基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能路燈系統(tǒng)

徐 暉

無線移動通信國家重點實驗室(電信科學技術研究院) 北京 100191

1 概述

城市道路照明系統(tǒng)是重要的城市基礎設施，隨著城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，城市中路燈的數(shù)量越來越多，導致能耗越來越高。據(jù)統(tǒng)計，當前我國路燈照明耗電量約占總耗電量的15%。面對供電的緊張局面，傳統(tǒng)的LED節(jié)能已經(jīng)不能滿足大范圍節(jié)電的需求。此外，傳統(tǒng)城市照明系統(tǒng)的維護和管理需要高昂的成本；而且照明燈桿僅具備單一燈桿功能，與通信設施和公共安全設施等其它公共服務設施同時分布于道路空間，占用了有限的路面資源，影響了交通出行和城市美觀，給城市管理帶來了困難。相關的管理部門需要更高效的管理和節(jié)能方案，實現(xiàn)城市道路照明的科學管理和綠色節(jié)能。智能路燈作為智慧城市建設的重要組成部分，將發(fā)揮更大的作用。

城市日益增長的公共照明規(guī)模與落后的傳統(tǒng)管理方式產(chǎn)生了劇烈矛盾，傳統(tǒng)管理方式的弊端主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)監(jiān)控管理方式相對粗放。目前國內的城市道路照明系統(tǒng)大部分沒有采用網(wǎng)絡化監(jiān)控管理，傳統(tǒng)的“三遙”(遙控、搖信、遙測)系統(tǒng)只能以區(qū)域為單位對照明設備進行遠程開關燈控制，只實現(xiàn)了回路級別的采集和控制，多數(shù)路燈的開、關控制仍由每臺變壓器(配電箱)分散控制，這種管理方式對單燈運行情況無法實時、準確監(jiān)控，出現(xiàn)燈具故障無法及時反饋到監(jiān)控中心，不能實現(xiàn)智能化監(jiān)控和精細化管理；另外也不能對故障處理情況實時跟蹤、分析，影響照明生產(chǎn)管理考核，以至影響管理的決策判斷。

2)能源消耗偏大。目前大部分城市都會開啟城市景觀照明來裝扮城市的夜晚，但缺少靈活有效的節(jié)能控制手段在一定時間段內啟動城市景觀照明系統(tǒng)，過度照明和照明不足的矛盾難以調和，無法實現(xiàn)按需照明、從而在保障照明質量的前提下有效降低照明能耗。

3)運行維護效率低、成本偏高。目前部分地市的路燈照明系統(tǒng)是通過微電腦時鐘控制器來實現(xiàn)開關控制的，每天開關燈時間是固定的，不能按照天氣變化自動調整亮燈時間，也不能對臨時活動照明控制進行有效地調控，管理方式比較落后，自動化水平不高。由于沒有聯(lián)網(wǎng)控制，意外滅燈、意外亮燈的情況無法在第一時間知曉，許多情況都是在幾天后有群眾電話投訴，管理部門才知道，無法保證城市的亮燈率。

4)管理范圍大而人員有限。由于路燈的數(shù)量非常大，并且分布非常廣，照明設施如燈具、電纜等，還處于傳統(tǒng)、被動的人工巡查管理模式。受管理范圍大、設施多、人手少等因素制約，路燈、景觀燈受損、滅燈往往不能在第一時間及時發(fā)現(xiàn)，此種“人找故障”的維護管理方式，不僅不能及時發(fā)現(xiàn)滅燈、設備損壞等故障，也大大增加了故障排除的時間周期，群眾滿意度下降的同時，又使得照明系統(tǒng)的維護工作常年處于超量狀態(tài)，費用支出大且效率并不高。

5)照明控制靈活性差。人工調控的路燈控制管理方式比較落后，自動化水平低。依靠時控器進行調節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)時間偏差較大的問題，不能做到精確控制，不能根據(jù)光照的變化(天氣變化)自動調整開關時間，不能對臨時活動的照明進行有效地控制，特別是在重大節(jié)日、迎接貴賓、舉辦大型活動等特殊情況下，不能進行靈活地控制。

