基于OneNET 平臺的光伏智慧路燈設計

林柏宇,何景峰,陳文博

(西京學院,陜西 西安 710123)

0 引言

牽動人心的新冠肺炎疫情正洗禮著各行各業,許多產業重啟向上而生的螺旋,“云社交、云醫療、云制造”應運而生。 物聯網云平臺技術的快速發展,再次實現了網絡時代的變革。 目前,路燈作為城市的基礎建筑設施,廣泛分布于城市網絡的各個角落。 通過對路燈引入物聯網云平臺系統,能使路燈變得“智慧”起來。該路燈系統融合了嵌入式微控制器、光伏發電、燈光調節、環境監測、自動噴霧、后臺控制等功能,合理利用城市資源,并可通過大數據對各條城市干道進行數據分析,實現基礎設施運行狀況的實時監控和遠程控制,確保城市基礎服務的良好發揮。

1 總體設計方案

本套系統基于OneNET 云平臺進行設計,主要包含電源、采集終端和執行終端、網關、無線通信以及后臺監控5 個部分。 電源部分采用光伏發電技術,并結合外部電源實現雙電源供電。 采集終端涉及的各類傳感器使用RS485 總線進行組網,執行終端采用RS232 與信號采集模塊相連,并通過繼電器進行控制。 信號采集模塊上預留多種不同規格和種類的傳感器接口,方便以后拓展其他器件。 系統內部的信號傳輸采用基于LoRa 的無線通信方式,實現采集信號的上傳和云服務器的指令下發。 系統網關與OneNET 云平臺之間通過4G 傳輸模塊進行數據通信。 OneNET 云平臺上能查看路燈所在路段的光照度、溫濕度、PM2.5、PM10等數據,管理人員可對這些上傳的數據進行分析判斷,進而對道路環境狀況和亮燈情況進行處理,使城市路燈的管理更加的智能化、自動化。 系統設計總框圖如圖1所示。

2 硬件設計

本系統的硬件主要包括電源模塊、主控模塊、LoRa無線通信模塊和4G 傳輸模塊(見圖1)。 裝置計劃容量為1 kVA,工作環境需維持在-10 ℃~+40 ℃。 系統選用STM32H750XBH6 作為主控制器,負責路燈采集信息的處理與系統控制;無線通信模塊是信息的傳輸模塊,負責傳感器數據的上傳和云服務器的上行指令下發;4G 傳輸模塊負責接收系統網關發來的信息并與Internet 服務器通信。

圖1 系統總框

2.1 模塊設計

2.1.1 電源模塊

隨著社會發展,不可再生能源(煤炭、石油與天然氣等)的日益匱乏,人類生活對能源需求量的不斷加大及環境污染問題的日趨嚴重化,能源危機已儼然成為全球化問題。 太陽能作為一種綠色清潔的可再生能源,以其綠色環保、用之不竭等優點得到了廣泛關注[1]。 但是,由于受到晝夜、季節、天氣等自然條件的影響,光照時間不足,蓄電池儲能低下,很多時候光伏系統的發電還趕不上耗電。 因此,本次設計中單以太陽能進行發電的最大弱勢就是光伏智慧路燈在夜間和陰雨天等情況下無法進行正常發電儲能,整個系統也就無法正常工作。 要引入光伏發電技術,并使光伏路燈最終成為能夠與常規路燈相競爭的產品,就必須處理好供電問題。 系統供電方案設計如圖2 所示。

圖2 系統供電方案設計

本套系統的光伏發電模塊由一塊工業級太陽能電池板、太陽能充電模塊和12 V 的蓄電池共同組成。 采用的是光-電直接轉換方式,利用太陽輻射能直接轉化為電能,通過數字電源之后,產生DC 12 V 和DC 5 V。12 V 電源主要用于路燈照明供電,另外網關、信號采集模塊和4G 傳輸模塊都以DC 12 V 進行供電,實現協議轉換,數據上傳和下發等功能,各類傳感器等以DC 5 V進行供電,實現監控數據的采集。 受限于諸多因素,太陽能不能作為連續、穩定的能源為系統提供電能,因此設計供電部分采用12 V 蓄電池供電和外部電源供電的“二合一”互補供電模式,外部輸入電源為AC 220 V±10% 50 Hz。 當蓄電池電量低于設定閾值時通過繼電器啟動外部電源進行供電;高于設定閾值時,啟動蓄電池進行供電,并穩定在11.1 V 以上,保證電流的持續輸出。

