張 輝，高照陽(yáng)

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引 言

交通道路照明是城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。隨著城市化進(jìn)程加快，交通道路照明燈具數(shù)量不斷增加，耗能越來(lái)越大，電力供應(yīng)趨于緊張。此外，城市照明的人工控制、路燈巡檢等維護(hù)成本高昂，給城市管理帶來(lái)很大困難。管理部門需要更高效的管理和節(jié)能方案，以促進(jìn)城市照明和綠色節(jié)能的科學(xué)管理。因此，智能化管理路燈改造方案迫在眉睫。

智慧照明是新型智慧城市建設(shè)的重要組成部分，它利用傳感器技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)和LoRaWAN通信技術(shù)等將城市中的各孤立路燈串聯(lián)起來(lái)形成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并將采集到的信息傳輸?shù)匠鞘羞\(yùn)行管控平臺(tái)，根據(jù)交通流量、時(shí)間、天氣條件等因素自動(dòng)設(shè)置方案，實(shí)現(xiàn)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)、照明遠(yuǎn)程控制、故障主動(dòng)報(bào)警、燈線防盜、遠(yuǎn)程抄表等功能，完成對(duì)交通道路路燈的集中遠(yuǎn)程控制和管理。智能路燈能夠有效控制能耗，節(jié)約電力資源，提高公共照明管理水平，降低維護(hù)管理成本；利用大數(shù)據(jù)分析等信息處理技術(shù)對(duì)海量感知信息進(jìn)行處理，為智能響應(yīng)和智能決策提供支持，滿足民生、環(huán)境、公共安全等多方面需求，使交通道路照明達(dá)到“智慧”狀態(tài)。

此外，由于城市擁有數(shù)量龐大的路燈設(shè)施，是分布最密集的城市基礎(chǔ)設(shè)施，便于信息的采集和發(fā)布，因此，智慧路燈系統(tǒng)可以作為智慧城市建設(shè)的最佳切入點(diǎn)和服務(wù)端口。智慧路燈系統(tǒng)作為未來(lái)城市物聯(lián)網(wǎng)的重要信息采集源頭，可以促進(jìn)智慧市政在燈光照明業(yè)務(wù)領(lǐng)域的落地，提升城市和市政服務(wù)的能力。

1 城市照明系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)《“十三五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》指導(dǎo)要求，本研究通過(guò)調(diào)查包括直轄市、省會(huì)城市和地級(jí)市在內(nèi)的80多個(gè)城市的道路照明數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，目前大部分城市交通道路照明系統(tǒng)中路燈的開(kāi)、關(guān)控制仍由每臺(tái)配電箱分散控制，只有北京、上海等重點(diǎn)城市的部分地區(qū)采用了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理，并在極小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“三遙控制”（遙測(cè)、遙控、遙信）智能控制系統(tǒng)控制照明設(shè)備。這種控制方式缺乏靈活性，不能實(shí)時(shí)獲取每個(gè)路燈的狀態(tài)，不能根據(jù)實(shí)際情況對(duì)路燈進(jìn)行單燈控制和監(jiān)控，調(diào)節(jié)路燈的亮度，達(dá)不到高效的節(jié)能效果。如果能夠構(gòu)建城市照明綜合管控平臺(tái)，通過(guò)信息化手段對(duì)城市照明資產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、能耗監(jiān)測(cè)、監(jiān)督評(píng)估進(jìn)行數(shù)據(jù)化管理，實(shí)現(xiàn)城市照明信息資源的開(kāi)放共享，將極大地滿足現(xiàn)代城市照明的智慧化管控需求。

當(dāng)前構(gòu)建智慧城市道路照明系統(tǒng)主要涉及兩個(gè)方面：（1）節(jié)能控制：首先對(duì)基礎(chǔ)路燈照明和開(kāi)關(guān)控制改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)單燈的節(jié)能管理；其次利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新型技術(shù)打造智慧路燈綜合管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域路燈的節(jié)能優(yōu)化控制。（2）打造成智慧城市信息采集端口和服務(wù)端口。

