LED物联网灯具系统的构想和应用

公文礼

（陕西守护星信息技术有限公司，西安 710010）

以LED灯具为基础的载体搭载各种物联网底层应用设备，在满足基本照明的基础上，LED灯具的外形结构可以灵活设计，针对各种不同的应用场所可设计不同的结构造型，根据目标现场具体的应用需求定制灯具外观结构，与各种网络设备嵌入式无缝融合，免去了传统物联网应用中单独为网络设备设计配套壳体、安装电源及配线等成本开销和安装结构上的繁琐设计。

1）LED灯具的驱动电源大多采用高频开关功率变换恒流驱动技术，在驱动电路设计时，只需再增加一路12 V或5 V的直流稳压电源，即可为搭载灯具上的无线基站设备提供电源，有效与灯具共享电力线路。在物联网终端设备的规模化应用中，省去了单独安装时设备壳体费用和无线网络设备的电力布线施工费用。施工时随灯具一体化安装，节省了大量的安装费用，同时为项目缩短了工期。

2）实现LED灯具和无线网络设备的物联网应用技术方案，大大缩短了物联网应用中底层无线网络的构建和调试周期，光波和无线信号的传播特点基本一致，不论在哪个场所，有光的地方就有无线信号，灯具均匀布置，基本无盲区和照明死角，灯光方向上也不会有障碍物，物联网灯具设备的无线信号能实现全面覆盖、均匀分布。灯具的均匀、间隔阵列化安装，有利于无线网络后期的信号测试和调整运行。工程应用中可以根据无线信号的辐射距离、强度和范围只在必要位置的灯具上安装该设备，其他灯具则无需安装这些网络设备，从灯具的布置上选择灵活性较大。

3）物联网运行的后期维护简单，灯具设计时为无线网络设备留有与之匹配的安装腔体，维护和调试时只需要打开腔体，拔掉电源线的接插件，取下设备进行更换或升级改造。

4）LED灯具工作温度低，只要散热设计合理，对安装其上的无线网络设备不会产生过多的热影响，LED灯具驱动电源时解决好EMI，灯具结构设计时利用灯具铝合金的特性自然起到对无线网络设备的屏蔽和隔离作用，防止两者之间的辐射信号干扰，不会影响搭载的无线网络设备性能，实现两者兼容。

5）灯具结构设计时可以采用模块化设计思想，充分预留驱动电源的功率冗余和安装腔体的空间冗余，在物联网运行后期有利于产品的升级换代和不同无线网络设备间的互换兼容。

LED物联网灯具系统只担承物联网底层应用中的一部分功能，在网络应用中必须遵循物联网的通信协议和标准。国际上一般将物联网的网络模型分为感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层4层体系（见图1）。

图1 LED物联网灯具系统的系统架构

目前，物联网以无线通信为主，主要分为两类：以ZigBee、Wi-Fi、Blue Tooth、Spider、6LowPan、Z-wave等为代表的局域网技术，传输距离较短，功耗较大，一般承载小规模业务；
以LoRa、SigFox、NB-IoT、GPRS／2G／3G／4G等为代表的广域网技术，传输距离较远，除GPRS／2G／3G／4G外，其他均为低功耗技术，一般用于承载大规模业务。识别层是物联网的核心技术，是联系物理世界和信息世界的纽带。感知识别层既包括射频识别（RFID）、各种无线传感器等信息设备，也包括各种智能化电子产品。RFID标签中存储着规范而互用的信息，通过无线数据通信网络（物联网灯具）自动采集并传输到中央信息管理系统，实现对前端设备物品的识别和信息跟踪管理。无线传感器网络主要对人或物的位置信息、环境状态、行为模式等多种动态信息开展大规模、长期、实时的采集和信息传输，形成庞大的信息感知神经网络单元，通过搭载于LED物联网灯具内的无线网络设备进行数据的上传和控制指令的下发。

