LED物聯網燈具系統的構想和應用

公文禮

（陜西守護星信息技術有限公司，西安 710010）

1 LED物聯網燈具系統構想的優越性

以LED燈具為基礎的載體搭載各種物聯網底層應用設備，在滿足基本照明的基礎上，LED燈具的外形結構可以靈活設計，針對各種不同的應用場所可設計不同的結構造型，根據目標現場具體的應用需求定制燈具外觀結構，與各種網絡設備嵌入式無縫融合，免去了傳統物聯網應用中單獨為網絡設備設計配套殼體、安裝電源及配線等成本開銷和安裝結構上的繁瑣設計。

1）LED燈具的驅動電源大多采用高頻開關功率變換恒流驅動技術，在驅動電路設計時，只需再增加一路12 V或5 V的直流穩壓電源，即可為搭載燈具上的無線基站設備提供電源，有效與燈具共享電力線路。在物聯網終端設備的規模化應用中，省去了單獨安裝時設備殼體費用和無線網絡設備的電力布線施工費用。施工時隨燈具一體化安裝，節省了大量的安裝費用，同時為項目縮短了工期。

2）實現LED燈具和無線網絡設備的物聯網應用技術方案，大大縮短了物聯網應用中底層無線網絡的構建和調試周期，光波和無線信號的傳播特點基本一致，不論在哪個場所，有光的地方就有無線信號，燈具均勻布置，基本無盲區和照明死角，燈光方向上也不會有障礙物，物聯網燈具設備的無線信號能實現全面覆蓋、均勻分布。燈具的均勻、間隔陣列化安裝，有利于無線網絡后期的信號測試和調整運行。工程應用中可以根據無線信號的輻射距離、強度和范圍只在必要位置的燈具上安裝該設備，其他燈具則無需安裝這些網絡設備，從燈具的布置上選擇靈活性較大。

3）物聯網運行的后期維護簡單，燈具設計時為無線網絡設備留有與之匹配的安裝腔體，維護和調試時只需要打開腔體，拔掉電源線的接插件，取下設備進行更換或升級改造。

4）LED燈具工作溫度低，只要散熱設計合理，對安裝其上的無線網絡設備不會產生過多的熱影響，LED燈具驅動電源時解決好EMI，燈具結構設計時利用燈具鋁合金的特性自然起到對無線網絡設備的屏蔽和隔離作用，防止兩者之間的輻射信號干擾，不會影響搭載的無線網絡設備性能，實現兩者兼容。

5）燈具結構設計時可以采用模塊化設計思想，充分預留驅動電源的功率冗余和安裝腔體的空間冗余，在物聯網運行后期有利于產品的升級換代和不同無線網絡設備間的互換兼容。

2 LED物聯網燈具系統的物理架構及其在物聯網系統中的位置

LED物聯網燈具系統只擔承物聯網底層應用中的一部分功能，在網絡應用中必須遵循物聯網的通信協議和標準。國際上一般將物聯網的網絡模型分為感知識別層、網絡構建層、管理服務層和綜合應用層4層體系（見圖1）。

圖1 LED物聯網燈具系統的系統架構

目前，物聯網以無線通信為主，主要分為兩類：以ZigBee、Wi-Fi、Blue Tooth、Spider、6LowPan、Z-wave等為代表的局域網技術，傳輸距離較短，功耗較大，一般承載小規模業務；以LoRa、SigFox、NB-IoT、GPRS／2G／3G／4G等為代表的廣域網技術，傳輸距離較遠，除GPRS／2G／3G／4G外，其他均為低功耗技術，一般用于承載大規模業務。識別層是物聯網的核心技術，是聯系物理世界和信息世界的紐帶。感知識別層既包括射頻識別（RFID）、各種無線傳感器等信息設備，也包括各種智能化電子產品。RFID標簽中存儲著規范而互用的信息，通過無線數據通信網絡（物聯網燈具）自動采集并傳輸到中央信息管理系統，實現對前端設備物品的識別和信息跟蹤管理。無線傳感器網絡主要對人或物的位置信息、環境狀態、行為模式等多種動態信息開展大規模、長期、實時的采集和信息傳輸，形成龐大的信息感知神經網絡單元，通過搭載于LED物聯網燈具內的無線網絡設備進行數據的上傳和控制指令的下發。

