基于OneNET 平臺(tái)的光伏智慧路燈設(shè)計(jì)

林柏宇,何景峰,陳文博

(西京學(xué)院,陜西 西安 710123)

0 引言

牽動(dòng)人心的新冠肺炎疫情正洗禮著各行各業(yè),許多產(chǎn)業(yè)重啟向上而生的螺旋,“云社交、云醫(yī)療、云制造”應(yīng)運(yùn)而生。 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)的快速發(fā)展,再次實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的變革。 目前,路燈作為城市的基礎(chǔ)建筑設(shè)施,廣泛分布于城市網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)角落。 通過對(duì)路燈引入物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng),能使路燈變得“智慧”起來。該路燈系統(tǒng)融合了嵌入式微控制器、光伏發(fā)電、燈光調(diào)節(jié)、環(huán)境監(jiān)測、自動(dòng)噴霧、后臺(tái)控制等功能,合理利用城市資源,并可通過大數(shù)據(jù)對(duì)各條城市干道進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制,確保城市基礎(chǔ)服務(wù)的良好發(fā)揮。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本套系統(tǒng)基于OneNET 云平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì),主要包含電源、采集終端和執(zhí)行終端、網(wǎng)關(guān)、無線通信以及后臺(tái)監(jiān)控5 個(gè)部分。 電源部分采用光伏發(fā)電技術(shù),并結(jié)合外部電源實(shí)現(xiàn)雙電源供電。 采集終端涉及的各類傳感器使用RS485 總線進(jìn)行組網(wǎng),執(zhí)行終端采用RS232 與信號(hào)采集模塊相連,并通過繼電器進(jìn)行控制。 信號(hào)采集模塊上預(yù)留多種不同規(guī)格和種類的傳感器接口,方便以后拓展其他器件。 系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)傳輸采用基于LoRa 的無線通信方式,實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的上傳和云服務(wù)器的指令下發(fā)。 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)與OneNET 云平臺(tái)之間通過4G 傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 OneNET 云平臺(tái)上能查看路燈所在路段的光照度、溫濕度、PM2.5、PM10等數(shù)據(jù),管理人員可對(duì)這些上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷,進(jìn)而對(duì)道路環(huán)境狀況和亮燈情況進(jìn)行處理,使城市路燈的管理更加的智能化、自動(dòng)化。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)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(jì)劃容量為1 kVA,工作環(huán)境需維持在-10 ℃~+40 ℃。 系統(tǒng)選用STM32H750XBH6 作為主控制器,負(fù)責(zé)路燈采集信息的處理與系統(tǒng)控制;無線通信模塊是信息的傳輸模塊,負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的上傳和云服務(wù)器的上行指令下發(fā);4G 傳輸模塊負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)發(fā)來的信息并與Internet 服務(wù)器通信。

圖1 系統(tǒng)總框

2.1 模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 電源模塊

隨著社會(huì)發(fā)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(duì)能源需求量的不斷加大及環(huán)境污染問題的日趨嚴(yán)重化,能源危機(jī)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(huán)保、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注[1]。 但是,由于受到晝夜、季節(jié)、天氣等自然條件的影響,光照時(shí)間不足,蓄電池儲(chǔ)能低下,很多時(shí)候光伏系統(tǒng)的發(fā)電還趕不上耗電。 因此,本次設(shè)計(jì)中單以太陽能進(jìn)行發(fā)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(jìn)行正常發(fā)電儲(chǔ)能,整個(gè)系統(tǒng)也就無法正常工作。 要引入光伏發(fā)電技術(shù),并使光伏路燈最終成為能夠與常規(guī)路燈相競爭的產(chǎn)品,就必須處理好供電問題。 系統(tǒng)供電方案設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)供電方案設(shè)計(jì)

本套系統(tǒng)的光伏發(fā)電模塊由一塊工業(yè)級(jí)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(zhuǎn)換方式,利用太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能,通過數(shù)字電源之后,產(chǎn)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(wǎng)關(guān)、信號(hào)采集模塊和4G 傳輸模塊都以DC 12 V 進(jìn)行供電,實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)上傳和下發(fā)等功能,各類傳感器等以DC 5 V進(jìn)行供電,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集。 受限于諸多因素,太陽能不能作為連續(xù)、穩(wěn)定的能源為系統(tǒng)提供電能,因此設(shè)計(jì)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(bǔ)供電模式,外部輸入電源為AC 220 V±10% 50 Hz。 當(dāng)蓄電池電量低于設(shè)定閾值時(shí)通過繼電器啟動(dòng)外部電源進(jìn)行供電;高于設(shè)定閾值時(shí),啟動(dòng)蓄電池進(jìn)行供電,并穩(wěn)定在11.1 V 以上,保證電流的持續(xù)輸出。

