城市道路智慧照明物联网的关键技术

2019-09-26刘友泉章旭敏高俊海周逊盛

照明工程学报 2019年4期

刘友泉，章旭敏，高俊海，冯银，周逊盛

(1.杭州市城市照明发展中心，浙江杭州 310007；2.杭州市路灯管理所，浙江杭州 310020；3.浙江大云物联科技有限公司，浙江杭州 310012)

引言

伴随着物联网技术的兴起，城市道路智慧照明已经从路灯照明本身的智能化逐步向基于路灯杆的综合利用发展。路灯杆作为物联网技术的载体，逐步过渡到集道路照明、信息发布、环境监测、视频监控、充电桩等于一体的多功能智慧灯杆。2019年发布实施的《道路照明灯杆技术条件》对多功能杆给出了明确的定义为：杆体除道路照明功能以外，设置其他非道路照明的多功能灯杆[1]。多功能智慧灯杆集智慧照明、智慧交通、安防监控、环境监测、充电服务等于一体[2]，是多功能杆最重要的种类，也是智慧城市智能感知设备的最佳接入载体。北京等地出台了一系列复合型路灯杆设计、施工、应用规范[3]。随着智慧城市建设的逐步推进，多功能智慧灯杆将迎来发展的巨大机遇。

当前，多功能智慧灯杆发展仍存在诸多难点，主要包括：①系统集成困难，集成成本高。多功能智慧灯杆以灯杆为载体，将城市照明控制、视频监控、语音广播、报警求助、环境检测、汽车充电、信息交互、井盖检测等功能集于一杆，而每一种功能的组件有众多的品牌，不同品牌的组件又有不同的通信协议，适配众多不同的通信协议困难，系统集成难度大、成本高。②系统集成质量不高。由于灯杆集成了众多不同功能的组件，每个集成产品系统长期运行的可靠性存在不确定性，因此如何通过第三方推荐、加速试验、压力测试以及现场检测等多种方法掌控集成产品质量也是一个难题。③网络复杂度造成数据采集稳定性不佳，影响业务连续性。多功能智慧灯杆中往往需要一个网关[4]，汇聚各个灯杆组件的数据。由于各组件通信接口的多样性，RS485、LAN、LoRa等不同的通信方式并存，网络环境复杂，网关必须要设计通信网络自诊断及自适应技术，在对不同网络合理调度通信的同时，实时诊断通信状态，发现通信异常时具备网络恢复及报警能力。

物联网技术(internet of things, IOT)是破解城市道路多功能智慧灯杆发展难题的一项关键技术[5]。本文通过对物联网的技术框架及关键技术的分析，探讨如何应用物联网技术解决多功能智慧灯杆的系统集成及网络复杂度等难点问题。

1 物联网的技术框架

物联网架构一般分成感知层、网络层、应用层[6]。随着边缘计算技术的兴起[7]，边缘网关在整体架构中成为关键设备。我们将其从网络层中独立划分为一层，即形成如图1所示的“云、管、边、端”四层架构。

1)端(感知层)。端即感知层，包含各类传感器及智能仪表。多功能智慧灯杆中的单灯控制器、信息屏、监控相机、环境传感器等都属于感知层设备。这些设备利用各种机制把被测量转换为电信号，再由相应信号处理装置进行处理，并可对外提供数据信息。从多功能智慧灯杆集成的角度看，可优先选用具有RS485(Modbus RTU协议)、传统4—20 mA模拟量等标准接口的传感器。

2)边(边缘网关)。边缘网关的存在是多功能智慧灯杆物联网框架区别于NB、LoRaWan物联网体系的关键。边缘网关的设计是为了在边缘侧聚合数据，以及在边缘侧完成端到端的信息协同。利用网关可编程的边缘计算能力，无需通过云平台中转，即可完成端设备联动，从而具备更高效更实时性的设备联动效果。边缘网关为了聚合数据，其面向端设备的网络适应能力、协议解析能力是核心技术指标。

3)管(通信网络)。管是边缘网关到云端的网络传输管道，由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统等组成，在物联网中起到信息传输的作用，该层主要用于对边缘网关和应用层之间的数据进行传递，它是连接端边云各层的桥梁。通信网络的数据传输安全性，采用合适的加密技术，避免信息泄密，也是通信网络的重点设计内容。

4)云(应用层)。云端应用层位于物联网架构的最顶层，其核心功能是经过云计算平台的信息处理，形成面向不同业务应用服务[8]。应用层将物联网技术与行业专业系统相结合，实现垂直行业应用[9]，如智慧照明、智慧医疗、共享汽车等，支撑跨行业跨系统之间的信息协同、共享、互通，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。

图1 物联网技术框架

2 物联网的关键技术

边缘网关是智慧灯杆内各个组件集成在一起的关键部件，具备以下关键技术。

1)基于设备模型驱动的泛化物联技术。它是实现物联网系统中物理模型与真实设备间的匹配、物联网万物互联的关键技术[10]。依托云平台的设备管理功能，可自由创建端设备物理模型，从物理属性、控制服务、通信协议解析脚本等维度对端设备进行描述，依托通用的网关通信组件、协议解析组件完成端设备泛化接入。[11]对于标准化协议，物理模型的创建可以简化通信协议解析脚本配置，从而使得标准协议端设备的接入更为容易。在完成模型创建后，真实设备的添加是一个设备实例化的过程，只需要选择设备类型(与模型一一对应)、填入真实设备的通信地址，即可自动添加该设备的属性、服务及协议脚本。

