基于城市照明的物联网综合解决方案
2015-01-09唐美华王峰黄航
唐美华+王峰+黄航
【摘 要】分析了物联网发展现状以及城市道路照明设施管理系统存在的信息化需求，提出了一种基于城市照明的物联网综合解决方案。该方案缓解了城市照明路灯管理上的压力，融合了视频监控、环境温湿度测量、空气质量测量等多种物联网应用，并且解决了道路Wi-Fi无线网络覆盖的问题。前端设备与控制平台之间采用联通WCDMA 3G/LTE 4G高速网络进行传输和通信。该方案能为上下游产业链带来显著的经济效益和社会效益，对物联网产业的发展起到了很好的示范作用。
【关键词】城市照明 WCDMA 3G/LTE 4G 物联网 3G/4G智能网关 ZLGnet路由算法
1 项目背景
1.1 国内外物联网发展现状
目前，全球物联网市场正处于强劲发展阶段，2010年全球物联网终端规模达到5 000万台，且仍以每年30%的速度在增长，预计到2014年全球物联网市场规模将达到7 500亿美元。与发达国家相比，我国物联网产业发展起步较晚，但作为全球手机用户最多的国家，我国的手机普及率远远高于个人电脑普及率。在此背景下，以物联网业务为先导，普及移动信息化应用，进而带动物联网产业发展，已经成为我国国民经济及社会信息化发展的新方向和显著特征。
我国政府已经将物联网作为智能信息处理及泛在通信网络的一部分。物联网可广泛应用于工业生产、环境监控、市政管理、家庭生活，形成了高附加值产业链。从行业层面来看，工业化和信息化融合是近年来通信行业的大趋势，物联网可以广泛应用在工业领域，体现两化融合的思想。从企业层面来看，随着传统话音业务发展的放缓甚至萎缩，运营商在寻求新的增长点，向行业用户提供物联网的信息化服务就是其中的一个方向。
1.2 城市照明设施管理信息化需求
城市照明作为一个典型的传统行业，正面临着应用技术的转型。一方面要改善照明设施管理，通过信息化手段提高管理效率并进行设施防盗；另一方面需要通过加强路灯远程控制实现节能；第三方面需要充分利用路灯资源实现跨界整合和多领域的物联网应用。
由于城市化建设的不断发展，城市道路的路灯数量将会逐年增加，这将对城市路灯配电网络的安全可靠运行带来前所未有的考验。城市路灯配电设施和设备被盗、被破坏的情况时有发生，导致路灯配电网络的运行、设施设备的安全很难得到有力的保障。如何快速、高效地对城市路灯系统进行管理以保证路灯网络安全可靠地运行，同时又要兼顾降本增效、节能环保，这成为市政部门目前迫切需要解决的问题。
2 基于城市照明的物联网综合解决方案
2.1 网络架构介绍
该系统架构包括集中管理平台与前端终端系统这2个部分，如图1所示：
集中管理平台主要实现各种行业应用业务集中管理与监控功能。前端终端系统集成路灯远程遥控模块、工业摄像头、环境温湿度测量传感器、空气质量测量传感器、Wi-Fi网络发射模块以及3G/4G网关等设备，设备之间通过ZigBee、Wi-Fi等网络相互通信，将采集到的数据统一发送至3G/4G网关，经3G/4G网关接入集中管理平台，从而实现路灯远程监控、视频监控、环境温湿度测量、空气质量测量以及道路Wi-Fi无线网络接入等行业应用功能。
