基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的設計與研究

張艷紅，修 強，李 強，林 閩

(1. 新疆維吾爾自治區新能源研究所，烏魯木齊 830011；2. 新疆太陽能科技開發公司，烏魯木齊 830011)

0 引言

隨著近年來“訪民情、惠民生、聚民心”工作的開展，普及了用于新農村建設的太陽能LED路燈照明系統，推動了LED路燈控制器產業的發展[1]。但太陽能LED路燈照明系統的發展在取得了良好效果的同時，也存在一定的應用問題，具體包括：1)太陽能LED路燈的分布較為分散，且位置相對獨立，無法集中控制；2)運行數據無記錄，故障判斷困難；3)白天充電、夜間放電，故障排查時間長，巡檢工作量大；4)由于天氣、環境、人為的原因都可能造成太陽能LED路燈不亮，故障發生后難以及時維修，需多次往返現場、人力成本高。

為了改進傳統太陽能LED路燈照明系統的諸多不便，研究人員將物聯網技術與太陽能LED路燈照明系統結合起來，采用無線控制方式，使太陽能LED路燈更智能、更方便[2]。針對傳統太陽能LED路燈照明系統普遍存在的故障判斷困難、巡檢難度大、人力成本高等問題，本文設計開發了一種基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統，從系統構架、硬件設計、平臺建設、實驗測試等方面，詳細地介紹了該云控制系統的設計與研究過程。本文設計的基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統可隨時掌握太陽能LED路燈的運行工況，遠程控制太陽能LED路燈的開、關和亮燈時長等，可根據光伏組件的發電量及路燈的用電量情況判斷太陽能LED路燈的運行是否正常；可及時發現自然環境對太陽能LED路燈造成的影響(比如：樹木遮擋、沙塵覆蓋)，并可以及時通知村委會(用戶)進行處理；對非自然原因造成的故障，可及時通知當地的運維網點進行處理，從而保證太陽能LED路燈的壽命和正常使用?；谖锫摼W的太陽能LED路燈智能照明云控制系統大幅提升了太陽能LED路燈照明系統的信息化水平，降低了能耗及維護成本，實現了遠程智能化控制，使太陽能LED路燈照明系統可以更好地服務于社會民生及經濟建設[3]。

1 基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的構架

基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的設備主要包括：光伏組件、蓄電池、LED光源、智能太陽能恒流一體控制器、智能數據采集模塊及信號接收與集中轉發裝置(即信號集中器)。

基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的通信模式具體為：

1)底層為太陽能LED智能數據采集模塊，主要用于采集、讀取太陽能LED路燈智能照明系統的運行參數，同時將采集的數據以無線透傳技術ZigBee的無線自動組網模式傳遞給信號集中器[4]。

2)信號集中器將每一個下位數據采集模塊根據集中器地址進行數據傳送，信號集中器數據端接收與數據采集模塊同為ZigBee無線組網模式；信號集中器將獲取的數據以GPRS無線透傳技術傳送給基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的后臺，傳送數據遵循MODBUS RTU協議。

3)后臺根據信號集中器編碼數據采集模塊地址進行數據解析，然后將數據保存于數據服務器；在數據服務器內進行數據運算與輸出，并形成完整的太陽能LED路燈智能照明系統的運行監測數據。

4)利用網絡開發平臺對采集的數據進行數據編輯，同時通過設置數據閾值，設定數據動態跟蹤預警與保護，可有效警示管理人員，及時處理出現故障指示的太陽能LED路燈智能照明系統；根據報警類型，通過數據查閱，可初步判定太陽能LED路燈智能照明系統的故障問題，以便有針對性地開展維修任務。

另外，該基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的擴展性強，可以按實際應用需要添加相應的采集模塊和傳感模塊，比如：可添加位移傳感器，實現防盜報警功能[5]；可添加照度傳感器，實現燈具亮度自動調節[6]。

本文設計的基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統示意圖如圖1所示。

圖1 基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of intelligent lighting cloud control system of solar LED street lights based on Internet of Things

