基于物联网技术的智能路灯系统

徐 晖

无线移动通信国家重点实验室(电信科学技术研究院) 北京 100191

1 概述

城市道路照明系统是重要的城市基础设施，随着城镇化建设的不断推进，城市中路灯的数量越来越多，导致能耗越来越高。据统计，当前我国路灯照明耗电量约占总耗电量的15%。面对供电的紧张局面，传统的LED节能已经不能满足大范围节电的需求。此外，传统城市照明系统的维护和管理需要高昂的成本；而且照明灯杆仅具备单一灯杆功能，与通信设施和公共安全设施等其它公共服务设施同时分布于道路空间，占用了有限的路面资源，影响了交通出行和城市美观，给城市管理带来了困难。相关的管理部门需要更高效的管理和节能方案，实现城市道路照明的科学管理和绿色节能。智能路灯作为智慧城市建设的重要组成部分，将发挥更大的作用。

城市日益增长的公共照明规模与落后的传统管理方式产生了剧烈矛盾，传统管理方式的弊端主要体现在以下几个方面。

1)监控管理方式相对粗放。目前国内的城市道路照明系统大部分没有采用网络化监控管理，传统的“三遥”(遥控、摇信、遥测)系统只能以区域为单位对照明设备进行远程开关灯控制，只实现了回路级别的采集和控制，多数路灯的开、关控制仍由每台变压器(配电箱)分散控制，这种管理方式对单灯运行情况无法实时、准确监控，出现灯具故障无法及时反馈到监控中心，不能实现智能化监控和精细化管理；另外也不能对故障处理情况实时跟踪、分析，影响照明生产管理考核，以至影响管理的决策判断。

2)能源消耗偏大。目前大部分城市都会开启城市景观照明来装扮城市的夜晚，但缺少灵活有效的节能控制手段在一定时间段内启动城市景观照明系统，过度照明和照明不足的矛盾难以调和，无法实现按需照明、从而在保障照明质量的前提下有效降低照明能耗。

3)运行维护效率低、成本偏高。目前部分地市的路灯照明系统是通过微电脑时钟控制器来实现开关控制的，每天开关灯时间是固定的，不能按照天气变化自动调整亮灯时间，也不能对临时活动照明控制进行有效地调控，管理方式比较落后，自动化水平不高。由于没有联网控制，意外灭灯、意外亮灯的情况无法在第一时间知晓，许多情况都是在几天后有群众电话投诉，管理部门才知道，无法保证城市的亮灯率。

4)管理范围大而人员有限。由于路灯的数量非常大，并且分布非常广，照明设施如灯具、电缆等，还处于传统、被动的人工巡查管理模式。受管理范围大、设施多、人手少等因素制约，路灯、景观灯受损、灭灯往往不能在第一时间及时发现，此种“人找故障”的维护管理方式，不仅不能及时发现灭灯、设备损坏等故障，也大大增加了故障排除的时间周期，群众满意度下降的同时，又使得照明系统的维护工作常年处于超量状态，费用支出大且效率并不高。

5)照明控制灵活性差。人工调控的路灯控制管理方式比较落后，自动化水平低。依靠时控器进行调节，经常出现时间偏差较大的问题，不能做到精确控制，不能根据光照的变化(天气变化)自动调整开关时间，不能对临时活动的照明进行有效地控制，特别是在重大节日、迎接贵宾、举办大型活动等特殊情况下，不能进行灵活地控制。

6)设施安全难以保障。由于缺少实时的监控管理，灯具、照明电缆等设施频繁被盗或损坏，造成了巨大的经济损失，严重影响了城市道路照明系统的正常运行，带来了安全隐患。

7)基础设施缺乏有效管理。目前城市道路照明设施管理基本停留在手工阶段，缺少信息化手段，基础设施数量不清、状态不明，不利于运维养护。同时不能对材料进行精细化地管理，造成材料的浪费。

