1．目的及意义

我国南部地区某铁路站地处几个主干线交汇处，是我国铁路交通主要站点，现为一等站，现在需要建立一个灯场照明系统，要求必须要是绿色专业照明，核心要素是安全可靠、节能环保、智能管理、经济合理、还要具有优良的光环境，满足整个铁路场的照明需求。

现场灯桥存在的主要问题有灯桥上灯具大面积损坏；灯桥间出现暗区，易出现安全问题；投光灯光源和整流器经常烧坏、路灯灯泡消耗量较大。铁路灯桥系统需要满足的要求有根据设定的时间及环境照度值，进行自动开灯关灯、自动调光; 可以灯桥为单位，实现所有灯桥并入互联控制，实现远程网上随时随地实时控制； 设备轻便，后期维护简易。控制系统可以为后期保留拓展空间。

灯桥照明控制系统功能分配

在 LED 节能路灯逐步普及后，传统城市照明中能源利用率低、路灯状态监控不便等问题逐渐解决， 节约了大量的人力物力， 然而接下来如何去提高节能路灯监控方案性价比将成为市政建设的必然趋势。

从电力载波到现今的 LoRa 技术

电力载波通讯即PLC，是英文Power line Communication的简称。 电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。传统的路灯传输的电力载波模块优点是可以直接复用供电线作为信号传输线，但受国内普遍不合格电能质量干扰严重，传输效果很不理想且价格较高，亟待优化。从“降低终端模块成本”、“方便布线且便于维护”等方面考虑，市政路灯管理采用 ZigBee 短距离可组网的无线传输方案是一个很好的选择。

而要进一步降低成本则要从“减少路由数量”角度考虑， 这就要用到远距离传输的 LoRa 技术了。低功耗和远距离传输在无线通讯上向来只能二选一， 直到将原本军用的 LoRa 低功耗广 域网技术（即Low Power Wide Area Network 技术的一种，简称 LPWAN ）转为商用。在发射功率一定时，通常扩频因子被设置得越大，模块可获得的接收灵敏度就越高，通信距离将越远，但会同时导致通信速率降低。

LoRa无线传输技术的几大优势

LoRa是一种专用于无线电调制解调的技术,LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。以四信 F8L10D LoRa模块为例，它穿透能力强，传输距离远，最大传输距离达5km。F8L10D LoRa模块已广泛应用于物联网产业链中的 M2M 行业，如智能电网、智能交通、无线水气热表抄表、无线自动化数据采集、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、军事、空间探索、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。对于未实现智慧市政和已经采用电力载波、短距离无线传输方案而言，要实现对城市内几个大区路灯的实时控制层级精简化，成本低廉化，要同时满足长距离和低功耗两个需求 LoRa方案在这一领域具备两大优势：减少路由，LoRa无线扩频技术，具备-148dBm的接收灵敏度，比起传统470MHz传输，拥有超过两倍的通信距离和覆盖面积，大大减少网关数量和施工成本，以及施工复杂度，传统组网中数量巨大的路由及需要精心计算传输范围内路由最佳放置点的难题也一并解决；超强抗干扰，路灯供电电缆及高楼林立的复杂城市路况都会对无线通讯产生很强的干扰作用，LoRa 采用 ISM频段无线通信技术，融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码，有效保证无线通讯稳定可靠和抗干扰能力；

目的：学习Lora技术的基本原理，了解lora扩频通信系统应用技术。采用lora通信模块的设计，构筑一个铁路灯桥控制系统。

该系统基于Lora无线通信模块，系统由监控中心、分控点和通信三部分组成。监控中心采用PC机，软件采用可视化语言编程，通过无线网桥实现与分控点的通信，进行数据及信息的传递。分控点以单片机为核心，辅以外围设备，连接Lora模块、信息采集模块等，并实现与监控中心信息交换，对中心命令响应，完成数据采集等任务。

意义：与其他无线系统相比，LoRa技术拥有如下几大优势。它使用扩频调制技术，可解调低于20 dB的噪声。这确保了高灵敏度、可靠的网络连接，同时提高了网络效率并消除了干扰。而相比于网状网络，LoRaWAN协议的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数，因而降低了功耗并可允许多个并发应用程序在网络上运行。同时，LoRa技术实现的通信距离比其他无线协议都要长得多，无需中继器，从而降低了整体拥有成本。此外，相较于3G和4G蜂窝网络，LoRa技术对嵌入式应用而言可扩展性更强，性价比更高。

LoRa基于Sub-GHz的频段使其更易以较低功耗远距离通信，可以使用电池供电或者其他能量收集的方式供电；较低的数据速率也延长了电池寿命和增加了网络的容量。LoRa信号对建筑的穿透力也很强。LoRa的这些技术特点更适合于低成本大规模的物联网部署。

