智慧城市背景下的智慧路灯设计探究

朱俊锋

摘要：城市拥有数量众多的路灯，是最密集的城市基础设施，便于信息的采集和发布。智慧路灯未来是物联网重要的信息采集来源，城市智慧路灯是智慧城市的一个重要组成部分和重要入口，可促进智慧市政和智慧城市在城市照明业务方面的落地，实现城市及市政服务能力的提升。在国内，政府路灯管理部门已将如何优化路灯管理系统，有效控制能源消耗，降低维护和管理成本，作为建设的一个重要组成部分，并提上了日程。

关键词：路灯；智慧城市；信息化建设

        引言

       智慧路灯是指通过应用先进、高效、可靠的电力线载波通信技术和无线GPRS/CDMA通信技术等，实现对路灯的远程集中控制与管理的路灯，智慧路灯具有根据车流量自动调节亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗、远程抄表等功能，能够大幅节省电力资源，提升公共照明管理水平，节省维护成本。

   一、智慧路灯工作原理

       智慧路灯是智慧城市的重要组成部分。它应用城市传感器、电力线载波/ZIGBEE通信技术和无线GPRS/CDMA通信技术等，将城市中的路灯串联起来，形成物联网，实现对路灯的远程集中控制与管理，具有根据车流量、时间、天气情况等条件设定方案自动调节亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗、远程抄表等功能。智慧路灯可以有效控制能源消耗，大幅节省电力资源，提升公共照明管理水平，降低维护和管理成本并利用计算等信息处理技术对海量感知信息进行处理和分析，对包括民生、环境、公共安全等在内的各种需求做出智能化响应和智能化决策支持，使得城市道路照明达到“智慧”状态。

   二、智慧路灯主要功能

（1）遥测路灯电流、电压等电气参数、遥控开关路灯、遥视重要路段现场运行情况等。

（2）监测LED路灯芯片焊盘温度或灯具壳体温度与故障诊断。

（3）日光感应或人车感应的调光，以及节能控制中时控甚至实现RTC调光。 [1]

（4）根据灯具监测数据，及时掌握异常路灯所在地点及异常原因，有目的去检修，不用去满城巡检，加快了维护速度、降低了维护成本。

（5）在同一道路的照明标准等级随时间、车流的变化成为一种可变值，比如一些新开发道路在通行初期亮度可低些，经过一段时间或通过监控车流量达到一定阀值开启全亮。

（6）在一些人车稀少区域下半夜可以时控半亮，但人车通过时达到前方一定距离全亮，后方在几秒钟后恢复原定亮度等等。智慧城市不能只是空中楼阁或局限于小规模测试场景，5G带来智慧连网与城市改造的效益是看得到、能期待的，但智慧灯杆的改造，必须先解决基础建设的时代交替问题，同时也需搭配5G 技术与成熟的商用运营环境，才能获得丰厚的回报。

      三、智慧城市背景下的智慧路灯设计

        1.传感器的绑定以及解除绑定设计

        在路灯的智能控制系统中传感器主要分成运动传感器以及照度传感器，这两种传感器在设计上基本相同，因此本文重点介绍运动传感器。运动传感器是主要负责收集路面上汽车以及行人的基本情况的，然后再将信息上传到上位机当中。而上位机将通过这些实时的信息数据进行分析，然后发出路灯亮度的指令，进而完成路灯与传感器之间的绑定以及解除绑定。运动传感器转变当前状态时，与之相应的节点会将转变状态的信息传递到已经绑定的路灯节点上。当路灯节点获取到运动传感器已经转变的信息之后，会先将转变信息保存起来，再对运动传感器的触发情况进行具体的判断，如果运动传感器没有触发就需要再次判断已经绑定的运动传感器是否已经有触发的情况。如果在系统当中没有触发的运动传感器，则可以结束本次信息处理环节。而一旦发现存在运动传感器触发的情况，就需要参考相关的路面的具体信息情况，进而确定路灯当前的照明等级，结束当前的信息处理程序。

