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基于OneNET平台的光伏智慧路灯设计

来源:用户上传      作者:林柏宇 何景峰 陈文博

  摘要:智慧路灯作为物联网在城市中的重点应用领域,已有诸多国家将其纳入智慧城市相关规划建设,其具有通电、联网和分布广的特性,被视为万物联网的必要基础建设。文章基于光伏发电技术和物联网云平台技术设计了一种光伏智慧路灯系统,设计采用STM32H750作为主控芯片,通过基于LoRa的无线通信模块获取环境与状态信息,并将数据上传至OneNET云平台中,管理人员可对这些数据进行分析和判断,进而实现路灯的远程控制。该路灯系统集多种功能于一体,变得更加“智慧”,可进行的加值应用充满无限想象。
  关键词:光伏发电;STM32H750;网关;LoRa;OneNET
  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、PM、PM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。
  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。
  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PM和PM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、PM、PM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、PM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。

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