国内外的研究现状分析：

目前LoRa网络已经在世界多地进行试点或部署，截至目前最新公布的数据，已经有17个国家公开宣布建网计划，120多个城市地区有正在运行的LoRa网络，如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等等国家，荷兰、瑞士、韩国等更是部署或计划部署覆盖全国的LoRa网络。
Orange、KPN、SK、TATA、软银、Senet、Comcast等各国主流电信运营商已选择LoRa来建设物联网专用网络，形成源于LoRaWAN的物联网标准规范并大范围推广。LoRa数传终端IOT-L2S-B 是基于LoRa射频芯片设计制造的通用通讯交互设备。集成了两路工业标准RS485，将有线设备需要传输的数据通过RS485通讯线传输到该设备中，再将数据通过无线方式进行传输，支持多种协议，实现有线设备与无线设备之间的数据传输。可广泛的应用于物联网、集中抄表、工业控制等方向。

作为支持物联网低功耗广域网络开放标准LoRaWAN#8482;的全球企业协会LoRa联盟#8482;携手16家联盟成员在Lora联盟展台进行了集中展示。LoRa联盟作为一个开放的非营性组织，自2015年成立以来，已成为技术领域内规模最大、发展最快的联盟之一。联盟成员密切合作、分享经验，以推动LoRaWAN成为领先的开放式全球标准，实现安全、运营商级的物联网LPWAN连接。由于具备了解决广泛的物联网应用的技术灵活性，包括静态和移动设备，及确保互操作性的认证程序，LoRaWAN协议已经被全球的主要移动网络运营商部署，在100多个国家可供连接，并仍在持续扩展。

目前，有83个运营商（LoRa），世界上LoRa网络覆盖超过了一百个国家。其中，包括电信运营商，网络运营商和私人独立组织私化使用的网络。网络已覆盖美国，加拿大，巴西，中国，俄罗斯，印度，马来西亚，新加坡等地区。在中国，我们看到主要的垂直市场，如智能城市，智能家居，智能农业，用劳拉消防智能化技术，许多垂直解决方案已投放市场，为客户提供。

在今年三月的时候，阿里宣布全面进军物联网赛道，并在云、管、边、端等具体领域展开布局。在管道侧，阿里云IoT事业部市场总监王云词介绍：阿里云的强项是在云计算和整个基础设施平台上面，阿里云并不是一个半导体厂商或者是硬件厂商，并不擅长在单点的应用上面去做很多的垂直应用开发。而阿里云结合自身优势开发的阿里云Link WAN core物联网核心网的管理平台，可以很好地支持LoRa的协议。

Microchip Technology Inc.（美国微芯科技公司）宣布推出采用LoRa技术、符合低数据速率无线网络标准的全新系列模块中的首款产品，可实现的物联网（IoT）和机器对机器（M2M）无线通信距离超过10英里（郊区），电池使用寿命可达10年以上，并且能够将数百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来。全新433/868 MHz RN2483器件是一款已通过欧洲R＆TTE指令评估的射频模块，可显著加快开发速度并降低开发成本。此外，新模块体积小巧（尺寸仅为17.8x26.3x3 mm），并备有14个GPIO，以极小的占位空间即可灵活连接和控制大量的传感器与执行器。

意法半导体将加入低功率无线电联盟(LoRa Alliance)，并发布基于STM32微控制器的LoRa技术参考设计。意法半导体计划研发内置LoRa技术的微控制器，可支持LoRaWAN标准化协议。Semtech和意法半导体将针对多个以LoRa为中心的商业开发项目展开合作，并在多个产品平台上集成LoRa技术，以满足相关应用的各种需求。

低功率无线电联盟及其LoRa开发生态系统，是物联网领域成长最快的产业合作组织，而意法半导体的加盟将有助于LoRa及LoRaWAN技术成为物联网低功耗广域网 (LPWAN, low-power wide-area network)的全球标准技术。Semtech和意法半导体相信功能强大的标准化生态系统将有助于推动技术应用的发展，进而实现业界预测的物联网规模目标。

{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title}

研究（设计）的基本内容、目标：学习Lora技术的基本原理，了解lora扩频通信系统应用技术；采用lora通信模块的设计，构筑一个铁路灯桥控制系统。

拟采用的技术方案及措施：目前智能路灯控制解决方案是是采用 GPRS 无线通信技术和电力线载波通信技术， 使用电脑、手机对道路照明进行远程集中管理，但这种管理技术有其缺点所在：

1、GPRS 流量费高，而且是持续缴费。城市越大，路灯越多，费用就越多。 2、电力线载波通信技术，受本身技术的限制，还存在信号质量差，易受到电力 线损耗及干扰，当线路停运时检修时，不能传输数据。

LoRa 无线远程管理系统组成：

1、前端：前端 LoRa 无线模块；内置在灯具内。

2、网关：接收 LoRa 模块信息，并转发至后台。 3、系统后台：在后台以路灯路网为基础，将网关、路灯等各部件与地理位置的 图形信息有机结合，把这些信息以图文并茂形式的展示出来。包括基本操作功能、路灯设备状态、单灯控制、分组控制，定时控制等。

