摘 要

目前，在我国城市建设还处于高速发展的状态，不论是在城市的道路，还是铁路等基本都需要24小时都能随时保持能有良好的照明来维持运作。由于需要的路灯数量十分庞大，而且分布又广，所以不仅需要考虑节能，还要能智能地监控和管理整个路灯系统。本次毕业设计采用了Lora无线通信技术来实现一个铁路灯桥控制系统，每一个路灯都是由单片机为核心连接数据采集模块，将Lora模块内嵌入每一个路灯控制器中与核心单片机连接实现信息采集，然后每一个分控点的Lora路灯节点控制器通过Lora模块与Lora路灯网关相连。Lora网关采集各个分控点Lora模块的信息，并将采集的信息经过处理之后发送到后台，由后台来进行监控。这样就实现了在系统后台将所有的灯组灯具以及Lora网关与监控中心有机地结合起来，实现了对灯组的监控和控制的目的。

关键词：单片机 Lora模块 Lora网关 监控中心 照明

Abstract

At present, China's urban construction is still in a state of rapid development. Whether on urban roads or railways, it takes 24 hours to maintain good lighting to maintain operation. Because the number of street lamps needed is very large and they are widely distributed, it is necessary not only to consider energy saving, but also to monitor and manage the whole street lamp system intelligently. This graduation project adopts Lora wireless communication technology to realize a railway light bridge control system. Each street lamp is connected with data acquisition module by MCU. The Lora module is embedded in each street lamp controller to connect with the core microcontroller for information collection, and then the Lora street lamp node controller of each sub-control point is connected with the Lora street lamp gateway through the Lora module. Lora gateway collects the information of Lora module of each sub-control point, and sends the collected information to the background after processing, which is monitored by the background. In this way, all lamps and lanterns as well as Lora gateway are organically combined with the monitoring center in the background of the system, and the purpose of monitoring and controlling the lamp group is realized.

Key words: MCU Lora module Lora gateway monitoring center lighting

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2 课题的研究内容及要实现的要求 2

第2章 铁路灯桥控制系统的结构组成及工作原理 4

2.1 LoRa无线通信技术简介 4

2.2 铁路灯桥控制系统的结构组成 6

2.3 铁路灯桥控制系统的工作原理 6

第3章 铁路灯桥控制系统硬件设计 8

3.1 控制系统的主要硬件设备 8

3.1.1 LoRa模块选择 8

3.1.2 分控点控制灯具的单片机选择 8

3.2 控制系统总体方案 11

3.3 单片机控制电路设计 13

3.3.1 光照信号测量电路 13

3.3.2 A/D转换模块电路 13

3.3.3单片机最小系统电路 15

3.3.3单片机路灯控制器整体电路 17

3.4 单片机控制模块与Lora模块和PC机对接 18

第4章 铁路灯桥控制系统软件设计 20

4.1编程软件Keil与仿真软件Proteus简介 20

4.2 控制程序设计与仿真 22

第5章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

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，现在因为灯具老化、照明条件跟不上需求等问题需要建立起一个灯场照明控制系统，编组站照明需求要求必须要是绿色专业照明，要满足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，需要重新更换；灯桥间出现暗区，照明环境变差，易出现安全问题；灯厂的设施落后，投光灯光源和整流器经常烧坏、路灯

图1.1灯场照明系统示意图

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。

通过建立这个铁路灯桥控制系统，可以为编组站提供一个智能化、可视化的系统管理平台，方便管理、使用、维护。铁路站点的工作人员可以通过智能化的控制方式对每一个灯具进行远程的监控，还能通过整个铁路灯桥控制系统的自动化控制功能对灯场排布的灯具进行科学、智能合理的自动化控制。比如利用光照传感器使照明系统与后台监控设备（如PC机）实现全自动控制。这个控制系统的实现，不仅能够科学智能的对灯场所有的灯具进行合理的管理，还能大大地减少铁路站点维修工作人员的工作量，既减少了成本，又提高了整个铁路照明系统的工作效率。

灯场灯具照明系统功能分配

表1.1灯场灯具照明系统功能分配

1.2 课题的研究内容及要实现的要求

本课题研究的主要内容是建立一个基于LoRa的铁路灯桥控制系统。系统由后台监控设备PC机、分控点单片机控制部分和Lora通信技术三部分组成。监控中心使用PC机进行信息处理和传递，软件采用可视化c语言编程，通过智能Lora网关实现与分控点单片机的通信，进行数据和信息的交流。分控点以51单片机为核心设备，辅以外围光电传感器，连接LoRa模块进行信息的采集、发送和响应，监控中心使用Lora网关采集每一个分控点的信息并传送给PC机，PC机也是通过智能网关中的Lora模块将指令发送到每一个分控点。