2)边缘协议解析及边缘计算技术。对于多功能智慧灯杆的应用场景，本地化的边缘计算能力有助于减少整个系统云端计算压力，并增加端设备间的响应实时性。如图2所示，从端设备数据接入开始，边缘网关可发起主从通信模式端设备的数据采集，通过协议插件加载，从本地或服务器加载协议脚本，完成端设备查询数据包组包，并发至通信队列，经虚拟消息总线交驱动层发送至端设备。对于端设备的应答数据或者主动上报数据，边缘网关同样加载协议插件，并调用协议脚本中相应方法完成上报数据解析、数据格式标准化及数据存储。边缘计算模块则负责对标准化的端设备数据进行逻辑运算处理[12]。边缘计算线程首先识别各算法的执行周期，根据执行周期加载边缘算法，依托边缘计算引擎，识别云平台可编辑的边缘算法，加载运算数据并执行算法逻辑，生成端设备的控制指令。控制指令经由虚拟消息总线，传递至服务下发线程，由其通过边缘协议服务组包功能，将控制指令组成端设备可识别的数据包下发至端设备，从而通过边缘网关实现端端协同。

图2 边缘协议解析及边缘计算流程

3)用户可控数据流向技术。对于NB-IoT、LoRaWan等物联网体系，端设备的数据将直接上传到各厂商的公有云平台，用户无法选择数据流向。如图3所示，采用边缘网关架构的物联网体系，在端设备和云平台之间增加了边缘网关，通过边缘网关汇聚的数据，可按用户上传至各用户布置的私有云平台，并由用户配置将自主授权数据上传到公有云平台。

图3 用户可控数据流向示意图

4)开放性生态架构。从物联网的推广应用看，采用开放性生态架构是构建物联网设备生态体系的关键所在[8]。对于NB-IoT、LoRaWan等物联网技术，需要端设备厂商主动适配，开发相应接口的端设备，才能加入到生态体系中。通过驱动协议下沉、协议转换设备研发，依托供应商考查体系，选用合适的端设备厂商，主动适配其端设备产品，可以构建更灵活的端设备生态体系。

5)信息安全技术。物联网除面临物理安全、运行安全、数据安全等一般信息网络的安全问题外，还面临特有的威胁和攻击, 如物理俘获、传输威胁、阻塞干扰、信息篡改等[13]。对于感知层网络，受端设备资源限制，可采用接入授权及轻量级数据加密组合的方式[14]。边缘网关中内嵌允许接入感知层端设备列表，网关不接收未经授权设备上报数据。轻量级数据加密则可采用64位ECB分组加密算法，资源负荷较低。对于边缘网关到云平台之间的传输网络，可采用网关授权、数据AES加密机制。通过边云协同访问控制，云端可阻止未经授权的访问。同时，为防止数据包在网络传输中被异常截获，采用128位AES加密算法加密数据，增强数据安全性[15]。正常授权的边缘网关数据传输到公有云平台后，还涉及到云平台的数据分发问题。公有云平台容纳了不同用户网关上传的数据，云平台可将用户账号与端设备绑定，使得不同用户间数据隔离，从而保护用户隐私，避免信息泄露。

3 工程应用案例

以上介绍的依托边缘网关的物联网技术体系已被应用在多个智慧照明项目中，杭州市主城区路灯杆综合利用项目是其典型应用案例之一。该项目包含节能改造和信息化建设两部分，其中节能改造包含主城区范围内的5.6万盏路灯智慧化改造，安装30765个免维护单灯控制器接入到云端管理平台；信息化建设要完成“一中心两个平台”以及大桥吊杆索力监测、隧道结构安全监测、污水管网监测、河道船只定位、道路超重车辆监测等10个物联网试点。

杭州市主城区路灯杆综合利用项目中，路灯智慧化改造依托NB-IoT单灯控制器，直接连接云端管理平台；信息化建设则采用边缘网关架构，使用的LoRa网关具备LoRa无线、WIFI、LAN、RS485等多种端设备通信接口，可接入符合MODBUS RTU、CJ/T 188、DL/T 645等标准协议的智能设备，同时通过协议编辑可接入非标协议智能设备，如图4所示，通过网关汇聚管网数据、环境数据、河道船只定位数据，并经网关连接云端管理平台。

图4 杭州主城区路灯杆综合利用项目的市政信息化系统架构

云端管理平台针对照明业务的管、养、建等不同环节，利用工作流引擎对业务流程进行改造，将线下巡察人员、管养车辆、设备设施、线路耗材等多维度管理对象纳入统一管理体系，开放移动端运维能力，打通线上线下业务，强化故障与派工联动，在适配当前业务特点的同时，为长效管理和绩效考核提供基础数据支撑，确保了管理闭环。在日常运营过程中，平台对获取到的大量城市照明基础数据进行深化挖掘和分析，探寻数据间的关联性，实现对设备故障的相关性分析、养护工单的原因排名，以及各种实时状态数据的集中化展示，从而运用技术的手段辅助管理的决策，真正意义上实现城市智慧化、数字化照明管理。

该项目已经完成5.6万盏路灯改造，单灯上线率超过99%。项目利用物联网技术，将城市照明等市政基础设施变得智能化，具备自我诊断、自我报警功能，提升了市政设施运维效率，降低了运维成本。