2 基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的硬件設計與研究

2.1 智能太陽能LED恒流一體控制器的設計

結合太陽能LED路燈智能照明系統的數據采集需求來設計智能太陽能LED恒流一體控制器。該智能太陽能LED恒流一體控制器設計開發了數據輸出端口，該輸出端口采用RS485總線通信方式，方便數據采集模塊的寫入與讀取，同時可兼容其他同類協議的采集器件。在控制環節，采用脈沖寬度調制(PWM)控制策略，該策略已是成熟的技術方案。同時，結合LED光源的需求進行半功率調節，與原有時間控制相結合，達到基于時間的半功率調節功能，并可根據蓄電池的儲能量進行動態的智能輸出功率調整。

由于此部分技術原理和傳統太陽能LED路燈控制器的技術原理相通，本文不再贅述。

2.2 智能數據采集模塊的設計

在基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統中，智能數據采集模塊主要擔負數據采集與數據傳輸的功能。底層數據采集主要依托ZigBee來實現，而太陽能LED路燈智能照明系統的布置主要沿城市道路布置，布置距離長，考慮到ZigBee的底層信號傳輸衰減與控制精度，在太陽能LED路燈智能照明系統中應按照ZigBee的傳輸覆蓋面積進行網絡節點布置，必要時可增加中間節點。ZigBee無線自動組網模式如圖2所示。圖中：N為子節點數量。

圖2 ZigBee無線自動組網模式Fig. 2 ZigBee wireless automatic networking mode

每盞太陽能LED路燈安裝有智能太陽能LED恒流一體控制器，控制器外置有RS485數據采集接口，智能數據采集模塊通過ZigBee進行數據讀取與收發，每一個ZigBee單元即為整個基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的子節點，子節點之間可以進行數據傳送，自組網絡。子節點的電路原理主要是利用基于CC2430芯片的ZigBee進行數據通信。ZigBee單元節點采用IEEE 802.15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4 Hz，具有低成本、低功耗、網絡節點多、傳輸距離遠等顯著優勢[7]。

ZigBee單元節點電路的典型用法如圖3所示。

2.3 基于CC2430芯片的ZigBee轉RS485通信控制的節點電路設計

CC2430芯片的尺寸僅有7 mm×7 mm，集成了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。該芯片使用一個8位微控制單元(MCU)(8051)，具有32/64/128 kB可編程閃存和8 kB的隨機存取存儲器(主存)(RAM)，還包含模/數轉換器(ADC)、定時器(Timer)、AES-128安全協處理器、看門狗定時器(Watch dog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(power on reset)、掉電檢測電路(brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳[7]，能夠滿足基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統底層基于ZigBee的無線數據的通信。智能太陽能LED恒流一體控制器中的ZigBee轉RS485通信控制的節點電路如圖4所示。

2.4 信號集中器的設計

信號集中器是基于物聯網的路燈監控無線集中傳輸系統中的關鍵設備，其能夠通過下行信道與各盞太陽能LED路燈上的智能數據采集模塊通信，同時能夠通過上行的GPRS網絡連接到網絡服務器，把智能數據采集模塊采集到的太陽能LED路燈智能照明系統數據全部上傳到網絡服務器。

通過信號集中器和智能數據采集模塊，基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統借助GPRS網絡及1 G以內頻段無線技術，實現對太陽能LED路燈的遠程控制，其中主要實現了遠程監控太陽能LED路燈實時狀態，控制開、關燈，太陽能LED路燈參數設置，故障報警，歷史數據查詢及統計分析等功能。

信號集中器的設計開發是在充分借鑒目前市面上流行的GPRS數據采集設備的基礎上融合了ZigBee[8-9]，底層獲取的太陽能LED路燈照明系統數據通過ZigBee接收模塊(采集器)接收，然后傳輸給GPRS數據采集設備；GPRS數據采集設備根據通信協議格式，通過無線透傳技術將數據上傳至網絡服務器，網絡服務器進行數據分類篩選，通過基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統平臺組態進行數據展示與調取。