城市照明M2M系统是基于目前城市道路路灯远程监控系统，并融合了视频监控、环境温湿度测量、空气质量测量、Wi-Fi无线网络接入等跨行业应用的M2M端到端的物联网综合应用系统。
2.2 功能架构描述
本系统实现了对城市道路路灯系统的远程监控，同时整合了视频监控、环境温湿度测量、空气质量测量、Wi-Fi无线网络接入等几种扩展功能，适用在任何具备联通3G/4G无线网络覆盖的城市道路场景。通过此系统，监控中心与管理人员可以在任何地点、任何时间通过Web网页或者安装了相应客户端的智能手机来登录管理平台系统查询监测信息。
利用后台的行业数据处理中心，结合平台获取的各类传感数据，管理人员可将有效的信息分享给各个监管部门。如路灯管理部门可通过车流量来控制路灯的开关时间与密度，环保部门可获得道路温湿度和空气质量信息，交通部门可通过视频获取道路拥塞情况信息等。基于城市照明的物联网网络功能架构图如图2所示。
2.3 关键功能描述
如图1所示，系统关键功能主要包括以下几个部分：
（1）联通M2M业务支撑平台。一方面，接收前端系统周期性上报的路灯测量数据，包括路灯是否正常工作、工作运行电流与电压等数据，依据这些采集到的路灯数据来完成整个城市照明系统的信息汇总、监测与控制；另一方面获取温湿度和空气质量传感设备采集的信息以及视频监控信息等。
（2）3G/4G智能网关。系统把路段路灯以组为单位进行划分，每组包含50盏至100盏路灯并配置一个3G/4G智能网关。3G/4G智能网关实现后台监控中心与城市照明M2M前端系统的ZigBee、Wi-Fi网络之间的互联，完成互联网到城市照明M2M前端系统专网之间的信息转换功能。
（3）路灯控制节点。即每盏路灯安装的路灯控制器。每盏路灯作为一个信息链上的节点，能够接收监控中心发送来的每一条指令，也可以主动向监控中心发送自身的运行信息，形成信息链。
（4）视频监控摄像头。重点路段路灯安装具备Wi-Fi传输模块的工业视频监控摄像头，每个摄像头采集的数据经Wi-Fi网络传送至3G/4G网关，经3G/4G网关上传至后台监视平台系统。摄像头可接收后台指令，上报其本身的各项工作状态信息，也可主动向监控中心发送自身运行信息。所有摄像头接受后台监控系统的统一运行操作。
（5）环境温湿度、空气质量监控节点。每盏路灯安装环境温度、湿度、空气质量测量传感器，经ZigBee网络上传3G/4G网关后上传给后台数据采集平台。该节点可以接收后台指令并上报所采集的数据与各项工作状态信息，也可主动向监控中心发送自身运行信息。endprint
（6）Wi-Fi结点。每盏路灯安装Wi-Fi节点，实现城市道路Wi-Fi网络覆盖，该节点经Wi-Fi网络上传数据至3G/4G网关与接入互联网。节点可以接收后台指令并上报所采集的数据与各项工作状态信息，也可主动向监控中心发送自身运行信息。
2.4 系统关键技术描述
（1）基于ZLGnet路由算法的ZigBee路灯数据动态交换技术
本项目路灯采用ZigBee网络来传输路灯的相关信息，采用超低功耗芯片JN5148来实现绿色照明（深度休眠电流0.1mA，18mA的超低工作电流）。
同时路灯ZigBee模块之间支持ZLGnet最佳路由算法。ZLGnet路由算法规避了“超常发挥路径”现象，充分考虑了路由的速度与稳定性，其算法的基本原理是：
