CN207603969U - 一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统，该系统包括服务器、网关、普通节点和增强型节点。所述网关包含GPRS上网模块、光亮度传感器、LoRa射频芯片、天线及STM32；普通节点包含hlw8012电能计量芯片、继电器、LoRa射频芯片、天线及stc12c5a60s2；增强型节点在普通节点的基础上增加了SPECTR微波检测器。本实用新型是智慧城市的一个部分，运用了LoRa远距离无线通信技术、网络通信技术、单片机技术和软件技术，将传感器采集的信息汇总并分析，通过云服务器平台远程监测路灯能耗、控制路灯开关、发现路灯故障，达到合理规划电能资源、缓解城市供电紧张、节能减排和及时处理路灯故障的目的。

Description

一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统，属于智慧城市领域。

背景技术

城市公共照明是与城市生活息息相关的重要公共基础设施，而随着城镇化建设的推进，城市道路照明路灯的数量越来越多，所消耗的能量越来越高，从而导致供电趋于紧张。我国城市公共照明用电量已占全国电力生产总量的9％，公共照明节能减排势在必行。现有的公共照明管理方式存在信息化水平低、运维费用高、电能浪费严重等突出问题，具体表现在人工巡检方式，人工和车辆运营费用高；灯具、线缆偷盗现象防不胜防，损失高，不能根据实际照明需求进行灵活调控，存在一定的电能浪费，这样的管理方式与日益增长的城市公共照明规模产生了剧烈矛盾。由此可见，路灯的智能化管理成为智慧城市新的诉求。

LoRa无线通信技术具有超远距离通信、功耗低、成本低的特点，基于该技术的网关支持多信道、多数据速率的并行处理，系统容量大。LoRa可以通过信号在空中传播的时间来测距，以此实现定位。这些特征使得LoRa技术非常适用于像智慧城市这样的低功耗、远距离、大量连接的物联网应用。

微波车辆检测器是一种用于检测交通状况的检测器，它利用连续频率调制波(FMCW)实现对多车道车辆的实时检测。微波检测器发射一束微波同时接收目标物体反射波，根据反射回来的波形及频率差异来判别车辆、车型、车速和车道。微波检测器具有成本低、可靠性高、全天候工作、多车道监测的优点。

单片机技术已在工业控制领域得到了广泛应用。单片机的应用，使电路设计重心由硬件设计向软件设计转移，通过软件编程来控制复杂的电路系统。本实用新型采用采用STM32作为网关的主控中心，STM32功能强大、运算速度快，能够处理较多数据，而节点采用51单片机，可以满足节点的功能需求，也降低了成本。

网络通信和软件技术是互联网业的核心技术，服务器以强大的软件技术为支撑，通过HTTP协议与网关进行双向通信。服务器将从网关接收的数据处理并存储在数据库中，方便用户查看与操作。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统。该系统将LoRa无线通信技术、单片机技术、微波测量技术、网络通信技术、软件技术和云服务器技术完美融合，从而实现对路灯的信息化、智能化管理，达到节约电能、及时检修的目的。本发明实现一种智慧照明系统，达到节约电能的目的，方便管理人员对路灯进行信息化管理。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本实用新型提供一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统，该系统包括云服务器、若干网关、若干普通节点和若干增强型节点，所述网关通过LoRa无线通信的方式分别与普通节点、增强型节点进行数据传输，所述网关通过GPRS无线通信的方式与云服务器进行数据传输；每个所述增强型节点按照预设间隔分别安装在一个路灯端，每个所述普通节点分别安装在未安装增强型节点的每个路灯端；

每个所述普通节点包含第一电能计量芯片、第一继电器、第一LoRa射频芯片、第一天线及第一单片机，所述第一单片机分别与第一电能计量芯片、第一继电器、第一LoRa射频芯片连接，所述第一LoRa射频芯片与第一天线连接；

每个所述增强型节点包含SPECTR微波检测器、第二电能计量芯片、第二继电器、第二LoRa射频芯片、第二天线及第二单片机，所述第二单片机分别与SPECTR微波检测器、第二电能计量芯片、第二继电器、第二LoRa射频芯片连接，所述第二LoRa射频芯片与第二天线连接；

