摘要：路灯照明是城市关键基础设施，为了降低路灯照明的能源消耗，分析了研究现有路灯照明控制系统的运行和现场使用情况，提出了基于物联网技术的整套路灯管理系统设计。新设计通过采集现场各类环境、电参数等实时信息，结合多场景控制模式，实现对路灯的精细化管理，通过实践应用证明，该系统具备稳定性、可靠性以及强大的功能，能够实现对采集的数据进行有效地传输和管理，达到了节能、高效的目的，为城市提供了更为智能化、数字化以及可持续的照明解决方案。

　　关键词：智慧路灯，城市道路照明，路灯设计

　　0引言

　　当前国内大多数城市路灯照明控制系统采用老旧的人工切换和定时控制系统，或者具有遥控、遥测、遥信等功能的数字化控制系统。然而，这些系统仍存在许多不足之处，无法满足精细化管理的需求。本文设计了一套基于物联网技术的智慧路灯控制管理系统[1]。该系统利用物联网技术，结合空间数据挖掘和照明数据统计技术，实现了路灯照明精细化、智慧化的管理。

　　智慧路灯作为智慧城市建设过程中的重要一环，吸引了国内外很多学者的关注，同时也取得了丰富的成果，比如陈鑫元等[2]提出的基于ZigBee和GPRS网络的智慧路灯系统，可以有效解决城市照明系统中存在的智能化程度不够高的弊端；钟锦波等[3]指出，物联网技术与传感器相结合的智能路灯方案，可以有效解决城市路灯能源地下的问题；方景[4]提出智慧路灯的建设要实现标准化，因此需要对其设计、生产、制造以及废弃物回收等全周期开展规范和统一。而国外，也有很多学者提出了相似的看法，Andreas Riener(2013)提出，智能路灯系统可以对街道上的客流量进行实时监测并预测交通流量。

　　依据流量的多少智能化增加路灯的工作数量和亮度，这样可以达到节能减排的目的[5]。纵观国内外的研究学者，大多数的观点都是一致的：通过智慧路灯来达到节能减排的目的，虽然他们所用的方法不同。

　　本文的基本思路是通过对路灯照明控制系统的运行分析和现场使用情况进行深入研究，提出了基于物联网技术的整套路灯管理系统设计。通过现场数据采集和场景分析，使得本研究更具实践性，也更贴合实际。同时，本文通过数据传输和管理，更为真实地分析数据，最后得到更加符合实际情况的研究结果，为智慧路灯的发展提供更有效的解决方法。

　　1系统总体设计

　　该系统是由设备感知层、设施层、网络传输层、数据层、业务支承层和用户层这6个主要层次从底层到顶层紧密结合形成的，这种结构的设计使得各个层级之间能够相互融合，形成一个紧密联系的整体。特别是层与层之间的协同作用，使系统更易于扩展，便于维护，为系统的长期运行提供了坚实的基础。这种层级结构的优势不仅在于其有机的组合，还在于其对系统可靠性和稳定性的提高。通过明确的分层设计，每个层级可以独立运作，降低了故障传播的风险。同时，这种结构也提供了更好的可定位性，使得在系统发生故障时更容易进行问题定位和修复。

　　1.1感知层

　　在整个系统架构中，感知层被视为一个极其关键的组成部分，其主要职责是获取设备或外界物理环境的信息，以确保整个系统能够正常运作，这一层主要负责采集各种实时数据，包括现场光照强度、车流量、人流量、实时温度、能见度、电缆漏电以及防盗信息等。

　　通过高度敏感的传感器和设备，感知层能够及时捕捉到周围环境的变化和状态，为系统提供必要的输入。

　　这些数据不仅仅停留在本地，而是实时上传至系统的云端管理平台。

　　1.2设施层

　　智能路灯系统是由多个关键组件组成的先进技术体系。由集中控制器、单灯控制器、通讯模块、受控节能路灯、网管以及其他的必要性配电设备构成。在其中，集中控制器意义重大，具有管理最大1024路单灯控制器的功能，可以将区域内来自物联网云平台的命令自动接收。