◆先让计算机模拟出关于每条路由在传送数据过程中的传输速度、底层误码率、接收强度这3个因素的函数；
◆再对相关函数在时间的上限与下限进行积分计算；
◆最后对3个结果通过加权系数求和。
从而可以得到每条路由的评估得分，以得分高低选出最优路由路径。
（2）基于云存储技术的大数据资源共享平台
城市照明智能管理系统监控平台的建设是本项目的主要目的，而提供云存储系统则是大数据处理功能的延伸。通过开放相关应用接口与数据，使城市路灯系统所采集的关于视频监控、空气质量以及环境温湿度等测量数据成为政府不同职能部门、不同企业之间重要的数据来源。如实现视频监控数据与交通局和公安局共享、空气质量与环境温湿度测量数据与环保局共享等多方面的跨界合作与资源共享方案。
云存储方案的实施不仅成为运营商新的利润增长点，同时为政府部门以及企业提供了一种获得IT和使用IT的更为经济的方法。
（3）基于扩展Wi-Fi的互联网专线应用
基于扩展Wi-Fi的互联网专线通过在区域部署WLAN无线网络，再经过联通的传输网络把该WLAN无线网络与联通的IP城域网相连。具备Wi-Fi功能的终端设备通过该WLAN无线网络与联通的互联网城域网相连，经过联通的Portal系统鉴权、认证、审计后获取帐号、密码，验证后即可动态分配IP正常上网。
本项目中该技术应用于视频监控与Wi-Fi道路覆盖，在很大程度上分担了联通3G网络的业务量，并缓解了业务热点区域由于业务量过大而导致速率较慢的问题，同时丰富了联通业务渠道，也推进了Wi-Fi城市覆盖以及运营体系的建设。
3 项目意义
基于城市照明的物联网综合解决方案通过建设多种传感器的前端信息采集系统和搭建物联网行业应用管理平台，其意义归结为以下几点：
（1）树立物联网应用示范。城市照明项目促使物联网应用向传统行业快速渗透，推动了城市基础设施信息化进程，为物联网应用在其它行业的复制奠定了基础。
（2）实现了跨界整合、资源共享。该项目实现了移动互联网与物联网技术的整合，实现了城市设施管理、环保监测、城市安全、通信服务不同领域的应用整合、信息及资源共享。
（3）带来巨大的经济效益。城市照明物联网项目的成功实施将会充分挖掘现有物联网市场，不仅为前端设备提供单位和平台开发单位带来巨大的经济效益，同时也将带动相关上下游企业所涉及的产业链建设，达到拉动经济增长的目的。
4 结束语
基于城市照明的物联网综合解决方案的提出与大胆尝试，探索了物联网行业的未来应用。本项目融合了行业需求、物联网技术、WCDMA/LTE技术这3大要素，符合现代城市未来发展的方向，实现了“低碳环保”和“科学管理”等系统目标，并且本项目的实施有利于促进城市路灯管理信息化建设，有效带动物联网业务发展，为物联网上下游企业带来了较大的经济效益。
参考文献：
[1] 储昭兵. 基于GPRS城市照明无线监控系统[D]. 上海： 上海交通大学， 2009： 54-60.
[2] 史兆培，王玉爽，严登俊. 城市路灯照明节能技术现状与发展趋势[J]. 中国照明电器， 2009（10）.
[3] 平青. 基于物联网技术的城市照明控制系统[D]. 苏州： 苏州大学， 2010： 39-40.
[4] 杨正洪. 智慧城市—大数据、物联网和云计算之应用[M]. 北京： 清华大学出版社， 2014.