随着物联网、云计算等新一代信息技术的不断发展，智慧城市建设迫在眉睫，智能路灯系统作为智慧城市建设中的重要组成部分之一，发展空间巨大，城市道路照明系统的智能化改造势在必行。

2 基于物联网技术的智能路灯系统

智能路灯系统采用物联网、无线通信、电力线载波通信等技术，通过对路灯的远程集中控制与管理实现高效率、低成本的照明，并通过在路灯上增加无线AP、视频监控、LED屏、应急求助等模块，与物联网、智慧城市融合，成为智慧城市重要的信息来源。因此，城市智能路灯建设是智慧城市建设的一个重要组成部分，可促进智慧城市在城市照明业务方面的落地，提升城市管理及服务能力[1]。

智能路灯系统建设的总体目标是能够对每一个路灯实现智能控制，通过智能路灯监控软件平台进行智能化管理，满足城市基础设施和关键公共服务需求[2]。

1)实现绿色照明。智能路灯系统可以根据道路行人和车流量的变化，在满足市民生活需求和保证社会治安需求的前提下，通过自动降低照明亮度或采用隔一亮一、单侧亮灯等自由组合的路灯控制方式，实现按需照明、节能降耗。改变传统路灯杆的运行和管理模式，建成新型绿色节能照明体系。

2)创建数据平台。作为城市最密集的基础设施，智能路灯系统可以进行城市信息的采集和发布，智能路灯通过集成传感器，采集城市的信息，将产生智慧城市所需的各种数据，这些数据与交通管理系统、警务管理系统、财政管理系统和采购管理系统进行交互，为城市的智慧应用提供多种数据支持。

3)提升管理水平。智能路灯系统可以依靠远程管理，对城市路灯的规划设计、工程建设、日常巡查、维修管理等进行网络化、精细化、规范化管理，改变传统的人工巡查模式，对路灯实现智能监控、筛选，定位故障灯具，及时发现路灯故障、老化、短路等问题，全面真实地监测亮灯率、故障灯率等数据，大大减轻维护人员的劳动强度，并有效降低维护成本。

2.1 系统架构

智能路灯管理系统融合了电力线网络、无线移动通信网络、互联网、传感器网络，通过对城市路灯系统的远程集中管理和监控，实现了路灯系统的智能化管理[3]。

为了提升政府部门、行业协会、路灯厂家对路灯的监控管理和服务能力，基于物联网技术的智能路灯系统平台采用先进的B/S架构，支持管理平台和智能路灯的实时互联、数据智能分析、故障自动告警，该系统架构灵活，可以按需搭建应用，系统的业务逻辑和数据访问、共享等可以通过组件层进行封装，实现基于组件迅速搭建应用。系统总体可以分为四层结构：感知层、网络层、平台层和应用层，系统架构图如图1所示。

图1 基于物联网的智能路灯系统架构

其中感知层为智能路杆，在传统的路灯杆上加载了其他城市管理功能，智能路杆主要包括LED灯、无线AP、视频监控、LED屏、应急求助等模块，智能路杆负责接收前端基础模块的各类信息，包括：状态信息、报警信息、异常信息等，同时智能路杆可接收后台的指令从而对前端设备进行控制。

网络层为前端感知层与管控平台层之间的纽带，通过网络层，前端感知层所有的管理数据及业务应用数据均是通过网络层发送到平台。同时平台下发的各类指令经网络层给到前端感知层。平台层根据应用层的请求，调用相应的业务逻辑进行处理，并将结果反馈给应用层，并提供平台接口将其他第三方相关系统接入。智能路灯管理平台结合云计算和大数据处理对城市照明系统进行监控和控制，同时也可以实现信息发布、环境监测等城市管理功能。应用层针对不同的管理对象提供相应的数据查询、功能操作等，在路灯管理部门设置智能路灯监控中心，可以对城市所有的路灯进行监控和管理。

