LED智慧路灯系统在智慧城市中的应用

张勤

东川区城市照明管理站云南省昆明市654100

摘要：为了响应“智慧城市”主题的号召，以及针对目前城市照明不合理的现状，本设计采用了路灯控制器、路灯节点控制器、软件监测平台，利用电力载波、GPRS无线通信方式对城市路灯进行智能化管理。该系统能够提高能源利用率，同时，对城市智慧路灯的建设具有一定的参考价值。

关键词：智慧城市；智慧路灯系统；应用分析

随着中国智慧城市建设步伐的推进，互联网，物联网技术与传统工业生产的关系越来越密切，大数据，云平台，形形色色的APP占据我们手机，PAD及我们的日常生活。与此同时，城市化建设发展对城市道路照明系统数量需求越来越大、质量需求也越来越高。城市道路照明系统建设的好坏不仅直接关系人们的生产生活，也关系到城市的形象，不合理的道路照明系统更是造成大量的资源和能源的浪费，已引起众多学者和相关职能部门的注意。城市化建设提出了“智慧城市”的理念，在智慧城市建设的框架下，智慧照明是一个重要的课题，目前国内城市公共照明系统以物理控制手段为主，在上海、深圳等城市也有一定比例的公共照明系统，通过GSM网络SMS服务进行无线控制，控制和维护的效率较低，系统稳定性不够、控制效果较差。本设计利用传感器、自动控制和无线通信等技术实现城市路灯的智能化管理，同时提高能源利用率。

一、现有LED智慧路灯产品调研

（一）基于网络系统思路

1）华为

华为在CeBIT2016上发布了业界首个多级智能控制照明物联网解决方案。这一方案最大的亮点是可以根据实时状况调整照明，从而提高节能效率。该方案将城市道路所有的路灯统一纳入城市物联网络，基于GIS对每一盏路灯进行可视化管理，管理者可以随时查询每一盏路灯的状态信息。结合实际情况，对每一盏路灯的开关状态、运行功率进行精准控制，真正做到按需照明，节能效率高达80%以上。在每盏路灯上都装有路灯控制器，用来控制开关和运行功率。该方案使用了基于IPv6的6LoWPAN技术，这一技术具有低功耗、自发现、自组网并快速自愈的特点。在路灯控制上，照明策略拥有1套“组合拳”，也就是所谓的传感器的数据融合，可以通过亮度传感器、第三方车流量、人流量传感器、天气环境监测传感器模组共同实现路灯亮度控制。

2）欧司朗

欧司朗开发的智能方案是将LED灯具连接到1个利用光管理软件单独控制的网络，形成1个灯具网。经过计算机的计算和分析，优化软件设置，按照特定时间、空间和环境状况调节灯具状态。欧司朗将这一方案命名为“Smartification”，它能够使城市的街区、隧道、广场、公园等场所的照明根据实际情况进行调节。系统架构包括：SLC软件、互联网协议(IP)和SLC网关。分别负责照明系统的管理规划、软件与互联网及数据库的连接和保存、处理和转换由软件发起的控制命令，还可以通过系统查询灯具的信息和状态。网关和连接灯具之间的数据通过电力线缆直接传输；SLC照明设备控制器/SLC极控制器，SLC系统控制器可对任一灯具进行控制和监视，设备组件可以安装在灯具或灯杆内部，也可以安装在灯杆外部。

（二）基于智能硬件思路

国内外传统的LED科技厂商通过对路灯本身智能模块拼接进行功能升级。其中具有代表性功能的路灯有多个腔体的路灯主体，路灯主体一部分设有无线WIFI、4G/5G基站等无线发射装置、高清云摄像头、空气质量（PM2.5）传感器模块、温湿度传感器、风向风速模块、GPS定位、互联扫描仪等侦测设备。在某些厂商的路灯设计中结合了LED高清户外显示屏作为智能广告路灯，将避雷针、太阳能光伏板、风力发电机、控制箱、接收器和存储器等部件集成在控制箱内，部分太阳能光伏板结合了太阳追踪系统，还有些厂商将电动汽车充电桩与路灯灯杆相结合。这些技术的应用，使得路灯的可用性极大增强，功能性也得到了极大的拓展，从而让路灯的概念从仅仅道路照明拓展到1个马路信息收集及推送的功能综合体。

