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基于路灯的智慧城市物联网体系设计.doc
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基于路灯的智慧城市物联网体系设计.doc
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基于路灯的智慧城市物联网体系设计
Aaaaaa
摘要:本文针对智慧城市建设快速发展的趋势,通过对现有路灯的重新定位与改造,集合智能传感器
技术、电力载波通信技术、云计算技术等先进技术,方便快速的建设覆盖广、容纳终端数量多、成本
低、智能化程度高的城市物联网基础平台,实现对物的主动式管理、广域开环运行、可信可靠,并便
于复制且低成本运营。在此平台基础上实现智能照明、智能交通、环境监测、城市安全、无线城市等
多个智慧应用。
关键字:路灯;物联网;智慧城市
1 案例设计目标
众所周知,路灯作为城市中密度最大、数量最多的市政设施之一,其在城市中的作
用是不言而喻的。首先,增加人们夜晚的能见度,提高安全感,创造夜晚舒适怡人的社
会活动、交往空间。其次,保证车辆和行人夜晚活动的安全,减少夜问交通事故和犯罪、
暴力事件的发生。最后,满足城市不同区域的功能需要,为各分区的活动和相互间的交
通、联系提供照明条一件,美化城市形象,促进经济繁荣。
深入分析路灯在城市中的分布及建设情况,可以发现,除了传统意义上的照明功能
外,路灯不但常见、机构强健、驻点固定,而且也有电力供应,因此是很适合用来建立
高密度的城市感测网络。针对城市路灯的以上特点,通过对现有路灯的重新定位与改造,
集合智能传感器技术、电力载波通信技术、云计算技术等先进技术,方便快速的建设覆
盖广、容纳终端数量多、成本低、智能化程度高的城市物联网基础平台,实现对物的主
动式管理、广域开环运行、可信可靠,并便于复制且低成本运营。在此平台基础上实现
智能照明、智能交通、环境监测、城市安全、无线城市等多个智慧应用。
2 现状分析
2.1 城市路灯系统现状
2.1.1 规律分布于城市
路灯作为道路上重要的设施,长期以来均遵照《城市道路照明设计标准》进行标准
化的设计、建设,使得路灯在道路上呈现明细的规律化分布,同时随着城镇化进程,路
灯分布越来越广泛,更是随着道路延伸到城市的各个角落。
2.1.2 精确的地理坐标
由于路灯分布及间距的规律性,路灯杆本身已具备精确定位功能,深圳是最早利用
路灯杆编号,实现“定位”报警的城市,其对主要道路上 11 万根路灯杆均进行统一编号,
并将这些编号及其对应的地理坐标录入数据库,报警人报出所在位置的 7 位路灯杆号,指
挥中心民警便能确定报警人位置,调度最近的警力出警。
2.1.3 极佳的通信位置
作为道路周边数量最多,分布最为规律的路基侧设备,为了保证对路面及周边环境
的照明效果,其所架设的位置优势是非常明显的。尤其路灯灯头位置更是作为智慧城市
信息感知终端的绝佳选择。另一方面,目前通信运营商与城市路灯也进行了一定的合作,
这种合作基本上是建立在城市路灯已经建设的基础上。通信运营商根据自身的网络覆盖
需求,规划出满足网络覆盖的城市路灯的位置,并对现有的路灯进行改造,以满足天线
的安装,实现对周边区域的覆盖。
2.1.4 现成的供电线路
作为道路周边最大的用电设施群体,每个路灯均可作为道路周边现成的供电接入点。
实际上,一直以来,公交站广告牌,节日道路景观亮化等均是直接将路灯杆作为供电电
源接入,远期甚至可以直接将路灯作为汽车充电桩进行使用。如果将路灯供电电缆同时
用来传输电力载波信号,则形成了一张覆盖于整个城市的供电及通信基础网络。
2.2 城市路灯系统的管理与应用现状
2.2.1 城市路灯系统的管理现状
路灯的管理和控制系统的发展大致分为三个过程:人工控制阶段,机械控制阶段和