2.1.2 采集終端及執行終端

本次設計所用到的采集終端都是基于RS485 接口的硬件設備,這些傳感器和信號采集模塊之間通過RS485 接口進行連接,通信協議為MODBUS RTU 協議。相比于其他通信接口,RS485 通信接口除了相對簡單外,還具有以下特點:(1)RS485 數字信號傳輸采用差分模式,抗噪能力很強,且無需接GND,一般只需要AB兩根連線[2]。 (2)RS485 最大通信距離約為1 200 m,比RS232 要遠很多。 (3)RS232 接口在總線上為單站,只能接1 個收發器。 相比于RS232 接口,RS485 接口在總線上可接的收發器數量多達128 個,憑借其多站特性,開發者可以通過RS485 建立“一對多”的設備通信網絡。 鑒于RS485 傳輸速率快、傳輸距離遠和“一對多”的特性,選擇其作為所用傳感器的接口類型。

本次設計中使用了多種傳感器,主要有溫濕度傳感器、顆粒物傳感器、光照度傳感器、人體感應傳感器、通信電纜等。 顆粒物傳感器主要采集空氣中PM2.5和PM10的濃度,光照度傳感器主要測量太陽光照強度,溫濕度傳感器主要測量土壤和空氣中的溫濕度數據,通過RS485 總線與信號采集模塊進行連接,分別對城市干道中的濕度、溫度、PM2.5、PM10和光照等環境數據進行采集,并實時與信息采集模塊通信傳輸相關數據。執行終端包括自動噴淋模塊及LED 照明模塊,通過RS232 接口與繼電器控制器相連。 信號采集模塊將收集到的空氣濕度、土壤濕度、PM2.5等監測數據,與設置值進行比對,并對行人或者車流量進行檢測,可在無人、車的情況下對路面進行噴霧,噴頭旋轉角度可控。系統還具有亮度檢測功能,根據路段實時亮度控制路燈開關,主要配置有亮度傳感器、步進電機及驅動器、水箱、水泵、旋轉噴頭、管路等。

2.1.3 主控模塊

近年來,STM32 發展迅猛,2014 年,STM32 采用Arm Cortex-M7 內核,衍生出STM32F7。 隨后幾年推出了H7 系列芯片,相比F7,H7 的性能參數提高了1 倍,工作頻率高達480 MHz。 H7 系列處理器芯片內部劃分為3 部分,通過內部的AXI 總線、AHB 總線矩陣連接3個區域的正常通信,有效地降低了功耗。 H7 系列的內存資源相當豐富,內嵌Flash 容量達到2 MB,在生活、商業乃至工業中應用十分廣泛,例如工業網關、智能家居、電信設備和智能消費電子等方面[3]。

本次設計采用STM32H750XBH6 作為主控芯片,設計了光伏智慧路燈的系統網關,配置有以太網,Modbus,RS232,RS485 以及LoRa/LoRaWAN 等通信接口,能夠兼容智慧路燈所需要的信息傳輸、控制功能,主控模塊儲存智慧路燈采集來的相關數據,并以物聯網通信手段將處理之后的數據發送給云平臺。 參數設置支持藍牙設置參數以及串口設置參數兩種模式。 網關和控制終端、傳感器設備之間支持以下協議:MODBUS RTU、以太網協議、CAN 總線協議和LORA。網關與后臺之間通過4G 傳輸模塊進行連接,通信協議為MQTT。 該主控模塊可以控制以下對象:繼電器的開通和關斷、LED 燈的開斷以及亮度控制、電機的啟動和停止以及多段速運[4]。

