基于智慧路灯及异构网通讯网关的智慧城市物联网解决方案

陈红瑜(厦门万安智能有限公司，福建 厦门 361008)

基于智慧路灯及异构网通讯网关的智慧城市物联网解决方案

陈红瑜
(厦门万安智能有限公司，福建 厦门 361008)

针对当前智慧城市应用网络及应用技术的复杂性，提出了一种以异构网网关和城市智慧路灯网为基础的智慧城市物联网建设方案。

智慧城市 物联网 智慧路灯 异构网通讯网关

0 引言

2016年7月，住建部、国家发改委、财政部“三部委”联合发出《关于开展特色小城镇培育工作的通知》，提出到2020年要培育1 000个左右各具特色、富有活力的特色小镇。

根据通知的相关精神，特色小镇的建设要以信息基础设施智能化为基础，以实现公共管理与公共服务的智慧化，而这也恰好是智慧城市的核心内容：城市物联网建设，即：将城市生态系统中原本相对孤立的资源或应用，互联互通形成一个相互联系、相互促进、彼此影响的整体，推动城市和谐、可持续发展。故本文针对当前智慧城市应用网络及应用技术的复杂性，提出了一种以异构网网关和城市智慧路灯网为基础的智慧城市物联网建设方案。

1 物联网建设

1.1物联网的特点

国际电信联盟(ITU)对物联网定义为：通过各种信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

由于智慧城市物联网具有组成复杂、通信信息流量小、突发性强等特点，因此对于物联网建设及技术要求的关键不是物联网网络速度的快慢，而是物联网网络覆盖范围的有效性及充分性。理论上说，物联网网络应该是可靠的、无所不在、无所不联的连接。

1.2网络结构的层次

1)传感网络层：是物联网万物互联的基础，但也因为数量庞大、种类繁多，使得各种设备组网结构复杂多样。因此需要进行不同架构、不同通讯协议网络之间的通讯，即异构网络之间的通讯(后文会详细介绍)。

2)信息传输网络层：用于解决传感网络层与信息应用网络之间的信息传输，是智慧城市建设中的一个重要内容。无论是对智慧城市应用中小则几万或几十万平米的项目，还是大则数十甚至数百平方公里的城市区域，信息传输网络的建设成本高、周期长、易变化等决定了智慧城市物联网的建设实施是一个统一规划、分步实施、按需实施的长期过程。

3)信息应用网络层：基本都以互联网为基础组成，其传输速度快、信息量大，可以非常好的满足需求。

1.3物联网信息传输网络建设的解决方案

综合智慧城市周期长、应用范围广、覆盖范围及投资造价不一等建设特点，其实现方式不仅可以满足新建项目，对于改建项目也能有较好的应用效果。笔者认为，以覆盖城镇区域的路灯为基础打造智慧路灯系统，从而打造基于智慧路灯网络的智慧城镇的物联网，在现阶段应该是一个可行的、较适合的解决方案，原因有以下几点。

1)无论城镇规模、城市化建设水平如何，市政基础设施是首要建设项目，而市政道路又是城市必不可少的基础设施，更是城市建设中的优先对象。

2)市政道路必然配套有路灯照明等设施，依托城镇道路的建设，路灯网络将覆盖城市的每个区域，是最密集的城市基础设施。

3)路灯照明耗能在当前社会耗能中占比较大，城市管理部门除了在设备方面优选LED等节能灯具外，还可在管理上加大举措。通过智慧路灯系统的建设，采用更高效率的路灯照明节能管理来实现更高效的节能。例如，智慧路灯系统可通过传感器技术、通信技术等将城市(镇)中的路灯连接形成一个路灯系统网络，实现对路灯的远程控制与管理，并能根据设定条件(如天气状况、当前时间、交通车流量等)设制预定方案自动管理路灯，包括开启数量控制、亮度调节、远程控制、故障报警、线缆防盗、数据抄收等操作，有效控制电能消耗，提升城市(镇)公共照明管理的水平，降低维护和管理成本。

“三规合一”规划指标内容需对地方发展的阶段特点及发展要求进行充分体现，并就对人的需求以及城乡发展需求作为出发点，来充分体现出规划的针对性及地方适应性。当前我国还处于工业化朝着后工业化的过渡阶段，其城乡差距相对较大，这也致使城镇化发展的内在动力依旧很强，城镇高效集约利用土地以及和谐保护生态两者的矛盾相对突出。因此在进行空间规划的过程中就需要做到以下几点：

综上分析，笔者认为智慧路灯系统是智慧城镇的最佳入口和服务端口之一，具有覆盖范围广、业务融合建设成本低的优势，可促进智慧市政和智慧城市在城市基础管理服务方面的落地，因此，以智慧路灯系统网络为基础，打造智慧城市物联网的建设是一个可行的解决方案。

2 智慧路灯系统网络建设的解决方案

2.1智慧路灯系统物联网应用技术

目前智慧路灯系统的通讯网络技术主要有电力线载波、ZigBee、4G/3G/GPRS/CDMA无线通讯技术等，而随着技术的发展，5G通信技术也即将得以应用。

1)ZigBee、Z-Wove、IEEE802.11ah：均属于无线通讯类技术标准，适用于短距离物联网覆盖，但无法保证网络协调控制的可靠性。

2)卫星通信：成本高昂，设备能耗高，穿透力有限，无法有效覆盖室内区域。

3)电力载波通讯：是一种利用电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。其具有组网简便、传输速率较快等优点，但缺点是：其本身的脉冲干扰易影响通讯质量；负荷重时传输距离短；耦合方式影响传输；三相损失大，只适用于单相传输；配电变压器对电力载波信号有阻隔作用等，使其只能在一个配电变压器区域范围内传送，不适用于大规模的应用。