構(gòu)建智慧城市道路照明系統(tǒng)的具體實(shí)施方案如下：

（1）使智慧路燈系統(tǒng)具備有效的節(jié)能減排的能力

首先，對(duì)基礎(chǔ)路燈進(jìn)行節(jié)能化改造。將傳統(tǒng)的金鹵燈或高壓鈉燈類的高耗能光源替換為新型節(jié)能LED光源，并安裝可以通過(guò)0～10 V、PWM等接口實(shí)現(xiàn)調(diào)光降功率運(yùn)行的單燈控制器對(duì)路燈進(jìn)行智能控制，提升城市路燈的智慧化控制水平，同時(shí)又達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

其次，構(gòu)建具備數(shù)據(jù)采集分析能力的智慧路燈綜合管控平臺(tái)。在原有“三遙控制”系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)，融合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燈光節(jié)能管理、設(shè)施安全監(jiān)控、車流路況分析和生產(chǎn)管理等功能。也就是通過(guò)日照情況自動(dòng)調(diào)節(jié)照明亮度或根據(jù)車流變化、道路行人情況采用間隔亮燈等自由組合的路燈控制方式，實(shí)現(xiàn)按需照明、節(jié)能降耗。

相比全路段單開(kāi)關(guān)的控制方式，以智慧路燈綜合管控平臺(tái)為核心的智能照明系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的遠(yuǎn)程管理，能夠精準(zhǔn)定位故障設(shè)備、智能監(jiān)控單燈能耗、分析和調(diào)控道路燈光分布，減少了管護(hù)人員和車輛外出巡檢次數(shù)，大大降低了維護(hù)人員工作強(qiáng)度和運(yùn)營(yíng)成本。目前，國(guó)內(nèi)已有300座以上的城市開(kāi)啟了智能照明管理系統(tǒng)的試點(diǎn)工作，并在街道、廣場(chǎng)公園、學(xué)校社區(qū)等區(qū)域的照明節(jié)能方面取得了顯著成效。

（2）以智慧路燈系統(tǒng)作為智慧城市信息采集和服務(wù)端口

城市路燈作為城市分布最密集的基礎(chǔ)設(shè)施，如果只作為照明工具將是一種巨大的資源浪費(fèi)。通過(guò)信息技術(shù)手段，對(duì)燈桿進(jìn)行改造后集成各類型傳感器和終端設(shè)備作為智慧城市信息采集和服務(wù)的端口，將燈桿采集的數(shù)據(jù)上傳到云端分類匯總后并入政府機(jī)構(gòu)中的交通系統(tǒng)、警務(wù)系統(tǒng)、財(cái)政系統(tǒng)等為智慧城市的大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供支持。技術(shù)升級(jí)后，路燈燈桿將集成WiFi基站、攝像頭、雷達(dá)、顯示屏、充電樁等變成一個(gè)信息綜合載體，具備環(huán)境監(jiān)測(cè)、噪聲監(jiān)測(cè)、車輛監(jiān)控、安防監(jiān)控、地下管網(wǎng)監(jiān)控、洪澇災(zāi)害預(yù)警、市民應(yīng)急報(bào)警等功能，如圖1所示。這些燈桿組成的路燈系統(tǒng)實(shí)際上就變成了一個(gè)龐大的城市神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為智慧城市綜合管控平臺(tái)提供了豐富的數(shù)據(jù)。智慧路燈作為城市物聯(lián)網(wǎng)重要的信息采集來(lái)源，能夠在提升節(jié)能減排能力的同時(shí)，有效促進(jìn)城市及市政服務(wù)能力的提升。

圖1 智慧路燈集成功能示意圖

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)不斷融入城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，城市管理與服務(wù)也變得越來(lái)越智慧化。智慧路燈系統(tǒng)作為智慧城市系統(tǒng)的子模塊，憑借其龐大的數(shù)量和廣泛的分布范圍，可以成為城市各類信息采集和服務(wù)的重要載體，拓寬城市管理服務(wù)的智慧化潛力。

2 智慧路燈系統(tǒng)架構(gòu)