智能路灯系统中的智能照明子系统通过NB-IoT等网络技术将智能路杆和智能路灯管理平台连接在一起，实现了城市照明系统的智能管理和监控。

2.2 智能路杆

智能路杆属于智能路灯系统的感知层，通过应用先进的无线移动通信技术，打破了传统路灯只有单一照明功能的限制，通过在路灯上集成远程控制与管理、手机信号覆盖、智能感知、安防监控等城市管理功能，将传统灯杆变为智慧城市的重要组成部分[4]，如图2所示。

智能路杆部署设计的需求和原则如下。

1)为了保证市民或游客有充分的时间进行上网冲浪、为便携设备充电、观看播放视频等，在市民或游客可驻足观景、休闲的区域，部署无线Wi-Fi、USB充电、LED显示屏、广播系统等。

2)Wi-Fi设备的覆盖半径约为150米，每隔300米部署一个Wi-Fi设备。在商圈、广场等人员密集区域，可适当缩短部署距离。

3)考虑到主干道行车速度较快，部署LED显示屏会分散驾驶员注意力，通常部署在辅道或人行道上。

4)在交叉路口部署视频监控球机，实现对路口交通通行状况的监测。考虑到网络接入需求，视频监控设备可与Wi-Fi共杆，每隔300米部署一个视频监控探头。

5)在主要路口部署求助报警设备，方便市民在发生突发状况时进行报警求助；在偏僻区域部署求助报警设备，方便市民及时求助获得救护。

6)在可停车区域，根据项目当地实际情况选择性地部署电动自行车或电动汽车充电桩。

7)在公园、景区、工业密集区域可部署环境传感器，监测区域内的空气质量状况。

8)在重点区域，如政府门口、人民广场等区域设置全功能智能路灯杆，展现完整的智能功能。

图2 智能路杆

2.3 智能照明子系统

智能照明控制系统的设计基于分布式系统的集中管理策略，采用分层结构设计，从逻辑关系上看主要分为三层：前端控制采集、数据处理传输和服务器应用。智能照明控制系统由上位机管理软件和终端控制器(单灯控制器)组成，终端控制器安装在照明终端上，并通过NBIoT无线网络与监控中心进行通信。上位机管理软件对每个终端控制器进行控制，从而控制每盏路灯的亮灭及调光，节约电能。并可通过监控终端控制器下的灯具电量信息实现灯具故障报警功能。系统可以外接其他设备(如环境监测设备)采集现场的光照、温度等其他信息，并反馈到上位机管理软件，实现对现场的实时监控。

基于NB-IoT技术的智能照明远程监控系统拓扑图如图3所示。NB-IoT智能路灯监控系统由安装在服务器的智能路灯监控平台以及其他监控设备组成，监控设备包括具有回路开关和电量检测功能的NB-IoT回路控制器，具有单灯开关、调光、状态数据检测功能的NBIoT单灯控制器，具有回路防盗检测功能的NB-IoT线路防盗扩展模块和NB-IoT线路防盗终端。回路控制器、路灯控制器和线路防盗终端通过NB-IoT网络与基站连接，基站将NB-IoT网络与以太网进行连接，并连接到服务器上，服务器上安装了智能路灯监控平台软件，通过这个平台软件，可以下发相关的控制指令控制设备的动作，并可接收设备回传的相关状态和数据信息。

