浅谈基于LoRa通信技术的建筑能耗监测系统及模块

安科瑞 华楠

摘要:本文提出采用LoRa通信技术开发设计建筑能耗监测系统的建议,通过系统,该系统功能完善、界面友好、通信稳定,在建筑能耗监测领域中有较高的推广价值。

关键词:LoRa通信;建筑能耗;监测系统;系统设计;电气设备调控

0 引言

既往有统计的资料记载,我国建筑能耗在总能耗中所占比例高于27.0%。伴随城市现代化快速建设进程中,国内每年新增建筑工程的规模达到20亿m2,其中大部分隶属于高能耗建筑,并且现有建筑很少配置节能措施。结合业内人员的测算结果,若不实施有效的应对措施,再过10年我国建筑总能耗量将是即时的3倍以上。降低建筑能耗,一方面能节省能源投用量,降低建设成本,另一方面也促进中国经济与社会可持续、健康发展。当下国内尚未建成一个系统的检测网络用语统计分析的建筑能耗监测系统。建筑能耗长时间被分割于能耗的各个领域内,尤其是空调、电梯及照明等家用电器尚未实现动态监测与网络化传导,根本原因是有关核心技术不成熟,监测系统平台未能大规模开发。RS485、Zigbee等通信技术在用于能耗监测系统研发的过程中,暴露出布线复杂传导距离偏短穿透能力较弱等不足。本文以LoRa通信技术为基础设计的建筑能耗监测系统有覆盖范畴广、系统功率耗损量低、节点规划敏捷等优势,在建筑能耗监测领域中有较广阔的应用空间。

1 LoRa技术介绍

LoRa是一种专用于远距离低功耗的无线通信技术,可以将LoRa理解为将扩频通信与GFSK调制整合为一的无线调制和解调技术,通信载波<1GHz,多被用于低功耗与长距离的场所内,它融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术,拥有高性能。LoRa技术拓展了频移键控的低功耗属性,且持有相对较远的通信距离,信号接收敏捷度处于较高水平,能够抵达-148dBm。一般地,在城市中无线距离范围是1~2公里,在郊区无线距离可达20km。LoRa技术与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比,接收灵敏度改善了20db以上,这确保了网络连接可靠性。不管发送端是否采用相同频率传导数据信息,只要不同终端选用的扩频码存在差异性,那么在接收数据信息过程中彼此间就不会相互扰乱。LoRa通信组网内单个集中器/网关(Concentrator/Gateway)对数个终端节点能形成较强大的支撑作用,并且能够以并行形式接收数据,借此方式进一步拓展了系统容量。

众所周知的是,无线通信是新时期下社会上广为流行的通信形式,大部分电子产品设计、加工制造领域中均有应用。不同的无线通信技术在通信距离指标存在一定差异,BlueTooth、ZigBee、Sub-1G等通信技术均是短距离无线通信技术的典范,但是常规数据传送效率、功耗均偏低;WiFi是近距离通信的代表,其在应对宽带末节点接入问题方面表现出良好效能;GSM是常见的中远距离通信技术,广泛的应用于宏站网络建设。表1呈现出几种无线通信技术属性。

表1 几种无线通信技术属性统计

属性

LoRa

ZigBee

BlueTooth

WiFi

GSM

使用标准

802.15.4

802.15.1

802.11b

TIA

通信距离

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

频段

137M~1050MHz

2.4G/868M-915MHz

2.4GHz

2.4GHz

800/900/1800/1900MHz

主要应用范围

传感与控制

传感与控制

数据与音频

数据与音频

移动通信

对表1内数据进行分析,发现大部分情况下,无线通信技术的通信距离远近和遵循通信速率高低之间呈正相关性,射频模块发射功率是影响通信距离的独立因素,进而诱导通信设备功耗伴随距离增加而上升的过程。但在偏低功耗的工况下,LoRa依然能够维持较长的通信距离,其在数据传输速率方面略微逊色于其他通信技术手段,这也预示着LoRa在那些对网络覆盖范畴、低功耗有较严格要求但数据传导速率偏低领域中持有较高适用性。

