基于5G的新一代智慧路灯设计方案

袁珍

（黎明职业大学通识教育学院，福建泉州 362000）

从2G 发展到3G、4G，移动互联网络实现了人与人之间的快速连接和移动数据接入。到了第五代移动通信技术，也就是5G 时代，将提供更加强大的连接和移动接入能力。而且不仅仅是人与人，还包括了人与物、物与物的多种连接，数据交互的内容和方式也更加丰富多样，从而开创出万物互联的新时代。

5G 将会推动智慧城市、智能家居能诸多方面的快速发展，最终将极大改变人类的生产、生活方式，提升社会生产力水平，从而提高国家的综合竞争力。从国际视角来看，目前5G 在技术标准、网络部署等方面均取得了阶段性进展，新的应用场景与市场化探索也逐渐显现[1]。

1 方案产生背景

城市道路照明系统中，路灯是最为重要的公共设施。目前我国道路路灯所使用的系统仍存在缺陷，例如智能化程度低、功能性较低，电力资源浪费等。我国现有路灯占照明耗电的30%左右，达到全国耗电总量的10%，节能减排成为经济建设中一个重要目标。

近几年来，我国大力推广智慧城市建设。其中，重点建设领域为弹性能源管理、基础设施、数据驱动的公共安全治理以及智能交通。三者建设将超出整体智慧城市比例的一半[2]。“新一代技术物联网智慧路灯LED 照明”是数字化智慧城市新基建重要的组成部分，由此传统路灯照明可以改造升级为全球化能源的节能智慧管理，包括市政路灯，新农村建设，文旅景区，美丽乡村，小区广场等场所[3]。

新一代通讯技术，尤其是5G 的产生，进一步推动了智慧城市的发展。智慧灯杆便是其中一个内容，起初“多杆合一”目的只是为了合理、有序使用城市空间，美化道路环境，对道路沿线的路灯杆等进行整合。随着5G 建设的推进，正是智慧灯杆千载难逢的发展机遇。

2 方案简述

目前智慧灯杆建设方案主要基于物联网，在已有的城市智慧灯杆系统建设中主要有基于LTE（4G）技术、PLC 控制技术、NB-IOT（窄带物联网）等解决方案[4][5]，而本文的设计方案主要基于的是5G 接入技术。智慧路灯系统设计方案的基本框架见图1。

图1 智慧路灯系统示意图

在本方案中，整个系统分为传感设备层、通信控制设备层、管理系统层、应用层，共有四层框架结构，如图2 所示。方案包括传感器设备、通信控制设备、管理平台系统和应用设备。传感设备通过通信控制设备提供的接口和协议进行连接，通信设备通过5G 网络接入管理平台系统，应用层则通过网络接入管理平台系统实时监测、控制传感设备。通过这四层结构，使得系统的监控、控制、维护、管理更加便捷和智能，特别是在传感设备层中，设置了按键和充电口，可在灯杆上增加多种切实便民的功能。

图2 系统框架结构图

3 智慧灯杆设计

路灯的灯杆设计见图3。就单灯的设计而言，在每个路灯的灯杆部分安装单灯控制器，实现对每盏路灯的远程开关控制、远程亮度调节、灯杆位置等信息采集。在本方案中，灯杆还附加了一键报警、环境监测、充电桩等子功能，这也是本方案的特色之一。

图3 路灯灯杆结构图

一键报警系统包括呼叫按钮、可视化对讲系统、GPS 或北斗双星定位系统。市民如果遇到紧急情况，可以按下灯杆的一键报警按钮，在按钮呼叫后，可开启可视化对讲，与此同时，自动发送报警灯杆的定位。在投入使用后，该系统可以与公安系统联网，监控中心根据可视化视频，结合摄像头视频监控情况联系公安、医疗、消防救援单位。

环境监测系统采集数据传输给管理平台中的环境监测子系统，并受其控制。需要实时采集的环境数据有：PM2.5、PM10、噪声分贝值、温湿度值、道路水浸深度数据等。系统将数据采集，经过初步整理分析，主动上报给管理平台并分类存储。

随着新能源汽车的普及，对于城市智能充电桩的需求也越来越多。本方案中灯杆还设置了充电桩子单元，可以为新能源汽车提供充电口。另外，还具备实时监测充电状态和账户余额的功能。因此，在管理平台也设置有充电桩监控子系统，远程读取数据，监控充电前端的电气参数。可以根据需要设置告警规则，监控充电设备状态，以便在出现异常时可以及时处理。

4 接入方案

在通信控制设备上，采用了一个5G 工业网关，可以支持4G/5G 全网通，解决了兼容问题。在此基础上预留了RS485、WIFI 等多种接口，采用多接口多协议的模式，可将连接设备快速接入互联网，实现安全可靠的数据传输。

ITU-R（国际电联）确定的5G 主要应用场景，也即是5G 通信的三大网络能力包括3 大类，分别是增强型移动宽带（eMBB，简称大带宽）、大规模机器类通信（mMTC，简称大连接）及高可靠和低延迟通信（uRLLC，简称低时延）。其中，大规模机器通信适用于能源、公用事业、城市基础设施和环境监控等方向。当前，5G 应用首先从大带宽场景开始，逐渐向大连接和低时延类渗透。

本案例中，数据主要体现在电力系统监测、环境监测几个方面，数据量较小，本身使用窄带物联网或者4G 网络也有能力提供数据吞吐量。但是，本系统一方面采用了一键报警的实时共享画面功能，部分时刻数据量较大；另一方面，考虑到后期的扩容和新增功能，使用5G 网络能够使系统更加灵活，可扩展性强。

5 结论和意义

（1）照明光源或灯头全部更换为新一代技术物联网智慧路灯LED 照明，光色统一，可以实现智慧路灯LED 照明集中管控、防雷、防漏、智能调光、智能控光、智能监测。

（2）节约能源、减少排放，利于政府完成节能减排目标考核。通过智慧路灯LED 照明改造，节能率可高达70%以上，这样将缓解电力负载压力，剩余电力资源可供其他建设项目。

（3）通过改造老旧破损的灯具等照明基础设施，减少故障发生，提升城市形象，达到节约能源效果。

（4）配合智能化控制系统，实施市政管理信息化建设，提高能源利用效率，优化管理手段，提升智慧管理水平。

（5）整体路面照度、均匀度满足国家相关标准，减少治安及交通安全隐患。

基于5G 的智慧路灯设计方案提出的目的是实现城市智慧路灯的建设，研究重点在于搭建智慧路灯管理系统和探索智慧路灯远程快速控制方式，最终达到简化管理、节能减排的目的。