基于5G的新一代智慧路燈設計方案

袁珍

（黎明職業大學通識教育學院，福建泉州 362000）

從2G 發展到3G、4G，移動互聯網絡實現了人與人之間的快速連接和移動數據接入。到了第五代移動通信技術，也就是5G 時代，將提供更加強大的連接和移動接入能力。而且不僅僅是人與人，還包括了人與物、物與物的多種連接，數據交互的內容和方式也更加豐富多樣，從而開創出萬物互聯的新時代。

5G 將會推動智慧城市、智能家居能諸多方面的快速發展，最終將極大改變人類的生產、生活方式，提升社會生產力水平，從而提高國家的綜合競爭力。從國際視角來看，目前5G 在技術標準、網絡部署等方面均取得了階段性進展，新的應用場景與市場化探索也逐漸顯現[1]。

1 方案產生背景

城市道路照明系統中，路燈是最為重要的公共設施。目前我國道路路燈所使用的系統仍存在缺陷，例如智能化程度低、功能性較低，電力資源浪費等。我國現有路燈占照明耗電的30%左右，達到全國耗電總量的10%，節能減排成為經濟建設中一個重要目標。

近幾年來，我國大力推廣智慧城市建設。其中，重點建設領域為彈性能源管理、基礎設施、數據驅動的公共安全治理以及智能交通。三者建設將超出整體智慧城市比例的一半[2]。“新一代技術物聯網智慧路燈LED 照明”是數字化智慧城市新基建重要的組成部分，由此傳統路燈照明可以改造升級為全球化能源的節能智慧管理，包括市政路燈，新農村建設，文旅景區，美麗鄉村，小區廣場等場所[3]。

新一代通訊技術，尤其是5G 的產生，進一步推動了智慧城市的發展。智慧燈桿便是其中一個內容，起初“多桿合一”目的只是為了合理、有序使用城市空間，美化道路環境，對道路沿線的路燈桿等進行整合。隨著5G 建設的推進，正是智慧燈桿千載難逢的發展機遇。

2 方案簡述

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

圖1 智慧路燈系統示意圖

在本方案中，整個系統分為傳感設備層、通信控制設備層、管理系統層、應用層，共有四層框架結構，如圖2 所示。方案包括傳感器設備、通信控制設備、管理平臺系統和應用設備。傳感設備通過通信控制設備提供的接口和協議進行連接，通信設備通過5G 網絡接入管理平臺系統，應用層則通過網絡接入管理平臺系統實時監測、控制傳感設備。通過這四層結構，使得系統的監控、控制、維護、管理更加便捷和智能，特別是在傳感設備層中，設置了按鍵和充電口，可在燈桿上增加多種切實便民的功能。

圖2 系統框架結構圖

3 智慧燈桿設計

路燈的燈桿設計見圖3。就單燈的設計而言，在每個路燈的燈桿部分安裝單燈控制器，實現對每盞路燈的遠程開關控制、遠程亮度調節、燈桿位置等信息采集。在本方案中，燈桿還附加了一鍵報警、環境監測、充電樁等子功能，這也是本方案的特色之一。

圖3 路燈燈桿結構圖

一鍵報警系統包括呼叫按鈕、可視化對講系統、GPS 或北斗雙星定位系統。市民如果遇到緊急情況，可以按下燈桿的一鍵報警按鈕，在按鈕呼叫后，可開啟可視化對講，與此同時，自動發送報警燈桿的定位。在投入使用后，該系統可以與公安系統聯網，監控中心根據可視化視頻，結合攝像頭視頻監控情況聯系公安、醫療、消防救援單位。

環境監測系統采集數據傳輸給管理平臺中的環境監測子系統，并受其控制。需要實時采集的環境數據有：PM2.5、PM10、噪聲分貝值、溫濕度值、道路水浸深度數據等。系統將數據采集，經過初步整理分析，主動上報給管理平臺并分類存儲。

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，還具備實時監測充電狀態和賬戶余額的功能。因此，在管理平臺也設置有充電樁監控子系統，遠程讀取數據，監控充電前端的電氣參數。可以根據需要設置告警規則，監控充電設備狀態，以便在出現異常時可以及時處理。

4 接入方案

在通信控制設備上，采用了一個5G 工業網關，可以支持4G/5G 全網通，解決了兼容問題。在此基礎上預留了RS485、WIFI 等多種接口，采用多接口多協議的模式，可將連接設備快速接入互聯網，實現安全可靠的數據傳輸。

ITU-R（國際電聯）確定的5G 主要應用場景，也即是5G 通信的三大網絡能力包括3 大類，分別是增強型移動寬帶（eMBB，簡稱大帶寬）、大規模機器類通信（mMTC，簡稱大連接）及高可靠和低延遲通信（uRLLC，簡稱低時延）。其中，大規模機器通信適用于能源、公用事業、城市基礎設施和環境監控等方向。當前，5G 應用首先從大帶寬場景開始，逐漸向大連接和低時延類滲透。

本案例中，數據主要體現在電力系統監測、環境監測幾個方面，數據量較小，本身使用窄帶物聯網或者4G 網絡也有能力提供數據吞吐量。但是，本系統一方面采用了一鍵報警的實時共享畫面功能，部分時刻數據量較大；另一方面，考慮到后期的擴容和新增功能，使用5G 網絡能夠使系統更加靈活，可擴展性強。

5 結論和意義

（1）照明光源或燈頭全部更換為新一代技術物聯網智慧路燈LED 照明，光色統一，可以實現智慧路燈LED 照明集中管控、防雷、防漏、智能調光、智能控光、智能監測。

（2）節約能源、減少排放，利于政府完成節能減排目標考核。通過智慧路燈LED 照明改造，節能率可高達70%以上，這樣將緩解電力負載壓力，剩余電力資源可供其他建設項目。

（3）通過改造老舊破損的燈具等照明基礎設施，減少故障發生，提升城市形象，達到節約能源效果。

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

（5）整體路面照度、均勻度滿足國家相關標準，減少治安及交通安全隱患。

基于5G 的智慧路燈設計方案提出的目的是實現城市智慧路燈的建設，研究重點在于搭建智慧路燈管理系統和探索智慧路燈遠程快速控制方式，最終達到簡化管理、節能減排的目的。