6)設施安全難以保障。由于缺少實時的監(jiān)控管理，燈具、照明電纜等設施頻繁被盜或損壞，造成了巨大的經(jīng)濟損失，嚴重影響了城市道路照明系統(tǒng)的正常運行，帶來了安全隱患。

7)基礎設施缺乏有效管理。目前城市道路照明設施管理基本停留在手工階段，缺少信息化手段，基礎設施數(shù)量不清、狀態(tài)不明，不利于運維養(yǎng)護。同時不能對材料進行精細化地管理，造成材料的浪費。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術的不斷發(fā)展，智慧城市建設迫在眉睫，智能路燈系統(tǒng)作為智慧城市建設中的重要組成部分之一，發(fā)展空間巨大，城市道路照明系統(tǒng)的智能化改造勢在必行。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能路燈系統(tǒng)

智能路燈系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)、無線通信、電力線載波通信等技術，通過對路燈的遠程集中控制與管理實現(xiàn)高效率、低成本的照明，并通過在路燈上增加無線AP、視頻監(jiān)控、LED屏、應急求助等模塊，與物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市融合，成為智慧城市重要的信息來源。因此，城市智能路燈建設是智慧城市建設的一個重要組成部分，可促進智慧城市在城市照明業(yè)務方面的落地，提升城市管理及服務能力[1]。

智能路燈系統(tǒng)建設的總體目標是能夠對每一個路燈實現(xiàn)智能控制，通過智能路燈監(jiān)控軟件平臺進行智能化管理，滿足城市基礎設施和關鍵公共服務需求[2]。

1)實現(xiàn)綠色照明。智能路燈系統(tǒng)可以根據(jù)道路行人和車流量的變化，在滿足市民生活需求和保證社會治安需求的前提下，通過自動降低照明亮度或采用隔一亮一、單側亮燈等自由組合的路燈控制方式，實現(xiàn)按需照明、節(jié)能降耗。改變傳統(tǒng)路燈桿的運行和管理模式，建成新型綠色節(jié)能照明體系。

2)創(chuàng)建數(shù)據(jù)平臺。作為城市最密集的基礎設施，智能路燈系統(tǒng)可以進行城市信息的采集和發(fā)布，智能路燈通過集成傳感器，采集城市的信息，將產(chǎn)生智慧城市所需的各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與交通管理系統(tǒng)、警務管理系統(tǒng)、財政管理系統(tǒng)和采購管理系統(tǒng)進行交互，為城市的智慧應用提供多種數(shù)據(jù)支持。

3)提升管理水平。智能路燈系統(tǒng)可以依靠遠程管理，對城市路燈的規(guī)劃設計、工程建設、日常巡查、維修管理等進行網(wǎng)絡化、精細化、規(guī)范化管理，改變傳統(tǒng)的人工巡查模式，對路燈實現(xiàn)智能監(jiān)控、篩選，定位故障燈具，及時發(fā)現(xiàn)路燈故障、老化、短路等問題，全面真實地監(jiān)測亮燈率、故障燈率等數(shù)據(jù)，大大減輕維護人員的勞動強度，并有效降低維護成本。

2.1 系統(tǒng)架構

智能路燈管理系統(tǒng)融合了電力線網(wǎng)絡、無線移動通信網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡，通過對城市路燈系統(tǒng)的遠程集中管理和監(jiān)控，實現(xiàn)了路燈系統(tǒng)的智能化管理[3]。

為了提升政府部門、行業(yè)協(xié)會、路燈廠家對路燈的監(jiān)控管理和服務能力，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能路燈系統(tǒng)平臺采用先進的B/S架構，支持管理平臺和智能路燈的實時互聯(lián)、數(shù)據(jù)智能分析、故障自動告警，該系統(tǒng)架構靈活，可以按需搭建應用，系統(tǒng)的業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)訪問、共享等可以通過組件層進行封裝，實現(xiàn)基于組件迅速搭建應用。系統(tǒng)總體可以分為四層結構：感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層，系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能路燈系統(tǒng)架構

