基于OneNET 平台的光伏智慧路灯设计

林柏宇,何景峰,陈文博

(西京学院,陕西 西安 710123)

0 引言

牵动人心的新冠肺炎疫情正洗礼着各行各业,许多产业重启向上而生的螺旋,“云社交、云医疗、云制造”应运而生。 物联网云平台技术的快速发展,再次实现了网络时代的变革。 目前,路灯作为城市的基础建筑设施,广泛分布于城市网络的各个角落。 通过对路灯引入物联网云平台系统,能使路灯变得“智慧”起来。该路灯系统融合了嵌入式微控制器、光伏发电、灯光调节、环境监测、自动喷雾、后台控制等功能,合理利用城市资源,并可通过大数据对各条城市干道进行数据分析,实现基础设施运行状况的实时监控和远程控制,确保城市基础服务的良好发挥。

1 总体设计方案

本套系统基于OneNET 云平台进行设计,主要包含电源、采集终端和执行终端、网关、无线通信以及后台监控5 个部分。 电源部分采用光伏发电技术,并结合外部电源实现双电源供电。 采集终端涉及的各类传感器使用RS485 总线进行组网,执行终端采用RS232 与信号采集模块相连,并通过继电器进行控制。 信号采集模块上预留多种不同规格和种类的传感器接口,方便以后拓展其他器件。 系统内部的信号传输采用基于LoRa 的无线通信方式,实现采集信号的上传和云服务器的指令下发。 系统网关与OneNET 云平台之间通过4G 传输模块进行数据通信。 OneNET 云平台上能查看路灯所在路段的光照度、温湿度、PM2.5、PM10等数据,管理人员可对这些上传的数据进行分析判断,进而对道路环境状况和亮灯情况进行处理,使城市路灯的管理更加的智能化、自动化。 系统设计总框图如图1所示。

2 硬件设计

本系统的硬件主要包括电源模块、主控模块、LoRa无线通信模块和4G 传输模块(见图1)。 装置计划容量为1 kVA,工作环境需维持在-10 ℃~+40 ℃。 系统选用STM32H750XBH6 作为主控制器,负责路灯采集信息的处理与系统控制;无线通信模块是信息的传输模块,负责传感器数据的上传和云服务器的上行指令下发;4G 传输模块负责接收系统网关发来的信息并与Internet 服务器通信。

图1 系统总框

2.1 模块设计

2.1.1 电源模块

随着社会发展,不可再生能源(煤炭、石油与天然气等)的日益匮乏,人类生活对能源需求量的不断加大及环境污染问题的日趋严重化,能源危机已俨然成为全球化问题。 太阳能作为一种绿色清洁的可再生能源,以其绿色环保、用之不竭等优点得到了广泛关注[1]。 但是,由于受到昼夜、季节、天气等自然条件的影响,光照时间不足,蓄电池储能低下,很多时候光伏系统的发电还赶不上耗电。 因此,本次设计中单以太阳能进行发电的最大弱势就是光伏智慧路灯在夜间和阴雨天等情况下无法进行正常发电储能,整个系统也就无法正常工作。 要引入光伏发电技术,并使光伏路灯最终成为能够与常规路灯相竞争的产品,就必须处理好供电问题。 系统供电方案设计如图2 所示。

图2 系统供电方案设计

本套系统的光伏发电模块由一块工业级太阳能电池板、太阳能充电模块和12 V 的蓄电池共同组成。 采用的是光-电直接转换方式,利用太阳辐射能直接转化为电能,通过数字电源之后,产生DC 12 V 和DC 5 V。12 V 电源主要用于路灯照明供电,另外网关、信号采集模块和4G 传输模块都以DC 12 V 进行供电,实现协议转换,数据上传和下发等功能,各类传感器等以DC 5 V进行供电,实现监控数据的采集。 受限于诸多因素,太阳能不能作为连续、稳定的能源为系统提供电能,因此设计供电部分采用12 V 蓄电池供电和外部电源供电的“二合一”互补供电模式,外部输入电源为AC 220 V±10% 50 Hz。 当蓄电池电量低于设定阈值时通过继电器启动外部电源进行供电;高于设定阈值时,启动蓄电池进行供电,并稳定在11.1 V 以上,保证电流的持续输出。

