基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計

張家英

隨著智慧城市的概念的推出，越來越多的城市將其納入衡量城市管理水平高低的指標之一。其中，路燈是市政建設(shè)重要的組成部分，而“智慧路燈”則是未來智慧城市的主要信息采集入口，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧路燈系統(tǒng)的建設(shè)成為了智慧城市的重要組成部分。

【關(guān)鍵詞】智慧路燈 物聯(lián)網(wǎng) 智慧城市

隨著智慧城市的概念的推出，越來越多的城市將其納入衡量城市管理水平高低的指標之一。在實踐中大多數(shù)推廣數(shù)字化城市管理模式的城市，在提高城市的管理效率、降低城市管理成本和促進精細化管理水平上有著顯著的效果。其中，路燈是市政建設(shè)重要的組成部分，而“智慧路燈”則是未來智慧城市的主要信息采集入口，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧路燈系統(tǒng)的建設(shè)成為了智慧城市的重要組成部分。

智慧路燈系統(tǒng)作為一個平臺可以集成各種傳感器和物聯(lián)網(wǎng)為智慧城市收集各種有價值的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可與政府內(nèi)部的交通系統(tǒng)、警務(wù)管理系統(tǒng)、財政管理系統(tǒng)和采購管理系統(tǒng)進行交互，成為智慧城市的有機結(jié)合體可以有效服務(wù)政府職能部門和公眾服務(wù)組織。智慧路燈設(shè)計是借助網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)管理路燈，在路燈上集成多種傳感器采集環(huán)境、水質(zhì)、大氣等數(shù)據(jù)，并結(jié)合GIS服務(wù)展示給用戶，在通過云計算將數(shù)據(jù)存儲在云端提供豐富的應(yīng)用接口，為政府部門和公共組織提供應(yīng)用支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智慧路燈是智慧城市的一個重要組成部分，與智慧城市一樣其都是以數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)的運行，而其底層的數(shù)據(jù)收集則都是依托于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)分層的概念，大體上智慧路燈系統(tǒng)的建設(shè)分層如圖1所示。

感知層，這個層與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)一樣，由多種傳感器構(gòu)成。所不同的是傳感器集成在智慧路燈桿上。智慧路燈桿集成了智能LED燈、傳感網(wǎng)絡(luò)、傳感設(shè)備、電子屏以及攝像頭等多種感知設(shè)備，并且通過光纖將數(shù)據(jù)、控制信號、設(shè)備管理狀態(tài)、故障告警等信息以TCP/IP報文的形式接入到上層系統(tǒng)中。

在這個層次上我們的基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧路燈系統(tǒng)，主要提供對桿的配置管理，例如：獲取桿的信息、支持的傳感器、電子屏、攝像頭等信息；配置傳感器的參數(shù)、設(shè)置攝像頭、電子屏的工作模式等；當傳感網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障、傳感器出現(xiàn)狀態(tài)不穩(wěn)定、攝像頭損壞等故障可以通過平臺獲取故障告警。

傳輸層，主要是以光通信設(shè)備為載體搭建的網(wǎng)絡(luò)，通過光傳輸技術(shù)實現(xiàn)智慧城市內(nèi)的信息傳輸通道。在這個層次上我們的智能支撐管理平臺，主要對傳輸設(shè)備、光纖拓撲、時鐘拓撲、業(yè)務(wù)拓撲等進行展示和管理。通過我們的平臺可以實現(xiàn)靈活的配置定義業(yè)務(wù)，達到電信級網(wǎng)管的運維要求。利用光纖通過EPON或GPON接入到PTN組成的光傳輸網(wǎng)絡(luò)中，我們提供電信級的運營保障能力，系統(tǒng)提供安全管理、拓撲管理、配置管理、故障告警管理、性能管理、運維故障分析、擴容管理、業(yè)務(wù)配置管理、設(shè)備統(tǒng)計等功能。通過對傳輸層網(wǎng)絡(luò)的管理，可以最大限度的控制建設(shè)投入，優(yōu)化傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

匯聚層，主要是匯集來自傳感器、攝像頭、系統(tǒng)本身記錄的各種數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)管理平臺進行存儲和計算。例如：提供分析溫度傳感器和車流量之間的關(guān)系、人流量與電子屏顯示信息的關(guān)系、人流聚集數(shù)據(jù)模型等，平臺利用數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等技術(shù)，為城市管理者提供有價值的管理、建設(shè)、開發(fā)等信息，服務(wù)城市主體，讓每一個城市參與者受益。在這個層次上我們的系統(tǒng)，主要對匯聚數(shù)據(jù)進行管理，平臺提供大數(shù)據(jù)管理平臺和私有云服務(wù)，對數(shù)據(jù)的存儲、智能分析、數(shù)據(jù)安全性提供完整的支持。

應(yīng)用層，主要是針對智慧城市的各個專項領(lǐng)域提供更為專用的應(yīng)用服務(wù)接口，應(yīng)用服務(wù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以從我們系統(tǒng)獲取。

2 物聯(lián)網(wǎng)管理設(shè)計

由于物聯(lián)網(wǎng)目前還沒有一個完全統(tǒng)一的標準，目前在智慧城市等項目運用較多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要有LoRa、NBIOT和zigBee等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標準。本系統(tǒng)設(shè)計考慮到實際需求上要求遠采用無線通訊距離傳輸，信號要有抗干擾能力強的特點，從市政建設(shè)節(jié)能減排的要求需要采用低功耗的設(shè)備，最終選擇LoRa作為本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)載體。

