基于物联网的智慧路灯系统设计

张家英

随着智慧城市的概念的推出，越来越多的城市将其纳入衡量城市管理水平高低的指标之一。其中，路灯是市政建设重要的组成部分，而“智慧路灯”则是未来智慧城市的主要信息采集入口，基于物联网的智慧路灯系统的建设成为了智慧城市的重要组成部分。

【关键词】智慧路灯 物联网 智慧城市

随着智慧城市的概念的推出，越来越多的城市将其纳入衡量城市管理水平高低的指标之一。在实践中大多数推广数字化城市管理模式的城市，在提高城市的管理效率、降低城市管理成本和促进精细化管理水平上有着显著的效果。其中，路灯是市政建设重要的组成部分，而“智慧路灯”则是未来智慧城市的主要信息采集入口，基于物联网的智慧路灯系统的建设成为了智慧城市的重要组成部分。

智慧路灯系统作为一个平台可以集成各种传感器和物联网为智慧城市收集各种有价值的数据，这些数据可与政府内部的交通系统、警务管理系统、财政管理系统和采购管理系统进行交互，成为智慧城市的有机结合体可以有效服务政府职能部门和公众服务组织。智慧路灯设计是借助网联网技术管理路灯，在路灯上集成多种传感器采集环境、水质、大气等数据，并结合GIS服务展示给用户，在通过云计算将数据存储在云端提供丰富的应用接口，为政府部门和公共组织提供应用支持。

1 系统总体设计

智慧路灯是智慧城市的一个重要组成部分，与智慧城市一样其都是以数据支撑系统的运行，而其底层的数据收集则都是依托于物联网技术为基础的。结合物联网分层的概念，大体上智慧路灯系统的建设分层如图1所示。

感知层，这个层与传统物联网一样，由多种传感器构成。所不同的是传感器集成在智慧路灯杆上。智慧路灯杆集成了智能LED灯、传感网络、传感设备、电子屏以及摄像头等多种感知设备，并且通过光纤将数据、控制信号、设备管理状态、故障告警等信息以TCP/IP报文的形式接入到上层系统中。

在这个层次上我们的基于物联网的智慧路灯系统，主要提供对杆的配置管理，例如：获取杆的信息、支持的传感器、电子屏、摄像头等信息；配置传感器的参数、设置摄像头、电子屏的工作模式等；当传感网络出现故障、传感器出现状态不稳定、摄像头损坏等故障可以通过平台获取故障告警。

传输层，主要是以光通信设备为载体搭建的网络，通过光传输技术实现智慧城市内的信息传输通道。在这个层次上我们的智能支撑管理平台，主要对传输设备、光纤拓扑、时钟拓扑、业务拓扑等进行展示和管理。通过我们的平台可以实现灵活的配置定义业务，达到电信级网管的运维要求。利用光纤通过EPON或GPON接入到PTN组成的光传输网络中，我们提供电信级的运营保障能力，系统提供安全管理、拓扑管理、配置管理、故障告警管理、性能管理、运维故障分析、扩容管理、业务配置管理、设备统计等功能。通过对传输层网络的管理，可以最大限度的控制建设投入，优化传输网络建设。

汇聚层，主要是汇集来自传感器、摄像头、系统本身记录的各种数据，通过大数据管理平台进行存储和计算。例如：提供分析温度传感器和车流量之间的关系、人流量与电子屏显示信息的关系、人流聚集数据模型等，平台利用数据挖掘、机器学习等技术，为城市管理者提供有价值的管理、建设、开发等信息，服务城市主体，让每一个城市参与者受益。在这个层次上我们的系统，主要对汇聚数据进行管理，平台提供大数据管理平台和私有云服务，对数据的存储、智能分析、数据安全性提供完整的支持。

应用层，主要是针对智慧城市的各个专项领域提供更为专用的应用服务接口，应用服务的基础数据可以从我们系统获取。

2 物联网管理设计

由于物联网目前还没有一个完全统一的标准，目前在智慧城市等项目运用较多的物联网技术主要有LoRa、NBIOT和zigBee等物联网协议标准。本系统设计考虑到实际需求上要求遠采用无线通讯距离传输，信号要有抗干扰能力强的特点，从市政建设节能减排的要求需要采用低功耗的设备，最终选择LoRa作为本系统的物联网载体。