其中感知層為智能路桿，在傳統(tǒng)的路燈桿上加載了其他城市管理功能，智能路桿主要包括LED燈、無線AP、視頻監(jiān)控、LED屏、應急求助等模塊，智能路桿負責接收前端基礎模塊的各類信息，包括：狀態(tài)信息、報警信息、異常信息等，同時智能路桿可接收后臺的指令從而對前端設備進行控制。

網(wǎng)絡層為前端感知層與管控平臺層之間的紐帶，通過網(wǎng)絡層，前端感知層所有的管理數(shù)據(jù)及業(yè)務應用數(shù)據(jù)均是通過網(wǎng)絡層發(fā)送到平臺。同時平臺下發(fā)的各類指令經(jīng)網(wǎng)絡層給到前端感知層。平臺層根據(jù)應用層的請求，調用相應的業(yè)務邏輯進行處理，并將結果反饋給應用層，并提供平臺接口將其他第三方相關系統(tǒng)接入。智能路燈管理平臺結合云計算和大數(shù)據(jù)處理對城市照明系統(tǒng)進行監(jiān)控和控制，同時也可以實現(xiàn)信息發(fā)布、環(huán)境監(jiān)測等城市管理功能。應用層針對不同的管理對象提供相應的數(shù)據(jù)查詢、功能操作等，在路燈管理部門設置智能路燈監(jiān)控中心，可以對城市所有的路燈進行監(jiān)控和管理。

智能路燈系統(tǒng)中的智能照明子系統(tǒng)通過NB-IoT等網(wǎng)絡技術將智能路桿和智能路燈管理平臺連接在一起，實現(xiàn)了城市照明系統(tǒng)的智能管理和監(jiān)控。

2.2 智能路桿

智能路桿屬于智能路燈系統(tǒng)的感知層，通過應用先進的無線移動通信技術，打破了傳統(tǒng)路燈只有單一照明功能的限制，通過在路燈上集成遠程控制與管理、手機信號覆蓋、智能感知、安防監(jiān)控等城市管理功能，將傳統(tǒng)燈桿變?yōu)橹腔鄢鞘械闹匾M成部分[4]，如圖2所示。

智能路桿部署設計的需求和原則如下。

1)為了保證市民或游客有充分的時間進行上網(wǎng)沖浪、為便攜設備充電、觀看播放視頻等，在市民或游客可駐足觀景、休閑的區(qū)域，部署無線Wi-Fi、USB充電、LED顯示屏、廣播系統(tǒng)等。

2)Wi-Fi設備的覆蓋半徑約為150米，每隔300米部署一個Wi-Fi設備。在商圈、廣場等人員密集區(qū)域，可適當縮短部署距離。

3)考慮到主干道行車速度較快，部署LED顯示屏會分散駕駛員注意力，通常部署在輔道或人行道上。

4)在交叉路口部署視頻監(jiān)控球機，實現(xiàn)對路口交通通行狀況的監(jiān)測。考慮到網(wǎng)絡接入需求，視頻監(jiān)控設備可與Wi-Fi共桿，每隔300米部署一個視頻監(jiān)控探頭。

5)在主要路口部署求助報警設備，方便市民在發(fā)生突發(fā)狀況時進行報警求助；在偏僻區(qū)域部署求助報警設備，方便市民及時求助獲得救護。

6)在可停車區(qū)域，根據(jù)項目當?shù)貙嶋H情況選擇性地部署電動自行車或電動汽車充電樁。

7)在公園、景區(qū)、工業(yè)密集區(qū)域可部署環(huán)境傳感器，監(jiān)測區(qū)域內的空氣質量狀況。

8)在重點區(qū)域，如政府門口、人民廣場等區(qū)域設置全功能智能路燈桿，展現(xiàn)完整的智能功能。

圖2 智能路桿

2.3 智能照明子系統(tǒng)