　　1.3传输层

　　信息传输在系统中起到承上启下的关键作用，主要用于各层之间的高效沟通与数据交互。现场总线传输是其中一种重要方式，包括CAN、RS232/485/422以及电力载波等技术，它们被广泛应用于工业控制系统和自动化设备中。这些传输方式能够实现实时的数据传递，使得各个设备能够协同工作，提高系统整体的效能。除了有线传输，无线传输也在信息传输领域发挥着越来越重要的作用[6]。无线传输方式包括了GPRS/4G、RFID、ZigBee、WiFi等技术，它们使得设备之间能够实现更为灵活的连接，不受空间和布线的限制[7]。

　　1.4数据层

　　数据库包括空间数据库、业务数据库、支撑数据库、生产数据库等多个组成部分，是本层系统的核心，承担着海量数据的存储和管理任务，为系统运行提供了基础支持。其强大的存储能力使其能够容纳大量的信息，而且系统还具备平滑升级的能力，可以根据需要灵活地进行存储设备容量的升级，确保系统始终处于高效可靠的状态[8]。

　　1.5支承层

　　支承层用于各种业务应用系统的运行，组成了一个全面的服务体系。其中，基础支撑服务是确保业务系统正常运行所必需的，如GIS应用服务、地理编码服务以及决策分析服务等。这些服务为其他应用提供了基本的框架和核心功能，促进了系统间的无缝协作和信息交流[9]。与此同时，应用支撑服务更专注于满足特定业务需求，例如节能管理、配置管理、查询统计、接口管理等。

　　1.6用户层

　　用户层的功能很强大，市政执法、数字化城市管理监督指挥中心、环卫以及交通等，利用智能移动设备，能够实现平台与系统之间的信息互动，确保信息的发布、

　　查询、事件的定位以及任务的分派等关键功能都能得到有效执行[10]。

　　2系统主要控制设备

　　2.1单灯控制器

　　单灯控制器的设计框架如图1所示，其构成有灯具开关控制模块、测量模块、功率调节模块等。

　　核心处理模块作为单灯控制器的重要部件，处理器用的是Cortex-M3内核的32位ARM处理器(STM32F103C8T6),该处理器可支持嵌入式系统操作，可以为设备提供高效、稳健的运行动力。电力载波模块电路配备10~90 kHz,结合OFDM调制技术，可以实现最高46 kb/s。不仅如此，在MAC层还采用了国际标准的G3协议，可以为通信提供高速运行和兼容性[11]。在测量模块电路，可快速采集来自控制单元电压、功率、电流等电参数，主要是依赖ATT7026A专业采样芯片，为智能化电力管理提供了可能性。功率调整电路可实现灵活调节电路输出，达到精准控制电路照明亮度，节电降能。整体而言，这一设计具备先进的硬件配置和智能化的软件流程，为相关领域的应用提供了可靠的技术支持[12]。软件设计流程如图2所示。

　　2.2集中控制器

　　路灯的集中控制器主要被安置在路灯的相变或配电箱的位置。智能照明系统中的智能集中控制器扮演着至关重要的角色，其功能多样且高效。一部智能集中控制器拥有令人震惊的管理性能，能够管理高达1024个智能单灯控制器，这使其成为大型照明系统的首选。作为平台的汇聚中心，智能集中控制器不仅仅完成本区域的自动组网，还与本区域下的所有智能单灯控制器相互连接，形成一个高效的局域网。智能集中控制器的功能远不止于此，该设备具有从物联网平台接收指令的功能，并能智能地将这些指令传递给对应的智能单灯控制器，这种智能分发的机制确保了整个照明系统的协调运行，使得灯光控制更加智能化和灵活。与此同时，智能集中控制器还能将智能单灯控制器执行的结果及时向物联网平台进行汇报，实现对照明系统状态的实时监控。为了实现与物联网平台的通信，智能集中控制器采用了先进的通信技术，其中包括GSM/GPRS。通过这种通信方式，智能集中控制器能够迅速而稳定地与平台进行信息交互，实现对整个系统的远程管理。同时，智能集中控制器还通过电力载波与智能单灯控制器进行通信，建立起一个高效可靠的数据传输通道。这一设计框图清晰地展示了智能照明系统中智能集中控制器的关键功能和工作原理，为智能城市的照明管理提供了可靠的技术支持。

