基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧燈具老煉試驗控制系統(tǒng)研發(fā)

摘 要：燈具老練試驗具有長周期、恒源、恒溫、運行狀態(tài)交替等技術(shù)要求，是公路交通機電照明產(chǎn)品試驗檢測的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在整個燈具性能檢驗過程有著非常重要的作用。文章結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和可編程邏輯控制器（PLC）控制技術(shù)，研發(fā)一套能按照業(yè)務需求全天候穩(wěn)定運行的智慧化燈具老煉試驗控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了試驗狀態(tài)監(jiān)測預警、數(shù)據(jù)集中、多終端監(jiān)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(shù)據(jù)的準確性提供了支撐和保障，提高了試驗效率。

關(guān)鍵詞：燈具老煉試驗；物聯(lián)網(wǎng)；智慧控制；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TN929.5；TP391.4

1 研發(fā)背景

為了提高LED燈具產(chǎn)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(chǎn)品應用到工程中[1]。燈具老煉試驗是燈具產(chǎn)品檢驗中的重要環(huán)節(jié)，而現(xiàn)階段該項試驗還采用傳統(tǒng)技術(shù)手段實現(xiàn)，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(huán)境濕度在（45±3）%、環(huán)境溫度在（25±3）℃，而整個試驗持續(xù)的時間周期較長，在室內(nèi)長時間保持恒定的溫濕度是必要的，但困難較大。

2）在現(xiàn)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(xiàn)場的環(huán)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(huán)境是處于無人監(jiān)控的狀態(tài)，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(xiàn)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(zhì)保量地完成，迫切需要研發(fā)一套具備操作簡單，穩(wěn)定性、自動化以及集成化程度高的智慧老煉試驗控制系統(tǒng)，因此，研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧燈具老煉試驗控制系統(tǒng)，具有很強的實用價值。

2 研發(fā)目的及意義

智慧化試驗室是未來試驗室發(fā)展的必然趨勢，運用先進的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)和大數(shù)據(jù)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(huán)境以及試驗結(jié)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(lǐng)域的重要研究方向。智慧燈具老煉試驗控制系統(tǒng)的研發(fā)能夠有力推動智慧試驗室的建設，借助飛速發(fā)展的現(xiàn)代化信息技術(shù)，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(huán)境監(jiān)測復雜、各類試驗的運行狀態(tài)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(yè)的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

智慧燈具老煉試驗控制系統(tǒng)的研發(fā)實施可高效、準確地檢測出有質(zhì)量問題的照明燈具，并可進行燈具不良特性的總結(jié)分析，避免不合格產(chǎn)品應用到工程中，促使燈具產(chǎn)品的可靠性和使用壽命進一步提高。另外，本系統(tǒng)的研發(fā)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(tǒng)，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(zhuǎn)型提供創(chuàng)新經(jīng)驗，對于建立智慧化試驗室具有重要借鑒意義。

3 系統(tǒng)主要組成及技術(shù)應用

3.1 燈具老煉試驗控制系統(tǒng)組成及方法研究

3.1.1 系統(tǒng)組成

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

3.1.2 方法研究

燈具老煉試驗規(guī)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(huán)。通過PLC輸出控制繼電器，進而控制燈具亮滅。本地系統(tǒng)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(zhuǎn)換，同時監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)的準確性提供了保障。燈具在開始試驗之前，必須把相關(guān)信息錄入本系統(tǒng)，包括樣品編號、燈具的規(guī)格型號等，之后選擇槽位上的燈具，啟動試驗。該過程中，系統(tǒng)自動記錄試驗燈具的狀態(tài)和試驗進度，同時將數(shù)據(jù)上傳至云平臺進行備份和處理，若發(fā)生緊急狀況，諸如燈具燒毀、系統(tǒng)故障、大規(guī)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(lián)網(wǎng)技術(shù)在燈具老煉試驗控制中的應用

3.2.1 主控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)總體設計如圖2所示。

本系統(tǒng)采用S7-1200 PLC控制器為主控，擁有多種功能擴展模塊，如數(shù)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(yè)設備工作時所產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)則通過循環(huán)掃描、集中采樣、集中輸出的方式，具有控制精度高、開發(fā)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(shù)據(jù)還可通過以太網(wǎng)連接或者外部訪問協(xié)議（OPC-UA、MODBUS等）的方式向外傳輸[2]。PLC作為控制系統(tǒng)的核心，負責控制燈箱內(nèi)部各路燈位輸出電壓、數(shù)據(jù)采集及上傳，4G-DTU模塊能夠?qū)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)實時上傳至數(shù)據(jù)接收終端即云平臺，遠程監(jiān)控終端會接收并實時更新，實現(xiàn)系統(tǒng)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(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡拓撲圖如圖3所示。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為星形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)非常簡單，便于管理，以PLC控制器為中心節(jié)點的其他節(jié)點出現(xiàn)故障后，也不會影響其他節(jié)點的工作。PLC同時兼有通信能力，負責將各節(jié)點的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至4G-DTU，傳輸協(xié)議為以太網(wǎng)，其兼容性大，信息承載量大，傳輸速度快。而4G-DTU負責將數(shù)據(jù)發(fā)送至指定的云平臺，由云服務器處理并儲存于數(shù)據(jù)庫中。

