基于LoRa物聯網技術的智能照明控制方案在高速公路上的應用

林建勇

摘 ? 要：文章結合北京新機場高速公路照明工程實例，闡述了常規照明控制系統的現狀，分析了基于新興的LoRa物聯網技術智能照明控制方案的系統原理和系統構成、系統在高速公路智能照明控制領域的應用以及系統應用能達到的節能和管理效益的提升效果，并對系統的擴展應用前景做了研究分析。

關鍵詞：LoRa物聯網;北京新機場高速;智能照明;控制方案

北京新機場高速公路（南五環-北京新機場）是國家重點工程北京大興國際新機場的配套工程，工程起點位于北京大興區南五環小白樓橋互通，終點位于北京新機場北航站樓北圍界，全長約27.2 km，是連接北京市中心城區和北京新機場的主干道路，工程從開工之日起就備受各界關注，被譽為“新國門第一路”。

鑒于北京新機場高速的重要性，為了保障夜間行車安全和行車舒適性，并對外樹立首都國際化都市形象，該高速照明系統建設采用國內高速公路領域最高標準，設置全線連續發光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明，即高速沿線所有道路、橋梁、立交、收費廣場、管理區、服務區等均設置全覆蓋照明，全線累計安裝各類LED照明燈具4 600多套。其中，照明控制系統經過深入研究和設計，采用了基于長距離無線電（Long Range Radio，LoRa）物聯網技術的智能照明控制方案，是國內高速公路領域首次應用的一大科技亮點。

本研究以筆者參建的北京新機場高速照明工程為例，對基于LoRa物聯網技術在高速公路照明控制領域的應用進行介紹及研究分析。

1 ? ?照明控制系統現狀

隨著社會經濟的發展，國內城市建設越來越重視道路照明及城市亮化工程，如何在照明及亮化工程中采用新技術節省電力資源、破解城市能源供需矛盾、達到照明領域的綠色節能，越來越受到關注。

早期的照明控制系統大多采用有線控制，如電力載波技術等，并采用光控、時控相結合的方法，對路燈進行遙控開關。但監控終端基本安裝于控制箱內，集中監控，對整條線路的運行狀態進行檢測和控制，無法細化到控制任意一盞燈，實現精確管控和節能。一方面，當單盞路燈發生故障時，無法精確地通過常規系統進行感知，人工巡檢存在范圍大、耗時耗力等缺陷;另一方面，當交通流量大時，可能存在電壓低、路燈亮度不夠的問題;夜深人靜時，路上車輛稀少，路燈亮度卻隨著電壓回升而提高，造成照度浪費甚至光污染，且對能源也是一種浪費。因此如何采用新技術以達到提高運營效率、節省能源的效果是一個亟待解決的課題。

2 ? ?LoRa智能照明解決方案概述

采用基于LoRa物聯網技術、集單燈控制系統、運維管理系統、手機移動平臺于一體的智能照明控制系統，實現單燈控制，建設智慧照明，提升道路照明精細化管理水平，促進節能減排，能夠有效解決上述短板問題。

目前，最熱門的物聯網技術解決方案包括LoRa和窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）[1-2]。其中，LoRa是美國Semtech公司于2013年發起、創建的低功耗局域網無線標準。相對于其他無線技術，LoRa最大的特點及優勢就是在同樣的功耗下，能達到更遠的傳播距離，順利實現了遠距離、低功耗、性能可靠并能支持大規模組網，成為物聯網應用推廣中一種理想的技術選擇。LoRa相比于其他如紫蜂技術（ZigBee）和通用無線分組業務（General Packet Radio Service，GPRS）等無線技術，在抗干擾能力、傳輸距離、覆蓋范圍、穩定性、費用方面都具有較大的優勢，能夠滿足城市路燈分布密集、數量多、實時性要求高的需求，是應用于智能道路照明控制系統中的理想物聯網技術解決方案[3]。