每个所述网关包含GPRS上网模块、光亮度传感器、第三LoRa射频芯片、第三天线及第三单片机，所述第三单片机分别与GPRS上网模块、光亮度传感器、第三LoRa射频芯片连接，所述第三LoRa射频芯片与第三天线连接。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述第一和第二电能计量芯片的型号均为hlw8012。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述第一和第二单片机均为stc12c5a60s2型单片机。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述第三单片机的为STM32型单片机。

作为本实用新型的进一步优化方案，所诉云服务器包含数据库、用于管理路灯的web端和用于管理路灯的app端。

作为本实用新型的进一步优化方案，每个所述网关、普通节点、增强型节点都有固定的唯一的ID号。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型将LoRa无线通信技术、单片机技术、微波测量技术、网络通信技术、软件技术和云服务器技术完美融合，利用传感器采集到的信息自动判断是否开关灯及控制开关灯数量。通过云服务平台实时掌控路灯能耗信息和故障信息，从而实现对路灯的信息化、智能化管理，达到节约电能、及时检修的目的；

2、本实用新型采用基于LoRa的无线通信技术进行组网，实现对单个路灯节点的精确监测和控制；

3、本实用新型的路灯节点信息采集：将节点信息汇总并显示在web端或者app端；

4、本实用新型的故障警报：实时检测故障节点，及时通过web端或者app端反馈给管理人员；

5、本实用新型的云服务器：方便存储信息，提供web端和app端的远程控制。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构图；

图2为本实用新型的服务器主要功能模块；

图3为本实用新型的工作方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，本实用新型中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本实用新型的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本实用新型提出了一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统，该系统包括云服务器、网关、普通节点和增强型节点。

所述普通节点包含hlw8012电能计量芯片、继电器、LoRa射频芯片、天线及stc12c5a60s2型单片机。将普通节点安装在路灯端，每个普通节点都有一个固定ID，用于绑定路灯端。普通节点负责将hlw8012芯片采集的路灯能耗信息和节点的心跳包发送至网关，并且能够通过继电器控制路灯开关继电器、hlw8012芯片和LoRa射频芯片通过串口与stc12c5a60s2单片机相连。继电器除了负责将220V强压转为12V，使节点正常工作，还负责路灯的开关；hlw8012芯片负责采集路灯的能耗；LoRa射频芯片和天线负责与网关进行无线通信；stc12c5a60s2单片机利用基于时间的测距方法和三边定位法，估计普通节点位置。

所述增强型节点在普通节点的基础上增加了SPECTR微波检测器，增强型节点包含普通节点的一切功能，还可以将SPECTR微波传感器检测到的车流量数据传递至网关。在一个长路段，每10盏路灯中选取一个安装增强型节点。增强型节点数量远少于普通节点，安装在位置空旷、无遮挡物的路灯端，这样能够获取较好的车流量监测信息。

所述网关包含GPRS上网模块、光亮度传感器、LoRa射频芯片、天线及STM32单片机，光亮度传感器、LoRa射频芯片、GPRS上网模块通过串口与STM32单片机相连。光亮度传感器用于采集光亮度信息，GPRS模块用于与云服务器通信，LoRa射频芯片与天线用与和节点通信。网关负责将采集到的光亮度信息和接收的节点信息发送至云服务器，并将服务器的命令发送至节点。

所述云服务器分析采集到的节点和网关信息，负责给节点发布开关灯命令和灯光调节命令，并向管理人员发布路灯能耗信息、车流量信息、光亮度信息和路灯故障警告，管理人员可以通过web端或者app端远程管理路灯系统。云服务器与网关之间通过HTTP协议互传数据。

本实用新型中，每个所述网关和节点都有固定的ID号，且ID号是唯一的，网关和节点均采用LoRa通信技术，LoRa通信技术具有低频、窄带、长距离、低功耗的特点。网关和节点构成一个星型网络，网关通过广播的方式向节点发送命令，每个网关能够负载5到10公里内上千个节点。