研究本课题首先应查阅相关文献资料，了解本课题相关专业知识的发展历史、现状及趋势，以及本课题领域技术发展历史中的重大突破的背景和影响，并理解本课题领域复杂工程问题解决方案的设计/开发背景和意义。在此基础上提出研究的基本内容、目标、拟采用的明确的技术方案及措施。

完成本课题需要掌握单片机开发及计算机数据通信的基本原理，掌握数据采集的方法，学习计算机编程技术；并细化框图中的模板原理、设计、实现；尽可能做到技术方案理论成熟、完备，详细可行。

能够选择与使用恰当的开发设备（例如开发装置）或者仿真调试软件（例如Proteus）的方式，构建软件调试平台，对本毕业设计要求的复杂工程问题进行预测与模拟。能够构建出合理的调试环境。能按照要求设计出规范的硬件电路图。能够进行软件编程调试，将调试试验结果与设计要求进行对比分析。

第2章 铁路灯桥控制系统的结构组成及工作原理

2.1 LoRa无线通信技术简介

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。 电力载波通信技术是电力系统一种特有的通信方式，电力载波通信是利用原有的电力线，通过载波方式将数字或模拟信号进行高速传输的技术。最大的特点就是不需要架设新网络，只要用原有的电线，就能进行数据传输。传统路灯传输电力载波模块优点是能够直接利用复用供电线进行数据传输，但由于国内普遍电能质量不合格影响很大，传输效果不理想而且这种技术成本比较高，需要优化。从“降低终端模块成本”、“方便布线”、“容易维护”等方面看，路灯的管理用 ZigBee 可组网短距离的无线传输是一个不错的选择。

图2.1 ZigBee组网方式为多级传输

图2.2灵活可调的扩频因子

而如果要考虑节约更多的成本可以从“减少路由器的数量”角度来考虑，远距离无线传输的Lora技术就具有很大的优势了。低功耗和远距离传输在无线通讯技术上往往低功耗和远距离传输不能兼顾，直到LoRa低功耗广域网技术（即Low Power Wide Area Network 技术的一种，简称LPWAN）的商业化。在发射功率固定不变时，常常将扩频因子设置的越大，Lora模块的接收灵敏度就会越高，通信距也会越远，但是通信速率会相应降低。

LoRa无线传输技术的几大优势

LoRa是一种无线电专用的调制解调的技术, 它融合了数字信号处理、数字扩频和前向纠错编码技术，拥有更加优越的性能。以厦门四信公司F8L10D LoRa模块为例，它抗干扰能力强，通信距离远，最大通信距离可以达到5km。F8L10D LoRa模块现如今已经广泛应用于基于移动端的移动互联网行业，如智能建筑、智能电网、公共安全、公共交通、消防安全、无线抄表系统、无线自动化数据传输、气象、环境保护、智能医疗、军事、空间探索、农业、林业、水务、煤矿、遥感勘测、石化等领域。对于用电力载波技术和短距离无线传输技术而言，要实现对一片区域中所有路灯的智能控制系统更加精简，成本更加低廉，还要兼顾长距离传输和功耗低是很难实现的。^[13]而 LoRa技术在智能路灯控制这方面具备比其他技术更大的优势：减少了采集信息设备的数量，LoRa无线扩频技术，拥有-148dBm的接收灵敏度，比起经典的470MHz传输，传输距离和覆盖的面积要远远超过，减少了超过一半的网关数量，施工成本和施工的难度也大大降低，传统组网中路由数量很多而且传输范围内路由放置地点也要通过大量的计算来确定，Lora技术可以完美的解决这些缺点。^[12]供电的电缆、许多灯具的放置、复杂林立的建筑以及复杂的交通状况都会对无线通讯产生干扰，而LoRa技术由于采用了ISM频段无线通信技术，并且融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码，具有强大的抗干扰能力来却保无线通讯的稳定。^[11]

2.2 铁路灯桥控制系统的结构组成

1、前端：前端的 LoRa 无线通信模块，内嵌在灯具内，与单片机为核心的路灯控制器相连，可以将采集的光照强度信息发送出去，也可以接受来自网关的信息传达给单片机达到控制路灯的目的。

2、网关：智能网关内部也内嵌Lora模块以便可以接收来自每一个分控点LoRa 模块收集的信息，并转发至监控中心也就是PC机。

3、系统后台：在后台的PC机上以铁路灯场为基础，将灯具、网关等系统的各个部件与地理位置的图形信息有机结合，构建出一个包括功能完备，可以直观感受系统工作流程的一个铁路灯桥控制系统，可以实现对每一个灯具的信息采集，能够发出指令控制系统的每一个部分。

2.3 铁路灯桥控制系统的工作原理

路灯控制器与 LoRa模块对接原理：

通过串口Lora模块与单片机对接，给以单片机为核心的路灯控制模块下达指令，控制路灯；又可采集路灯控制部分光电传感器采集的信息并且发送给监控中心的PC机，所以后台可以通过Lora模块监控每一个灯具的信息。