本研究提出的智慧路燈系統(tǒng)按照信息感知、數(shù)據(jù)傳輸、智慧應(yīng)用的數(shù)據(jù)流程模式劃分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖2所示。按照“高內(nèi)聚+低耦合”的構(gòu)建理念，使各層級(jí)模塊間既要彼此獨(dú)立又要具備協(xié)作能力。感知前端從道路環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)采集并從現(xiàn)有信息庫(kù)中提取目標(biāo)數(shù)據(jù)后，依靠各類型信息傳輸網(wǎng)絡(luò)將匯總數(shù)據(jù)供應(yīng)至大數(shù)據(jù)處理中心開(kāi)展數(shù)據(jù)治理（理、采、存、管、用），然后提出智慧化的決策和解決方案以解決城市交通管制過(guò)程中面臨的問(wèn)題，輔助智慧城市建設(shè)順利開(kāi)展。

圖2 智慧路燈系統(tǒng)架構(gòu)

（1）感知層

感知層是指利用物聯(lián)網(wǎng)信息感知技術(shù)，如RFID、GIS、攝像頭、遙感遙測(cè)等信息傳感設(shè)備或技術(shù)，針對(duì)性地提取城市道路中人、車、環(huán)境等綜合信息并按照數(shù)據(jù)中心的處理需求分類整理，為城市交管高效運(yùn)行提供決策依據(jù)。本研究提出的智慧路燈感知層以基礎(chǔ)信息的感知和監(jiān)測(cè)為核心，通過(guò)集成智能燈桿、溫濕度傳感器、光敏傳感器、分貝儀、攝像頭、單燈控制器、顯示大屏、外設(shè)音響等設(shè)備，全面獲取聲、光、電、熱、濕度、噪音、粉塵、人流、車流等各類信息。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是指利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)把感知層采集到的各類數(shù)據(jù)安全、可靠、無(wú)障礙地傳送至信息處理中心，它解決的是數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯?wèn)題。本研究提出的智慧路燈網(wǎng)絡(luò)層細(xì)分為下部物聯(lián)網(wǎng)層和上部基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層。下部物聯(lián)網(wǎng)層主要利用NB-IoT、ZigBee、LoRaWAN等通信手段，構(gòu)建數(shù)據(jù)短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)；上部基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層主要利用互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)、廣電網(wǎng)等覆蓋城市的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)底部物聯(lián)網(wǎng)層將信息安全高效地遠(yuǎn)傳至大數(shù)據(jù)處理中心。

（3）應(yīng)用層

應(yīng)用層是智慧路燈系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理和智能分析，能夠?yàn)榈缆氛彰?、環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、信息查詢、信息發(fā)布、用戶管理提供智慧化決策依據(jù)。例如：在綜合管控中心操作界面上能實(shí)時(shí)查看所有路燈狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)單燈控制、燈組控制、廣播控制等控制模式，同時(shí)提供GIS定位顯示每盞路燈的地圖定位；利用人流、車流和經(jīng)緯度日光數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈照明亮度和亮燈模式降低照明能耗；路燈故障或線纜損壞時(shí)能自動(dòng)上報(bào)故障數(shù)據(jù)，并將預(yù)警消息通過(guò)手機(jī)短信、電子郵件等方式提醒道路養(yǎng)護(hù)人員；局域路段出現(xiàn)擁堵后，自動(dòng)上傳擁堵路段位置并規(guī)劃通行方案，通過(guò)燈桿廣播系統(tǒng)提示通行車輛優(yōu)化行程；定期自動(dòng)生成能耗報(bào)表和數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)并提出建議決策等。

3 智慧路燈系統(tǒng)建設(shè)方案

本研究提出的智慧路燈系統(tǒng)主要包含七個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)和一個(gè)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，分別為：路燈管控子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、應(yīng)急充電系統(tǒng)、報(bào)警求助子系統(tǒng)、信號(hào)傳輸子系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)和智控管理云平臺(tái)。以上應(yīng)用子系統(tǒng)間可以獨(dú)立工作，也可以根據(jù)實(shí)際需求自由聯(lián)合運(yùn)作（如圖3所示），具備較強(qiáng)的個(gè)性化設(shè)置能力，共同構(gòu)成了以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的“感傳智用”綜合管控系統(tǒng)。

圖3 智慧路燈系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

（1）路燈管控子系統(tǒng)

