基于物联网的智慧路灯系统设计

基于物联网的智慧路灯系统设计

李刚

龙腾照明集团股份有限公司 江苏高邮 225600

摘要：照明系统作为一个小区必不可少的公共设施，必然会成为小区智能化发展中的重要一环。以重庆主城为例，目前大部分生活小区的公共照明仍然没有实现智能化控制。例如楼栋大厅、小区主干道、小区支路、楼层走廊等照明仍然是按点照明，而不是按需照明，经常出现，天亮了，路灯依然开着，或者对于部分小区支路，夜间基本很少有人行走，但是路灯仍然通宵点亮的情况。这样的人工照明控制，不仅不利于物业管理，不利于提升人们的生活质量，同时也会造成电能的大量浪费

关键词：物联网技术；智慧路灯系统；ZigBee技术；管理云平台

引言

路灯系统对于城市基础设施建设具有重要的意义，为了避免传统城市照明系统粗放化管理以及运维效率低等问题，要结合智能化、信息化处理升级手段建构更加合理的路灯系统设计体系，从而满足绿色照明的环保要求。

1智慧路灯设计现状

智慧路灯的设计和建设，能够有效地提升城市发展整体水平，从根本上解决了传统路灯存在的能源浪费问题，为人们的生活提供方便。

1.1秩序性相对比较差

由于我国在智慧路灯方面的设计、研究以及建设工作发展比较晚，当前国内的管理系统和秩序存在混乱问题，缺少合理经营规划，造成前期的设计和规划工作难以实现实际的设计和规划目标，影响了智慧路灯发挥应有的作用。由于具体的实施部门也无法与后期维护部门之间实现有效沟通，无法保证智慧路灯真正发挥出实际作用。此外，根据相关的调查可以发现，当前在我国的多个城市中，依然存在路灯故障反馈不及时、故障解决不彻底等问题，巡检方面也会由于技术上的限制，造成一定资源浪费。

1.2智能数据分析水平较低

在信息化不断发展的背景下，当前计算机技术的不断发展，为人们生活带来了巨大变化，各种通信技术有效提升了人们的生活、生产质量。在智慧城市的背景下，当前智慧路灯正处于不断发展的阶段中，其在智能分析数据方面的能力能够直接影响智能化水平。根据当前我国的路灯系统设计情况，在管理、设计落实、后期维护等方面依然存在明显的问题，如大部分工作都需要人工完成、无法及时对照明信息实施计算和评估等。影响路灯系统中电量统计分析工作，造成路灯系统智能化水平比较低，阻碍了智慧路灯设计水平的提升以及智慧路灯系统的有效发展。

2智慧路灯系统总体框架

服务部分主要由智慧路灯杆体、通信部分、基础部分、供电部分、增值服务部分、传感通信部分与定位部分组成。①智慧路灯杆体：主要起承载作用，将各功能模块集成到杆体上，使其可更好地进行协作；②通信部分：可集成5G微型基站，实现网络的大范围覆盖，同时集成通信模块进行信息交互传输；③基础部分：主要包括照明与监控功能，可根据环境自动进行灯的开关并调节亮度，通过在每个路灯安装一个摄像头并调节各摄像头角度，从而在使用最少摄像头的情况下，在最大范围内进行监控，以更好地满足人们需求；④供电部分：采用太阳能供电模式，白天所储备的电量足够夜晚的消耗，以实现节能减排的目标；⑤增值服务部分：可集成有偿的共享充电、充气服务，将剩余电量提供给道路上不具备充电条件的人们进行充电，还可对车辆轮胎进行充气，极大地方便了人们出行。

3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。

4在云平台中接入节点端设备

MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport）消息队列遥测传输，是最适合用于传感器遥测数据传输的协议，具有轻量、开销小、简单、开放的特点，通过消息TOPIC机制背后的消息队列实现空间解耦、时间解耦。STM32F103主控芯片作为MQTT协议的客户端，将光敏传感器、人体红外感应传感器、温湿度传感器采集到的数据，发送给MQTT消息代理，MQTT消息代理存在于阿里云IOT平台上，它没有具体的业务逻辑，主要作为主题的队列维护和消息转发。MQTT消息代理，接收到STM32发送的传感器数据，将其转发给控制台订阅了相关数据的客户端。

5智能路灯的发展

目前我国智能路灯的灯光控制系统，大致分为两类：有线和无线。有线方式多用PLC（电力线载波）实现。无线方式有多种，一是采用ZigBee无线网络与GPRS（通用分组无线服务）相结合的技术实现，二是采用NB-IoT（窄带物联网）技术，三是采用5G技术。

PLC是利用现有电力线通过载波方式进行信号传输的技术。虽不需要重新架设线路，利用原有的电线进行数据传递，但是配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，导致电力载波信号的传送范围只能在一个配电变压器区域内，而且电力线固有的脉冲干扰使得应用效果欠佳。

ZigBee与GPRS结合方式的智能控制系统由三部分组成：单灯控制器（数据采集终端）、数据集中管理器、数据处理中心。系统必须在控制柜或在箱变内配套部署智能集中器，这增加了部署成本、挤占了箱变或控制柜空间。二级的数据采集方式，使得单灯控制器无法直接与监控中心通信，降低了系统稳定性。同时短距离的ZigBee无线网络还需与长距离的GPRS结合，才能解决城市范围的覆盖问题，两跳通信工程部署复杂、维护麻烦。而且GPRS网络已经运营近30年，面临退网的风险。

结语

智慧城市背景下的智慧路灯设计工作，在注重绿色、环保、节能的基础上，积极融入现代化的信息技术，按照城市中对照明的实际需求和规范，合理开展智慧路灯设计工作。在实际设计中不仅实现了对城市照明的有效管理，也能够真正将建设智慧城市体现在细节处。保证智慧路灯的设计，真正为人们生活、生产带来便利，也可以体现出智慧路灯的实际按价值，满足智慧城市建设的实际需求，促使城市能够实现更好发展。

参考文献

［1］谭云月.一种基于物联网技术的智慧路灯系统设计［J］.物联网技术，2020,10(03):112-113+117

［2］吕卫，赵佳丽．一种低功耗高精度的NB-IoT温度采集系统设计［J］．传感技术学报，2018，31(6):836－840．

［3］洪云飞．基于NB-IOT的智能停车位监控管理平台的设计与实现［J］．工业仪表与自动化装置，2019(6):94－96，100．