2基于LoRa的建筑能耗监测系统设计

近些年现代城市持续发展进步,智能建筑将作为主要运作方向,该类建筑类型侧重点是实现系统化管理建筑有关公共安全、设备管理及信息设施应用等诸多问题,在整个智能建筑内将管理与服务优化汇聚为一身,使建筑结构有节能环保便捷舒适可靠等诸多特征。能耗管理系统是以智能建筑为基础而研发的,其主要是基于自动化控制系统落实计算机管理系统流程拟编工作,程序内储有数个指令,用于收集与解读建筑体能耗参数,其中局部指令拟编属于操控指令,是在楼宇智能控制系统内完成操作的。

2.1系统设计需求与整体架构

2.1.1需求分析

(1)收集与呈现温湿度光照强度等环境参数;

(2)在检测到可燃性气体时,能自动启用报警功能,及时将相关信息反馈给管理人员;

(3)管理及注册人员均能通过上位机合伙收集客户端检查观看建筑体内部信息。

(4)可以采用手机APP调控窗帘与照明装置。

2.1.2整体架构

LoRa网络架构是一个典型的星形拓扑结构,在这个网络架构中,LoRa网关是一个透明的中继,连接终端设备和服务器。网关与服务器通过标准IP连接,而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信,所有的节点均是双向通信。基于系统设计的需求分析,拟定选用嵌入式、LoRa以及GPRS技术组织设计工作。依照物联网体系架构可以把建筑能耗系统分为如下三层:(1)业务层:由无线传感网络与设备调控系统构成,前者作用是采集建筑环境信息,后者功能以调控室内电器设备为主。(2)网络层:业务层完成数据信息采集任务后,会以LoRa通信网络为载体,将数据传导至网络层,网络层为这些信息配置“新包装”,经GPRS、串口通信技术传导到应用层。业务层会依照应用层下达的指令,有针对性的调控室内部分设备。(3)应用层:由手机客户端APP和上位机构成,为用户提供一个友好型界面,但网络层将数据传导至APP和上位机时,用户变更动态化观察建筑内部的能耗数据,手机APP还能下达指令,经由业务层调控室内的家用电器(见图1)。

 

图1 建筑能耗监测系统的整体架构图

2.2硬件设计

2.2.1采集节点

采集节点硬件电路部署相对繁杂,分为如下几大部分:

(1)传感器:由DHT11、BH1750FVI以及MQ-2传感器构成,分别检测温湿度、光照强度及烟雾环境参数,图2是DHT11传感器电路接口图。

 

图2 DHT11传感器电路接口示意图

(2)照明与窗帘调控设备:分别控制灯光和窗帘设施。步进电机驱动点动窗帘,控制电机正向运转时开启窗帘,逆向运转时关闭窗帘,本系统选用了28BYJ-48-5V型步进电机,ULN2003驱动芯片负责驱动工作。

(3)STM32单片机:其功能是读取与处置数据信息。基于Cortex内核的STM32系列为近些年广泛应用的一类微处理器,选用的是哈佛结构,有处理快速、外设丰富的特征,本能耗系统设计开发时选用了STM32F103C8T6单片机作为主控器。

(4)LoRa通信模块:针对收集到的环境参数以及调控设备的信息,将其统一传导至中继节点。ATK-LORA-01为ALIENTEK开发的一个体积微小、功率低、功耗小、性能优良的远距离式LORA无线串口模块,其配置了高效率的ISM频段射频SX1278扩频芯片,模块的作业频率为410~441MPa之间,本系统选用1MHz频率作为步进信道,共计设计了32个信道(图3)。

 