本实用新型中，节点每隔30秒向网关发送心跳包，云服务器通过心跳包结合hlw8012芯片采集的路灯能耗情况，判断路灯是否故障。服务器若没有收到心跳包则会询问节点，节点无回应则判断路灯故障，若收到路灯能耗低于正常值也判断路灯故障节点每隔30秒向网关发送心跳包，云服务器通过心跳包结合hlw8012芯片采集的路灯能耗情况，判断路灯是否故障。服务器若没有收到心跳包则会询问节点，节点无回应则判断路灯故障，若收到路灯能耗低于正常值也判断路灯故障。云服务器分析光亮度信息和车流量信息，向路灯节点发布开光灯命令。

下面结合图2对本实用新型的服务器功能模块作进一步描述。

服务器功能模块主要有三个：与网关通信的模块、web端和app端的管理模块、数据库模块。

与网关通信的模块主要对网关发送过来的数据进行判断、处理，结合光亮度信息与车流量信息计算出需要开灯的数量。在需要开灯的光亮度条件下，对车流量设定三个等级：车流量最高时，路灯全开；车流量中等时，路灯间隔开关，车流量低时，路灯每隔两盏开一盏。该模块还能针对发送过来的节点心跳包和能耗信息，判断节点是否故障。

Web端和App端管理模块用来向管理人员展示路灯节点能耗信息、开关灯状态、地理位置信息和故障信息，通过该管理模块实现对单个路灯节点的精确控制。

数据库模块存储网关和节点采集的光亮度信息、节点位置信息、节点ID号、节点故障信息、车流量信息，并对数据进行增删改查操作。

下面结合图3对本实用新型的工作流程作进一步描述。

云服务器不断接收来自网关的信息，包含节点信息与网关信息，并由此判断路灯节点是否故障。若路灯节点故障，云服务器向管理人员发出故障警报，警报可以通过web端和app端显示。如果无故障，云服务器根据光亮度信息和节点信息判断是否需要开关灯，若需要开关灯，就通过网关向节点发布命令。

综上所述，本实用新型将LoRa无线通信技术、单片机技术、微波测量技术、网络通信技术、软件技术和云服务器技术完美融合，从而实现对路灯的信息化、智能化管理，达到节约电能、及时检修的目的。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统，其特征在于，该系统包括云服务器、若干网关、若干普通节点和若干增强型节点，所述网关通过LoRa无线通信的方式分别与普通节点、增强型节点进行数据传输，所述网关通过GPRS无线通信的方式与云服务器进行数据传输；每个所述增强型节点按照预设间隔分别安装在一个路灯端，每个所述普通节点分别安装在未安装增强型节点的每个路灯端；

每个所述普通节点包含第一电能计量芯片、第一继电器、第一LoRa射频芯片、第一天线及第一单片机，所述第一单片机分别与第一电能计量芯片、第一继电器、第一LoRa射频芯片连接，所述第一LoRa射频芯片与第一天线连接；

每个所述增强型节点包含SPECTR微波检测器、第二电能计量芯片、第二继电器、第二LoRa射频芯片、第二天线及第二单片机，所述第二单片机分别与SPECTR微波检测器、第二电能计量芯片、第二继电器、第二LoRa射频芯片连接，所述第二LoRa射频芯片与第二天线连接；

每个所述网关包含GPRS上网模块、光亮度传感器、第三LoRa射频芯片、第三天线及第三单片机，所述第三单片机分别与GPRS上网模块、光亮度传感器、第三LoRa射频芯片连接，所述第三LoRa射频芯片与第三天线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统，其特征在于，所述第一和第二电能计量芯片的型号均为hlw8012。

3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统，其特征在于，所述第一和第二单片机均为stc12c5a60s2型单片机。

4.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统，其特征在于，所述第三单片机的为STM32型单片机。

5.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统，其特征在于，所诉云服务器包含数据库、用于管理路灯的web端和用于管理路灯的app端。

6.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线通信技术的智慧路灯管理系统，其特征在于，每个所述网关、普通节点、增强型节点都有固定的唯一的ID号。