智能照明控制系統(tǒng)的設計基于分布式系統(tǒng)的集中管理策略，采用分層結構設計，從邏輯關系上看主要分為三層：前端控制采集、數(shù)據(jù)處理傳輸和服務器應用。智能照明控制系統(tǒng)由上位機管理軟件和終端控制器(單燈控制器)組成，終端控制器安裝在照明終端上，并通過NBIoT無線網(wǎng)絡與監(jiān)控中心進行通信。上位機管理軟件對每個終端控制器進行控制，從而控制每盞路燈的亮滅及調光，節(jié)約電能。并可通過監(jiān)控終端控制器下的燈具電量信息實現(xiàn)燈具故障報警功能。系統(tǒng)可以外接其他設備(如環(huán)境監(jiān)測設備)采集現(xiàn)場的光照、溫度等其他信息，并反饋到上位機管理軟件，實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)控。

基于NB-IoT技術的智能照明遠程監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖如圖3所示。NB-IoT智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)由安裝在服務器的智能路燈監(jiān)控平臺以及其他監(jiān)控設備組成，監(jiān)控設備包括具有回路開關和電量檢測功能的NB-IoT回路控制器，具有單燈開關、調光、狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測功能的NBIoT單燈控制器，具有回路防盜檢測功能的NB-IoT線路防盜擴展模塊和NB-IoT線路防盜終端。回路控制器、路燈控制器和線路防盜終端通過NB-IoT網(wǎng)絡與基站連接，基站將NB-IoT網(wǎng)絡與以太網(wǎng)進行連接，并連接到服務器上，服務器上安裝了智能路燈監(jiān)控平臺軟件，通過這個平臺軟件，可以下發(fā)相關的控制指令控制設備的動作，并可接收設備回傳的相關狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息。

圖3 NB-IoT智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖

智能照明遠程監(jiān)控系統(tǒng)(PLC電力載波)拓撲圖如圖4所示。

圖4 智能照明遠程監(jiān)控系統(tǒng)(PLC電力載波)拓撲圖

智能照明系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括以下幾點。

1)遠程開關功能：內部繼電器觸點容量高達16A并支持過零開關燈。

2)遠程調光功能：支持PWM/0-10V同時輸出 (需燈頭支持調光，預留調光線)。

3)狀態(tài)查詢：對回路或燈具狀態(tài)進行實時監(jiān)測，可通過控制系統(tǒng)查詢任意回路或路燈的運行狀態(tài)。

4)電量數(shù)據(jù)查詢：具備遠程電流、電壓、功率采集功能，可查詢任意某一回路或某一盞路燈的用電電量數(shù)據(jù)信息。

5)故障報警：可實現(xiàn)故障檢測、故障主動報警功能。各種報警均可設置為使用或不使用。報警內容以軟件、微信、郵件、短信、手機APP的方式進行報警提醒。

6)遠程升級功能：可遠程帶電升級集中控制器及單燈控制器程序，不影響設備正常工作。

7)策略設置功能：可按一年四季日出日落、經(jīng)緯度，采用時控與經(jīng)緯度控制相結合的控制方案；支持經(jīng)緯度偏移開關及調光策略，自動控制任意單燈的開、關燈及調光。

8)保護功能：具備燈具過壓保護自動切斷輸出電源功能。

9)地圖功能：系統(tǒng)內集成GIS地理信息系統(tǒng)，結合智能路燈的信息，將出現(xiàn)故障的路燈在地圖上精確定位，并顯示出具體的故障原因。

10)移動終端控制功能：可以通過電腦、手機及其它平板設備，通過互聯(lián)網(wǎng)登陸智能路燈控制管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對所有路燈進行遠程控制和管理。

11)系統(tǒng)可擴展性：管理系統(tǒng)采用B/S架構，平臺提供開放接口，可擴展連接其它廠商的智慧城市管理系統(tǒng)、設施和設備，也可以與智慧城市平臺進行對接。