图3 ATK-LORA-01的硬件接口图

2.2.2中继节点

中继节点相当于能耗监测系统的网络层,囊括了一个STM32单片机与LoRa通信模块,负责传导始源于自采集节点的数据、接收汇聚节点下达的指令,等用于采用单片机调控LoRa通信模块进而传导数据,因而该硬件电路规划设计和采集节点的STM32和LoRa模块接口一致。

2.2.3汇聚节点

汇聚节点隶属于系统结构的网络层,主要有如下四大部分构成:

(1)LoRa模块:接收中继节点传送的数据信息,下达手机APP的控制信息,LoRa模块具有功耗低、传输距离远、抗干扰能力强的特点,广泛应用于多种场景。

(2)GPRS模块:整合节点与服务器的数据传导过程。本系统采用GA6模块作为汇聚节点和服务器两者之间的通信模块,该模块单电压为3.5V-4.2V,数据速率上传、下载依次是85.6kbps、42.8kbps,敏捷度-107dbm、通信接口选定为TTL天平,温度区间为-30℃~80℃。该模块通过串口和MCU实现通信,内部设置了内置TCP/IP协议栈,MCU能够传送命令以精确调控模块。该模块选用的是模块化设计,设计阶段仅需重视STM32与GA6的接口,图4是接口电路,模块的发送、接受接口依次衔接PB10、PB11。

 

图4 GPRS模块接口图示

(3)STM32控制板:读获数据并下传设定值;

(4)串口通信电路:负责传送汇聚节点与上位机数据。

2.3软件设计

2.3.1采集节点流程

该节点扮演者系统结构体系业务层的角色,负责的任务主要是收集和传送环境数据,也能够接收始源于手机APP调控设备下达的指令并加以落实。

当该节点接收到采集指令后,便检测核实命令帧CRC校验码的准确性,确定其准确无误后,结合指令采集建筑环境数据,对节点信息环境数据等行打包处理后就传导至数据包内,以LoRa网络为媒介传导至中继节点,而后静候下一次指令,LoRa模块随即步入休眠模式中。光照强度是影响建筑能耗量高低的主要环境参数之一,本系统的光照强度传感器配置了BH1750FVI模块,独立规划光强收集流程,以IIC接口读获测量位点的光照数据。

2.3.2中继节点流程

该节点可以看做是信息的中转站,起到了承上启下的作用,若接收的是下层采集节点对应数据,那么会对其行再包装处理后上传到封上层汇聚节点;若为汇聚节点下达的调控指令,责将会快速下传采集节点接收相关指令信息后,便会快速开启调控设备予以执行。

2.3.3汇聚节点流程

首先,设备原始化,即以原始化为支撑,落实I/O端口与时钟的配置任务。其次,判断与辨识接收到信息的始源。然后,对差异性始源的数据做出判别与处置:(1)针对始源于手机APP的信息,隶属于调控采集节点设备,汇聚节点对该类信息打包处理后将其转送到中继节点,中继节点再将其传导给采集节点。(2)针对始源串口的信息为预警信息,微处理器能够调控警铃,对外传递出响声,告知管理员有数据逾越了限定区间。(3)针对始源于低级节点的信息,其是系统收集到的环境参数,汇聚节点对其包装处理后,而后将其传送至手机APP于上位机,并将其呈现出来。

2.4手机客户端APP设计

选用Google公司自主研发的AndroidStudio软件,以IntelliJIDEA为基础,聚集了Andriod的研发工具用于开发、调试手机APP。MVC为模型、视图、控制器英文缩写的首字母,利用业务逻辑数据和界面呈现分离法组织代码。

建设一个newproject开启创建向导,规划兼容的版本。而后设施相关按钮,设计不同组件的部署形式,而后编辑代码。主流程确定单击button能调整TextView的呈现文本,同时对外弹跳出Toast信息,拟定事件代码,产出一个Apk包,以上便是一个简易型手机APP的创设过程。

3系统试验与数据分析

3.1模拟环境测试

选定采集节点A、B、C、中继节点与汇聚节点各1个,配置计算机、手机各一个。把采集节点A、B、C依次布设于实验室301、302与303,中继节点部署与三层楼梯口,汇聚节点、计算机与手机均安置在一层值班室。