　　该中央处理单元采用了ARM Cortex-A8技术，具备1 GHz的主频和512 MB的内存容量。它运行在高级Linux操作系统上，这为集成控制器增添其他智能城市应用的扩展性提供了方便。同时，该模块设计了多种电路，包括无线通讯电路、电力载波电力、8回路控制电路、液晶显示电路、键盘输入电路以及各种传感输入接口，使其在智慧城市系统中具备多功能性。除此之外，核心处理模块还采用了高级的嵌入式内存数据库，使其在处理数据时能够具有最优秀的处理效率。这为智慧城市的运行提供了高效的基础支持。真正的可靠请求响应机制使系统能够在执行任务时明确结果，增强了整个系统的稳定性。

　　3系统平台软件开发

　　智慧路灯综合管理系统的运行离不开一系列关键软件，这些软件构建了一个复杂而高效的系统。由Java程序、地理信息平台、数据库平台以及防病毒软件等部件构成，结合配备的J2EE核心架构，系统功能模块同样具有多元化的特性，可涵盖GIS地理信息、故障诊断及报警、路灯工作、策略控制以及统计分析等模块，具体模块在接下来的内容中会详细讲解，这些模块的整合使得智慧路灯综合管理系统能够更全面、高效地运行，满足不同需求下的应用场景。

　　3.1 GIS地理信息模块

　　以百度GIS框架为基础，在GIS一张图上整合全部业务功能，具体功能：(1)实现区域化监控管理；(2)全设备GIS定位；(3)报警数据处理；(4)设备远程化控制；(5)以列表为形式查看每种设备；(6)以状态为分类查看每种设备；(7)以区域为单位检查每个设备；(8)以关键词为基础搜索设备。

　　3.2路灯工作状态模块

　　在一个图形或菜单的目录中，只需点击前端设备的任意位置，就可以方便地查看该设备的当前运行状况和相关数据，这一功能为管理人员提供了极大的便利，这些信息不仅涵盖了基本的电参数如电压、电流、功率和功率因数等，还包括了更为细致的数据，比如当前照度、累计运行时间、通讯状态、预计剩余寿命以及状态评估等内容。这种全面的信息反馈为管理者提供了深入了解设备运行情况的途径，为未来的计划性工作提供了可靠的数据支持。

　　3.3故障诊断及报警模块

　　管理平台建立在系统内预先设置的规则库之上，并与前端设备的实时数据相结合，根据预定的控制方案和搜索策略来对系统的运行进行实时的评估。通过这一精密的过程，管理平台能够及时发现系统中存在的潜在危险，并通过报表推送和报警提示将相关信息传达出来，引入这种智能管理平台后，系统的可靠性和稳定性得到了显著的提升，同时也大大降低了不必要事故的风险。

　　3.4能耗管理分析系统

　　利用耗能管理分析系统，可以清晰地观察到城市路灯照明的电能使用状况，这可以进一步细分为年度、季度、月度和日时等多种类型，并开展详细分析，不仅可以将数据丰富呈现，还可以将这些数据直观化展现，帮助决策者对智能路灯的管控有更多了解。

　　3.5策略控制模块

　　该系统能够在现场进行控制，允许前端路灯自由地切换多种模式，包括自动模式（根据车流、人流等信息进行分析后自动选择最适合的模式）、节假日模式、普通模式、夜间模式以及节能模式。

　　4智慧路灯现场应用案例分析

　　4.1设计方案

　　4.1.1点位设计

　　根据CJJ45-2015《城市道路照明设计标准》的规定，一般的城市道路路灯设置标准为每根路灯间距约35 m左右，两侧均匀对称分布。在这样的布局中，为了更好地满足城市感知设备的需求，规范建议在道路的中间隔100 m以内设置一个智慧路灯，这种智慧路灯的布局方案不仅能够提供基本的照明功能，还能够充分支持城市感知设备的全面取点需求。