为了减少建设成本提高路灯的控制能力，设计上通过一根主路灯控制多个从路灯的方式。从杆上的路灯和传感器通过LoRa Slave接入到LoRa网关，再被LoRa Master管理，这种模式就是典型的LoRaWan的应用场景。

LoRaWan是在传统LoRa的基础上加入了NM Server网管服务器软件系统。NM Server通过UDP传输GWMP协议管理网关，协议解析网关地址找到关联的Brokers，再由Broker分发报文到Handler处理不同路灯和传感器的应用逻辑，起到控制路灯的节能策略和接受传感器采集数据的作用。

3 私有云设计

智慧路灯的核心设计目标之一就是要满足数据的共享要求。为了确保数据共享，系统设计必须满足在不同单位、不同归属的条件下的智慧路灯及其集成的各种传感器数据可以共享。由于共享的数据规模大，访问频次高，访问级别差异大，这就需要建设智慧路灯的私有云服务。本系统设计分为四个层次，从上到下分为交互层、转换层、综合层和私有云层。各层具体的设计意义如下：

3.1 交互层

本系统的交互层采用两种架构的访问模式即C/S、B/S和移动终端APP，其分别负责数据的管理和数据的展示。

3.2 转换层

利用智能代理为智慧路灯物联网数据信息提供统一的通用接口，提供标准的读写模式和数据交换协议，对数据提供定制的标签方便信息的分类和检索，实现智慧路灯物联网数据与云端数据的隔离和透明性。

3.3 综合层

其作用是利用信息的共享源对系统的数据模式化，对结构化和非结构化的数据梳理统一的模式，在共享源中插入安全定义和描述信息，提供基于角色的安全认证。

3.4 私有云层

以虚拟化资源池的方式提供数据的存储、计算、共享、分析处理、管理和网络传输，其实数据于用户的交互纽带，是整个智慧路灯物联网数据共享平台的运行基础。其会对数据进行数值分析，通过海量的数据分析算法挖掘数据规律和统计数据模式。endprint

4 智慧路燈管理设计

从功能上划分系统，系统可以被划分为五个应用层次，最底层是智能路灯杆及设备的管理；其上是各个管理子模块；再上层是对设备及系统的故障管理层；再往上是系统的安全管理划分系统的管理权限；最后是对其他应用的大数据服务接口。在智慧路灯的管控上，提供了GIS拓扑满足快速定位智能路灯杆等城市智能硬件平台，并可以通过软件对智能硬件配置各种业务。例如：根据光敏传感器来配置LED路灯的敏感程度，某个杆上的某个传感器故障产生告警，统计人流量等感知层网络功能。

在智慧路灯GIS拓扑界面上智慧路灯的管理者可以方便的看到路灯的运行状况，照明情况，利用GIS服务可以很精准的定位路灯的位置信息。

当路灯设备发生故障时，可以借助系统及时了解到故障定位点，知晓在哪个地区哪个路灯的那台设备发生了什么故障，方便维护人员及时定位抢修。现场维护人员可以通过手机终端的APP了解检修信息，如图2智慧路灯APP维护界面所示。

现场维护人员在户外可以通过其手机的APP了解检修任务，查询设备信息了解设备的使用状况，设备类型，检修历史等信息。也可以查看缺陷信息了解当前的故障和系统分析的故障定位点进行现场抢修。抢修后可以对设备信息进行配置和基础数据的同步维护等操作。

5 总结

本文设计的基于物联网的智慧路灯系统提供了一个统一的智慧路灯数据的收集、分析、管理的闭环平台。在设计上提出的方案，利用物联网的LoRaWan技术和云计算的技术伸缩性实现高性能计算，利用云端的安全性保障数据的共享。借助云计算这一整体方案，避免人工干预取代传统的人工管理数据的低效方式。系统的目标是实现智慧路灯的信息的高效和应用，为市政管理提供决策、指挥、和后勤保障的信息支持。在交互结构上采用多种模式既有可以B/S又有C/S还有手机APP的模式，供不同的用户和终端访问系统。经过论证，本系统与传统路灯相比可以降低40%的能耗，降低90%的维护人力成本，达到节能减排的效果。

参考文献

[1]赵丽.基于物联网技术的智能井盖系统的设计与实现[J].科技资讯，2017，15（13）：3-4.

[2]王阳，温向明等.新兴物联网技术——LoRa[J].信息通信技术，2017，11（01）：55-59+72.

作者单位

北京高森明晨信息科技有限公司 北京市100176endprint