基于LoRa物聯網技術的智能照明控制系統由電子單燈控制器、LoRa通信網絡、計算機及軟件平臺相結合組成，中心計算機通過LoRa網絡和終端的單燈控制器實現對單個燈具的電氣參數實時檢測、節能控制、遠程管理，同時，借助監控系統的地理信息系統（Geographic Information System，GIS）地圖對終端照明燈具的故障進行精準定位，提醒運維人員定向維修和主動運維，改變以往依靠熱線報修、人工巡檢的維保方式，實現精細化運維管理。從管理和節能兩個角度對燈光照明實施全方位的智能化管理和監控，對每一盞終端燈具實現單獨控制及全方位監控，同時，還能通過上半夜、下半夜和智能調光等手段，延長燈具設備的使用壽命，并獲得良好的節能效果和經濟效益。

3 ? ?電子單燈控制器

電子單燈控制器里集成了控制模塊和通信模塊，實現了控制燈具開關、調節燈具亮度、故障實時報警、并能采集各類電參數（電流、電壓、功率及功率因素等）的功能，并留有接口，可附加溫度采集、燈桿傾斜檢測等功能。電子單燈控制器原理及結構如圖1所示，電子單燈控制器接線如圖2所示。

控制器通過接入220 VAC實現對路燈的單點控制、監測和調光。采用LoRa無線通信模塊與控制中心計算機平臺進行通信，將采集到的路燈數據上傳至服務器并執行平臺軟件下發的命令。

主要電路包括電源、采集、開關、調光、微控制單元（Microco-ntroller Unit，MCU）、通信6個部分。

（1）電源部分，包括交流-直流（Alternating Current-Direct Current，AC-DC）電源模塊及電源處理模塊，為電路其他部分的正常工作提供電源，主要可分為3路：第一路為采集電路提供5 V電源;第二路為MCU、控制、通信提供12 V和3.3 V電源;第三路為調光部分提供電源。

（2）采集部分，包括電參數采集和傳感器附加采集，主要對路燈的各項電參數或附加的溫度、傾斜度等信息進行實時采集并與MCU進行數據交互。

（3）開關部分，使用控制繼電器的動作實現對路燈開燈、關燈的控制。

（4）調光部分，通過調光模塊對路燈進行無極亮度控制，實現調檔節能。單燈控制器調光支持0～10 V調光以及脈沖寬度調制波形（Pulse Width Modulation Wave，PWM）調光：對于鈉燈需要安裝支持0～10 V調光或PWM調光的電子鎮流器;對于LED燈調光，需要安裝支持0～10 V調光或PWM調光的LED電源。

（5）微控制單元部分，為主芯片、實時時鐘等其他外圍電路，實現對整個控制器各部分的控制和數據處理。

（6）通信部分，通過內置的LoRa通信模組，進行物聯網無線通信，實現控制中心與燈具終端的數據實時鏈接。

4 ? ?LoRa通信網絡系統

采用LoRa無線物聯網技術，構建智能照明控制專用網絡，安全可靠，專網與公網隔離，采用無線專用信道、專用設備、專用加密協議，可以防止外部入侵。數據通過專網傳輸，存儲于北京新機場高速運營管理單位，數據泄露風險小，可以自主控制和管理。LoRa通信網絡系統架構如圖3所示。

系統架構主要由各終端照明燈具單燈控制器、微基站（網關）、云平臺和應用系統4個部分組成，對照明設施進行“點、線、面”的實時監控管理，構建指揮調度和應急管理能力，實時監測照明系統的在線信息、運轉狀況和能耗情況，加強照明管理工作的針對性和科學性。

單燈控制器安裝在每個終端LED照明燈具上，通過內置的傳感器采集燈具的電流、電壓等各項電參數信息，并通過LoRa模組將信息上傳到網關上。同時，單燈控制器接收網關下發的各項控制指令，并根據對應指令執行相應操作。