图3 NB-IoT智能路灯监控系统拓扑图

智能照明远程监控系统(PLC电力载波)拓扑图如图4所示。

图4 智能照明远程监控系统(PLC电力载波)拓扑图

智能照明系统实现的功能包括以下几点。

1)远程开关功能：内部继电器触点容量高达16A并支持过零开关灯。

2)远程调光功能：支持PWM/0-10V同时输出 (需灯头支持调光，预留调光线)。

3)状态查询：对回路或灯具状态进行实时监测，可通过控制系统查询任意回路或路灯的运行状态。

4)电量数据查询：具备远程电流、电压、功率采集功能，可查询任意某一回路或某一盏路灯的用电电量数据信息。

5)故障报警：可实现故障检测、故障主动报警功能。各种报警均可设置为使用或不使用。报警内容以软件、微信、邮件、短信、手机APP的方式进行报警提醒。

6)远程升级功能：可远程带电升级集中控制器及单灯控制器程序，不影响设备正常工作。

7)策略设置功能：可按一年四季日出日落、经纬度，采用时控与经纬度控制相结合的控制方案；支持经纬度偏移开关及调光策略，自动控制任意单灯的开、关灯及调光。

8)保护功能：具备灯具过压保护自动切断输出电源功能。

9)地图功能：系统内集成GIS地理信息系统，结合智能路灯的信息，将出现故障的路灯在地图上精确定位，并显示出具体的故障原因。

10)移动终端控制功能：可以通过电脑、手机及其它平板设备，通过互联网登陆智能路灯控制管理系统，实现对所有路灯进行远程控制和管理。

11)系统可扩展性：管理系统采用B/S架构，平台提供开放接口，可扩展连接其它厂商的智慧城市管理系统、设施和设备，也可以与智慧城市平台进行对接。

2.4 监控中心

监控中心是整个项目的中枢和核心，项目所有设备的属性、运行状态和故障报警等信息均可在监控中心的平台进行统一调度管理。指挥中心可将各个子系统按需调用到大屏幕上，为领导决策、指挥调度提供及时、可靠的信息。

监控中心由中心网络设备、图像显示系统、辅助设备三部分组成，如图5所示。

2.5 智能路灯管理平台

智能路灯管理平台结合了云计算和大数据处理技术的发展，系统架构更加合理，使用更加简便，显示形式更加丰富，改善了用户体验。

系统软件使用成熟的JAVA编程语言开发，严格遵守J2EE规范，平台采用分布式数据存储、MVC逻辑架构模式、Web Socket主动推送服务、短信邮件微信信息服务。平台采用监听器和定时器与集中调光控制器协作，可进行报表数据采集、设备运行信息监测、数据同步、操作流程优化。用户端采用浏览器进行访问，使用正向AJAX主动异步请求服务数据和操作，接收反向AJAX的推送信息并及时局部刷新页面数据。系统采用纯粹的B/S物理架构模式，采用美观人性化的操作界面，使用浏览器就可以进行操作，前端使用跨浏览器的jQeury，所以不必担心和旧的系统不兼容等问题。用户可以根据自己的需要选择监控模式、地图模式或列表模式。

智能路灯系统管理平台实现的功能如图6所示，该管理平台除了基本的智能照明监控和控制外，还可以实现以下功能。

1)信息发布。通过智能路灯系统可以在智能路杆上发布信息，传达各种城市信息、天气预报、交通状况、旅游信息和商业广告，实现在不同时段分别播放不同信息，增加经济和社会效益。

2)视频监控。通过智能路灯系统实时监测路灯周围的道路及安全等信息，解决了传统市政监控系统建设成本高、周期长的问题。与传统市政监控管理相比，以智能路灯为载体，可以使用智能路灯的电力系统和通信传输等现有的系统，避免了重复建设所带来的一系列问题。

图5 智能路灯系统的监控中心组成

图6 智能路灯系统管理平台功能

3)环境监测。智能路灯系统可以形成城市感知系统，能够及时、准确、全面地反映不同区域的环境质量现状，为环境管理、规划提供依据。

4)应急广播。当遇到突发的公共安全事件时，应急指挥中心可通过智能路灯系统广播相关的信息，及时通知市民，做好相应的应用保障措施，可以大幅降低突发事件造成的损失。

3 结语

智能路灯作为智慧城市建设的重要组成部分将发挥更大的作用，将城市路灯作为智慧城市的入口，可以解决城市日益增长的公共照明规模与落后的传统管理方式之间的矛盾。本文提出的基于物联网的智能路灯系统采用先进的B/S网络架构，支持平台和智能路灯的实时互联、数据智能分析、故障自动告警。通过该系统的实施，可以提升政府部门、行业协会、路灯厂家对路灯的监控管理和服务能力。