网络构建层的主要作用是把感知识别层采集的数据接入互联网，供上层服务使用。互联网作为核心网络，处在边缘的各种无线网络则随时随地提供网络接入服务。无线广域网包括现有的3G／4G／5G网络。无线城域网包括现有的WIMAX技术（802.16系列标准），提供范围约100 km高速数据传输服务。无线局域网包括现有的Wi-Fi（802.11系列标准），为一定区域内（家庭、校园、医院、机场等）用户提供室内网络接入访问服务。无线个域网包括蓝牙（802.05.1标准）、ZigBee（802.15.4标准）等通信协议。这类产品的特点是低功耗、低传输速率、短距离，一般用作个人电子产品互联、室内工业设备控制等领域。各种不同类型的无线网络适用于不同的环境，并最终通过网关等设备互联，成为人—物互联的重要基础实施。LED物联网灯具可以根据具体应用需求而搭载不同类型的无线网络设备，既可以是LED灯具和5G、LED灯具和蓝牙、LED灯具和ZigBee、LED灯具和Wi-Fi等组合，也可以是LED灯具和5G＋Wi-Fi等多种组合模式，从而组成LED物联网灯具系统，从而成为网络构建层的核心设备。

管理服务层，在高性能云数据计算和海量存储技术的支撑下，管理服务层将底层应用采集的大规模数据高效、可靠地计算、统筹、组织并充分利用，为上层的行业应用提供智能化的信息处理支撑平台。将存储作为信息处理的第一步，通过数据深度挖掘、融合及提取分析，最终形成行业有用的数据服务。

综合应用层，以智慧化服务为主要特征的文件传输，电子邮件到以用户为中心的应用，在云数据的平台上智慧化管理，如环境感知、智能物流、智慧交通、智慧工厂管理等。

在LED物联网系统的网络构建中充分利用LED灯具的独特优势，一方面，可以利用灯具上搭载的无线网络设备来采集各种现场应用数据，通过云端服务器的计算分析、数据深度挖掘与融合形成有价值的数据系统。另一方面，也可以通过上层应用软件的功能性操作，对底层应用设备进行调控，下发系统应用数据、更新软件系统等。如，智慧超市的构想就是利用物联网灯具系统采集物品上的定位标签来跟踪管理物品的流动状况，通过云端后台管理系统随时统计、查看超市的货物存量及销售量，同时也可以根据环境需要，在线对超市的灯具进行调光、调色等个性化控制。在LED物联网系统中，灯具不仅具有照明功能，同时也承担物联网系统中的无线定位基站及网络通信基站功能。

在实际应用中，可以通过搭载于灯具上的5G基站或AP的POE接口对无线蓝牙、UWB、Wi-Fi、LiFi等设备（只需选一种）提供直流供电和参数配置。依托通信网络的数据传输优势，集成LED灯具中的无线蓝牙、UWB、Wi-Fi或LiFi等模块采集的现场数据，通过BBU／核心网传输至业务平台进行处理。将蓝牙、UWB、Wi-Fi、LiFi与5G通信基站一同融入照明灯具，实现了三者功能上的合一，结构上一体化设计组装，节省了设备的安装成本，缩短了施工周期。

LED物联网灯具系统的网络架构主要为底层无线网络的构建和感知识别设备的铺设。结合企业级用户的智能化需求分析，LED物联网灯具系统的应用主要体现在人或物的无线定位管理和底层感知识别数据的采集与传输两个方面。LED物联网灯具系统可以是单一的人员定位或物体的定位跟踪管理服务，如，智慧物流管理中通过库房中密集分布的LED灯具，对仓库内的货物和人员采用定位标签实时定位和状态跟踪管理；
也可以是单一的现场物理传感数据的采集与传输，如，工业管道智能控制中通过工厂内安装的LED灯具，对管道气体压力、流量、温度等参数实时采集与管理应用。实际应用中也可以同时对目标物进行无线定位管理和现场环境数据采集，甚至通过灯具物联网实现对终端设备的某些控制操作。