路燈管控子系統(tǒng)以高效能LED作為照明光源并具備照明智能控制功能，可以按照時(shí)控光控綜合控制、邏輯分組控制、景觀照明控制、節(jié)能優(yōu)先控制等模式進(jìn)行路燈開(kāi)關(guān)智能管理，具備對(duì)單個(gè)燈具、組燈具、區(qū)域燈具的監(jiān)控能力，能夠根據(jù)路面狀況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)燈光照度值，有效節(jié)約能耗；此外，還具備故障實(shí)時(shí)報(bào)警功能。照明開(kāi)閉指令下達(dá)后，接收路燈沒(méi)有按照指令要求開(kāi)或閉，系統(tǒng)就會(huì)即刻主動(dòng)報(bào)警，并將可能故障信息、燈具位置等信息以手機(jī)消息或APP消息的方式反饋到后臺(tái)運(yùn)維人員手中，實(shí)現(xiàn)了照明數(shù)據(jù)的全流程掌控。

（2）視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)通過(guò)布置于燈桿上的360°全景高清攝像頭直接獲取道路現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，例如人流、車流、交通事故、道路障礙等；后臺(tái)管理人員可以全局概覽、總體查看交通情況，也可以對(duì)局部區(qū)域、重點(diǎn)路段詳細(xì)查看；同時(shí)具備調(diào)用事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)周邊路段監(jiān)控的能力，能夠?yàn)榻还苋藛T指揮判斷提供及時(shí)準(zhǔn)確的決策依據(jù)，最大程度地減少事故損失和保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。此外，全區(qū)域路面通勤情況會(huì)被實(shí)時(shí)上傳至云端智控管理云平臺(tái)，針對(duì)擁堵路段會(huì)主動(dòng)規(guī)劃合理通行路線并通過(guò)廣播或燈桿上的顯示大屏反饋給行車司機(jī)，減緩交通擁堵，節(jié)省司機(jī)通勤時(shí)間。

（3）環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過(guò)集成于路燈燈桿上的各類型環(huán)境傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、粉塵、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、噪聲等路面環(huán)境信息，然后將檢測(cè)信息上報(bào)到云端智控管理云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合分析處理，通過(guò)城市電視臺(tái)、廣播、燈桿顯示屏、導(dǎo)航播報(bào)實(shí)時(shí)發(fā)布信息，方便交通出行。此外，這些數(shù)據(jù)還可以為氣象局、環(huán)保局等部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)政府規(guī)劃管理。

（4）應(yīng)急充電系統(tǒng)

應(yīng)急充電系統(tǒng)包含電動(dòng)汽車交流電充電樁并按里程間隔設(shè)置于路燈燈桿上，同時(shí)配備充電停車位，可實(shí)現(xiàn)按照時(shí)間、度數(shù)、金額、運(yùn)行里程充電，也可作為居民購(gòu)電終端。該系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有電動(dòng)汽車品牌和型號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以根據(jù)電動(dòng)汽車的型號(hào)自動(dòng)匹配充電電壓等級(jí)；對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有的車輛型號(hào)，用戶可根據(jù)液晶顯示屏指示操作人工選擇充電電壓和模式，保障了充電安全性的同時(shí)，也解決了城市電動(dòng)車充電難的問(wèn)題。

（5）報(bào)警求助子系統(tǒng)

報(bào)警求助子系統(tǒng)對(duì)接警務(wù)系統(tǒng)市民信息數(shù)據(jù)庫(kù)，具備人臉識(shí)別、視頻對(duì)話功能。當(dāng)市民遇到緊急情況時(shí)，只須按下一鍵求助按鈕，戶外分機(jī)會(huì)即刻呼叫監(jiān)控中心，此時(shí)轄區(qū)110指揮中心平臺(tái)上會(huì)彈窗顯示報(bào)警人位置、報(bào)警人身份信息、報(bào)警人現(xiàn)場(chǎng)視頻等，并聯(lián)動(dòng)最近的警務(wù)中心實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，就近出警。該系統(tǒng)可以有效地打擊犯罪份子，維護(hù)城市治安秩序。

（6）信號(hào)傳輸子系統(tǒng)