2.4 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是整個項目的中樞和核心，項目所有設備的屬性、運行狀態(tài)和故障報警等信息均可在監(jiān)控中心的平臺進行統(tǒng)一調度管理。指揮中心可將各個子系統(tǒng)按需調用到大屏幕上，為領導決策、指揮調度提供及時、可靠的信息。

監(jiān)控中心由中心網(wǎng)絡設備、圖像顯示系統(tǒng)、輔助設備三部分組成，如圖5所示。

2.5 智能路燈管理平臺

智能路燈管理平臺結合了云計算和大數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展，系統(tǒng)架構更加合理，使用更加簡便，顯示形式更加豐富，改善了用戶體驗。

系統(tǒng)軟件使用成熟的JAVA編程語言開發(fā)，嚴格遵守J2EE規(guī)范，平臺采用分布式數(shù)據(jù)存儲、MVC邏輯架構模式、Web Socket主動推送服務、短信郵件微信信息服務。平臺采用監(jiān)聽器和定時器與集中調光控制器協(xié)作，可進行報表數(shù)據(jù)采集、設備運行信息監(jiān)測、數(shù)據(jù)同步、操作流程優(yōu)化。用戶端采用瀏覽器進行訪問，使用正向AJAX主動異步請求服務數(shù)據(jù)和操作，接收反向AJAX的推送信息并及時局部刷新頁面數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用純粹的B/S物理架構模式，采用美觀人性化的操作界面，使用瀏覽器就可以進行操作，前端使用跨瀏覽器的jQeury，所以不必擔心和舊的系統(tǒng)不兼容等問題。用戶可以根據(jù)自己的需要選擇監(jiān)控模式、地圖模式或列表模式。

智能路燈系統(tǒng)管理平臺實現(xiàn)的功能如圖6所示，該管理平臺除了基本的智能照明監(jiān)控和控制外，還可以實現(xiàn)以下功能。

1)信息發(fā)布。通過智能路燈系統(tǒng)可以在智能路桿上發(fā)布信息，傳達各種城市信息、天氣預報、交通狀況、旅游信息和商業(yè)廣告，實現(xiàn)在不同時段分別播放不同信息，增加經(jīng)濟和社會效益。

2)視頻監(jiān)控。通過智能路燈系統(tǒng)實時監(jiān)測路燈周圍的道路及安全等信息，解決了傳統(tǒng)市政監(jiān)控系統(tǒng)建設成本高、周期長的問題。與傳統(tǒng)市政監(jiān)控管理相比，以智能路燈為載體，可以使用智能路燈的電力系統(tǒng)和通信傳輸?shù)痊F(xiàn)有的系統(tǒng)，避免了重復建設所帶來的一系列問題。

圖5 智能路燈系統(tǒng)的監(jiān)控中心組成

圖6 智能路燈系統(tǒng)管理平臺功能

3)環(huán)境監(jiān)測。智能路燈系統(tǒng)可以形成城市感知系統(tǒng)，能夠及時、準確、全面地反映不同區(qū)域的環(huán)境質量現(xiàn)狀，為環(huán)境管理、規(guī)劃提供依據(jù)。

4)應急廣播。當遇到突發(fā)的公共安全事件時，應急指揮中心可通過智能路燈系統(tǒng)廣播相關的信息，及時通知市民，做好相應的應用保障措施，可以大幅降低突發(fā)事件造成的損失。

3 結語

智能路燈作為智慧城市建設的重要組成部分將發(fā)揮更大的作用，將城市路燈作為智慧城市的入口，可以解決城市日益增長的公共照明規(guī)模與落后的傳統(tǒng)管理方式之間的矛盾。本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能路燈系統(tǒng)采用先進的B/S網(wǎng)絡架構，支持平臺和智能路燈的實時互聯(lián)、數(shù)據(jù)智能分析、故障自動告警。通過該系統(tǒng)的實施，可以提升政府部門、行業(yè)協(xié)會、路燈廠家對路燈的監(jiān)控管理和服務能力。