在LED物联网灯具系统中，无线网络设备的安装供电，控制维护、数据上传、服务器部署等都以定位网络的构建为基础。而室内通信数据网络应用中也需要大量远端设备的布设，为定位网络的数据回传提供数据通道和供电网络的可能性机会，且室内定位技术，如蓝牙、UWB、Wi-Fi、LiFi以及5G室分皮基站布设密度接近1∶1～1∶4，这也为室内定位信标与数据回传提供了合并安装、合并回传的自然条件。LED物联网灯具系统最佳的应用是将室内定位网络与通信网络相融合，两网合并集成共同安装于LED灯具上，三者充分有机融合，大幅降低了无线网络的部署成本，实现一灯三用、一网两用，即LED灯具＋“一张5G数据网”＋“一张室内定位网”。这就是LED物联网灯具系统的核心架构体系，以LED灯具为载体，以无线定位网络复用通信网络基础实施网络架构的硬件重叠，提高了通信网络设备的利用率，室内定位网和室内通信网融合在LED灯具内的物联网系统架构方案由于其天然的互补弥合、网络属性共享等一系列优势，成为物联网发展的主要应用方向。

诚然，在未来物联网灯具智慧化应用中，在无线蓝牙、UWB、Wi-Fi（AP）以及LiFi等无线网络技术选择时，LED物联网灯具系统到底采用哪一种组合方案，要取决于现场实际的物理环境和具体功能需求。在作业空间不大、人员较多的地方，如医院，宜采用无线蓝牙技术，一方面由于目前的手机均支持蓝牙模块，省去了底层感知设备的布设，另一方面由于蓝牙信标体积小、成本低、功耗低，有利于项目的尽快实施。如果需要专业性的无线定位服务，如大型工厂智能化管理，则选择LED灯具融合UWB技术比较好，因为UWB无线定位技术无线网络稳定，定位精度高，可靠性好，可实现工厂中生产流水线的数据采集和人员的定位管理，但前期网络建设成本较高。

LED物联网灯具系统应用并不是简单地将无线蓝牙、UWB、Wi-Fi、LiFi等网络设备通过集成方式设计安装到灯具壳体中。LED灯具工作时本身会产生热能，其驱动电源或多或少产生谐波污染和电磁传导辐射，无线通信设备的无线射频功放电路为了实现远距离发射也持续产生大量的热，各种无线网络设备对谐波污染等电磁干扰也非常敏感。灯具和无线网络设备如果只是电气连接，会导致彼此之间互相产生电磁干扰和热叠加，造成灯具系统热负荷加大，LED光衰加大，无线通信设备工作受热无法正常工作，无线信号失真甚至信号中断等工程难题。

解决LED物联网灯具系统中的LED光源散热与无线通信设备的散热问题是灯具结构设计首要考虑的技术问题。在LED灯具结构一体化设计时可以采用两腔独立、两腔热隔离的设计方式，即LED光源腔和无线通信设备腔除了采用铝合金等导热较好的金属材料，两腔在结构上分开独立设计，两腔之间可以采用绝热材料进行热隔离，整体结构上尽可能使无线设备的功率器件远离LED光源的散热部位。

灯具首先要保证LED光源具有充分冗余的散热面积和散热通道，而通信设备的功率射频器件也会产生大量的热，在灯具结构设计时需要科学计算，在功率器件的一次散热基础上采用高导热系数的导热硅脂来改善与壳体的二次散热。

为解决LED驱动电源的EMC对通信电源的干扰问题，采用了高频电子开关IGBT或CMOS开关驱动高频变压器功率变换技术，输入滤波电路中使用了电感、电容等元件，造成电流波形失真，形成有害的谐波传导污染，变换器使用高频开关器件，变压器的漏磁、高频开关信号的电磁辐射污染对安装在灯具上的通信设备造成严重的电磁干扰。因此，在LED驱动电路设计时，电源输入端除了采用常规的EMI拟制电路外，可以采用有源PFC处理电路，对功率变换变压器初级与次级采用光耦进行电气隔离，用于网络设备的输出稳压电源变压器和LED驱动电源的变压器输入端也要进行隔离和EMI处理。

LED物联网灯具系统并不是将室内定位网和室内通信网与灯具简单的组合或电气上简单的连接，其自身必须单独具备数据处理能力和逻辑控制，灯具必须有自己的MCU控制单元，硬件上具备逻辑控制，通过编程软件实现对底层应用的设备管理和数据通信，同时与上位机实现数据的传输和定位管理。灯具控制板可以采用单片机如ARM系列，通过逻辑编程，根据定位网、数据网各自的通信协议，与上位机通过TCP／IP协议实现网络通信和数据传输，从而实现网络构建层的功能。LED灯具的电源驱动板、定位基站设备、5G数据通信模块与灯具控制板之间可以采用RS232协议，定位基站与定位标签之间采用蓝牙或者Wi-Fi，5G基站与互联网之间采用TCP／IP协议（见图2）。

