基于物聯網的智慧燈具老煉試驗控制系統研發

摘 要：燈具老練試驗具有長周期、恒源、恒溫、運行狀態交替等技術要求，是公路交通機電照明產品試驗檢測的一個關鍵環節，在整個燈具性能檢驗過程有著非常重要的作用。文章結合物聯網技術、數據庫技術和可編程邏輯控制器（PLC）控制技術，研發一套能按照業務需求全天候穩定運行的智慧化燈具老煉試驗控制系統，實現了試驗狀態監測預警、數據集中、多終端監測、應用拓展等功能，為燈具老煉試驗的安全性、可靠性及試驗數據的準確性提供了支撐和保障，提高了試驗效率。

關鍵詞：燈具老煉試驗；物聯網；智慧控制；數據庫

中圖分類號：TN929.5；TP391.4

1 研發背景

為了提高LED燈具產品的可靠性和壽命，燈具出廠前一般需要對其進行老煉測試，可將燈具的不良特性充分暴露出來，從而進行返廠改進升級，避免不合格產品應用到工程中[1]。燈具老煉試驗是燈具產品檢驗中的重要環節，而現階段該項試驗還采用傳統技術手段實現，存在試驗人員投入大、試驗成本高、試驗控制方法單一等問題，尤其是試驗過程中仍存在較多的不可控因素：

1）試驗過程中要保證環境濕度在（45±3）%、環境溫度在（25±3）℃，而整個試驗持續的時間周期較長，在室內長時間保持恒定的溫濕度是必要的，但困難較大。

2）在現有的工作過程中，為確保試驗條件在長時間試驗過程中符合要求，需專人去觀測試驗現場的環境條件和試驗進度；而且在漫長的試驗過程中有很大一部分時間試驗環境是處于無人監控的狀態，因此，試驗的進行過程中耗費大量人力且存在一定的安全隱患。

3）試驗過程中不容許試驗間斷，而現有的設備主要依靠市電進行供電且有斷電的可能，因此，只采用單一的市電供電無法保證老煉試驗的完整進行。

為確保LED燈具老煉試驗保質保量地完成，迫切需要研發一套具備操作簡單，穩定性、自動化以及集成化程度高的智慧老煉試驗控制系統，因此，研發基于物聯網的智慧燈具老煉試驗控制系統，具有很強的實用價值。

2 研發目的及意義

智慧化試驗室是未來試驗室發展的必然趨勢，運用先進的物聯網傳感技術和大數據分析能力，試驗室建筑及設施可以獲得全面感知能力和安全防護體系，并擁有極佳的視覺交互體驗，讓試驗室設施環境以及試驗結果更直觀高效，因此，智慧化試驗室的應用研究是未來試驗檢測領域的重要研究方向。智慧燈具老煉試驗控制系統的研發能夠有力推動智慧試驗室的建設，借助飛速發展的現代化信息技術，提高試驗效率和運作安全性；同時解決了試驗室日常運行中試驗環境監測復雜、各類試驗的運行狀態控制不及時等問題，提高了試驗室工作效率和管理水平，為試驗檢測行業的發展奠定技術基礎。

智慧燈具老煉試驗控制系統的研發實施可高效、準確地檢測出有質量問題的照明燈具，并可進行燈具不良特性的總結分析，避免不合格產品應用到工程中，促使燈具產品的可靠性和使用壽命進一步提高。另外，本系統的研發不僅可以豐富試驗室的功能、完善試驗要求、提高試驗精度，更重要的是依托該燈具老煉試驗智慧控制系統，可建立信息化智慧試驗室的雛形，為后期試驗室的智慧化轉型提供創新經驗，對于建立智慧化試驗室具有重要借鑒意義。

3 系統主要組成及技術應用

3.1 燈具老煉試驗控制系統組成及方法研究

3.1.1 系統組成

本控制系統由供配電系統、燈箱、智慧控制系統、數據接收終端、視頻監控系統組成，系統的組成如圖1所示。其中，供配電系統由柴油發電機、不間斷電源、市電電網組成，因此產品不受外部環境條件的影響，可實現全天候運行；智慧控制系統由可編程邏輯控制器（PLC）、無線數據傳輸單元（4G-DTU）、顯示屏、報警器和繼電器等組成，可以實現系統的本地控制和遠程控制，從而有效解決了現有裝置中出現的問題和不足。