       2.LED路灯照明系统

        （1）智能控制系统中光感系统在 LED 照明系统中占据了很大的地位，是非常重要的角色，光感系统能够感知光路况中光的强度从而根据实际情况进行调节，那么应该怎样实现这一功能呢。主要是通过光敏元件结合应用的单片机芯片，光敏传感器将光强度进行信号传导，利用光电转换技术将其转换为电信号进行传递，到达单片机的控制中心，进行相应的电流大小的变换，而电流的大小直接决定了照明强度的大小，从而来进行相应的照射强度的调节。（2）在选择合适的光照强度及照明方式的时候，需要利用集成电路控制技术来进行实现。不管是单片机的中心控制技术还是远程通信技术原理都是一样的，都是利用计算机编程程序来实现的。在 LED 路灯的智能系统中，所有的信号接收都是来源于光信号。因此光电转换系统是非常重要的，转换成的电信号要通过无线数据来收发进行数据的分析和处理，从而来实现具体的操作。

        3.硬件设计

        当前节点的控制设备的ZigBee技术设备主要有ZigBee、SoC等，经过考虑本文的设计中主采用JN5139型的控制芯片。而JN5139是一种完全集成的单芯片，可以兼容路灯系统中的大部分协议，同时内部包括了128位的处理器、电源处理器等，有5个接口以及其他串行接口。在本文中路灯的控制元件主要分为两种：分别是协调器以及路由器。其中路由器是用于采集传感器以及路灯的实时信息，然后再将信息传递回系统的协调器。在路灯的智能照明控制系统中主要的通信技术是采用的GPRS技术，其中选择的系统模块是MC52i，这种模块体积小、速度快，因此便于系统集成。通常在电脑、笔记本等设备中会使用，在MC52i当中主要有两个链接口，其中一个属于八线制的，能够进行复用，而另一个是采用四线制。其中包括了一个音频接口是由一个数字信号的接口以及两个模拟信号的接口组成，进而方便不同的音频信号的传递。同时还设计了一个SIM接口，一个系统天线的接口。

        4.信息交互，方便出行

        智慧路灯除了能够提供更加智能化的城市照明服务，还有无限的可能。智慧路灯本身需要联网传输数据，摇身一变就成了免费上网热点，随着4G通信技术的成熟，5G通信技术的发展，上网完全变成了随时随地的服务。丰富的太阳能风功能不仅为路灯提供了充沛的蓄能，还可以提供充电源，随着混合动力汽车和电动汽车的普及，充电桩的数量缺口也亟需跟进建设，智慧路灯提供充电功能也解决了一部分需求。当发生暴雨天气，灯杆实时监测水位和雨水流量，水位达到警戒值时，开启交通信息提示，提醒司机和行人提前知道淹水路段信息，选择安全路段出行，可避免人民生命财产安全受到侵害。智慧路灯还可与智能井盖、垃圾桶等市政设施系统做配合，进行监控管理，井盖是否被盗或有所损坏影响着城市排水系统和行人车辆的交通安全，大大减少维护工作量，提高管理效率和市民满意度。

结束语

     智慧路灯是智慧城市的最佳入口和服务端口，打造智慧城市可以从智慧路灯作为切入口。城市照明、能源消耗和维修成本在城市照明建设中均较为关键，智慧路灯的发展应将经济效益和环境效益相统一，在逐步提高路灯照明效益和其他使用效益的同时，不断减少能源损耗、降低维修成本。智能路灯应朝高效、节能、绿色、健康方向发展。降净路灯满足一灯多用，且具备按需提供照明、高效节能环保等特点，其市场发展潜力大，社会效益突出，对促进智慧城市构建具有重要的意义。

        参考文献：

        [1] 刘天时， 刘赏， 付春. 一种新型高速公路路灯智能控制系统设计[J]. 西安石油大学学报：自然科学版， 2011， 26（2）.

        [2] 孔繁宇，崔健博，邹同元，等. 基于地上地下数据的智慧照明信息系统总体设计[J]. 照明工程学报，2015，5（26）.

        [3] 申利民，翁桂鹏. 基于ZigBee的智能小区LED路灯控制系统设计[J]. 中国照明电器，2011（02）：26-29．

        [4] 荆松涛，姜山，刘义平，等． 关于智慧城市建设过程中智慧照明的思考[J].智能建筑与智慧城市，2017，（6）：52-53．