安科瑞 鮑靜君

　　摘要：本文提出采用LoRa通信技術(shù)開發(fā)設(shè)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(lǐng)域中有較高的推廣價值。

　　關(guān)鍵詞：LoRa通信；建筑能耗；監(jiān)測系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計；電氣設(shè)備調(diào)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(shè)進程中，國內(nèi)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(jié)合業(yè)內(nèi)人員的測算結(jié)果，若不實施應(yīng)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(shè)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(nèi)尚未建成一個系統(tǒng)的檢測網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域內(nèi)，尤其是空調(diào)、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(luò)化傳導(dǎo)，根本原因是有關(guān)核心技術(shù)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(shù)在用于能耗監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)的過程中，暴露出布線復(fù)雜傳導(dǎo)距離偏短穿透能力較弱等不足。本文以LoRa通信技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)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(lǐng)域中有較廣闊的應(yīng)用空間。

　　1 LoRa技術(shù)介紹

　　LoRa是一種遠距離低功耗的無線通信技術(shù),可以將LoRa理解為將擴頻通信與GFSK調(diào)制整合為一的無線調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，通信載波＜1GHz，多被用于低功耗與長距離的場所內(nèi)，它將數(shù)字擴頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)合在一起。LoRa技術(shù)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(shù)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(luò)連接可靠性。不管發(fā)送端是否采用相同頻率傳導(dǎo)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(nèi)單個集中器/網(wǎng)關(guān)（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(chǎn)品設(shè)計、加工制造領(lǐng)域中均有應(yīng)用。不同的無線通信技術(shù)在通信距離指標存在一定差異，BlueTooth、ZigBee、Sub-1G等通信技術(shù)均是短距離無線通信技術(shù)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(yīng)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(shù)，廣泛的應(yīng)用于宏站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。表1呈現(xiàn)出幾種無線通信技術(shù)屬性。

　　4種無線通信技術(shù)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(yīng)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(nèi)數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)大部分情況下，無線通信技術(shù)的通信距離遠近和遵循通信速率高低之間呈正相關(guān)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(dǎo)通信設(shè)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(shù)手段，這也預(yù)示著LoRa在那些對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范疇、低功耗有較嚴格要求但數(shù)據(jù)傳導(dǎo)速率偏低領(lǐng)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(shè)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(guān)公共安全、設(shè)備管理及信息設(shè)施應(yīng)用等諸多問題，在整個智能建筑內(nèi)將管理與服務(wù)優(yōu)化匯聚為一身，使建筑結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(nèi)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(nèi)完成操作的。

　　2.1系統(tǒng)設(shè)計需求與整體架構(gòu)

　　2.1.1需求分析

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

　?。?）在檢測到可燃性氣體時，能自動啟用報警功能，及時將相關(guān)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(nèi)部信息。

　?。?）可以采用手機APP調(diào)控窗簾與照明裝置。

　　2.1.2整體架構(gòu)

　　LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個典型的星形拓撲結(jié)構(gòu)，在這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個透明的中繼，連接終端設(shè)備和服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過標準IP連接，而終端設(shè)備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點均是雙向通信?；谙到y(tǒng)設(shè)計的需求分析，擬定選用嵌入式、LoRa以及GPRS技術(shù)組織設(shè)計工作。依照物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)可以把建筑能耗系統(tǒng)分為如下三層：（1）業(yè)務(wù)層：由無線傳感網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備調(diào)控系統(tǒng)構(gòu)成，前者作用是采集建筑環(huán)境信息，后者功能以調(diào)控室內(nèi)電器設(shè)備為主。（2）網(wǎng)絡(luò)層：業(yè)務(wù)層完成數(shù)據(jù)信息采集任務(wù)后，會以LoRa通信網(wǎng)絡(luò)為載體，將數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層為這些信息配置“新包裝”，經(jīng)GPRS、串口通信技術(shù)傳導(dǎo)到應(yīng)用層。業(yè)務(wù)層會依照應(yīng)用層下達的指令，有針對性的調(diào)控室內(nèi)部分設(shè)備。（3）應(yīng)用層：由手機客戶端APP和上位機構(gòu)成，為用戶提供一個友好型界面，但網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至APP和上位機時，用戶變更動態(tài)化觀察建筑內(nèi)部的能耗數(shù)據(jù)，手機APP還能下達指令，經(jīng)由業(yè)務(wù)層調(diào)控室內(nèi)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(gòu)圖

　　2.2硬件設(shè)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(gòu)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(diào)控設(shè)備：分別控制燈光和窗簾設(shè)施。步進電機驅(qū)動點動窗簾，控制電機正向運轉(zhuǎn)時開啟窗簾，逆向運轉(zhuǎn)時關(guān)閉窗簾，本系統(tǒng)選用了28BYJ-48-5V型步進電機，ULN2003驅(qū)動芯片負責(zé)驅(qū)動工作。

　　（3）STM32單片機：其功能是讀取與處置數(shù)據(jù)信息?；贑ortex內(nèi)核的STM32系列為近些年廣泛應(yīng)用的一類微處理器，選用的是哈佛結(jié)構(gòu)，有處理快速、外設(shè)豐富的特征，本能耗系統(tǒng)設(shè)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(diào)控設(shè)備的信息，將其統(tǒng)一傳導(dǎo)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(shè)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(luò)層，囊括了一個STM32單片機與LoRa通信模塊，負責(zé)傳導(dǎo)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(diào)控LoRa通信模塊進而傳導(dǎo)數(shù)據(jù)，因而該硬件電路規(guī)劃設(shè)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(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)層，主要有如下四大部分構(gòu)成：

　?。?）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(yīng)用于多種場景。

　　（2）GPRS模塊：整合節(jié)點與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)過程。本系統(tǒng)采用GA6模塊作為匯聚節(jié)點和服務(wù)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(nèi)部設(shè)置了內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，MCU能夠傳送命令以調(diào)控模塊。該模塊選用的是模塊化設(shè)計，設(shè)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(shè)定值；

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

　　2.3軟件設(shè)計

　　2.3.1采集節(jié)點流程

　　該節(jié)點扮演者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系業(yè)務(wù)層的角色，負責(zé)的任務(wù)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(diào)控設(shè)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(jié)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(dǎo)至數(shù)據(jù)包內(nèi)，以LoRa網(wǎng)絡(luò)為媒介傳導(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)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(diào)控指令，責(zé)將會快速下傳采集節(jié)點接收相關(guān)指令信息后，便會快速開啟調(diào)控設(shè)備予以執(zhí)行。

　　2.3.3匯聚節(jié)點流程

　　首先，設(shè)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(wù)。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(diào)控采集節(jié)點設(shè)備，匯聚節(jié)點對該類信息打包處理后將其轉(zhuǎn)送到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點再將其傳導(dǎo)給采集節(jié)點。（2）針對始源串口的信息為預(yù)警信息，微處理器能夠調(diào)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(shè)計

　　選用Google公司自主研發(fā)的AndroidStudio軟件，以IntelliJIDEA為基礎(chǔ)，聚集了Andriod的研發(fā)工具用于開發(fā)、調(diào)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(wù)邏輯數(shù)據(jù)和界面呈現(xiàn)分離法組織代碼。

　　建設(shè)一個newproject開啟創(chuàng)建向?qū)?，?guī)劃兼容的版本。而后設(shè)施相關(guān)按鈕，設(shè)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(diào)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(chǎn)出一個Apk包，以上便是一個簡易型手機APP的創(chuàng)設(shè)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(shè)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(diào)控，合格率100，設(shè)備開關(guān)反應(yīng)過程敏捷、延時偏短。

　　3.2通信距離測試