基于5G的新一代智慧路燈設(shè)計(jì)方案

袁珍

（黎明職業(yè)大學(xué)通識教育學(xué)院，福建泉州 362000）

從2G 發(fā)展到3G、4G，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了人與人之間的快速連接和移動(dòng)數(shù)據(jù)接入。到了第五代移動(dòng)通信技術(shù)，也就是5G 時(shí)代，將提供更加強(qiáng)大的連接和移動(dòng)接入能力。而且不僅僅是人與人，還包括了人與物、物與物的多種連接，數(shù)據(jù)交互的內(nèi)容和方式也更加豐富多樣，從而開創(chuàng)出萬物互聯(lián)的新時(shí)代。

5G 將會(huì)推動(dòng)智慧城市、智能家居能諸多方面的快速發(fā)展，最終將極大改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)、生活方式，提升社會(huì)生產(chǎn)力水平，從而提高國家的綜合競爭力。從國際視角來看，目前5G 在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)部署等方面均取得了階段性進(jìn)展，新的應(yīng)用場景與市場化探索也逐漸顯現(xiàn)[1]。

1 方案產(chǎn)生背景

城市道路照明系統(tǒng)中，路燈是最為重要的公共設(shè)施。目前我國道路路燈所使用的系統(tǒng)仍存在缺陷，例如智能化程度低、功能性較低，電力資源浪費(fèi)等。我國現(xiàn)有路燈占照明耗電的30%左右，達(dá)到全國耗電總量的10%，節(jié)能減排成為經(jīng)濟(jì)建設(shè)中一個(gè)重要目標(biāo)。

近幾年來，我國大力推廣智慧城市建設(shè)。其中，重點(diǎn)建設(shè)領(lǐng)域?yàn)閺椥阅茉垂芾?、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的公共安全治理以及智能交通。三者建設(shè)將超出整體智慧城市比例的一半[2]?！靶乱淮夹g(shù)物聯(lián)網(wǎng)智慧路燈LED 照明”是數(shù)字化智慧城市新基建重要的組成部分，由此傳統(tǒng)路燈照明可以改造升級為全球化能源的節(jié)能智慧管理，包括市政路燈，新農(nóng)村建設(shè)，文旅景區(qū)，美麗鄉(xiāng)村，小區(qū)廣場等場所[3]。

新一代通訊技術(shù)，尤其是5G 的產(chǎn)生，進(jìn)一步推動(dòng)了智慧城市的發(fā)展。智慧燈桿便是其中一個(gè)內(nèi)容，起初“多桿合一”目的只是為了合理、有序使用城市空間，美化道路環(huán)境，對道路沿線的路燈桿等進(jìn)行整合。隨著5G 建設(shè)的推進(jìn)，正是智慧燈桿千載難逢的發(fā)展機(jī)遇。

2 方案簡述

目前智慧燈桿建設(shè)方案主要基于物聯(lián)網(wǎng)，在已有的城市智慧燈桿系統(tǒng)建設(shè)中主要有基于LTE（4G）技術(shù)、PLC 控制技術(shù)、NB-IOT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）等解決方案[4][5]，而本文的設(shè)計(jì)方案主要基于的是5G 接入技術(shù)。智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基本框架見圖1。

圖1 智慧路燈系統(tǒng)示意圖

在本方案中，整個(gè)系統(tǒng)分為傳感設(shè)備層、通信控制設(shè)備層、管理系統(tǒng)層、應(yīng)用層，共有四層框架結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。方案包括傳感器設(shè)備、通信控制設(shè)備、管理平臺(tái)系統(tǒng)和應(yīng)用設(shè)備。傳感設(shè)備通過通信控制設(shè)備提供的接口和協(xié)議進(jìn)行連接，通信設(shè)備通過5G 網(wǎng)絡(luò)接入管理平臺(tái)系統(tǒng)，應(yīng)用層則通過網(wǎng)絡(luò)接入管理平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制傳感設(shè)備。通過這四層結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)的監(jiān)控、控制、維護(hù)、管理更加便捷和智能，特別是在傳感設(shè)備層中，設(shè)置了按鍵和充電口，可在燈桿上增加多種切實(shí)便民的功能。

圖2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

3 智慧燈桿設(shè)計(jì)

路燈的燈桿設(shè)計(jì)見圖3。就單燈的設(shè)計(jì)而言，在每個(gè)路燈的燈桿部分安裝單燈控制器，實(shí)現(xiàn)對每盞路燈的遠(yuǎn)程開關(guān)控制、遠(yuǎn)程亮度調(diào)節(jié)、燈桿位置等信息采集。在本方案中，燈桿還附加了一鍵報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測、充電樁等子功能，這也是本方案的特色之一。