2.1.2 采集終端及執(zhí)行終端

本次設(shè)計(jì)所用到的采集終端都是基于RS485 接口的硬件設(shè)備,這些傳感器和信號(hào)采集模塊之間通過RS485 接口進(jìn)行連接,通信協(xié)議為MODBUS RTU 協(xié)議。相比于其他通信接口,RS485 通信接口除了相對(duì)簡單外,還具有以下特點(diǎn):(1)RS485 數(shù)字信號(hào)傳輸采用差分模式,抗噪能力很強(qiáng),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(yuǎn)很多。 (3)RS232 接口在總線上為單站,只能接1 個(gè)收發(fā)器。 相比于RS232 接口,RS485 接口在總線上可接的收發(fā)器數(shù)量多達(dá)128 個(gè),憑借其多站特性,開發(fā)者可以通過RS485 建立“一對(duì)多”的設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)。 鑒于RS485 傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)和“一對(duì)多”的特性,選擇其作為所用傳感器的接口類型。

本次設(shè)計(jì)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(yīng)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(qiáng)度,溫濕度傳感器主要測量土壤和空氣中的溫濕度數(shù)據(jù),通過RS485 總線與信號(hào)采集模塊進(jìn)行連接,分別對(duì)城市干道中的濕度、溫度、PM2.5、PM10和光照等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并實(shí)時(shí)與信息采集模塊通信傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。執(zhí)行終端包括自動(dòng)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(hào)采集模塊將收集到的空氣濕度、土壤濕度、PM2.5等監(jiān)測數(shù)據(jù),與設(shè)置值進(jìn)行比對(duì),并對(duì)行人或者車流量進(jìn)行檢測,可在無人、車的情況下對(duì)路面進(jìn)行噴霧,噴頭旋轉(zhuǎn)角度可控。系統(tǒng)還具有亮度檢測功能,根據(jù)路段實(shí)時(shí)亮度控制路燈開關(guān),主要配置有亮度傳感器、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、水箱、水泵、旋轉(zhuǎn)噴頭、管路等。

2.1.3 主控模塊

近年來,STM32 發(fā)展迅猛,2014 年,STM32 采用Arm Cortex-M7 內(nèi)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(shù)提高了1 倍,工作頻率高達(dá)480 MHz。 H7 系列處理器芯片內(nèi)部劃分為3 部分,通過內(nèi)部的AXI 總線、AHB 總線矩陣連接3個(gè)區(qū)域的正常通信,有效地降低了功耗。 H7 系列的內(nèi)存資源相當(dāng)豐富,內(nèi)嵌Flash 容量達(dá)到2 MB,在生活、商業(yè)乃至工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛,例如工業(yè)網(wǎng)關(guān)、智能家居、電信設(shè)備和智能消費(fèi)電子等方面[3]。

本次設(shè)計(jì)采用STM32H750XBH6 作為主控芯片,設(shè)計(jì)了光伏智慧路燈的系統(tǒng)網(wǎng)關(guān),配置有以太網(wǎng),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(chǔ)存智慧路燈采集來的相關(guān)數(shù)據(jù),并以物聯(lián)網(wǎng)通信手段將處理之后的數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺(tái)。 參數(shù)設(shè)置支持藍(lán)牙設(shè)置參數(shù)以及串口設(shè)置參數(shù)兩種模式。 網(wǎng)關(guān)和控制終端、傳感器設(shè)備之間支持以下協(xié)議:MODBUS RTU、以太網(wǎng)協(xié)議、CAN 總線協(xié)議和LORA。網(wǎng)關(guān)與后臺(tái)之間通過4G 傳輸模塊進(jìn)行連接,通信協(xié)議為MQTT。 該主控模塊可以控制以下對(duì)象:繼電器的開通和關(guān)斷、LED 燈的開斷以及亮度控制、電機(jī)的啟動(dòng)和停止以及多段速運(yùn)[4]。

2.1.4 無線通信模塊

該模塊包含光伏智慧路燈的數(shù)據(jù)上傳以及云服務(wù)器的數(shù)據(jù)下發(fā)兩部分。 其中傳感器的數(shù)據(jù)上傳由終端采集和信號(hào)傳輸兩個(gè)階段組成。 采集終端由信號(hào)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(yīng)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(hào)采集模塊相連。 進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳時(shí),信號(hào)采集模塊以Modbus 協(xié)議進(jìn)行輪詢,獲取各類傳感器的采集數(shù)據(jù),然后利用基于LoRa 的無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)接收到傳感器數(shù)據(jù)之后,再通過4G 傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器,具體工作流程可以表示為:RS485 傳感器→信號(hào)采集模塊→系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)→4G 傳輸模塊→云服務(wù)器。