為了減少建設(shè)成本提高路燈的控制能力，設(shè)計上通過一根主路燈控制多個從路燈的方式。從桿上的路燈和傳感器通過LoRa Slave接入到LoRa網(wǎng)關(guān)，再被LoRa Master管理，這種模式就是典型的LoRaWan的應(yīng)用場景。

LoRaWan是在傳統(tǒng)LoRa的基礎(chǔ)上加入了NM Server網(wǎng)管服務(wù)器軟件系統(tǒng)。NM Server通過UDP傳輸GWMP協(xié)議管理網(wǎng)關(guān)，協(xié)議解析網(wǎng)關(guān)地址找到關(guān)聯(lián)的Brokers，再由Broker分發(fā)報文到Handler處理不同路燈和傳感器的應(yīng)用邏輯，起到控制路燈的節(jié)能策略和接受傳感器采集數(shù)據(jù)的作用。

3 私有云設(shè)計

智慧路燈的核心設(shè)計目標之一就是要滿足數(shù)據(jù)的共享要求。為了確保數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)設(shè)計必須滿足在不同單位、不同歸屬的條件下的智慧路燈及其集成的各種傳感器數(shù)據(jù)可以共享。由于共享的數(shù)據(jù)規(guī)模大，訪問頻次高，訪問級別差異大，這就需要建設(shè)智慧路燈的私有云服務(wù)。本系統(tǒng)設(shè)計分為四個層次，從上到下分為交互層、轉(zhuǎn)換層、綜合層和私有云層。各層具體的設(shè)計意義如下：

3.1 交互層

本系統(tǒng)的交互層采用兩種架構(gòu)的訪問模式即C/S、B/S和移動終端APP，其分別負責數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)的展示。

3.2 轉(zhuǎn)換層

利用智能代理為智慧路燈物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息提供統(tǒng)一的通用接口，提供標準的讀寫模式和數(shù)據(jù)交換協(xié)議，對數(shù)據(jù)提供定制的標簽方便信息的分類和檢索，實現(xiàn)智慧路燈物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)的隔離和透明性。

3.3 綜合層

其作用是利用信息的共享源對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模式化，對結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)梳理統(tǒng)一的模式，在共享源中插入安全定義和描述信息，提供基于角色的安全認證。

3.4 私有云層

以虛擬化資源池的方式提供數(shù)據(jù)的存儲、計算、共享、分析處理、管理和網(wǎng)絡(luò)傳輸，其實數(shù)據(jù)于用戶的交互紐帶，是整個智慧路燈物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享平臺的運行基礎(chǔ)。其會對數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析，通過海量的數(shù)據(jù)分析算法挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律和統(tǒng)計數(shù)據(jù)模式。endprint

4 智慧路燈管理設(shè)計

從功能上劃分系統(tǒng)，系統(tǒng)可以被劃分為五個應(yīng)用層次，最底層是智能路燈桿及設(shè)備的管理；其上是各個管理子模塊；再上層是對設(shè)備及系統(tǒng)的故障管理層；再往上是系統(tǒng)的安全管理劃分系統(tǒng)的管理權(quán)限；最后是對其他應(yīng)用的大數(shù)據(jù)服務(wù)接口。在智慧路燈的管控上，提供了GIS拓撲滿足快速定位智能路燈桿等城市智能硬件平臺，并可以通過軟件對智能硬件配置各種業(yè)務(wù)。例如：根據(jù)光敏傳感器來配置LED路燈的敏感程度，某個桿上的某個傳感器故障產(chǎn)生告警，統(tǒng)計人流量等感知層網(wǎng)絡(luò)功能。

在智慧路燈GIS拓撲界面上智慧路燈的管理者可以方便的看到路燈的運行狀況，照明情況，利用GIS服務(wù)可以很精準的定位路燈的位置信息。

當路燈設(shè)備發(fā)生故障時，可以借助系統(tǒng)及時了解到故障定位點，知曉在哪個地區(qū)哪個路燈的那臺設(shè)備發(fā)生了什么故障，方便維護人員及時定位搶修。現(xiàn)場維護人員可以通過手機終端的APP了解檢修信息，如圖2智慧路燈APP維護界面所示。

現(xiàn)場維護人員在戶外可以通過其手機的APP了解檢修任務(wù)，查詢設(shè)備信息了解設(shè)備的使用狀況，設(shè)備類型，檢修歷史等信息。也可以查看缺陷信息了解當前的故障和系統(tǒng)分析的故障定位點進行現(xiàn)場搶修。搶修后可以對設(shè)備信息進行配置和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同步維護等操作。

5 總結(jié)

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧路燈系統(tǒng)提供了一個統(tǒng)一的智慧路燈數(shù)據(jù)的收集、分析、管理的閉環(huán)平臺。在設(shè)計上提出的方案，利用物聯(lián)網(wǎng)的LoRaWan技術(shù)和云計算的技術(shù)伸縮性實現(xiàn)高性能計算，利用云端的安全性保障數(shù)據(jù)的共享。借助云計算這一整體方案，避免人工干預取代傳統(tǒng)的人工管理數(shù)據(jù)的低效方式。系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)智慧路燈的信息的高效和應(yīng)用，為市政管理提供決策、指揮、和后勤保障的信息支持。在交互結(jié)構(gòu)上采用多種模式既有可以B/S又有C/S還有手機APP的模式，供不同的用戶和終端訪問系統(tǒng)。經(jīng)過論證，本系統(tǒng)與傳統(tǒng)路燈相比可以降低40%的能耗，降低90%的維護人力成本，達到節(jié)能減排的效果。

參考文獻

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作者單位

北京高森明晨信息科技有限公司 北京市100176endprint