4)2G：容量有限，无法满足大量设备同时接入，而且美国、欧洲等地计划或已经启动了2G应用的退网计划，2G网络的关闭只是迟早问题。

5)3G：工作频段较2G更高，覆盖范围更小，室内覆盖效果差，而且其成本较高，不利于普及利用。

6)4G：主要是LTE网络，其特点是：设备数量不大、流量高。但其通讯接续延迟时间较长，控制信号与语音、数据通讯之间的相互干扰尚未协调解决，仍需优化。

7)5G：该网络的标准也在逐步落实，NB-IOT等技术标准的落地，也预示着5G网络商用化即将到来，但其普及还需时日。

2.2智慧路灯系统物联网解决方案

智慧路灯系统网络的建设，应该选择何种技术方案呢？笔者认为应根据整体规划、具体应用来具体选择。

1)方案1：基于ZigBee+4G/3G/GPRS/CDMA无线通信技术的组网解决方案

该方案利用ZigBee无线通信技术实现主控系统对路灯的实时控制。集中控制器是系统网关及ZigBee系统子网的族头，上行数据采用4G/3G/GPRS以及CDMA等与中心服务器通讯，下行控制数据采用ZigBee无线通讯与集中控制器进行通讯，具有移动物体检测、环境光检测及时间设定等路灯控制方式，能实现路灯远程控制、自动调光、故障检测及定位等功能。系统组成结构见图1。

图1 方案1系统组成结构图

2)方案2：基于电力载波+4G/3G/GPRS/CDMA无线通信技术的组网解决方案

本方案与方案1总体结构相似，只是在下行数据方面，采用电力线载波技术与各路灯节点的控制器(网关)进行通讯，系统组成结构见图2。

图2 方案2系统组成结构图

从电力线载波技术与ZigBee技术的应用对比看，电力线载波不容易受环境变化影响，保密性较高，通讯不宜破坏；带宽大，使用无限制；信号稳定，不需要额外设备。即使存在电力线噪声及脉冲对系统干扰较大等缺点，但随着电力载波技术的不断完善及优化，这些不利因素也在逐步解决，因此对于路灯系统，电力载波技术无疑是中小规模区域物联网建设的合理选择。

因此笔者建议的方案是以方案2为基础，并根据具体的应用进行适当的优化与改进。其系统结构图见图3。

图3 改进方案系统结构图

由图3可以看出，每个路灯节点不仅是一台智能路灯控制器，还是一台异构网通讯网关。该异构通讯网关不仅可接受智慧路灯系统的控制指令，实现对路灯的智能化控制，而且还具有多种通讯接口，支持RS485、EIB等有线控制协议及IEEE802.11ah、ZigBee、Z-Wave等无线通讯协议，可根据前端传感器设备的通讯形式选用对应的通讯方式进行通讯，不仅可实现对路灯的智能管理，还可接入井盖管理、城市安防、市政隧道管理等多种应用。

基于覆盖广泛的智慧路灯系统及可将各种不同网络的通讯打通的异构通讯网络，智慧城市物联网可根据现场及实际需求接入各种不同的智慧城市应用。通过充分利用路灯杆这个资源，可将智慧城市的相关应用融合为一体，具有很高的隐蔽性，比如，在路灯杆设置电信通讯天线、城市环境监控、安防管理等，或者基于智慧路灯系统及设备，集多种功能于一身，肩负智慧城市网络中感应层的终端作用：实现按需照明、智能管理；GPS坐标定位；采集气象、噪音、PM2.5等多种数据；实施多方位全景监控；免费Wi-Fi覆盖等。

3 结束语

智慧城市是一个综合性系统，构建复杂、投资大、建设持续期长，而智慧路灯系统无疑是智慧城市的最佳入口和服务端口之一。在政府相关政策的大力支持下，城市智能路灯系统将进一步快速发展。而以智慧路灯照明系统为载体，不仅可解决路灯管理智能化的需求，而且在集约化建设思路的引导下，还可作为平安城市、智慧市政、智慧城管以及智能交通等智慧城市应用的载体，为智慧城市(城镇)的建设提供更多民生保障。

[1] 单娟. 全球物联网发展及中国物联网建设若干思考[J].电子学报, 2016,38 (7):2590-2599.

[2] 李祥珍,刘建明. 面向智能电网的物联网技术及其应用[J].电信网技术, 2010 (8):41-45.

[3] 罗巧华. 面向智能电网的物联网技术及其应用分析[J].电子技术与软件工程, 2015 (2):33-33.

[4] 张学记等. 智慧城市：物联网体系架构及应用[M].北京:电子工业出版社,2014.

SmartCityIOTSolutionsBasedonIntelligentStreetLightingandHeterogeneousNetworkCommunicationGateway

Chen Hongyu

In view of the complexity of current smart city application network and its application technology, a solution to the construction of Intelligent City IOT based on heterogeneous network gateway and city intelligent street light network is proposed.

smart city, IOT, intelligent street light, heterogeneous network communication gateway