[5] 王志良，王粉花. 物联网工程概论[M]. 北京： 机械工业出版社， 2011.endprint
（6）Wi-Fi结点。每盏路灯安装Wi-Fi节点，实现城市道路Wi-Fi网络覆盖，该节点经Wi-Fi网络上传数据至3G/4G网关与接入互联网。节点可以接收后台指令并上报所采集的数据与各项工作状态信息，也可主动向监控中心发送自身运行信息。
2.4 系统关键技术描述
（1）基于ZLGnet路由算法的ZigBee路灯数据动态交换技术
本项目路灯采用ZigBee网络来传输路灯的相关信息，采用超低功耗芯片JN5148来实现绿色照明（深度休眠电流0.1mA，18mA的超低工作电流）。
同时路灯ZigBee模块之间支持ZLGnet最佳路由算法。ZLGnet路由算法规避了“超常发挥路径”现象，充分考虑了路由的速度与稳定性，其算法的基本原理是：
◆先让计算机模拟出关于每条路由在传送数据过程中的传输速度、底层误码率、接收强度这3个因素的函数；
◆再对相关函数在时间的上限与下限进行积分计算；
◆最后对3个结果通过加权系数求和。
从而可以得到每条路由的评估得分，以得分高低选出最优路由路径。
（2）基于云存储技术的大数据资源共享平台
城市照明智能管理系统监控平台的建设是本项目的主要目的，而提供云存储系统则是大数据处理功能的延伸。通过开放相关应用接口与数据，使城市路灯系统所采集的关于视频监控、空气质量以及环境温湿度等测量数据成为政府不同职能部门、不同企业之间重要的数据来源。如实现视频监控数据与交通局和公安局共享、空气质量与环境温湿度测量数据与环保局共享等多方面的跨界合作与资源共享方案。
云存储方案的实施不仅成为运营商新的利润增长点，同时为政府部门以及企业提供了一种获得IT和使用IT的更为经济的方法。
（3）基于扩展Wi-Fi的互联网专线应用
基于扩展Wi-Fi的互联网专线通过在区域部署WLAN无线网络，再经过联通的传输网络把该WLAN无线网络与联通的IP城域网相连。具备Wi-Fi功能的终端设备通过该WLAN无线网络与联通的互联网城域网相连，经过联通的Portal系统鉴权、认证、审计后获取帐号、密码，验证后即可动态分配IP正常上网。
本项目中该技术应用于视频监控与Wi-Fi道路覆盖，在很大程度上分担了联通3G网络的业务量，并缓解了业务热点区域由于业务量过大而导致速率较慢的问题，同时丰富了联通业务渠道，也推进了Wi-Fi城市覆盖以及运营体系的建设。
3 项目意义
基于城市照明的物联网综合解决方案通过建设多种传感器的前端信息采集系统和搭建物联网行业应用管理平台，其意义归结为以下几点：
（1）树立物联网应用示范。城市照明项目促使物联网应用向传统行业快速渗透，推动了城市基础设施信息化进程，为物联网应用在其它行业的复制奠定了基础。
（2）实现了跨界整合、资源共享。该项目实现了移动互联网与物联网技术的整合，实现了城市设施管理、环保监测、城市安全、通信服务不同领域的应用整合、信息及资源共享。
（3）带来巨大的经济效益。城市照明物联网项目的成功实施将会充分挖掘现有物联网市场，不仅为前端设备提供单位和平台开发单位带来巨大的经济效益，同时也将带动相关上下游企业所涉及的产业链建设，达到拉动经济增长的目的。
4 结束语
基于城市照明的物联网综合解决方案的提出与大胆尝试，探索了物联网行业的未来应用。本项目融合了行业需求、物联网技术、WCDMA/LTE技术这3大要素，符合现代城市未来发展的方向，实现了“低碳环保”和“科学管理”等系统目标，并且本项目的实施有利于促进城市路灯管理信息化建设，有效带动物联网业务发展，为物联网上下游企业带来了较大的经济效益。
参考文献：
[1] 储昭兵. 基于GPRS城市照明无线监控系统[D]. 上海： 上海交通大学， 2009： 54-60.
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[3] 平青. 基于物联网技术的城市照明控制系统[D]. 苏州： 苏州大学， 2010： 39-40.
[4] 杨正洪. 智慧城市—大数据、物联网和云计算之应用[M]. 北京： 清华大学出版社， 2014.