3.1.2 方法研究

燈具老煉試驗規范要求為不間斷累計運行1" 000" h，其間每點亮11.5 h之后熄滅0.5 h，以此循環。通過PLC輸出控制繼電器，進而控制燈具亮滅。本地系統具有溫濕度采集、燈具信息添加、試驗進度記錄等功能。由于溫濕度為4～20 mA電流信號，故需要轉換，同時監測系統的電壓電流互感器為0～10 V電壓信號，故在采集器選型時選擇8路多樣采集器，而非PLC模擬量輸入模塊，同時，采集器有信號隔離功能，為數據的準確性提供了保障。燈具在開始試驗之前，必須把相關信息錄入本系統，包括樣品編號、燈具的規格型號等，之后選擇槽位上的燈具，啟動試驗。該過程中，系統自動記錄試驗燈具的狀態和試驗進度，同時將數據上傳至云平臺進行備份和處理，若發生緊急狀況，諸如燈具燒毀、系統故障、大規模停電等，云平臺將通過短信和公眾號提醒操作員及管理員。

3.2 物聯網技術在燈具老煉試驗控制中的應用

3.2.1 主控系統

控制系統總體設計如圖2所示。

本系統采用S7-1200 PLC控制器為主控，擁有多種功能擴展模塊，如數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、RS485通信模塊等，可按功能需求任意選配。針對工業設備工作時所產生的原始數據則通過循環掃描、集中采樣、集中輸出的方式，具有控制精度高、開發難度低、兼容設備多、功能豐富等特點，并且有本地與云控制數據還可通過以太網連接或者外部訪問協議（OPC-UA、MODBUS等）的方式向外傳輸[2]。PLC作為控制系統的核心，負責控制燈箱內部各路燈位輸出電壓、數據采集及上傳，4G-DTU模塊能夠將傳感器采集的數據實時上傳至數據接收終端即云平臺，遠程監控終端會接收并實時更新，實現系統的信息化、自動化運行，對于建設智慧化實驗室具有重要的意義。

3.2.2 網絡拓撲結構

網絡拓撲圖如圖3所示。網絡拓撲結構為星形結構，網絡結構非常簡單，便于管理，以PLC控制器為中心節點的其他節點出現故障后，也不會影響其他節點的工作。PLC同時兼有通信能力，負責將各節點的數據打包發送至4G-DTU，傳輸協議為以太網，其兼容性大，信息承載量大，傳輸速度快。而4G-DTU負責將數據發送至指定的云平臺，由云服務器處理并儲存于數據庫中。

3.2.3 數據上云協議（MQTT）

MQTT是國際商業機器公司（IBM）推出的一個極其輕量級的發布/訂閱消息傳輸協議，構建于傳輸控制協議/互聯協議（TCP/IP）之上，提供有序、可靠的數據傳輸機制[3-4]。由于物聯網設備普遍性能低下，且網絡連接質量也不可靠，因此在設計協議時需要重點考慮以下特性：

1）足夠輕量，方便嵌入式設備快速解析和響應；

2）支持雙向通信，即服務器和客戶端之間可以相互收發消息；

3）由于多數物聯網設備網絡時延不穩定，實際生產中設備也不適合持續等待服務器響應，因此協議需要支持異步傳輸機制；

4）足夠靈活，支持設備和服務的多樣化。

本地設備安裝協議軟件開發工具包（SDK）或配置文件，通過訂閱主題消息，將數據發送至服務器，其他網絡設備訂閱同一主題，即可接收本地設備發送的數據包，消息共享具有及時性。

3.3 燈箱設計及溫度控制方法研究

因試驗須在無風條件下進行，同時溫度有著嚴格的要求，需滿足25±3℃，故此系統采用專業燈箱及冷卻方式。

3.3.1 燈箱設計

為滿足試驗無對流風、溫度、濕度的要求，特設計燈具的實驗箱體，壁厚4 cm，雙夾層設計，內部填充巖棉，在一定程度上保證了試驗數據的準確性。箱體實物圖如圖4所示。

3.3.2 溫度控制方法

為滿足溫度條件，保證試驗順利進行，系統采用液體冷卻方式。每個燈箱內部均有換熱銅管，其重量較輕、導熱性好、低溫強度高，同時又比一般金屬易彎曲、易扭轉、不易裂縫、不易折斷，并具有一定的抗凍脹和抗沖擊能力。通過比例-積分-微分（PID）算法控制進水流量，以此將燈箱內部溫度精準地控制在設定值范圍內[5]。