3 基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統平臺的建設

3.1 平臺菜單的總體設計

在基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統平臺的研究開發過程中，參考國內外相關技術規范，結合中國現有的配套硬件設施及功能，在進行技術多層面的整合后，對基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統平臺的構架進行了嚴謹的設計與開發。整個云控制平臺的菜單欄分為遠程監控、遠程控制、數據報表、數據分析、基礎信息、系統信息6個功能標簽；每個功能標簽下設有若干功能浮選框，根據實際應用數據分析進行功能區域劃分與數據連接，可方便太陽能LED路燈智能照明系統的用戶進行后期管理與維護。

圖3 ZigBee單元節點電路的典型用法Fig. 3 Typical usage of ZigBee cell node circuit

整個云控制平臺的建設是在互聯網大數據的基礎上進行的物聯互通與控制，在后期將傾向于對外開放，因此需要兼容不同企業的太陽能LED路燈智能控制模塊，從而實現對太陽能LED路燈的控制或其他領域亮化設施的控制與數據監控。

基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統平臺的登錄界面如圖5所示。

圖4 智能太陽能LED恒流一體控制器中的ZigBee轉RS485通信控制節點電路Fig. 4 ZigBee to RS485 communication control node circuit in intelligent solar LED constant current integrated controller

圖5 基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統平臺的登錄界面Fig. 5 Login interface of intelligent lighting cloud control system platform of solar LED street lights based on Internet of Things

3.2 菜單的功能設計

基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統平臺的菜單欄包括遠程監控、遠程控制、數據報表、數據分析、基礎信息和系統信息幾部分，其界面如圖6所示。

圖6 基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統平臺的菜單欄界面Fig. 6 Menu bar interface of intelligent lighting cloud control system platform of solar LED street lights based on Internet of Things

3.2.1 遠程控制的功能設計

“遠程控制”的子菜單分別設置有路燈控制、終端控制與連接日志3個功能標簽。

1)在“路燈控制”的子菜單中可以進行單盞太陽能LED路燈的數據設置與控制，同時也可以實現同一信號集中器下所有太陽能LED路燈的整體參數設置與時間校準。

2)通過終端控制功能可以進行太陽能LED路燈智能照明系統下面所屬全部信號集中器的信息查詢與更新。

3)通過連接日志功能可以查閱每個信號集中器的運行狀態與記錄。方便用戶和維護人員定期查閱每個信號集中器的運行狀態，同時方便調試人員進行太陽能LED路燈的參數修正與控制。

3.2.2 數據報表和數據分析的功能設計

本云控制系統中的數據報表功能，主要是通過數據服務器將現場實時得到的數據進行邏輯運算，并按照數據類別生成數據報表。數據報表子菜單分為實時歷史數據報表、統計歷史數據報表、狀態歷史數據報表和報警歷史管理報表，可用于太陽能LED路燈照明系統工程維護人員的查閱。

同時在數據報表功能及數據分析功能下設日能耗、月能耗、年能耗和總能耗幾個子菜單。這些子菜單對應的功能主要是針對單盞太陽能LED路燈的能耗數據進行匯總分析，針對單位時間段的單盞太陽能LED路燈進行耗電分析，用戶可根據實際需要調取某個時間段的耗電信息或逐個調取該項目的信息，進行下載和分析。

3.2.3 基礎信息的功能設計

“基礎信息”的子菜單分別設置設備管理、終端管理、區域管理3個功能標簽。

1)設備管理功能主要用于后臺添加、刪除設備，每盞太陽能LED路燈都要根據其控制器和信號集中器的ID代碼進行錄入，并根據參數差異進行地址更新與寫入，才能實現太陽能LED路燈智能照明系統的整體控制與太陽能LED路燈的單體控制功能。

2)終端管理功能主要針對單個信號集中器進行添加與設置，是基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統平臺的控制核心。

3)區域管理功能是用戶根據工程地點或不同工程編號自行劃分區域，便于運維管理。

4 基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的實驗測試

對設計開發的基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統進行實驗測試，作為測試對象的太陽能LED路燈架設于新疆太陽能科技開發公司生產基地，采用額定功率分別為30 W和20 W的LED光源(本文以30 W的LED光源進行分析)。本次測試為該云控制系統設計方案成型后的首次測試，目的是測試無線信號、GPRS透傳、物聯網數據解析，以及物聯網平臺數據整合效果。實驗測試的實景圖如圖7所示。