[5] 王志良，王粉花. 物联网工程概论[M]. 北京： 机械工业出版社， 2011.endprint
（6）Wi-Fi结点。每盏路灯安装Wi-Fi节点，实现城市道路Wi-Fi网络覆盖，该节点经Wi-Fi网络上传数据至3G/4G网关与接入互联网。节点可以接收后台指令并上报所采集的数据与各项工作状态信息，也可主动向监控中心发送自身运行信息。
2.4 系统关键技术描述
（1）基于ZLGnet路由算法的ZigBee路灯数据动态交换技术
本项目路灯采用ZigBee网络来传输路灯的相关信息，采用超低功耗芯片JN5148来实现绿色照明（深度休眠电流0.1mA，18mA的超低工作电流）。
同时路灯ZigBee模块之间支持ZLGnet最佳路由算法。ZLGnet路由算法规避了“超常发挥路径”现象，充分考虑了路由的速度与稳定性，其算法的基本原理是：
◆先让计算机模拟出关于每条路由在传送数据过程中的传输速度、底层误码率、接收强度这3个因素的函数；
◆再对相关函数在时间的上限与下限进行积分计算；
◆最后对3个结果通过加权系数求和。
从而可以得到每条路由的评估得分，以得分高低选出最优路由路径。
（2）基于云存储技术的大数据资源共享平台
城市照明智能管理系统监控平台的建设是本项目的主要目的，而提供云存储系统则是大数据处理功能的延伸。通过开放相关应用接口与数据，使城市路灯系统所采集的关于视频监控、空气质量以及环境温湿度等测量数据成为政府不同职能部门、不同企业之间重要的数据来源。如实现视频监控数据与交通局和公安局共享、空气质量与环境温湿度测量数据与环保局共享等多方面的跨界合作与资源共享方案。
云存储方案的实施不仅成为运营商新的利润增长点，同时为政府部门以及企业提供了一种获得IT和使用IT的更为经济的方法。
（3）基于扩展Wi-Fi的互联网专线应用
基于扩展Wi-Fi的互联网专线通过在区域部署WLAN无线网络，再经过联通的传输网络把该WLAN无线网络与联通的IP城域网相连。具备Wi-Fi功能的终端设备通过该WLAN无线网络与联通的互联网城域网相连，经过联通的Portal系统鉴权、认证、审计后获取帐号、密码，验证后即可动态分配IP正常上网。
本项目中该技术应用于视频监控与Wi-Fi道路覆盖，在很大程度上分担了联通3G网络的业务量，并缓解了业务热点区域由于业务量过大而导致速率较慢的问题，同时丰富了联通业务渠道，也推进了Wi-Fi城市覆盖以及运营体系的建设。
3 项目意义
基于城市照明的物联网综合解决方案通过建设多种传感器的前端信息采集系统和搭建物联网行业应用管理平台，其意义归结为以下几点：
（1）树立物联网应用示范。城市照明项目促使物联网应用向传统行业快速渗透，推动了城市基础设施信息化进程，为物联网应用在其它行业的复制奠定了基础。
（2）实现了跨界整合、资源共享。该项目实现了移动互联网与物联网技术的整合，实现了城市设施管理、环保监测、城市安全、通信服务不同领域的应用整合、信息及资源共享。
（3）带来巨大的经济效益。城市照明物联网项目的成功实施将会充分挖掘现有物联网市场，不仅为前端设备提供单位和平台开发单位带来巨大的经济效益，同时也将带动相关上下游企业所涉及的产业链建设，达到拉动经济增长的目的。
4 结束语
基于城市照明的物联网综合解决方案的提出与大胆尝试，探索了物联网行业的未来应用。本项目融合了行业需求、物联网技术、WCDMA/LTE技术这3大要素，符合现代城市未来发展的方向，实现了“低碳环保”和“科学管理”等系统目标，并且本项目的实施有利于促进城市路灯管理信息化建设，有效带动物联网业务发展，为物联网上下游企业带来了较大的经济效益。
参考文献：
[1] 储昭兵. 基于GPRS城市照明无线监控系统[D]. 上海： 上海交通大学， 2009： 54-60.
[2] 史兆培，王玉爽，严登俊. 城市路灯照明节能技术现状与发展趋势[J]. 中国照明电器， 2009（10）.
[3] 平青. 基于物联网技术的城市照明控制系统[D]. 苏州： 苏州大学， 2010： 39-40.
[4] 杨正洪. 智慧城市—大数据、物联网和云计算之应用[M]. 北京： 清华大学出版社， 2014.
[5] 王志良，王粉花. 物联网工程概论[M]. 北京： 机械工业出版社， 2011.endprint