圖3 路燈燈桿結(jié)構(gòu)圖

一鍵報(bào)警系統(tǒng)包括呼叫按鈕、可視化對講系統(tǒng)、GPS 或北斗雙星定位系統(tǒng)。市民如果遇到緊急情況，可以按下燈桿的一鍵報(bào)警按鈕，在按鈕呼叫后，可開啟可視化對講，與此同時(shí)，自動(dòng)發(fā)送報(bào)警燈桿的定位。在投入使用后，該系統(tǒng)可以與公安系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控中心根據(jù)可視化視頻，結(jié)合攝像頭視頻監(jiān)控情況聯(lián)系公安、醫(yī)療、消防救援單位。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)傳輸給管理平臺(tái)中的環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，并受其控制。需要實(shí)時(shí)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)有：PM2.5、PM10、噪聲分貝值、溫濕度值、道路水浸深度數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過初步整理分析，主動(dòng)上報(bào)給管理平臺(tái)并分類存儲(chǔ)。

隨著新能源汽車的普及，對于城市智能充電樁的需求也越來越多。本方案中燈桿還設(shè)置了充電樁子單元，可以為新能源汽車提供充電口。另外，還具備實(shí)時(shí)監(jiān)測充電狀態(tài)和賬戶余額的功能。因此，在管理平臺(tái)也設(shè)置有充電樁監(jiān)控子系統(tǒng)，遠(yuǎn)程讀取數(shù)據(jù)，監(jiān)控充電前端的電氣參數(shù)?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)置告警規(guī)則，監(jiān)控充電設(shè)備狀態(tài)，以便在出現(xiàn)異常時(shí)可以及時(shí)處理。

4 接入方案

在通信控制設(shè)備上，采用了一個(gè)5G 工業(yè)網(wǎng)關(guān)，可以支持4G/5G 全網(wǎng)通，解決了兼容問題。在此基礎(chǔ)上預(yù)留了RS485、WIFI 等多種接口，采用多接口多協(xié)議的模式，可將連接設(shè)備快速接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

ITU-R（國際電聯(lián)）確定的5G 主要應(yīng)用場景，也即是5G 通信的三大網(wǎng)絡(luò)能力包括3 大類，分別是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB，簡稱大帶寬）、大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC，簡稱大連接）及高可靠和低延遲通信（uRLLC，簡稱低時(shí)延）。其中，大規(guī)模機(jī)器通信適用于能源、公用事業(yè)、城市基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境監(jiān)控等方向。當(dāng)前，5G 應(yīng)用首先從大帶寬場景開始，逐漸向大連接和低時(shí)延類滲透。

本案例中，數(shù)據(jù)主要體現(xiàn)在電力系統(tǒng)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測幾個(gè)方面，數(shù)據(jù)量較小，本身使用窄帶物聯(lián)網(wǎng)或者4G 網(wǎng)絡(luò)也有能力提供數(shù)據(jù)吞吐量。但是，本系統(tǒng)一方面采用了一鍵報(bào)警的實(shí)時(shí)共享畫面功能，部分時(shí)刻數(shù)據(jù)量較大；另一方面，考慮到后期的擴(kuò)容和新增功能，使用5G 網(wǎng)絡(luò)能夠使系統(tǒng)更加靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

5 結(jié)論和意義

（1）照明光源或燈頭全部更換為新一代技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)智慧路燈LED 照明，光色統(tǒng)一，可以實(shí)現(xiàn)智慧路燈LED 照明集中管控、防雷、防漏、智能調(diào)光、智能控光、智能監(jiān)測。

（2）節(jié)約能源、減少排放，利于政府完成節(jié)能減排目標(biāo)考核。通過智慧路燈LED 照明改造，節(jié)能率可高達(dá)70%以上，這樣將緩解電力負(fù)載壓力，剩余電力資源可供其他建設(shè)項(xiàng)目。

（3）通過改造老舊破損的燈具等照明基礎(chǔ)設(shè)施，減少故障發(fā)生，提升城市形象，達(dá)到節(jié)約能源效果。

（4）配合智能化控制系統(tǒng)，實(shí)施市政管理信息化建設(shè)，提高能源利用效率，優(yōu)化管理手段，提升智慧管理水平。

（5）整體路面照度、均勻度滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，減少治安及交通安全隱患。

基于5G 的智慧路燈設(shè)計(jì)方案提出的目的是實(shí)現(xiàn)城市智慧路燈的建設(shè)，研究重點(diǎn)在于搭建智慧路燈管理系統(tǒng)和探索智慧路燈遠(yuǎn)程快速控制方式，最終達(dá)到簡化管理、節(jié)能減排的目的。