我们对采集节点A开展了数据分析工作,发现该位点的温度是23℃,有些许改变;湿度值上下波动较显著,但大体维持在60%左右;但实验进展到20min后,利用手电筒增加了节点A亮度,实验曲线和现实状况相吻合。

测试手机APP控制节点对电动窗帘与照明装置的情况,发现每一次均能成功调控,合格率达到100.0%,设备开关反应过程敏捷、延时偏短。

3.2通信距离测试

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.rhkb.cn/news/130565.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系长河编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

63、SpringBoot---定制 RestTemplate--消息转化器、拦截器

★ 定制RestTemplate 如要对RestTemplate进行自定义设置,Spring Boot也提供了两种主要方式:▲ 局部式:在调用RestTemplateBuilder构建RestTemplate之前,先调用RestTemplateBuilder的方法对其定制,通过这种方式设置的R…

最新遥感数据与作物模型同化教程

详情点击公众号链接:最新遥感数据与作物模型同化教程一:遥感基础1.遥感平台(如无人机)与传感器、国内外主要陆地卫星(如Landsat、SPOT、HJ、GF) 2.遥感基本原理、光谱响应函数、遥感数据处理流程 3.遥感在陆…

华为交换机:STP的详解和试验

前言 为了解决网络冗余链路所产生的问题,IEEE定义了802.1D协议,即生成树协议STP,利用生成树协议可以避免帧在环路中的增生和无限循环,生成树的主要思想是,当两个交换机之间存在多条链路时,通过一定的算法只激活其中最主要的一条链路,而将其他冗余链路阻塞掉变为备用链路,当主链…

【mysql】—— 函数的基本介绍

前言: MySQL是一种常用的关系型数据库管理系统,它提供了许多内置的函数来进行数据操作和处理。本期,我将给大家介绍的就是关于 “函数” 的相关知识!!! 目录 (一)日期函数 &#…

一个好玩的浏览器插件

背景 最近抽空开发了一个有意思的浏览器插件。背景是我们在开发过程中有时需要做一些测试验证,需要修改请求头字段和响应头字段的内容,有时需要在页面做测试,反复请求同一个接口,并修改一些字段。 如果此时使用nginx做代理转发再…

数据库数据恢复-Oracle数据库truncate的数据恢复案例

Oracle数据库故障&分析: 北京某单位Oracle 11g R2数据库误执行truncate table CM_CHECK_ITEM_HIS,表数据丢失,查询该表时报错。数据库备份无法使用,表数据无法查询。 Oracle数据库Truncate数据的机理:执行Trunca…

element ui 表格组件与分页组件的二次封装

目录 效果图 组件封装 parseTime函数 debounce 函数 render通用渲染模版 页面使用 【扩展】vue 函数式组件 函数式组件特点: 函数式组件的优点: 【扩展】vue中的render函数 一、初步认识render函数 二、为什么使用render函数 三、render函数…

智慧工地:让工地可视化、数字化、智能化

智慧工地平台功能包括:劳务管理、施工安全管理、视频监控管理、机械安全管理、危大工程监管、现场物料监管、绿色文明施工、安全隐患排查、施工综合管理、施工质量管理、设备管理、系统管理等模块。 一、项目开发环境 技术架构:微服务 开发语言&#…

【面试高频题】二叉树“神级遍历“入门

题目描述 这是 LeetCode 上的 「99. 恢复二叉搜索树」 ,难度为 「中等」。 Tag : 「二叉树」、「树的搜索」、「递归」、「迭代」、「中序遍历」、「Morris 遍历」 给你二叉搜索树的根节点 root,该树中的 恰好 两个节点的值被错误地交换。请在不改变其结…

【Hive SQL】统计同名路径下目录数量(基于reverse、split和substr函数)