網絡構建層的主要作用是把感知識別層采集的數據接入互聯網，供上層服務使用。互聯網作為核心網絡，處在邊緣的各種無線網絡則隨時隨地提供網絡接入服務。無線廣域網包括現有的3G／4G／5G網絡。無線城域網包括現有的WIMAX技術（802.16系列標準），提供范圍約100 km高速數據傳輸服務。無線局域網包括現有的Wi-Fi（802.11系列標準），為一定區域內（家庭、校園、醫院、機場等）用戶提供室內網絡接入訪問服務。無線個域網包括藍牙（802.05.1標準）、ZigBee（802.15.4標準）等通信協議。這類產品的特點是低功耗、低傳輸速率、短距離，一般用作個人電子產品互聯、室內工業設備控制等領域。各種不同類型的無線網絡適用于不同的環境，并最終通過網關等設備互聯，成為人—物互聯的重要基礎實施。LED物聯網燈具可以根據具體應用需求而搭載不同類型的無線網絡設備，既可以是LED燈具和5G、LED燈具和藍牙、LED燈具和ZigBee、LED燈具和Wi-Fi等組合，也可以是LED燈具和5G＋Wi-Fi等多種組合模式，從而組成LED物聯網燈具系統，從而成為網絡構建層的核心設備。

管理服務層，在高性能云數據計算和海量存儲技術的支撐下，管理服務層將底層應用采集的大規模數據高效、可靠地計算、統籌、組織并充分利用，為上層的行業應用提供智能化的信息處理支撐平臺。將存儲作為信息處理的第一步，通過數據深度挖掘、融合及提取分析，最終形成行業有用的數據服務。

綜合應用層，以智慧化服務為主要特征的文件傳輸，電子郵件到以用戶為中心的應用，在云數據的平臺上智慧化管理，如環境感知、智能物流、智慧交通、智慧工廠管理等。

3 LED物聯網燈具系統的主要功能實現和應用發展方向

在LED物聯網系統的網絡構建中充分利用LED燈具的獨特優勢，一方面，可以利用燈具上搭載的無線網絡設備來采集各種現場應用數據，通過云端服務器的計算分析、數據深度挖掘與融合形成有價值的數據系統。另一方面，也可以通過上層應用軟件的功能性操作，對底層應用設備進行調控，下發系統應用數據、更新軟件系統等。如，智慧超市的構想就是利用物聯網燈具系統采集物品上的定位標簽來跟蹤管理物品的流動狀況，通過云端后臺管理系統隨時統計、查看超市的貨物存量及銷售量，同時也可以根據環境需要，在線對超市的燈具進行調光、調色等個性化控制。在LED物聯網系統中，燈具不僅具有照明功能，同時也承擔物聯網系統中的無線定位基站及網絡通信基站功能。

在實際應用中，可以通過搭載于燈具上的5G基站或AP的POE接口對無線藍牙、UWB、Wi-Fi、LiFi等設備（只需選一種）提供直流供電和參數配置。依托通信網絡的數據傳輸優勢，集成LED燈具中的無線藍牙、UWB、Wi-Fi或LiFi等模塊采集的現場數據，通過BBU／核心網傳輸至業務平臺進行處理。將藍牙、UWB、Wi-Fi、LiFi與5G通信基站一同融入照明燈具，實現了三者功能上的合一，結構上一體化設計組裝，節省了設備的安裝成本，縮短了施工周期。

LED物聯網燈具系統的網絡架構主要為底層無線網絡的構建和感知識別設備的鋪設。結合企業級用戶的智能化需求分析，LED物聯網燈具系統的應用主要體現在人或物的無線定位管理和底層感知識別數據的采集與傳輸兩個方面。LED物聯網燈具系統可以是單一的人員定位或物體的定位跟蹤管理服務，如，智慧物流管理中通過庫房中密集分布的LED燈具，對倉庫內的貨物和人員采用定位標簽實時定位和狀態跟蹤管理；也可以是單一的現場物理傳感數據的采集與傳輸，如，工業管道智能控制中通過工廠內安裝的LED燈具，對管道氣體壓力、流量、溫度等參數實時采集與管理應用。實際應用中也可以同時對目標物進行無線定位管理和現場環境數據采集，甚至通過燈具物聯網實現對終端設備的某些控制操作。

