基于物聯網技術的智能路燈系統

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

城市道路照明系統是重要的城市基礎設施，隨著城鎮化建設的不斷推進，城市中路燈的數量越來越多，導致能耗越來越高。據統計，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，傳統的LED節能已經不能滿足大范圍節電的需求。此外，傳統城市照明系統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能方案，實現城市道路照明的科學管理和綠色節能。智能路燈作為智慧城市建設的重要組成部分，將發揮更大的作用。

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

1)監控管理方式相對粗放。目前國內的城市道路照明系統大部分沒有采用網絡化監控管理，傳統的“三遙”(遙控、搖信、遙測)系統只能以區域為單位對照明設備進行遠程開關燈控制，只實現了回路級別的采集和控制，多數路燈的開、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、準確監控，出現燈具故障無法及時反饋到監控中心，不能實現智能化監控和精細化管理；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能控制手段在一定時間段內啟動城市景觀照明系統，過度照明和照明不足的矛盾難以調和，無法實現按需照明、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是通過微電腦時鐘控制器來實現開關控制的，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。由于沒有聯網控制，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、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現，此種“人找故障”的維護管理方式，不僅不能及時發現滅燈、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，又使得照明系統的維護工作常年處于超量狀態，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，經常出現時間偏差較大的問題，不能做到精確控制，不能根據光照的變化(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，造成了巨大的經濟損失，嚴重影響了城市道路照明系統的正常運行，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，基礎設施數量不清、狀態不明，不利于運維養護。同時不能對材料進行精細化地管理，造成材料的浪費。

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

2 基于物聯網技術的智能路燈系統

智能路燈系統采用物聯網、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高效率、低成本的照明，并通過在路燈上增加無線AP、視頻監控、LED屏、應急求助等模塊，與物聯網、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務方面的落地，提升城市管理及服務能力[1]。

智能路燈系統建設的總體目標是能夠對每一個路燈實現智能控制，通過智能路燈監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)實現綠色照明。智能路燈系統可以根據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，實現按需照明、節能降耗。改變傳統路燈桿的運行和管理模式，建成新型綠色節能照明體系。

2)創建數據平臺。作為城市最密集的基礎設施，智能路燈系統可以進行城市信息的采集和發布，智能路燈通過集成傳感器，采集城市的信息，將產生智慧城市所需的各種數據，這些數據與交通管理系統、警務管理系統、財政管理系統和采購管理系統進行交互，為城市的智慧應用提供多種數據支持。

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

2.1 系統架構

智能路燈管理系統融合了電力線網絡、無線移動通信網絡、互聯網、傳感器網絡，通過對城市路燈系統的遠程集中管理和監控，實現了路燈系統的智能化管理[3]。

為了提升政府部門、行業協會、路燈廠家對路燈的監控管理和服務能力，基于物聯網技術的智能路燈系統平臺采用先進的B/S架構，支持管理平臺和智能路燈的實時互聯、數據智能分析、故障自動告警，該系統架構靈活，可以按需搭建應用，系統的業務邏輯和數據訪問、共享等可以通過組件層進行封裝，實現基于組件迅速搭建應用。系統總體可以分為四層結構：感知層、網絡層、平臺層和應用層，系統架構圖如圖1所示。

圖1 基于物聯網的智能路燈系統架構

其中感知層為智能路桿，在傳統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。

網絡層為前端感知層與管控平臺層之間的紐帶，通過網絡層，前端感知層所有的管理數據及業務應用數據均是通過網絡層發送到平臺。同時平臺下發的各類指令經網絡層給到前端感知層。平臺層根據應用層的請求，調用相應的業務邏輯進行處理，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接入。智能路燈管理平臺結合云計算和大數據處理對城市照明系統進行監控和控制，同時也可以實現信息發布、環境監測等城市管理功能。應用層針對不同的管理對象提供相應的數據查詢、功能操作等，在路燈管理部門設置智能路燈監控中心，可以對城市所有的路燈進行監控和管理。