3.2.3 數(shù)據(jù)上云協(xié)議（MQTT）

MQTT是國際商業(yè)機器公司（IBM）推出的一個極其輕量級的發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，構(gòu)建于傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議（TCP/IP）之上，提供有序、可靠的數(shù)據(jù)傳輸機制[3-4]。由于物聯(lián)網(wǎng)設備普遍性能低下，且網(wǎng)絡連接質(zhì)量也不可靠，因此在設計協(xié)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(fā)消息；

3）由于多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備網(wǎng)絡時延不穩(wěn)定，實際生產(chǎn)中設備也不適合持續(xù)等待服務器響應，因此協(xié)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(xié)議軟件開發(fā)工具包（SDK）或配置文件，通過訂閱主題消息，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器，其他網(wǎng)絡設備訂閱同一主題，即可接收本地設備發(fā)送的數(shù)據(jù)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(tǒng)采用專業(yè)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(nèi)部填充巖棉，在一定程度上保證了試驗數(shù)據(jù)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(tǒng)采用液體冷卻方式。每個燈箱內(nèi)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(zhuǎn)、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(nèi)部溫度精準地控制在設定值范圍內(nèi)[5]。

在工業(yè)過程中，連續(xù)控制系統(tǒng)的理想PID控制規(guī)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(shù)（對應參數(shù)P）；

Ti 為積分時間常數(shù)（對應參數(shù)I）；

Td 為微分時間常數(shù)（對應參數(shù)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?yún)?shù)為e（t），PID控制器的輸出參數(shù)和被控對象的輸入?yún)?shù)是u（t）。

3.4 燈具老煉試驗監(jiān)控管理中心功能設置

中央級設置在線監(jiān)控中心，作為燈具老煉自動控制系統(tǒng)的安全和數(shù)據(jù)查看與控制為一體的終端，用于監(jiān)測環(huán)境溫濕度、室內(nèi)狀況、燈具狀態(tài)、電壓電流、燈具信息及故障情況并進行統(tǒng)一管理。監(jiān)控管理級在監(jiān)控中心配備有主機、操作員工作站，主機通過專用網(wǎng)卡與整個系統(tǒng)相連，并作為網(wǎng)絡的一個節(jié)點與現(xiàn)場設備保持通信，通過組態(tài)屏進行相關(guān)燈具的數(shù)據(jù)輸入。同時，監(jiān)控中心可通過無線網(wǎng)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(jiān)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(qū)域的試驗情況。

本地的顯示與控制采用昆侖通態(tài)觸摸屏，可在界面上添加新增燈具，連接燈具相關(guān)變量，做到動畫效果和控制效果完美結(jié)合，本地顯示界面如圖5所示。遠程控制中心是集數(shù)據(jù)監(jiān)控、視頻監(jiān)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(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫[7]，采用web端展示，目前已經(jīng)完成控制中心的設計需求，后期將繼續(xù)優(yōu)化界面設計，做到交互的快速性和美觀性。遠程監(jiān)控中心及數(shù)據(jù)庫設計界面分別如圖6、圖7所示。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)通過對傳統(tǒng)時間繼電器控制的燈具老煉試驗控制系統(tǒng)進行創(chuàng)新設計，采用市電、不間斷電源與柴油發(fā)電機相結(jié)合的供電方式實現(xiàn)設備全天候穩(wěn)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(huán)境，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)設計合理、數(shù)據(jù)更新速度快、監(jiān)測精準度高、實用性強等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的本地控制和遠程控制，有效解決了現(xiàn)有設備中存在的問題和不足。

基于物聯(lián)網(wǎng)的燈具老煉試驗智慧控制系統(tǒng)能夠有效控制公路照明燈具產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)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(shù)字化、信息化、智能化實驗室的建設。同時，該自動控制系統(tǒng)填補了以往公路照明燈具產(chǎn)品老煉試驗自動化、智能化控制的空白，很大程度地節(jié)省了人力、物力、電力，能夠更好地服務交通發(fā)展。

參考文獻：

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