在LED物聯網燈具系統中，無線網絡設備的安裝供電，控制維護、數據上傳、服務器部署等都以定位網絡的構建為基礎。而室內通信數據網絡應用中也需要大量遠端設備的布設，為定位網絡的數據回傳提供數據通道和供電網絡的可能性機會，且室內定位技術，如藍牙、UWB、Wi-Fi、LiFi以及5G室分皮基站布設密度接近1∶1～1∶4，這也為室內定位信標與數據回傳提供了合并安裝、合并回傳的自然條件。LED物聯網燈具系統最佳的應用是將室內定位網絡與通信網絡相融合，兩網合并集成共同安裝于LED燈具上，三者充分有機融合，大幅降低了無線網絡的部署成本，實現一燈三用、一網兩用，即LED燈具＋“一張5G數據網”＋“一張室內定位網”。這就是LED物聯網燈具系統的核心架構體系，以LED燈具為載體，以無線定位網絡復用通信網絡基礎實施網絡架構的硬件重疊，提高了通信網絡設備的利用率，室內定位網和室內通信網融合在LED燈具內的物聯網系統架構方案由于其天然的互補彌合、網絡屬性共享等一系列優勢，成為物聯網發展的主要應用方向。

誠然，在未來物聯網燈具智慧化應用中，在無線藍牙、UWB、Wi-Fi（AP）以及LiFi等無線網絡技術選擇時，LED物聯網燈具系統到底采用哪一種組合方案，要取決于現場實際的物理環境和具體功能需求。在作業空間不大、人員較多的地方，如醫院，宜采用無線藍牙技術，一方面由于目前的手機均支持藍牙模塊，省去了底層感知設備的布設，另一方面由于藍牙信標體積小、成本低、功耗低，有利于項目的盡快實施。如果需要專業性的無線定位服務，如大型工廠智能化管理，則選擇LED燈具融合UWB技術比較好，因為UWB無線定位技術無線網絡穩定，定位精度高，可靠性好，可實現工廠中生產流水線的數據采集和人員的定位管理，但前期網絡建設成本較高。

4 LED物聯網燈具系統構想實現中的主要技術問題

LED物聯網燈具系統應用并不是簡單地將無線藍牙、UWB、Wi-Fi、LiFi等網絡設備通過集成方式設計安裝到燈具殼體中。LED燈具工作時本身會產生熱能，其驅動電源或多或少產生諧波污染和電磁傳導輻射，無線通信設備的無線射頻功放電路為了實現遠距離發射也持續產生大量的熱，各種無線網絡設備對諧波污染等電磁干擾也非常敏感。燈具和無線網絡設備如果只是電氣連接，會導致彼此之間互相產生電磁干擾和熱疊加，造成燈具系統熱負荷加大，LED光衰加大，無線通信設備工作受熱無法正常工作，無線信號失真甚至信號中斷等工程難題。

解決LED物聯網燈具系統中的LED光源散熱與無線通信設備的散熱問題是燈具結構設計首要考慮的技術問題。在LED燈具結構一體化設計時可以采用兩腔獨立、兩腔熱隔離的設計方式，即LED光源腔和無線通信設備腔除了采用鋁合金等導熱較好的金屬材料，兩腔在結構上分開獨立設計，兩腔之間可以采用絕熱材料進行熱隔離，整體結構上盡可能使無線設備的功率器件遠離LED光源的散熱部位。

燈具首先要保證LED光源具有充分冗余的散熱面積和散熱通道，而通信設備的功率射頻器件也會產生大量的熱，在燈具結構設計時需要科學計算，在功率器件的一次散熱基礎上采用高導熱系數的導熱硅脂來改善與殼體的二次散熱。

為解決LED驅動電源的EMC對通信電源的干擾問題，采用了高頻電子開關IGBT或CMOS開關驅動高頻變壓器功率變換技術，輸入濾波電路中使用了電感、電容等元件，造成電流波形失真，形成有害的諧波傳導污染，變換器使用高頻開關器件，變壓器的漏磁、高頻開關信號的電磁輻射污染對安裝在燈具上的通信設備造成嚴重的電磁干擾。因此，在LED驅動電路設計時，電源輸入端除了采用常規的EMI擬制電路外，可以采用有源PFC處理電路，對功率變換變壓器初級與次級采用光耦進行電氣隔離，用于網絡設備的輸出穩壓電源變壓器和LED驅動電源的變壓器輸入端也要進行隔離和EMI處理。