2.1.2 采集终端及执行终端

本次设计所用到的采集终端都是基于RS485 接口的硬件设备,这些传感器和信号采集模块之间通过RS485 接口进行连接,通信协议为MODBUS RTU 协议。相比于其他通信接口,RS485 通信接口除了相对简单外,还具有以下特点:(1)RS485 数字信号传输采用差分模式,抗噪能力很强,且无需接GND,一般只需要AB两根连线[2]。 (2)RS485 最大通信距离约为1 200 m,比RS232 要远很多。 (3)RS232 接口在总线上为单站,只能接1 个收发器。 相比于RS232 接口,RS485 接口在总线上可接的收发器数量多达128 个,凭借其多站特性,开发者可以通过RS485 建立“一对多”的设备通信网络。 鉴于RS485 传输速率快、传输距离远和“一对多”的特性,选择其作为所用传感器的接口类型。

本次设计中使用了多种传感器,主要有温湿度传感器、颗粒物传感器、光照度传感器、人体感应传感器、通信电缆等。 颗粒物传感器主要采集空气中PM2.5和PM10的浓度,光照度传感器主要测量太阳光照强度,温湿度传感器主要测量土壤和空气中的温湿度数据,通过RS485 总线与信号采集模块进行连接,分别对城市干道中的湿度、温度、PM2.5、PM10和光照等环境数据进行采集,并实时与信息采集模块通信传输相关数据。执行终端包括自动喷淋模块及LED 照明模块,通过RS232 接口与继电器控制器相连。 信号采集模块将收集到的空气湿度、土壤湿度、PM2.5等监测数据,与设置值进行比对,并对行人或者车流量进行检测,可在无人、车的情况下对路面进行喷雾,喷头旋转角度可控。系统还具有亮度检测功能,根据路段实时亮度控制路灯开关,主要配置有亮度传感器、步进电机及驱动器、水箱、水泵、旋转喷头、管路等。

2.1.3 主控模块

近年来,STM32 发展迅猛,2014 年,STM32 采用Arm Cortex-M7 内核,衍生出STM32F7。 随后几年推出了H7 系列芯片,相比F7,H7 的性能参数提高了1 倍,工作频率高达480 MHz。 H7 系列处理器芯片内部划分为3 部分,通过内部的AXI 总线、AHB 总线矩阵连接3个区域的正常通信,有效地降低了功耗。 H7 系列的内存资源相当丰富,内嵌Flash 容量达到2 MB,在生活、商业乃至工业中应用十分广泛,例如工业网关、智能家居、电信设备和智能消费电子等方面[3]。

本次设计采用STM32H750XBH6 作为主控芯片,设计了光伏智慧路灯的系统网关,配置有以太网,Modbus,RS232,RS485 以及LoRa/LoRaWAN 等通信接口,能够兼容智慧路灯所需要的信息传输、控制功能,主控模块储存智慧路灯采集来的相关数据,并以物联网通信手段将处理之后的数据发送给云平台。 参数设置支持蓝牙设置参数以及串口设置参数两种模式。 网关和控制终端、传感器设备之间支持以下协议:MODBUS RTU、以太网协议、CAN 总线协议和LORA。网关与后台之间通过4G 传输模块进行连接,通信协议为MQTT。 该主控模块可以控制以下对象:继电器的开通和关断、LED 灯的开断以及亮度控制、电机的启动和停止以及多段速运[4]。