计算机控制阶段。现代化的路灯监控系统可以借助现有的通讯服务平台实现遥测、遥控、
遥信“三遥”路灯数据采集和监控
[1]
。从上个世纪 90 年代开始,西方发达国家代就开始从事
智能照明系统的研发,已经积累了丰富的建设经验和成功案例。比如新加坡、法国和瑞
士已经采用计算机技术实现路灯的自动化监控,德国 ABB 公司基于 I-BUS 总线研发的路
灯控制系统可以实现路灯的集中开关控制;日本的松下公司基于 HBS 的协议研发了智能
灯具和相应的管控系统,实现了灯具的智能化远程控制
[2]
。
国外在路灯监控领域的技术特点大致体现在以下几个方面:监控策略的现代化;信
息承载方式的现代化,管理系统的现代化。首先,监控策略的现代化体现在由集中控制
模式发展到精确的场景及行为分析阶段。路灯控制的“三遥”模式在国外已经非常成熟,很
多国家都制定了专门针对路灯的工业标准。在集中控制的基础上,现代的路灯控制策略
更加关注场景及行为分析的功能。比如:自适应的光照感知功能、根据日升日落时间的
自动开关及调光功能,车流及人流分析功能等等,而且针对繁华街路,偏僻街路及高速
公路均有不同的监控策略,一方面是路灯的控制更加的人性化,另一方面也进一步节约
了能源
[3]
。
我国的路灯监控系统大致经历了与国外相似的发展过程,目前还处于一个不断发展
的阶段。与国外相比,我们目前的管理模式和管理手段还比较落后,绝大部分的城市还
不没有路灯监控系统,虽然在一些大中城市实现了路灯开关的集中控制,但其灵活性很
差,不能根据环境因素的变化自动调节开关的时间,更没有路灯亮度的自动调节功能,
应对特殊极端天气的能力较差,无法实现路灯状态的自动监控,路灯出现故障后维护效
率低实时性差等问题。这些不足一方面造成了能源和人力资源的极大浪费,另一方面也
无法满足现代化城市发展的需求
[4,5]
。
2.2.2 城市路灯系统的智慧应用
利用智慧城市研究成果,开展城市道路智慧照明研究,是当今道路照明发展的趋势
和特征。目前,国内外照明企业和照明科技工作者都在研究智慧照明,但研究成果主要
体现在硬件上。例如:研制出不少远程道路照明控制平台,像飞利浦和爱立信公司推出了
联网路灯系统。安徽合肥采用互联网和路灯的城市道路智慧照明系统,对全市 17 万盏路
灯进行远程管理。这样的成果不断涌现,引起了照明工程理论工作者高度重视。2014 年,
在丹麦阿尔贝特斯隆举办的“显微镜下的城市”国际研讨会上,有学者介绍了利用太阳能和
风能,以及采用 LED 节能光源的城市智慧照明实际工程案例,并展示了位于丹麦 Hersted
工业区长约 10 km 的生活试验区,该工程采用了装有广角红外摄像头的智慧路灯系统,能
监控过往的车辆、行人以及小动物。无人时,路灯保持低亮度;有人时,路灯提前升高亮
度,从而使城市道路照明更加人性化,并有效节能。2015 年杭州已经试点智能路灯杆,
WIFI 热点被安装在城市随处可见的路灯杆上,一同被装备给路灯杆的还有充电桩、视频
探头等设备。试点的路灯杆数量上规模后,杭州市还考虑开通充电箱的电子支付,市民
卡支付等功能。杭州市对智能路灯杆的试点让城市里均匀分布的路灯杆成为智慧城管物
联网的重要节点。
3 总体方案设计
3.1 基于城市路灯系统的物联网架构
结合路灯最为主要的物联网价值,对现有城市路灯实行升级,就可以方便快捷地建
立起覆盖范围足够广的信息感知网,从而建立实现智慧城市的物联网基础网络平台。新
型的物联网路灯除去单纯的照明功能外,通过整合各种传感器技术,能够同时具备信息
感知、收集、传递、处理等多种功能,、一个典型的物联网路灯如图 1 所示。
图 1 典型物联网路灯组成示意图
物联网路灯主要由中央处理模块,通信模块,电源模块,路灯控制模块,传感器模
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