路灯远程管理系统后台

在后台监控的PC机，可以对每一个灯具进行远程开、关和亮度的控制，对每一个灯具运行的光照强度、开还是关这些参数进行远程的信息采集并传输给后台进行检测。所有的信息采集和指令传输工作都是通过LoRa 网关来进行的。

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。

图2.3基于LoRa技术的灯具控制原理图

如图2.3是整个控制系统工作的流程图，首先分控点的光照信息采集模块将采集的模拟信号通过A/D转化模块转化为数字信号传输给单片机控制模块，然后信息通过与单片机对接的Lora模块传输给负责采集和发送信息的Lora网关，智能网关将信息发送给PC机进行处理，然后监控中心的指令也是通过智能网关来发送给每一个分控点，可以达到控制每一盏灯的目的。

第3章 铁路灯桥控制系统硬件设计

3.1 控制系统的主要硬件设备

3.1.1 LoRa模块选择

F8L10D LoRa 模块是厦门四信通信技术有限公司开发的一款Lora模块，是一种基于LoRa无线扩频技术的可以内嵌的无线数据传导模块，利用 LoRa无线传输网络给提供给用户无线数据传输功能。该模块使用性能优良性能的工业级芯片，可以让数据实现透明传输；低功耗设计，最低功耗小于2uA；具有多路的输入和输出，既可以实现对模拟信号的采集处理，还能够对数字信号进行传输。该模块现如今已经广泛应用于已经广泛应用于基于移动端的移动互联网行业，如智能建筑、智能电网、公共安全、公共交通、消防安全、无线抄表系统、无线自动化数据传输、气象监测、环境保护、智能医疗、军事、空间探索、农林业发展、水务管理、煤矿开采、地质勘测、石化等很多领域。^[9]

F8L10D LoRa模块电源输入为DC 3.3～5.0V，产品系列支持全球各地多种频段(433/470/780/868/915 MHz)，而且该模块的设计功耗很低而且接收数据的灵敏度非常高，所以这个模块的通信距离不仅远而且数据传输十分稳定。该模块内置看门狗定时器，保障了整个系统可稳定运行很长时间，内置低压差线性稳压器，模块具有稳定供电的保障，数据很多的话也可以自动分包进行传输，数据包的完整不丢失是十分可靠的，循环交织的纠错编码纠错的效率非常高，最大纠错64位，双256环形FIFO，不仅不用担心数据丢失，而且还有很高的传输效率和非常远的通信距离。^[9]

3.1.2 分控点控制灯具的单片机选择

AT89C51简介：

美国的Intel公司在1980年开发研制出了MCS-51系列MCU产品，该系列的MCU产品非常经典，可以称得上是一代“名机”，比起MCS-48系列的MCU，该系列MCU结构体系可称之为典型，管理方式采用专用寄存器集中管理，结构完善；而且指令系统更加丰富。逻辑位操作功能更加的方便。^[1]后来的其他各种型号不同功能的单片机的发展基本都是以该系列单片机为参考或基础的。MCS-51系列单片机电路单元完善、功能模块强大，指令系统丰富，所以该系列单片机不仅结构更加完善先进，功能也是非常强大。AT89C5x系列MCU便是MCS-51系列MCU的代表，本次毕业设计就采用了 AT89C51单片机。现简要介绍如下：

1.中断系统

AT89C51的中断功能较为完善，中断源有外部中断0（INT0）和外部中断1（INT1），都是下降沿或低电平触发中断；内部中断定时/计数器也有两个T0和T1，触发方式为溢出；还有一个串行口中断。5个中断源有高低两个优先级，CPU优先服务高优先级的中断源。^[1]

2.时钟电路

时钟电路是用来产生时钟控制信号让单片机按时序执行程序的，外部时钟要使用外部震荡脉冲，本文使用内部时钟，XTAL1和XTAL2之间接晶振和微调电容，形成内部自激振荡器，本次设计晶振频率为12MHz。^[1]

单片机最小系统电路：

采用单片机控制的系统的核心一定是单片机最小系统，然后才是在这个基础上辅以外围元件形成外围电路。单片机最小系统的构成部分一般情况下包括电源、芯片、时钟电路、复位电路，系统时钟源一般采用内部时钟源，在XTAL1和XTAL2之间接晶振和微调电容形成内部自激振荡，而在有多个单片机构成系统中，每一个单片机只是一个模块，需要统一控制，这种情况一般用外部时钟源，这样也为系统节省了硬件资源。

在单个灯具控制系统中，单片机控制电路作为整个系统的中枢，光敏电阻随光照强度变化阻值发生变化，产生的信号通过A/D转换部分电路传输给单片机控制电路。

图3.1 AT89C51示意图

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：