智慧灯杆光学测量模块设计

王 骏

（南京路灯工程建设有限责任公司，南京 210000）

人工智能、大数据、5G等新技术的发展和智慧城市建设，为城市照明灯杆资源的充分利用提供了方向。路灯灯杆的覆盖面广、分布规律为公共服务设施建设提供了良好的基础支撑，因此，推动路灯灯杆的综合利用，努力打造智慧灯杆示范区，规范和科学指导智慧灯杆的建设、发展、运行及维护，可美化城市环境，优化空间结构，促进城市高质量发展。为提高路灯照明质量，在多功能灯杆上增设现场路面亮度、光源显示指数和色温的实时监控系统，防止灾害性天气日光照度骤降影响路灯的照明水平［1］。

1 系统的设计思路、主要结构和通信模式

1.1 设计思路

为便于对道路照明质量的实时监控，及时应对突发性灾害天气，并实时得到现场数据，在智慧灯杆的基础上增加了光学测量模块，采用瞄点式亮度计、光谱传感器和照度传感器，配合自主研发的软件并加装防雨防尘装置，保证测量的准确性、可重复性及稳定性。该测量模块的测量数据将接入智慧城市管理平台，或直接传送至相关管理人员的电脑及手机终端。

1.2 模块组成

1）路面亮度测量单元。使用瞄点式亮度计，对指定路面亮度实时监测，并上传数据。

瞄点式亮度计利用透镜成像原理，通过望远光学系统，在非接触状态下测定光源或物体的亮度，如图1所示。通过直接目视瞄准、调节焦距、变换视角等方法对目标物进行测量，减少测量过程中的人为或外界误差。该系统中不包含任何模拟部分，克服了现有亮度计难以避免的零点漂移问题，具有抗干扰能力和高转换精度，而且仪器采用了大动态范围的数字传感器，消除了传统亮度计的量程切换误差。仪器内含RS232接口，经过计算机软件定标，可用于计算机远程在线监控系统，稳定性高，可实时采集数据［2］。

图1 瞄点式亮度计成像原理图

2）色温、显色指数测量单元。使用光谱传感器，实时测得路灯的色温、显色指数数据，并上传数据。

光谱传感器可将不同的路灯光源进行光分解，通过对光信息的采集和分析，得到不同的光学参数。仪器通过光电倍增管等光探测器测量光谱线不同波长位置的强度。其基本构造由一个入射狭缝、一个色散系统、一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。通过色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上进行强度测定，如图2所示。配套专业的测试分析软件，可查看光谱曲线图及相应的光学参数指标。

图2 光谱传感器的简单结构

3）日光照度测量单元。对天空环境照度进行实时监测，当照度小于一定数值时，及时发出报警信号，并自动点亮路灯。

照度传感器是通过硒光电池将光能直接转换成电能的光电元件。当光线照射到硒光电池表面时，入射光透过金属薄膜到达半导体硒层和金属薄膜的分界面上，在界面上产生光电效应。其产生电位差的大小与光电池受光表面上的照度有一定的比例关系。同时接上外接电路，产生电流，电流值从微安表上显示。光电流的大小取决于入射光的强弱和回路中的电阻。通过变档的调节，可测量不同的照度值，如图3所示。

图3 照度传感器原理图

1.3 通信模式

1）光学测量模块加入物联网，使用NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）网络，定时向服务器发送数据。

2）光学测量模块使用RS232或RS485线，直接按双方设置好的通信协议把数据发送至智慧灯杆，智慧灯杆再向控制中心服务器发送数据。

2 光学模块介绍

2.1 设计效果图

智慧灯杆和光学测量模块组合设计如图4所示。

图4 设计效果图

2.2 系统图

光学测量模块系统如图5所示。

2.3 设计主要技术参数

2.3.1 路面亮度测量单元

1）亮度测量范围：0～10 cd／m2；

2）亮度测量精度：±5%。

图5 系统图

2.3.2 色温、显色指数测量单元

1）色温测量范围：1 500～25 000 K；

2）显色指数测量范围：0～100；

3）测量精度：±5%。

2.3.3 日光照度测量单元

1）照度测量范围：0～200 000 lx；

2）照度测量精度：±5%。

3 软件设计

3.1 设计思路及要求

为实现智慧灯杆的集中统一管理，软件采用Jave EE体系和物联网，形成一个成熟、扩展性强的基础架构，建立集数据测量、数据分析、实时监控、定时传输、及时报警等功能为一体的软件平台。支持Windows操作系统、支持SQL Server、MySQL等主流数据库系统，并提供应用和数据接口给使用部门和管理部门。设计时考虑到要与现有的城市照明智能化系统（如集中控制系统、单灯控制系统）对接，最大程度保护已建资源，同时考虑今后的软件升级与无缝扩展问题。

软件不仅支持运维单位的私有部署安装，还支持云端部署安装，并提供相应的手机APP。

软件满足以下要求：

1）采用统一的账号和权限管理机制；

2）支持弹性扩展；

3）支持新增特性的快速上线、发布；

4）支持在线升级、回退和扩容［3］。

3.2 软件界面设计

照度、亮度测量界面如图6所示。

色温、显色指数测量界面如图7所示。

图6 照度、亮度测量界面

图7 色温、显色指数测量界面

通过软件可以对现场的照度、亮度、色温、显色指数实时测量，并通过无线网络定时向服务器发送数据。软件曲线图也可看出不同时段数据的变化情况。

4 运行与维护

1）每季度定期对系统进行一次全面的功能性检查，并及时提交系统运维报告。

2）由于户外灰尘较多，需定期对瞄点式亮度计、光谱传感器、照度传感器进行清理，保证测量的准确性。

3）如遇极端天气或重大节假日、重大活动前，应加强对系统的检查、维护。

4）检测时主要查看传感器的防护、固定以及供电和通信情况，对后台采集的数据进行验证，并定期校验传感器。

5 结论

随着城市建设规范化、科学化的不断进步，智慧灯杆的运用将更加广泛，光学测量模块的增加有效提高了智慧灯杆的利用率，实时反映了室外光学数据的变化情况，以提高路灯照明水平和突发灾害性天气时对路灯的管控能力。