圖7 實驗測試的實景圖Fig. 7 Photos of experimental test

在遠程監控下，基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統可以監測每盞太陽能LED路燈的實時運行狀態并實施遠程控制。以2020年5月1日11:00監測的墨玉縣薩依巴格鄉烏尊阿熱勒村村委會門口的11盞太陽能LED路燈為例，該批太陽能LED路燈的系統配置為100 W的光伏組件、12V/80Ah的蓄電池、30 W的LED光源。遠程監控下11盞太陽能LED路燈的運行狀態如表1所示。

表1 遠程監控下11盞太陽能LED路燈的運行狀態Table 1 Operation status of 11 solar LED street lights under remote monitoring

從表1可以看出：太陽能LED路燈light-01～light-09的充電電流只有0.29～0.40 A，而正常運行狀態下太陽能LED路燈的充電電流應在1.0～5.0 A；light-10和light-11的蓄電池電壓偏低，已經處于過放狀態，充電電流為零，該太陽能LED路燈運行異常，處于警示狀態。由于每年3月中旬到5月中旬這段時間當地的浮塵揚沙天氣多，因此判斷light-01～light-09的充電電流低是因為光伏組件被塵土遮蓋嚴重，應通知村委會及時清洗光伏組件。而對于light-10～light-11，通過遠程控制切斷了其LED光源的輸出，并通知運維人員及時排除故障，在故障排除后再恢復運行。

實驗測試的結果表明：1)基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統可以滿足夜間道路照明需求；2)通過無線監控網絡實時傳輸終端節點工作參數數據供上位機顯示，達到了實時監控太陽能LED路燈運行狀態的目的；3)通過操作上位機，可以實現對太陽能LED路燈運行狀態的調整，并且能及時發現損壞的太陽能LED路燈的地理位置，以最快的速度對其進行維修；4)通過系統可以記錄數據及查看歷史數據，并且能快速地檢測蓄電池的欠壓狀況及欠壓時間[10]。

基于以上測試結果，設計開發的基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統不但可以很好地實現道路照明應用，達到節能效果，而且能滿足道路照明智能化監測、運維的需要，可實時掌握每一盞太陽能LED路燈的運行狀態，方便維護人員進行維護，實現了遠程智能化控制[10]。

新疆維吾爾自治區新能源研究所作為“南疆四地州鄉村綠色照明項目”的運維單位之一，在南疆大面積推廣基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統，采用該云控制系統后，可通過遠程數據分析，有效及時地判斷和反饋基層道路照明工程中單盞太陽能LED路燈的運行狀態。通過查閱太陽能LED路燈實時報警信息，可以動態掌握太陽能LED路燈的歷史運行狀態；根據實時數據與歷史數據綜合分析，可以判斷太陽能LED路燈的故障類型及產生故障的原因，為后期太陽能LED路燈的維護提供便利?；谖锫摼W的太陽能LED路燈智能照明云控制系統將成為新疆維吾爾自治區建設小康社會的亮點，具有廣闊的應用前景。

基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的示范應用實景圖如圖8所示。

圖8 基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統的示范應用實景圖Fig. 8 Photos of demonstration and application of solar LED street lights intelligent lighting cloud control system based on Internet of Things

5 結論

本文設計開發了一種基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統，具備遠程數據傳輸、在線監控、智能控制功能，可隨時掌握太陽能LED路燈智能照明系統的運行工況，減少了傳統太陽能LED路燈照明系統維護方式的中間環節，維護效率更高，并節約了大量的人力資源；同時，采用基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統可及時發現蓄電池、光伏組件、控制器的故障問題，并及時進行動態維護，減少設備損壞，避免個人和國家財產的損失。在未來5年內，隨著我國智能制造行業的快速發展，基于物聯網的太陽能LED路燈智能照明云控制系統將成為我國城市與新農村建設亮化工程中不可或缺的重要設施。