在工業過程中，連續控制系統的理想PID控制規律為[6]：

式中：u（t）為控制器輸出的控制量（輸出）；

e（t）為偏差信號，是給定量與輸出量之差值（輸入）；

Kp 為比例系數（對應參數P）；

Ti 為積分時間常數（對應參數I）；

Td 為微分時間常數（對應參數D）；

偏差e（t）由設定值r（t）和實際輸出值y（t）得出：

e（t）=r（t）-y（t）""""""""""""""""" （2）

PID的輸入參數為e（t），PID控制器的輸出參數和被控對象的輸入參數是u（t）。

3.4 燈具老煉試驗監控管理中心功能設置

中央級設置在線監控中心，作為燈具老煉自動控制系統的安全和數據查看與控制為一體的終端，用于監測環境溫濕度、室內狀況、燈具狀態、電壓電流、燈具信息及故障情況并進行統一管理。監控管理級在監控中心配備有主機、操作員工作站，主機通過專用網卡與整個系統相連，并作為網絡的一個節點與現場設備保持通信，通過組態屏進行相關燈具的數據輸入。同時，監控中心可通過無線網絡傳遞燈具信息和試驗進度等情況至移動端和電腦端，方便試驗人員掌握試驗情況。在監控中心設大屏幕或模擬顯示屏上，以圖形的方式直觀地顯示各區域的試驗情況。

本地的顯示與控制采用昆侖通態觸摸屏，可在界面上添加新增燈具，連接燈具相關變量，做到動畫效果和控制效果完美結合，本地顯示界面如圖5所示。遠程控制中心是集數據監控、視頻監控、曲線分析、報警信息、燈具添加與刪除的綜合控制平臺，設備通過MQTT協議將數據傳輸至數據庫[7]，采用web端展示，目前已經完成控制中心的設計需求，后期將繼續優化界面設計，做到交互的快速性和美觀性。遠程監控中心及數據庫設計界面分別如圖6、圖7所示。

4 結語

本系統通過對傳統時間繼電器控制的燈具老煉試驗控制系統進行創新設計，采用市電、不間斷電源與柴油發電機相結合的供電方式實現設備全天候穩定運行，并通過PID溫度控制冷卻液體建立不受外部因素影響的恒定試驗環境，系統具有結構設計合理、數據更新速度快、監測精準度高、實用性強等優點，能夠實現系統的本地控制和遠程控制，有效解決了現有設備中存在的問題和不足。

基于物聯網的燈具老煉試驗智慧控制系統能夠有效控制公路照明燈具產品質量，降低產品檢驗能耗，在保證完善試驗要求的同時提高試驗精度，有力推動數字化、信息化、智能化實驗室的建設。同時，該自動控制系統填補了以往公路照明燈具產品老煉試驗自動化、智能化控制的空白，很大程度地節省了人力、物力、電力，能夠更好地服務交通發展。

參考文獻：

[1]" 王巧彬，翁紀釗，李茂文，等. LED燈具在線老化測試新方法研究[J]. 應用光學，2015，36（4）：596-599.

[2]" 羅樂. 基于物聯網的智能LED照明集中控制系統[J]. 沈陽工業大學學報，2018，40（4）：453-458.

[3]" 鄧然，康麗娟. 物聯網智能燈具設計探索與研究[J]. 無線互聯科技，2017（6）：69-70.

[4]" 王鑫. 基于物聯網的實驗室智慧化管理系統研究[J]. 電子測試，2021（17）：86-87+128.

[5]" 卓娜，李素華，魏永捷，等. 油田燃油注汽鍋爐自動控制系統的設計與實現[J]. 制造業自動化，2009，31（7）：124-127.

[6]" 李成勇. STM32嵌入式平臺下四旋翼飛行器模型研究[J]. 無線電工程，2018，48（6）：453-456.

[7] "張澤宇. 基于物聯網的智能照明控制系統研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2015.