信號(hào)傳輸子系統(tǒng)集成無(wú)線AP作為WLAN網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，其信號(hào)強(qiáng)度大于-65 dBm時(shí)覆蓋半徑大于燈桿間距，實(shí)現(xiàn)區(qū)域盲點(diǎn)的覆蓋。WiFi熱點(diǎn)可以采用大功率雙頻無(wú)線接入點(diǎn)覆蓋模式，并采用支持新一代802.11ac協(xié)議的室外型雙頻無(wú)線AP，支持3×3MIMO、2.4 GHz和5 GHz頻率、無(wú)線網(wǎng)橋，兼容IEEE 802.11a/b/g/n/ac標(biāo)準(zhǔn)。雙頻可以同時(shí)開(kāi)展多項(xiàng)業(yè)務(wù)，提供更高的接入容量，具有完善的業(yè)務(wù)支持能力和用戶接入控制能力、高等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)安全性、靈活的組網(wǎng)和環(huán)境適應(yīng)能力、簡(jiǎn)單的設(shè)備管理和維護(hù)能力、高可靠性和防護(hù)等級(jí)等特點(diǎn)，滿足交通路面環(huán)境網(wǎng)絡(luò)部署要求。此外，由于城市照明系統(tǒng)中溫濕度、粉塵等傳感器采集的數(shù)據(jù)量不大，因此可以靈活采用功耗更低、距離更遠(yuǎn)、抗干擾能力更強(qiáng)、組網(wǎng)靈活的LoRaWAN傳輸技術(shù)，輔助信息傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

（7）信息發(fā)布子系統(tǒng)

信息發(fā)布子系統(tǒng)包含LED顯示和廣播發(fā)布系統(tǒng)，內(nèi)嵌LAN、WiFi6、5G智能管理模塊，平時(shí)可以發(fā)布公益廣告、道德法制類提升百姓素質(zhì)的信息；特殊情況下能夠承載人流疏散、緊急情況提示、尋人廣播、區(qū)域地圖顯示、空氣污染狀況顯示等功能。

（8）智控管理云平臺(tái)

智控管理云平臺(tái)是智慧路燈系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯集中心節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、分析、監(jiān)管、維護(hù)的重任，是實(shí)現(xiàn)智慧化管控的核心環(huán)節(jié)。具有遠(yuǎn)程控制、地圖監(jiān)控、實(shí)時(shí)檢修、系統(tǒng)報(bào)警、能耗分析、績(jī)效分析、系統(tǒng)報(bào)警、項(xiàng)目管理、賬號(hào)管理、資產(chǎn)管理等功能。

遠(yuǎn)程控制是指具備自動(dòng)或手動(dòng)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)、快速部署任務(wù)的能力，可以根據(jù)需要對(duì)路燈自由編組和實(shí)現(xiàn)分組劃區(qū)控制，也可按亮燈時(shí)間+亮燈模式等自由組合，實(shí)現(xiàn)靈活部署。

地圖監(jiān)控可以通過(guò)地理信息系統(tǒng)提供圖形化的操作界面，直觀地顯示路燈分布情況，并且具備批量部署和統(tǒng)一操作的功能，可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和集中維護(hù)；此外，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路、電壓、電流、功率及各開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，顯示設(shè)備工作狀態(tài)等。

能耗分析是指將采集的電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)統(tǒng)一處理后發(fā)布設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表，提供決策支持；此外，還能綜合分析設(shè)備運(yùn)行情況，提供節(jié)能率、亮燈率統(tǒng)計(jì)和電費(fèi)參考數(shù)據(jù)，以及評(píng)估節(jié)能措施的成效和關(guān)聯(lián)影響等。

系統(tǒng)警報(bào)是指實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障報(bào)警功能，例如意外開(kāi)關(guān)燈、線路異常等故障報(bào)警。故障發(fā)生后，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)報(bào)警并開(kāi)始警報(bào)跟蹤和定位，可以通過(guò)多種途徑推送警報(bào)。此外，還可自定義警報(bào)條件和策略，設(shè)置警報(bào)回溯和統(tǒng)計(jì)功能。

4 智慧路燈系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 路燈單燈控制技術(shù)