網關主要負責終端燈具數據的獲取和數據的封包上傳工作。網關通過LoRa模塊接收不同終端燈具的單燈控制器發來的數據，按固定的格式進行封包，通過與服務器建立WebSocket連接，上傳終端燈具信息。同時，網關接收服務器下發的控制指令，對指令進行解析，通過LoRa模塊將控制信息發送到單燈控制器。

云平臺包括核心專網和服務器，主要功能是提供數據連接、管理數據，同時，作為承載網絡提供到控制中心網絡的接口，接收分布在新機場高速沿線LoRa專網微基站上傳的信息，并將信息錄入數據庫，從而實現對終端燈具工作狀態信息的獲取和跟蹤。新機場高速運營單位可以通過智能管理軟件平臺看到沿線高速燈具的實時運行狀態，根據實際情況實時調整并控制燈具的開關、亮度和工作時間等。

應用系統主要指控制中心的計算機軟件綜合管控平臺，包括網絡、服務器、工作站、展示界面、存儲設備等，部署智能照明監控管理系統軟件，實現照明資源管理、運行監控、單燈節能管理和安全監測等智能化應用。

5 ? ?綜合智能管控平臺

北京新機場高速智能照明綜合管控平臺通過統一數據基礎，實現多源數據的深度集成，打造功能強大的統一綜合管控平臺。根據系統數據流動過程和業務邏輯分析，軟件平臺的架構自下而上主要包括數據層、服務層、應用層和展示層4個層次，平臺架構如圖4所示。

5.1 ?數據層

數據層構建系統所需的專用數據庫，采用統一的編碼標準和數據模型，對空間信息數據、運行資源數據、管理業務數據和燈具監控數據統一進行存儲和管理，為平臺應用提供各種數據支撐。

5.2 ?服務層

服務層提供通信/數據服務、應用服務、GIS服務等各項服務，通過采用統一的數據協議和數據接口，確保實現平臺對內各子系統之間以及與平臺對外與其他系統之間的信息共享。

5.3 ?應用層

應用層用來實現綜合管理系統各項具體應用功能，主要包括照明智能監控、設施資源管理、單燈節能管理、生產運維管理以及移動終端監控應用等。

5.4 ?展示層

展示層為系統平臺提供的各項應用及服務的展示界面，同時支持多種接入及切換方式，可以實現控制中心大屏幕顯示、專用工作站顯示，手持移動終端顯示等，實現本地、遠程、移動等多種展示及切換方式。

6 ? ?系統的特點和優勢

本研究基于LoRa物聯網技術的智能照明控制系統與傳統路燈控制系統相比，具有安全性、創新性、易用性、拓展性等特點和優勢。

6.1 ?安全性：采用LoRa無線專網系統管理，系統安全可靠，自主可控

采用無線專網，安全可靠。專網與公網隔離，采用無線專用信道、專用設備、專用加密協議，可以防止外部入侵。數據通過專網傳輸，存儲在管理單位，數據泄露風險小。專網由高速公路運營單位管理，可以自主控制和管理。

6.2 ?創新性：構建無線物聯網智能監控，實現節能管控精準化

采用無線物聯網技術，構建智能監控網絡，精準控制每一盞終端燈具，在滿足照度標準、確保行車安全的前提下，根據天氣情況、季節特點、交通信息、特殊狀況等各種具體條件設定照明系統運行模式，實現切合實際、科學運維，并達到最佳的節能減排效果。

6.3 ?易用性：實現運維服務主動化，降本增效、解放人力

通過系統無線自動巡檢，及時發現燈具故障情況并在電子地圖上進行精確定位，改變以往“人工巡檢、熱線報修”的常規維保模式，實現定向化、主動化和精細化運維管理，提高系統的運維效率，節省人力資源，節約運維成本。

6.4 ?拓展性：以無線智能監控為手段，為打造智慧高速公路提供高科技支撐

基于無線物聯專網和管控平臺，以無線智能監控為手段，實現高速照明設施的集中化和智能化監控管理，今后可以拓展到高速公路管理的各個領域，為全面打造智慧高速提供先進適用的技術支撐。