二、系统设计

智慧路灯管控系统体系结构采用当前最常用的三级结构：智慧路灯控制器、智慧路灯节点控制器、软件监控平台。其中软件监控平台包括PC端和手持设备。本系统设计采用两级组网方式，第一级：服务器与路灯节点控制器之间组网采用GRPS网络实现远程网络传输。第二级：路灯节点控制器与路灯控制器之间采用电力载波方式。

（一）智慧路灯控制器

智慧路灯控制器通过内置继电器，输出开关量信号用于控制设备的开关灯；通过电压电压采样电路对路灯工作状态、故障、工作电压、电流、累计电量等进行采集；采用电力载波模块与路灯节点控制器依据国家电网公司行业协议DL/T645—2007《多功能电能表通信协议》帧扩展形式进行通讯，可以接收路灯节点控制器发出指令，传输检测数据参数和故障报警信息等。路灯控制器传感器模块集成集成PM2.5传感器、光照强度传感器、温度传感器和湿度传感器等传感器，传感器模块采集数据供系统智能控制处理。

同时，路灯控制器具有掉电状态存储功能，可以对用户设置的参数进行存储，且保证掉电不丢失。路灯控制器中单片机通过A/D转换输出0～10V可调电压或单片机直接输出10VPWM可调信号至LED驱动电源的调光接口，从而调整内部电源输出的电流值，达到调节LED路灯的亮度的目的。

（二）智慧路灯节点控制器

智慧路灯节点控制器以ARM控制器为核心，上行信道采用GPRS通信，以国家电网公司企业标准Q/GDW376.1—2012《电力用户用电信息采集系统通信协议第一部分：主站与采集终端通信协议》为基础进行扩展，形成了专用的通讯协议，通过帧扩展形式与监控中心通信，接收命令以及反馈相关信息数据，下行信道采用PLC电力线载波，以DL/T645—2007《多功能电能表通信协议》帧扩展形式收集单灯终端反馈信息以及传达控制命令，具有键盘输入和LCD液晶显示组成的人机交互接口，支持自动巡检，故障报警，在线软件升级。

（三）软件监控平台

软件监控平台包括用于PC机上的智慧路灯管控系统软件和可移动的手持设备。智慧路灯管控系统软件采用B/S架构，用户可以通过浏览器对系统进行访问，从而对整个路灯照系统进行监测，该系统可以进行路灯控制、地图监控、能耗分析、故障报警等，通过人性化的人机交互界面，实现城市路灯的各项管理需求。对于智慧路灯手持设备，用户使用手机、平板等智能终端APP对道路照明系统进行登陆，从而实现手持设备的集中控制、远程诊断和维护。此外，软件监控平台对传感器模块采集数据进行智能分析，通过对比已建立好的模拟人体的感官需求及环境变化模型，从而远程智能调控路灯，实现在不同气温和季节多种色温照明，提高人体感官舒适度，特别是在雾霾天气，可有效实现防雾、防霾照明，保障交通安全。

本设计通过路灯控制器、路灯节点控制器和软件监控平台构成智慧路灯管控系统，该系统利用“物联网+”相关技术实现了城市路灯的智能化控制，能够实现集中控制，根据环境自动调节亮度，以及实时监控等功能。能够提高能源利用率，节约能源，推动智慧城市建设以及城市照明自动化管理。

参考文献：

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[2]查利君,蔡滨锋,黄庆辉.城市LED路灯智慧照明设计[A].中国照明学会（ChinaIlluminatingEngineeringSociety）.2014年中国照明论坛——LED照明产品设计、应用与创新论坛论文集[C].中国照明学会（ChinaIlluminatingEngineeringSociety）:,2014:19

[3]车都.城市路灯智慧照明系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学,2014