图2 LED物联网灯具结构示意图

LED物联网灯具系统只是物联网应用中的一种最基本的技术方案，其应用前景非常广阔。目前迫切需求此技术的领域主要有智慧物流、智能交通、智慧博物馆、智慧医院、智慧园区、智慧停车场以及智慧工厂等方面。

以LED物联网灯具系统在智慧工厂中的应用为例，要正真实现工厂管理智慧化，以工厂的工艺管理流程为底层逻辑，以生产设备、工人、原材料为数据对象，以云端智慧后台管理系统为平台，构建LED物联网灯具系统，实现工厂内原材料、人、机定位跟踪，根据工艺实时管理，采集生产现场的工艺数据、生产产品的数据流信息、人员的岗位信息，实现机器与人对话，通过基层信息数据的采集、分析，达到大数据的融合管理（见图3）。功能上主要集中在员工考勤及岗位管理、设备资产跟踪管理、生产工艺过程监控、原材料等物资材料跟踪管理、生产线运行状态参数采集及安全监控管理、生产线各种设备的能源数据采集、规模化工厂管理等。

图3 LED物联网灯具系统在智慧工厂应用中的构思架构图

员工监管。通过员工所持有的定位标签对所有工作人员进行定位跟踪监管，在工厂定岗定人的管理中发挥作用，在管理后台实时查看每个人员的位置，判断是否在岗，有无串岗情况，追踪其活动轨迹，形成员工考勤管理数据报表，有助于规范员工作业流程，提高工作效率，实现扁平化管理。

产品质量全过程跟踪管理。通过生产线上每个产品上的定位标签对产品进行工序质量跟踪管理，产品的质量信息可以追溯至每一道工序，记录各个工序操作及检验情况。

数据采集。实时采集工厂生产线上生产设备的温度、压力、能耗、速度等信息，上传至云数据管理平台，一方面管理者能实时查看生产工艺参数，掌握生产现场原始数据，另一方面可以对现场设备进行监控，动态调整设置参数，便于生产设备调整运行在最佳状态，同时通过大数据的深度融合、汇总，为后续的产品升级提供技术依据。

安全生产管理。对工厂内涉及安全的场所和设备设置电子围栏，通过人员定位管理功能设置进入该区域人员的权限。对重点岗位、重要设备增加现场环境采集信息，可以在管理后台设置参数超限报警，便于提前预警，防止安全事故发生。发生安全事故时，能迅速通过人员定位功能确定事故发生的具体位置，快速救援，也可以通过定位标签的呼救功能在第一时间向上级部门呼救，赢取急救时间。

工厂仓库管理。通过工厂内产品的物料标签定位管理，全生命周期跟踪产品信息，自动融入工厂库房管理的数据库，实现出入库产品的财务管理。

管理调控智能化。物联网将大规模数据高效、可靠地组织起来，为上层行业应用提供智能的支撑平台。数据存储、组织以及检索成为管理调控智能化的重要基础。与此同时，各种决策手段包括运筹学理论、机器学习、数据挖掘、专家系统等广泛应用于各行各业。

应用服务链条化。链条化是物联网应用的重要特点。以工业生产为例，物联网技术覆盖原材料引进、生产调度、节能减排、仓储物流、产品销售、售后服务等各个环节，是提高企业信息化程度的有效途径。

通过传统物联网系统架构原理的深入研究，首次提出了LED物联网灯具系统的应用体系架构，介绍了LED物联网灯具系统的主要应用功能和发展方向，阐明了具体实施中的技术难题，以智慧工厂为例介绍了其应用的前景和所能实现的功能。LED物联网灯具系统的构想具有一定的可行性和市场前景。未来，LED物联网灯具系统将为LED灯具行业的发展和物联网的进一步推广搭建一条全新的桥梁。

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