智能路燈系統中的智能照明子系統通過NB-IoT等網絡技術將智能路桿和智能路燈管理平臺連接在一起，實現了城市照明系統的智能管理和監控。

2.2 智能路桿

智能路桿屬于智能路燈系統的感知層，通過應用先進的無線移動通信技術，打破了傳統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、安防監控等城市管理功能，將傳統燈桿變為智慧城市的重要組成部分[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、休閑的區域，部署無線Wi-Fi、USB充電、LED顯示屏、廣播系統等。

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控球機，實現對路口交通通行狀況的監測。考慮到網絡接入需求，視頻監控設備可與Wi-Fi共桿，每隔300米部署一個視頻監控探頭。

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

6)在可停車區域，根據項目當地實際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、工業密集區域可部署環境傳感器，監測區域內的空氣質量狀況。

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

圖2 智能路桿

2.3 智能照明子系統

智能照明控制系統的設計基于分布式系統的集中管理策略，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、數據處理傳輸和服務器應用。智能照明控制系統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無線網絡與監控中心進行通信。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，節約電能。并可通過監控終端控制器下的燈具電量信息實現燈具故障報警功能。系統可以外接其他設備(如環境監測設備)采集現場的光照、溫度等其他信息，并反饋到上位機管理軟件，實現對現場的實時監控。

基于NB-IoT技術的智能照明遠程監控系統拓撲圖如圖3所示。NB-IoT智能路燈監控系統由安裝在服務器的智能路燈監控平臺以及其他監控設備組成，監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、狀態數據檢測功能的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?；芈房刂破?、路燈控制器和線路防盜終端通過NB-IoT網絡與基站連接，基站將NB-IoT網絡與以太網進行連接，并連接到服務器上，服務器上安裝了智能路燈監控平臺軟件，通過這個平臺軟件，可以下發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和數據信息。

圖3 NB-IoT智能路燈監控系統拓撲圖

智能照明遠程監控系統(PLC電力載波)拓撲圖如圖4所示。

圖4 智能照明遠程監控系統(PLC電力載波)拓撲圖

智能照明系統實現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)狀態查詢：對回路或燈具狀態進行實時監測，可通過控制系統查詢任意回路或路燈的運行狀態。

4)電量數據查詢：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據信息。

5)故障報警：可實現故障檢測、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、經緯度，采用時控與經緯度控制相結合的控制方案；支持經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：系統內集成GIS地理信息系統，結合智能路燈的信息，將出現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，通過互聯網登陸智能路燈控制管理系統，實現對所有路燈進行遠程控制和管理。

11)系統可擴展性：管理系統采用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、設施和設備，也可以與智慧城市平臺進行對接。

2.4 監控中心

監控中心是整個項目的中樞和核心，項目所有設備的屬性、運行狀態和故障報警等信息均可在監控中心的平臺進行統一調度管理。指揮中心可將各個子系統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。

監控中心由中心網絡設備、圖像顯示系統、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據處理技術的發展，系統架構更加合理，使用更加簡便，顯示形式更加豐富，改善了用戶體驗。

系統軟件使用成熟的JAVA編程語言開發，嚴格遵守J2EE規范，平臺采用分布式數據存儲、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。平臺采用監聽器和定時器與集中調光控制器協作，可進行報表數據采集、設備運行信息監測、數據同步、操作流程優化。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據和操作，接收反向AJAX的推送信息并及時局部刷新頁面數據。系統采用純粹的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不兼容等問題。用戶可以根據自己的需要選擇監控模式、地圖模式或列表模式。

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

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

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

圖5 智能路燈系統的監控中心組成

圖6 智能路燈系統管理平臺功能

3)環境監測。智能路燈系統可以形成城市感知系統，能夠及時、準確、全面地反映不同區域的環境質量現狀，為環境管理、規劃提供依據。

4)應急廣播。當遇到突發的公共安全事件時，應急指揮中心可通過智能路燈系統廣播相關的信息，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模與落后的傳統管理方式之間的矛盾。本文提出的基于物聯網的智能路燈系統采用先進的B/S網絡架構，支持平臺和智能路燈的實時互聯、數據智能分析、故障自動告警。通過該系統的實施，可以提升政府部門、行業協會、路燈廠家對路燈的監控管理和服務能力。