2.1.4 無線通信模塊

該模塊包含光伏智慧路燈的數據上傳以及云服務器的數據下發兩部分。 其中傳感器的數據上傳由終端采集和信號傳輸兩個階段組成。 采集終端由信號采集模塊以及各類傳感器所組成,包含有光照度傳感器、人體感應傳感器、溫濕度傳感器以及PM2.5、PM10傳感器等,通過RS485 總線與信號采集模塊相連。 進行數據上傳時,信號采集模塊以Modbus 協議進行輪詢,獲取各類傳感器的采集數據,然后利用基于LoRa 的無線傳輸技術將數據發送給網關,網關接收到傳感器數據之后,再通過4G 傳輸模塊將數據上傳至云服務器,具體工作流程可以表示為:RS485 傳感器→信號采集模塊→系統網關→4G 傳輸模塊→云服務器。

云服務器的數據下發:4G 傳輸模塊接收到云服務器下發的數據后,利用RS232 將接收到的指令發送給系統網關,系統網關再以LoRa 的無線傳輸形式將數據透傳給信號采集模塊,信號采集模塊在接收到該指令后可進行繼電器的開通和關斷操作,進而實現云服務器的數據下發以及執行機構的遠程控制。 數據傳輸流程為:云服務器→4G 傳輸模塊→系統網關→信號采集模塊→繼電器控制器。 繼電器控制器外接光伏智慧路燈的執行機構,比如LED 燈、灑水噴頭,也可以進行拓展外接其他開關設備。 具體工作情況如圖3 所示。

圖3 基于LoRa 的系統工作框

2.1.5 4G 傳輸模塊

本次設計的網關和4G 傳輸模塊采用RS232 總線通信,RS232 總線為全雙工通信方式,數據收發可同時進行,數據總線為3 根線,TX,RX 和GND。 4G 傳輸模塊與系統網關之間通過RS232 接口進行連接,并將RS232 接口接收的數據轉為4G 后與云端進行通信。

信號采集模塊按照Modbus 總線協議主動發送讀取數據請求,傳感器收到請求指令后,上報相對應的數據至信號采集模塊,信號采集模塊以Lora 的無線通信方式發送給網關,網關再將數據通過4G 傳輸模塊發送至服務器上,通過相應配置,即可在云平臺上看到終端設備采集到的信號,如濕度、溫度、光照度、PM2.5和PM10顆粒物濃度等,數據大約2~3 s 更新1 次。 同樣地,當服務器下發指令時,通過4G 傳輸模塊進行協議轉換,再依次通過網關及信號采集模塊發送給執行機構,實現下行控制。

3 軟件設計

3.1 OneNET 平臺簡介

OneNET 是由中國移動打造的PaaS 物聯網開放平臺,其數據上傳支持多種方式(EDP,MQTT,HTTP,Modbus,JT/T808,RGMP),無須寫服務去適配相關協議。 移動OneNET 在處理高并發和安全領域有很好的建樹,適合運用于大規模城市設施建設。 本次設計接入云平臺采用的是MQTT 協議,通過OneNET 實現數據上傳和儲存功能。

3.2 OneNET 平臺設備的接入與調試

MQTT 的全稱是 Message Queuing Telemetry Transport,消息隊列遙測傳輸協議。MQTT 協議與HTTP 協議類似,都是基于TCP 傳輸協議的應用層傳輸協議[1]。

終端設備可通過ESP8266,ESP32 等接入OneNET 云平臺,通過固定的協議與云平臺通信,遠程顯示傳感器當前收集的參數信息。 使用工業級的ZLAN8305L 模塊,根據MQTT 協議的規范上傳數據,直接連接到OneNET 的終端,包括設備的ID,API KEY 以及數據流,數據流中有平臺與之對應的數據內容和數據流名稱[5]。平臺端接收到數據后進行應答,確定上傳是否成功。

4 結語

本文介紹了一種基于OneNET 平臺的光伏智慧路燈系統設計,該設計依托流行的物聯網技術,利用新能源發電的同時將各類傳感器整合到普通路燈上,將路燈所收集的相關數據上傳,通過云平臺實現對路燈所處路段及環境狀況的實時顯示和監控,優化了城市路燈系統的管理。 本次設計既完成了對自然資源的合理運用,又實現了對多種參數的測量,可以廣泛應用于“智慧城市”和“綠色城市”的建設當中。 后期還可引入智慧城管、信息發布欄、通信基站、WIFI 熱點以及新能源充電樁等,真正實現商用價值。