云服務(wù)器的數(shù)據(jù)下發(fā):4G 傳輸模塊接收到云服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)后,利用RS232 將接收到的指令發(fā)送給系統(tǒng)網(wǎng)關(guān),系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)再以LoRa 的無線傳輸形式將數(shù)據(jù)透傳給信號(hào)采集模塊,信號(hào)采集模塊在接收到該指令后可進(jìn)行繼電器的開通和關(guān)斷操作,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)云服務(wù)器的數(shù)據(jù)下發(fā)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制。 數(shù)據(jù)傳輸流程為:云服務(wù)器→4G 傳輸模塊→系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)→信號(hào)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(zhí)行機(jī)構(gòu),比如LED 燈、灑水噴頭,也可以進(jìn)行拓展外接其他開關(guān)設(shè)備。 具體工作情況如圖3 所示。

圖3 基于LoRa 的系統(tǒng)工作框

2.1.5 4G 傳輸模塊

本次設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)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(shù)據(jù)收發(fā)可同時(shí)進(jìn)行,數(shù)據(jù)總線為3 根線,TX,RX 和GND。 4G 傳輸模塊與系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)之間通過RS232 接口進(jìn)行連接,并將RS232 接口接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為4G 后與云端進(jìn)行通信。

信號(hào)采集模塊按照Modbus 總線協(xié)議主動(dòng)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)請(qǐng)求,傳感器收到請(qǐng)求指令后,上報(bào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)至信號(hào)采集模塊,信號(hào)采集模塊以Lora 的無線通信方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)通過4G 傳輸模塊發(fā)送至服務(wù)器上,通過相應(yīng)配置,即可在云平臺(tái)上看到終端設(shè)備采集到的信號(hào),如濕度、溫度、光照度、PM2.5和PM10顆粒物濃度等,數(shù)據(jù)大約2~3 s 更新1 次。 同樣地,當(dāng)服務(wù)器下發(fā)指令時(shí),通過4G 傳輸模塊進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換,再依次通過網(wǎng)關(guān)及信號(hào)采集模塊發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)下行控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 OneNET 平臺(tái)簡介

OneNET 是由中國移動(dòng)打造的PaaS 物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái),其數(shù)據(jù)上傳支持多種方式(EDP,MQTT,HTTP,Modbus,JT/T808,RGMP),無須寫服務(wù)去適配相關(guān)協(xié)議。 移動(dòng)OneNET 在處理高并發(fā)和安全領(lǐng)域有很好的建樹,適合運(yùn)用于大規(guī)模城市設(shè)施建設(shè)。 本次設(shè)計(jì)接入云平臺(tái)采用的是MQTT 協(xié)議,通過OneNET 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和儲(chǔ)存功能。

3.2 OneNET 平臺(tái)設(shè)備的接入與調(diào)試

MQTT 的全稱是 Message Queuing Telemetry Transport,消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議。MQTT 協(xié)議與HTTP 協(xié)議類似,都是基于TCP 傳輸協(xié)議的應(yīng)用層傳輸協(xié)議[1]。

終端設(shè)備可通過ESP8266,ESP32 等接入OneNET 云平臺(tái),通過固定的協(xié)議與云平臺(tái)通信,遠(yuǎn)程顯示傳感器當(dāng)前收集的參數(shù)信息。 使用工業(yè)級(jí)的ZLAN8305L 模塊,根據(jù)MQTT 協(xié)議的規(guī)范上傳數(shù)據(jù),直接連接到OneNET 的終端,包括設(shè)備的ID,API KEY 以及數(shù)據(jù)流,數(shù)據(jù)流中有平臺(tái)與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)流名稱[5]。平臺(tái)端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行應(yīng)答,確定上傳是否成功。

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于OneNET 平臺(tái)的光伏智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)依托流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),利用新能源發(fā)電的同時(shí)將各類傳感器整合到普通路燈上,將路燈所收集的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳,通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈所處路段及環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控,優(yōu)化了城市路燈系統(tǒng)的管理。 本次設(shè)計(jì)既完成了對(duì)自然資源的合理運(yùn)用,又實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種參數(shù)的測量,可以廣泛應(yīng)用于“智慧城市”和“綠色城市”的建設(shè)當(dāng)中。 后期還可引入智慧城管、信息發(fā)布欄、通信基站、WIFI 熱點(diǎn)以及新能源充電樁等,真正實(shí)現(xiàn)商用價(jià)值。