路灯控制器与 lora 模块对接原理：通过对接，LoRa 模块给路灯控制器传达开、关、调光指令，控制路灯；又可把路灯自检状态信号传到后台，后台可监控每盏路灯的信息。

路灯远程管理系统后台

在管理后台，可以对每一盏路灯、每一组路灯进行远程开关或调光控制，对每一盏路灯运行的电压、电流、功率、开关状态等参数进行远程实时监测。所有的控制和管理工作均通过 LoRa 网关完成。

智能路灯能根据人流状况、天气情况有效调节灯的亮度，可全开模式、节能模式、 深夜模式，做到单灯控制。同时能监控灯体的状态，提高维护效率。

随着目前通讯技术的进步，可以做到将智能控制器嵌入到对于每盏灯具中。使每盏灯均可以进行联网控制。采用智能化的LED控制器措施，可以实现对每一盏灯控制和信息采集，包括灯光的启闭、调光处理和电流电压采样。

基于LoRa技术的灯具控制逻辑

窄带物联网技术LoRa

一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术（Long Range，简称LoRa）。LoRa的优势主要体现在：

1）高灵敏度和低功耗。高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里（与环境有关）。

2）基于该技术的网关/集中器支持多信道多数据速率的并行处理，系统容量大。

网关是节点与IP网络之间的桥梁。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信（假设每次发送10Bytes，网络占用率10%）。通过网关可以将LoRa节点方便通过2G/3G/4G或者Ethernet接入互联网。

基于LoRa扩频技术的嵌入式无线数据传输模块

采用无线嵌入式技术，不用专门架设通讯网络大大降低了施工难度，便于旧设备的改造。

先进的智能控制技术

采用工业计算机，可视化编程，可以实现对灯组的智能控制。

1）根据设定的时间进行自动开灯关灯；

2）根据环境照度值，自动调光；

3）通过网关可以实现所有灯具并入互联网控制。实现远程网上随时随地实时控制。

4）采用LoRa技术，具有足够的网络容量，可以为后期增加灯具保留了拓展空间。

基于LoRa技术的无线灯光控制系统

3. 参考文献

[1]陈东方.C语言程序设计基础.清华大学出版社.2010年03月

[2]单片机原理及应用--基于Keil C与Proteus. 荆珂 李芳，机械工业出版社，2018年

[3]传感器与检测技术 第3版胡向东. 机械工业出版社，2018年

[4]电子技术基础. 丽娟，机械工业出版社，2018年

[5] 周润景. 张丽娜. 基于P R O T E U S 的电路及单片机系统设计与仿真[ M ] . 北京:航空航天大学出版社,2006

[6] 沙占友，孟志永，王彦朋.单片机外围电路设计，电子工业出版社2006.6

[7] 张齐，杜群贵.单片机应用系统设计技术，电子工业出版社2004.8

[8] Nassar M, Lin J,Mortazavi Y,et al. Local Urility Power Line Communications in the 3-500 kHzBand: Channel Impairments, Noise, and Standards[J][J].IEEE Signal ProcessingMagazine, 2012,29(5):116-127.

[9] Orchestrating infrastructure forsustainable Smart Cities [document on the Internet]. Geneva: InternationalElectrotechnical Commission; 2014 [cited 2014 Nov 10]. Availablefrom:https://www.ceps.eu/system/files/iecWP-smartcities-LR-en.pdf

[10] .J. Zou,H. Yu, W.Miaoand C. Jiang, "Packet-Based Preamble Design for Random Access inMassive IoT Communication Systems," in IEEEAccess,vol.5,pp.11759-11767,2017.

[11].W. Yang, M. Wang, J. Zhang, J.Zou, M. Hua, T. Xia and X. You, "Narrowband Wireless Access for Low-PowerMassive Internet ofThings:ABandwidthPerspective,"inIEEEWirelessCommunications,vol.24,no.3,pp.138-145,2017.

[12].L.Wei,W.Miao,C.Jiang,B.Guo,W.Li,J.Han,R.LiuandJ.Zou,"PowerwirelessprivatenetworkinenergyIoT:Challenges,opportunitiesandsolutions,"2017InternationalSmartCitiesConference(ISC2),Wuxi,2017,pp.1-4.

[13].3GPP,“Physicallayerprocedures,”Release14,v.14.4.0,3GPPTS36.213,Sep.2017.

[14] Peijie Huo，Fang Yang，Hongbo Luo，Mingkuan Zhou，Yanlin Zhang. Distributed monitoringsystem for precision management of household biogas appliances,Computers andElectronics in Agriculture.Elsevierjournal,2019

[15] MehrdadBabazadeh. Edge analytics for anomaly detection in water networksby an Arduino101-LoRa based WSN. ISATransactions. Elsevierjournal.2019

1．目的及意义