　　4.1.2供电设计

　　该系统是一个改造项目，通过在原相变处新增一路智慧电灯电力电缆，不仅不会改变既有电缆，还可以为其他的设备提供电力，使得LED屏、传感器以及摄像机等设备均可智能供电。这一设计不仅充分利用了原有的电缆结构，减少了改造成本，同时也为智慧路灯的多功能设备提供了可靠的电力支持，为项目的顺利实施和长期运行奠定了基础。在智能城市建设中，这种创新的供电方案有望为更多类似项目提供可行的解决方案。

　　4.1.3通信设计

　　为了确保智慧路灯系统的稳定通信，为其配备了有线传输光缆，每一根智慧路灯所配备的光缆均直通光交箱，最后在机房整体汇聚，可以有效保障智慧路灯所需的视频信号、控制信号以及通信信号的高效、稳健传输。

　　4.2管理平台和数据分析

　　利用智慧路灯及其相关传感器，智慧路灯管理平台能够实时接收和处理关于城市的人流、车流、环境和安全的各种数据，这种实时数据的汇聚为城市管理者提供了深入了解城市运行状况的机会。智慧路灯管理平台的功能不仅仅是处理数据，还可以对数据进行分析，为智慧城市提供更为直观、精准的信息引导，从数据中归纳和分析出的趋势、模式和异常事件，能够为城市规划和决策提供宝贵的参考。列举如下。

　　4.2.1设备监控

　　（1）路灯的启停控制是城市智能化管理中的一个关键方面。通过对路灯进行故障状态监测，系统能够实时检测并报告任何可能影响正常运行的问题，从而保障城市夜间照明的连续性。（2）智慧路灯所需要的基本电力参数供给。（3）智慧路灯所需的光通信节点的运行状态以及性能指标。（4）智慧路灯的自动报警，包括开箱报警以及内部温度报警等。

　　4.2.2视频分析

　　（1）通过人脸图像的采集来处理面部特征，进而达到识别身份的目的。（2）异常行为分析技术可以对进入/离开管理区域状态、人员、非法停车遗留物品的拿取等进行自动侦测，有可疑现象可自动报警。（3）车辆特征提取技术利用动态场景来识别区域内的移动目标，并对这些目标进行定位、识别和跟踪。

　　4.2.3行为分析

　　（1）实时监控人群流量变化是一项基于先进技术的重要应用，其中通过收集WiFi热点探测下的终端数量、信号强度和探测时间等关键参数，成功地进行了对人员和人流信息的精准分析，这种技术在各个领域都具有广泛的应用，尤其在城市规划和管理中发挥着重要作用。（2）通过对重点人群进行区分显著，能够更精准地进行管理和决策。使用交互地图为管理人员提供月度任务的视觉化工具，不仅可以展示趋势预测，还能提供实时的视图，帮助管理人员全面了解当前情况。（3）展示不同单点设备的实时人数和峰值是一项具有前瞻性的技术应用。通过将实时数据与地图相结合，能够清晰地了解不同设备上的人群分布情况，以及他们的密集程度。（4）通过使用先进的人工智能技术，能够实时监测城市中主要人群的移动情况，包括他们的方向和速度。通过实时提醒可能出现人群对冲的区域，可以有效预防潜在的安全问题，保障公众的生命安全。

　　5结束语

　　作为建设智慧城市不可或缺的一项基础设施，智慧路灯功能具有多元化的特点，如城市照明、城市网络节点以及城市供电节点等。这种集成化的智能技术应用感知技术，将接收到的信息数据开展全面而深刻的分析和处理。本文所设计的智慧路灯不仅可以为城市基础设施赋予智慧属性，还可以帮助构建完善的城市智慧服务体系，让城市管理者的工作更加高效，让城市居民享受更加便捷的生活方式。在未来，智慧路灯的发展潜力不可估量，将会促进更多智慧路灯建设模式的出现以及更加完善的技术方式的涌现。通过本文的研究，以互联网技术为依托，立足于真实的现场数据采集和场景分析，开展数据传输分析，进而设计出整套路灯管理系统设计，不仅可以达到节能减排的目的，还可以为智慧路灯的发展提供新的研究思路。

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