据传输至中央控制模块。
射频检测模块包括超声波传感器以及红外传感器，用于判断行人/车辆是否靠近灯柱，并告知中央控制模块；该技术属于本领域的常规技术，故不详解。
GPS定位模块接收中央控制模块的命令，并将位置信息反馈给中央控制模块。
LoRa无线通信模块接收将中央控制模块传送的灯柱电压、电流、工作模式(节能、正常)、位置信息等，调制并发送至云服务器；LoRa配有50cm的3db增益拉杆天线。
此处工作模式为节能时，即射频检测模块判断没有行人/车辆靠近灯柱，亮度为30％；反之则为工作模式为正常，亮度为100％。LED亮度百分比根据LED所置电压进行定义。
报警模块，包括一键报警按钮、语音输入/输出口；当人员按下一键报警按钮时，通过LoRa无线通信模块将灯柱位置信息传输至设定单位，同时开启语音输入/输出口，通过LoRa无线通信模块以此保障用户和设定单位可以进行有效沟通。
所述中央控制模块采用STM32F103控制板，接收电流自检模块传输的灯柱电流电压数据以及初始化自检时异常通知；接收射频检测模块传输的人/车辆是否靠近灯柱信息，并控制灯柱的LED工作模式；接收一键报警按钮的按键命令，并将灯柱位置信息传输至LoRa无线通信模块；接收GPS定位模块传输的灯柱位置信息；接收LoRa无线通信模块反馈的语音通讯信息。
LoRa无线通信模块设有50cm的3db增益拉杆天线。
如图1为本发明灯柱系统方法。
上述灯柱实现节能的方法如下：
1)为解决通信模块耗电问题，通过动态调节LoRa无线通信模块的动态发射频率及分散因子达到节能效果，将LoRa无线通信模块的能耗模型定义为：
Etotal＝Estart+Etrans+Ecomit 式(1)
其中Estart为LoRa无线通信模块在启动至工作的时间段能耗，Etrans为LoRa无线通信模块在传输灯柱电压、电流、工作模式(节能、正常)、位置信息的能耗，Ecomit为LoRa无线通信模块在与设定单元进行通信时的传输能耗。
进而可知通信模块的传输能耗定义为：
Figure BDA0002079546750000051
其中
Figure BDA0002079546750000052
其中SF表示传输分散因子，分散因子越小，则传输耗时越短，通过传输单元配有的3db增益天线，使得SF＝7，BW表示传输带宽，传输带宽越大则传输用时越短，然而传输所需的能耗则越大。
LoRa无线通信模块的传输状态分为灯柱状态上传及语音通信。当传输状态为上传灯柱状态时，传输单元降低传输带宽；当传输状态为语音通信时，传输单元提升传输带宽，保证通信正常。不同于当前已有的传输单元固定传输率，通过动态调整传输率不仅能够有效提升传输质量，同时还能够降低能耗。
Pstart＝(PON(fMCU)+Pstrans) 式(3)
其中PON(fMCU)表示LoRa无线通信模块使用启动频率fMCU的电压，Pstrans表示LoRa无线通信模块在传输工作初始化时所需的电压。
若传输模式为灯柱状态上传时，
Figure BDA0002079546750000053
其中Pcmd表示LoRa无线通信模块与云服务器进行对接所需的电压，
Figure BDA0002079546750000054
表示LoRa无线通信模块上传至云服务器所需的电压；
若传输模式为语音通信时，
Figure BDA0002079546750000055
其中
Figure BDA0002079546750000056
分别表示LoRa无线通信模块与设定单位进行通信时所需的上传电压、下载电压；
根据传输模式，动态调节上述各电压分配；
不同于常规的传输单元在灯具运行期间保持低能耗的运行，本发明采用的LoRa无线通信模块只需在传输灯柱状态信息或者人员按下报警按钮后启动，但在不进行传输灯柱状态信息或报警通讯时LoRa无线通信模块关闭，从而达到节能的效果。