智慧路燈系統(tǒng)的核心是實(shí)現(xiàn)路燈燈光的自動(dòng)控制，通過(guò)本研究提出的恒照度單燈控制器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化節(jié)能。

（1）單燈控制器硬件設(shè)計(jì)

單燈控制器設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)后臺(tái)對(duì)路燈的單燈控制，同時(shí)具備對(duì)路燈電源的通斷、LED光源的光亮調(diào)節(jié)、路燈耗電計(jì)量、路燈工作電壓和電流在線監(jiān)測(cè)功能。此外，單燈控制器還需要具備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)功能，依靠LTE模塊實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器的鏈接，實(shí)時(shí)上報(bào)工作狀態(tài)和報(bào)警信息。單燈控制器的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 單燈控制器的硬件設(shè)計(jì)框圖

（2）單燈控制器軟件設(shè)計(jì)

單燈控制器硬件系統(tǒng)配備有低功耗和快速計(jì)算能力的微處理器芯片，以實(shí)現(xiàn)單燈控制指令的決策和執(zhí)行。單燈控制器的軟件需要嵌入在該處理器上以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和多種方式的控制與參數(shù)監(jiān)測(cè)。單燈控制器軟件設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 單燈控制器嵌入式軟件設(shè)計(jì)框圖

（3）單燈控制器控制方法

單燈控制器具備多種控制方式對(duì)路燈進(jìn)行控制，包括：實(shí)時(shí)控制、定時(shí)控制、經(jīng)緯度控制、光照控制、“經(jīng)緯度+照度”綜合控制等。

實(shí)時(shí)控制：用戶通過(guò)智控管理云平臺(tái)實(shí)時(shí)對(duì)路燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)和調(diào)光控制，實(shí)時(shí)控制交互流程如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)控制的交互流程

定時(shí)控制：?jiǎn)螣艨刂破骺梢愿鶕?jù)需要在工作曲線上設(shè)定多個(gè)自動(dòng)動(dòng)作點(diǎn)，并自動(dòng)將設(shè)定值存儲(chǔ)到單燈控制器中，隨后單燈控制器將按照工作曲線開(kāi)始自動(dòng)控制燈光亮度。單燈控制器的自動(dòng)工作曲線如圖7所示。

圖7 單燈控制器自動(dòng)工作曲線

經(jīng)緯度控制：不同季節(jié)在不同經(jīng)緯度的城市日落時(shí)間會(huì)有差異，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)入射角計(jì)算可以獲得各個(gè)城市每一天的日出日落時(shí)間，然后將日出日落時(shí)間作為路燈照明開(kāi)關(guān)的分割點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的自動(dòng)控制。

光照控制：利用光敏傳感器將采集到的照度值關(guān)聯(lián)至系統(tǒng)，當(dāng)照度低于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)向路燈發(fā)出開(kāi)燈指令；當(dāng)照度高于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)向路燈發(fā)出關(guān)燈指令。

“經(jīng)緯度+照度”綜合控制：雖然經(jīng)緯度控制可以根據(jù)日出和日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的開(kāi)關(guān)控制，但在陰雨、雷暴等特殊氣象條件下道路亮度達(dá)不到國(guó)家規(guī)定值，而此時(shí)系統(tǒng)也并沒(méi)有開(kāi)啟路燈。這種特殊情況下按照度進(jìn)行優(yōu)先控制就格外重要。為此，本研究增加了經(jīng)緯度和照度結(jié)合的自動(dòng)控制模塊，如圖8所示，是否亮燈執(zhí)行經(jīng)緯度和照度邏輯或運(yùn)算，兩者只要一個(gè)滿足條件，即打開(kāi)路燈。