首先,Hive事务表所产生的的路径信息如下: PS:其中路径信息格式为 /user/hive/warehouse/${database_name}.db/${table_name}/*/user/hive/warehouse/test.db/tran_ts/delete_delta_0000002_0000002_0000 /user/hive/warehouse/test.db/tran_…

【脑机接口开源数据处理包】brainflowBrainFlow是一个库,旨在获取,解析和分析脑电图,肌电图,心电图和其他类型的数据从生物传感器。

BrainFlow是一个库,旨在获取,解析和分析脑电图,肌电图,心电图和其他类型的数据从生物传感器。 brainflow开源库官网地址 [https://brainflow.readthedocs.io/en/stable/](https://brainflow.readthedocs.io/en/stable/) 它提供了…

AntDB数据库参加ACDU中国行杭州站,分享数据库运维实践与经验

关于ACDU 和中国行: ACDU是由墨天轮社区举办的中国数据库联盟的品牌活动之一,在线下汇集数据库领域的行业知名人士,共同探讨数据库前沿技术及其应用,促进行业发展和创新的平台,也为开发者们提供友好交流的机会。 AntDB作为具有技术…

Facebook 广告:如何为移动设备投放广告

图片来源于:SaleSmartly官网 如果您希望目标受众发现并看到您的企业,那么广告是至关重要的,但是哪些是宣传您的品牌的最佳方式呢?当今最常用的平台(手机)上的广告怎么样?能够回答这些问题很重要…

Postman —— HTTP请求基础组成部分

一般来说,所有的HTTP Request都有最基础的4个部分组成:URL、 Method、 Headers和body。 (1)Method 要选择Request的Method是很简单的,Postman支持所有的请求方式。 (2)URL 要组装一条Request…

Android获取系统读取权限

在Androidifest.xml文件中加上授权语句 <uses-permission android:name"android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE"/><uses-permission android:name"android.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE"/>

01 PHP基础知识讲解

一 php基础知识 PHP文件的默认拓展名是“php”。 PHP文件中包含HTML标记、PHP标记、PHP代码以及空格和注释。 PHP标记&#xff1a;开始标记<?php 结束标记 ?> 中间内容是PHP代码。 PHP代码&#xff1a;学习第一个指令 echo 功能是用于输出字符串 。 语句结束符&a…

电脑更换硬盘的时候怎么迁移系统?

为什么需要迁移系统&#xff1f; 在一些关于电脑DIY或Windows相关的论坛社区中&#xff0c;有很多人发帖询问怎么迁移系统。那么这个系统迁移&#xff0c;究竟是何含义呢&#xff1f;通俗易懂地解释一下&#xff0c;就是创建一个完整无缺的操作系统复制品&#xff0c;它与系…

一文了解VR全景,VR全景有哪些优势?

引言&#xff1a; VR全景技术近年来崭露头角&#xff0c;已经成为宣传领域的一大亮点。不仅在娱乐&#xff0c;旅游行业广泛应用&#xff0c;还在商业和教育等领域崭露头角。 一&#xff0e;什么是VR全景&#xff1f; VR全景&#xff0c;全名Virtual Reality Panorama&#x…

服务器数据恢复-EVA存储多块硬盘磁头和盘片损坏离线的数据恢复案例

服务器数据恢复环境&#xff1a; HP EVA某型号存储&#xff0c;存储中一共有23块磁盘&#xff0c;上层映射给一台windows server服务器上。 服务器故障&检测&分析&#xff1a; 该EVA存储上三块硬盘指示灯显示黄色&#xff0c;此时存储设备还能正常工作。运维更换显示黄…

SLAM从入门到精通(编写第一个package)

【 声明&#xff1a;版权所有&#xff0c;欢迎转载&#xff0c;请勿用于商业用途。 联系信箱&#xff1a;feixiaoxing 163.com】 前面我们安装了ROS环境&#xff0c;接着就可以开始进行ROS程序的开发了。在开发之前&#xff0c;我们有几个概念需要厘清一下。第一个是workspace&…