2.1.4 无线通信模块

该模块包含光伏智慧路灯的数据上传以及云服务器的数据下发两部分。 其中传感器的数据上传由终端采集和信号传输两个阶段组成。 采集终端由信号采集模块以及各类传感器所组成,包含有光照度传感器、人体感应传感器、温湿度传感器以及PM2.5、PM10传感器等,通过RS485 总线与信号采集模块相连。 进行数据上传时,信号采集模块以Modbus 协议进行轮询,获取各类传感器的采集数据,然后利用基于LoRa 的无线传输技术将数据发送给网关,网关接收到传感器数据之后,再通过4G 传输模块将数据上传至云服务器,具体工作流程可以表示为:RS485 传感器→信号采集模块→系统网关→4G 传输模块→云服务器。

云服务器的数据下发:4G 传输模块接收到云服务器下发的数据后,利用RS232 将接收到的指令发送给系统网关,系统网关再以LoRa 的无线传输形式将数据透传给信号采集模块,信号采集模块在接收到该指令后可进行继电器的开通和关断操作,进而实现云服务器的数据下发以及执行机构的远程控制。 数据传输流程为:云服务器→4G 传输模块→系统网关→信号采集模块→继电器控制器。 继电器控制器外接光伏智慧路灯的执行机构,比如LED 灯、洒水喷头,也可以进行拓展外接其他开关设备。 具体工作情况如图3 所示。

图3 基于LoRa 的系统工作框

2.1.5 4G 传输模块

本次设计的网关和4G 传输模块采用RS232 总线通信,RS232 总线为全双工通信方式,数据收发可同时进行,数据总线为3 根线,TX,RX 和GND。 4G 传输模块与系统网关之间通过RS232 接口进行连接,并将RS232 接口接收的数据转为4G 后与云端进行通信。

信号采集模块按照Modbus 总线协议主动发送读取数据请求,传感器收到请求指令后,上报相对应的数据至信号采集模块,信号采集模块以Lora 的无线通信方式发送给网关,网关再将数据通过4G 传输模块发送至服务器上,通过相应配置,即可在云平台上看到终端设备采集到的信号,如湿度、温度、光照度、PM2.5和PM10颗粒物浓度等,数据大约2~3 s 更新1 次。 同样地,当服务器下发指令时,通过4G 传输模块进行协议转换,再依次通过网关及信号采集模块发送给执行机构,实现下行控制。

3 软件设计

3.1 OneNET 平台简介

OneNET 是由中国移动打造的PaaS 物联网开放平台,其数据上传支持多种方式(EDP,MQTT,HTTP,Modbus,JT/T808,RGMP),无须写服务去适配相关协议。 移动OneNET 在处理高并发和安全领域有很好的建树,适合运用于大规模城市设施建设。 本次设计接入云平台采用的是MQTT 协议,通过OneNET 实现数据上传和储存功能。

3.2 OneNET 平台设备的接入与调试

MQTT 的全称是 Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输协议。MQTT 协议与HTTP 协议类似,都是基于TCP 传输协议的应用层传输协议[1]。

终端设备可通过ESP8266,ESP32 等接入OneNET 云平台,通过固定的协议与云平台通信,远程显示传感器当前收集的参数信息。 使用工业级的ZLAN8305L 模块,根据MQTT 协议的规范上传数据,直接连接到OneNET 的终端,包括设备的ID,API KEY 以及数据流,数据流中有平台与之对应的数据内容和数据流名称[5]。平台端接收到数据后进行应答,确定上传是否成功。

4 结语

本文介绍了一种基于OneNET 平台的光伏智慧路灯系统设计,该设计依托流行的物联网技术,利用新能源发电的同时将各类传感器整合到普通路灯上,将路灯所收集的相关数据上传,通过云平台实现对路灯所处路段及环境状况的实时显示和监控,优化了城市路灯系统的管理。 本次设计既完成了对自然资源的合理运用,又实现了对多种参数的测量,可以广泛应用于“智慧城市”和“绿色城市”的建设当中。 后期还可引入智慧城管、信息发布栏、通信基站、WIFI 热点以及新能源充电桩等,真正实现商用价值。