圖8 經(jīng)緯度和照度綜合控制方案

4.2 LoRaWAN通信技術(shù)

LoRaWAN 通信技術(shù)具有低成本、無(wú)須布線、容量大、專有網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)距離、抗干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用靈活（可群控、單控）的特點(diǎn)，目前在城市智慧路燈控制和管理領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括終端、基站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（NS）和應(yīng)用服務(wù)器四部分，如圖9所示。其中，基站和終端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，由于LoRa的長(zhǎng)距離特性使得兩者間可以單跳傳輸?；緦?duì)NS和終端之間的LoRaWAN協(xié)議數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)發(fā)，并將LoRaWAN數(shù)據(jù)分別承載在LoRa射頻傳輸和TCP/IP上。LoRaWAN技術(shù)模式保證了其遠(yuǎn)距離傳輸能力，在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。因此，非常適用于采集點(diǎn)分散、采集環(huán)境惡劣，但又對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求比較高的場(chǎng)合。

圖9 技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

5 建設(shè)效益分析

本研究以華東某縣當(dāng)前道路照明設(shè)施現(xiàn)狀為目標(biāo)對(duì)象，進(jìn)行建設(shè)效益分析。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該市現(xiàn)有共計(jì)55條主干道或輔路，布設(shè)6 267盞250 W鈉燈、1 159盞400 W鈉燈。具體路燈現(xiàn)狀信息見(jiàn)表1所列。

表1 華東某縣路燈照明設(shè)施現(xiàn)狀

道路照明時(shí)間按照每天12 h統(tǒng)計(jì)，采用LED燈源代替400 W鈉燈后，每盞燈的年耗電量可節(jié)?。海?.4×12-0.2×12）×365=876 kWh；1 159盞400 W鈉燈年總計(jì)節(jié)電量為：876×1 159≈102×10kWh。采用LED燈源代替250 W鈉燈后每盞燈年耗電量可節(jié)?。海?.25×12-0.12×12）×365=569.4 kWh；6 267盞250 W鈉燈年總計(jì)節(jié)電量為：569.4×6 267≈357×10kWh。此外，安裝單燈控制器后可以實(shí)現(xiàn)路燈照明的二次節(jié)能，年節(jié)能約20%，即86×10kWh。綜上可見(jiàn)，僅采用LED燈源替換傳統(tǒng)鈉光燈就可以一年節(jié)省約544×10kWh電量，節(jié)能效果顯著。如果進(jìn)一步采用智能管控云平臺(tái)對(duì)燈光進(jìn)行適時(shí)亮度調(diào)節(jié)，將改造后的50 W LED燈在晚6點(diǎn)至8點(diǎn)、10點(diǎn)至12點(diǎn)功率降至70%，凌晨12點(diǎn)至6點(diǎn)功率降至30%，又可以節(jié)省約25%的用電量，即136×10kWh。按照1元/kW的費(fèi)用計(jì)算，改造后一年就可以節(jié)省680萬(wàn)元。

此外，交通道路智慧照明系統(tǒng)不僅能夠提高運(yùn)維效率，同時(shí)也會(huì)降低維護(hù)成本，減少費(fèi)用支出。以某市為例，采用交通道路智慧照明系統(tǒng)后，運(yùn)維成本一年減少了56%。傳統(tǒng)照明方式和智慧照明系統(tǒng)的運(yùn)維方式以及運(yùn)維成本對(duì)比情況分別見(jiàn)表2、表3所列。

表2 運(yùn)維方式對(duì)比

表3 改造前后年運(yùn)維成本對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

本研究通過(guò)應(yīng)用“云大物移智”等前沿技術(shù)將城市路燈關(guān)聯(lián)形成物聯(lián)網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的遠(yuǎn)程集中控制與管理，具有根據(jù)車流量、時(shí)間、天氣情況等條件設(shè)定方案自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、遠(yuǎn)程照明控制、故障主動(dòng)報(bào)警、燈具線纜防盜、遠(yuǎn)程抄表等功能。所提出的智慧路燈系統(tǒng)不僅可以有效節(jié)省電能消耗，提升道路照明管理水平，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維成本降低，還可以為智慧城市管理提供信息采集入口和服務(wù)端口。將通過(guò)智慧路燈系統(tǒng)采集的各類數(shù)據(jù)上傳到云端，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后可與政府內(nèi)部的交通系統(tǒng)、警務(wù)系統(tǒng)、財(cái)政系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，輔助政府在民生、環(huán)境、公共安全等領(lǐng)域做出智能化輔助決策，實(shí)現(xiàn)城市及市政服務(wù)能力的提升。