LED物聯網燈具系統并不是將室內定位網和室內通信網與燈具簡單的組合或電氣上簡單的連接，其自身必須單獨具備數據處理能力和邏輯控制，燈具必須有自己的MCU控制單元，硬件上具備邏輯控制，通過編程軟件實現對底層應用的設備管理和數據通信，同時與上位機實現數據的傳輸和定位管理。燈具控制板可以采用單片機如ARM系列，通過邏輯編程，根據定位網、數據網各自的通信協議，與上位機通過TCP／IP協議實現網絡通信和數據傳輸，從而實現網絡構建層的功能。LED燈具的電源驅動板、定位基站設備、5G數據通信模塊與燈具控制板之間可以采用RS232協議，定位基站與定位標簽之間采用藍牙或者Wi-Fi，5G基站與互聯網之間采用TCP／IP協議（見圖2）。

圖2 LED物聯網燈具結構示意圖

5 LED物聯網燈具系統的應用前景及在智慧工廠中的應用

LED物聯網燈具系統只是物聯網應用中的一種最基本的技術方案，其應用前景非常廣闊。目前迫切需求此技術的領域主要有智慧物流、智能交通、智慧博物館、智慧醫院、智慧園區、智慧停車場以及智慧工廠等方面。

以LED物聯網燈具系統在智慧工廠中的應用為例，要正真實現工廠管理智慧化，以工廠的工藝管理流程為底層邏輯，以生產設備、工人、原材料為數據對象，以云端智慧后臺管理系統為平臺，構建LED物聯網燈具系統，實現工廠內原材料、人、機定位跟蹤，根據工藝實時管理，采集生產現場的工藝數據、生產產品的數據流信息、人員的崗位信息，實現機器與人對話，通過基層信息數據的采集、分析，達到大數據的融合管理（見圖3）。功能上主要集中在員工考勤及崗位管理、設備資產跟蹤管理、生產工藝過程監控、原材料等物資材料跟蹤管理、生產線運行狀態參數采集及安全監控管理、生產線各種設備的能源數據采集、規模化工廠管理等。

圖3 LED物聯網燈具系統在智慧工廠應用中的構思架構圖

員工監管。通過員工所持有的定位標簽對所有工作人員進行定位跟蹤監管，在工廠定崗定人的管理中發揮作用，在管理后臺實時查看每個人員的位置，判斷是否在崗，有無串崗情況，追蹤其活動軌跡，形成員工考勤管理數據報表，有助于規范員工作業流程，提高工作效率，實現扁平化管理。

產品質量全過程跟蹤管理。通過生產線上每個產品上的定位標簽對產品進行工序質量跟蹤管理，產品的質量信息可以追溯至每一道工序，記錄各個工序操作及檢驗情況。

數據采集。實時采集工廠生產線上生產設備的溫度、壓力、能耗、速度等信息，上傳至云數據管理平臺，一方面管理者能實時查看生產工藝參數，掌握生產現場原始數據，另一方面可以對現場設備進行監控，動態調整設置參數，便于生產設備調整運行在最佳狀態，同時通過大數據的深度融合、匯總，為后續的產品升級提供技術依據。

安全生產管理。對工廠內涉及安全的場所和設備設置電子圍欄，通過人員定位管理功能設置進入該區域人員的權限。對重點崗位、重要設備增加現場環境采集信息，可以在管理后臺設置參數超限報警，便于提前預警，防止安全事故發生。發生安全事故時，能迅速通過人員定位功能確定事故發生的具體位置，快速救援，也可以通過定位標簽的呼救功能在第一時間向上級部門呼救，贏取急救時間。

工廠倉庫管理。通過工廠內產品的物料標簽定位管理，全生命周期跟蹤產品信息，自動融入工廠庫房管理的數據庫，實現出入庫產品的財務管理。

管理調控智能化。物聯網將大規模數據高效、可靠地組織起來，為上層行業應用提供智能的支撐平臺。數據存儲、組織以及檢索成為管理調控智能化的重要基礎。與此同時，各種決策手段包括運籌學理論、機器學習、數據挖掘、專家系統等廣泛應用于各行各業。

應用服務鏈條化。鏈條化是物聯網應用的重要特點。以工業生產為例，物聯網技術覆蓋原材料引進、生產調度、節能減排、倉儲物流、產品銷售、售后服務等各個環節，是提高企業信息化程度的有效途徑。

6 結論

通過傳統物聯網系統架構原理的深入研究，首次提出了LED物聯網燈具系統的應用體系架構，介紹了LED物聯網燈具系統的主要應用功能和發展方向，闡明了具體實施中的技術難題，以智慧工廠為例介紹了其應用的前景和所能實現的功能。LED物聯網燈具系統的構想具有一定的可行性和市場前景。未來，LED物聯網燈具系統將為LED燈具行業的發展和物聯網的進一步推廣搭建一條全新的橋梁。