智慧城市背景下的智慧路灯设计探究

智慧城市背景下的智慧路灯设计探究

花盛林

龙腾照明集团股份有限公司 江苏高邮 225600

摘要：在智慧城市建设过程中，采用各种全新的技术，能够保证城市建设更有效开展，符合人们日渐提升的生存环境要求。因此，针对智慧城市背景下的智慧路灯相关设计工作而言，在实际设计中，既要保证通过对路灯的智能控制，满足人们对生存环境的实际要求，有效降低路灯在实际运行过程中的能耗情况，确保设计更人性和绿色。

关键词：智慧城市；智慧路灯；路灯设计

引言

随着城市化建设的不断深入，路灯已成为现代生活中必不可少的基建配套设施。传统路灯虽然为城市带来了便捷，但存在资源浪费严重、维修成本高、监控困难、灵活性差等问题。在物联网技术、无线通信技术、定位技术的发展背景下，“智慧路灯”的概念于近几年被提出，并且，部分城市的旅游景点等地区已经应用了智慧路灯监控系统，与传统路灯相比，其功能多样、智能化程度高，但在运行的过程中同样存在一些问题，如功耗大、成本高、普及化难等。

1概述

在智慧城市的建设过程中，智慧路灯系统是非常重要的一个组成部分，也是体现智慧城市建设成果的途径之一。智慧路灯具有实时监测和自动控制等功能，与常规路灯相比，能够真正按照城市对于照明的实际需求以及场景，提供具备一定自适应功能的光源，为人们提供更适合的照明环境，有效节约能源。

智慧路灯还可以实现信息上的交互，通过5G技术的大力支持，路灯系统能够对路面的交通情况进行有效监控，并且及时反馈到终端系统中。在智慧城市背景下设计的智慧路灯，不仅具有城市路灯的基本照明功能，还可以发挥预警、安防、监控等作用，真正实现智慧路灯的实际设计目标。如可以在智慧路灯中安装对应的天气变化情况信息收集装置，随时关注城市中区域天气的变化情况，通过智慧路灯的终端传送到屏幕上，方便随时对路灯的开启和关闭时间进行有效控制，凸显智慧路灯具备的人性化特征，为人们的生活提供便利。

2系统设计

本文设计的智慧路灯监控系统包括路灯终端（ZigBee终端设备）、ZigBee协调器、控制中心（用户界面）等部分，采用星状网络拓扑结构。各路灯终端将实时监测数据通过终端通信节点发送到ZigBee协调器，协调器再将数据打包发送到控制中心，供用户使用。

路灯终端以STM32开发平台为控制器，主要包括灯光调节模块、超声波检测模块、工作状态检测模块、通信模块（ZigBee终端节点）等功能模块，每个路灯终端有独有的编号，便于控制中心对路灯的查找与定位。

3智慧路灯系统设计

3.1路灯框架设计

按照智慧城市的实际发展要求，需要先对智慧路灯的框架进行合理设计。

（1）客户端系统。

配置对应的设备，包括复印机、打印机、大屏幕、传真机等。

（2）输出端以及相关设备配置。

包括笔记本电脑、台式电脑、平板电脑、地图App以及互联网有效配置。

（3）中心服务器。

包括应用程序服务器、文件服务区、web服务器、防火墙、数据库服务器等。

（4）采集系统设计。

包括光照采集仪器、GPRS数据网络等。

（5）照明系统监控终端。

包括网关控制柜等。

3.2系统软件设计

系统软件架构可分为三层，底层驱动、中间件及应用程序。底层驱动动包含STM32F103硬件抽象、传感器驱动，NB－IOT模组驱动。STM32F103硬件抽象，向上一层提供相应函数的API接口，上层的中间件、应用程序，都可以通过调用API函数来实现相应的操作。中间件包含MQTT协议栈、网络接口抽象层等，网络接口抽象层对底层的网络驱动函数进行封装，向上提供统一的网络接口函数，从而将应用层的代码与底层实际网络接口分开，当改变网络连接方式时，不会影响应用层的代码，MQTT通过网络抽象层向下调用对应的网络驱动来完成网络数据的发送和接收。应用层包括阿里云MQTT连接适配层和节点端业务程序，阿里云MQTT连接适配层根据阿里云平台的要求依据用户提供的三元组信息构建相应的MQTT连接参数和主题，再调用底层MQTT提供的API进行MQTT连接和通信。具体实现过程中，系统分为夜间模式和非夜间模式，夜间12点到次日凌晨6点，系统进入夜间工作模式，此时路灯除采集温湿度信息外，主要采集人体红外传感器的数据，若有人经过，通过人体红外感应传感器可获取相应信号，此时控制路灯自动点亮，当人离开路灯一定范围，通过检测到的数据控制路灯熄灭，这样路灯就不会处于整晚点亮状态，可有效节省电能，若系统工作在非夜间模式下，此时路灯除采集温湿度数据外，主要采集光敏传感器的数据，根据采集到的光照强度对比设置的阈值，决定是否点亮路灯及是否调整路灯的亮度，实现按需照明。

3.3数据流图设计

利用智慧路灯设计中的数据流图，对数据流实际设计过程进行分析，如B/S端的系统平台能够在智慧路灯系统内下达对应的控制指令，控制指令会直接存储到中心服务数据库内，此时服务器B/S中的监听软件模块能够直接接收相关的控制指令，在数据库中对控制指令进行提取，打包在GPRS的环境中，将其发到对应网关模块中，网关再向路灯中包含的电子镇流器发送对应控制指令，促使路灯系统中的单灯开始运行，单灯运行的实际数据信息。通过逆向传输的方式，传送到电子镇流器内，通过镇流器对运行信息进行反馈，C/S端的监听软件准确接收对应指令，将其存入数据库内，便于B/S系统平台，对路灯的实际运行数据进行查询。

3.4硬件设计

3.4.1硬件电路以及接口

光敏传感器的工作原理是基于内光电效应，光敏传感器内装有一个高精度的光电管，能够将光信号转换成电信号。其分为真空光电管和充气光电管两种类型。工作时，当向光电管两端施加一个反向的固定电压时，任何光对它的冲击都将导致其释放出一定的电子。光照强度越强，光电管的电流也就越大。电流通过一个电阻时，电阻两端的电压被转换成可被采集器的数模转换器接受的0-5V电压，然后采集以适当的形式把结果保存下来并输出。本系统还有一个维修系统，是通过外界的Linux系统外接到光照分析处理部分的面包板上，通过GPIO来读取相关参数。

3.4.2光照测控系统

光照测控系统主要由逻辑开关、光敏传感器和一个逻辑电路构成。当需要进行光照强度判断时，后端会发出一个采集信号，逻辑电路会对当前情况进行判断，输出一个数字信号给光敏电阻的电源接口进行供电。待光敏电阻通电后，通过自带的DO口反馈给单片机。

结语

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

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