进一步的，所述LoRa通过设备中的MAX417检测板对灯具电压、电流、工作模式(节能、正常)等信息进行读取，并且利用LORA通信模块向服务器发送灯柱亮度、供电电压、电流信息，以及服务器利用LoRa传输的信息，有益于进一步分析灯具状态，并且对灯柱后续的操作、配置提供有效的参考依据。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于LoRa通信的节能报警灯柱，其特征在于包括中央控制模块、电流自检模块、射频检测模块、LoRa无线通信模块、GPS定位模块、报警模块；
电流自检模块用于灯柱电流进行循环检测；当电流超过阈值时告知中央控制模块，同时将电流电压数据传输至中央控制模块；
射频检测模块包括超声波传感器以及红外传感器，用于判断行人/车辆是否靠近灯柱，并告知中央控制模块；
GPS定位模块接收中央控制模块的命令，并将位置信息反馈给中央控制模块；
LoRa无线通信模块接收将中央控制模块传送的灯柱电压、电流、工作模式、位置信息，调制并发送至云服务器；其中工作模式包括节能、正常；
此处工作模式为节能时，即射频检测模块判断没有行人/车辆靠近灯柱；反之则为工作模式为正常；
报警模块，包括一键报警按钮、语音输入/输出口；当人员按下一键报警按钮时，通过LoRa无线通信模块将灯柱位置信息传输至设定单位，同时开启语音输入/输出口，通过LoRa无线通信模块以此保障用户和设定单位进行语言通信；
所述中央控制模块接收电流自检模块传输的灯柱电流电压数据以及初始化自检时异常通知；接收射频检测模块传输的人/车辆是否靠近灯柱信息，并控制灯柱的LED工作模式；接收一键报警按钮的按键命令，并将灯柱位置信息传输至LoRa无线通信模块；接收GPS定位模块传输的灯柱位置信息；接收LoRa无线通信模块反馈的语音通讯信息；
上述灯柱实现节能是LoRa无线通信模块只需在传输灯柱状态信息或者人员按下一键报警按钮后启动，但在不进行传输灯柱状态信息或报警通讯时LoRa无线通信模块关闭：
将LoRa无线通信模块的能耗模型定义为：
Etotal＝Estart+Etrans+Ecomit 式(1)
其中Estart为LoRa无线通信模块在启动至工作的时间段能耗，Etrans为LoRa无线通信模块在传输灯柱电压、电流、工作模式、位置信息的能耗，Ecomit为LoRa无线通信模块在与设定单元进行通信时的传输能耗；
进而可知通信模块的传输能耗定义为：
Figure FDA0002629188190000021
其中
Figure FDA0002629188190000022
其中SF表示传输分散因子，分散因子越小，则传输耗时越短；BW表示传输带宽，传输带宽越大则传输用时越短，此时传输所需的能耗则越大；
LoRa无线通信模块的传输状态分为灯柱状态上传及语音通信；当传输状态为上传灯柱状态时，传输单元降低传输带宽；当传输状态为语音通信时，传输单元提升传输带宽，保证通信正常；
Pstart＝(PON(fMCU)+Pstrans) 式(3)
其中PON(fMCU)表示LoRa无线通信模块使用启动频率fMCU的电压，Pstrans表示LoRa无线通信模块在传输工作初始化时所需的电压；
若传输模式为灯柱状态上传时，
Figure FDA0002629188190000023
其中Pcmd表示LoRa无线通信模块与云服务器进行对接所需的电压，
Figure FDA0002629188190000024
表示LoRa无线通信模块上传至云服务器所需的电压；
若传输模式为语音通信时，
Figure FDA0002629188190000025
其中
Figure FDA0002629188190000026
分别表示LoRa无线通信模块与设定单位进行通信时所需的上传电压、下载电压；
根据传输模式，动态调节上述各电压分配。
2.如权利要求1所述的一种基于LoRa通信的节能报警灯柱，其特征在于所述中央控制模块采用STM32F103控制板。
3.如权利要求1所述的一种基于LoRa通信的节能报警灯柱，其特征在于LoRa无线通信模块设有50cm的3db增益拉杆天线。
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