基于物联网技术的LED智慧路灯在乡镇道路亮化改造中的应用

李立勉，蓝裕泉，陈家民，张伟导，周书豪，林俊鑫，陈伟宏，苏彬锋

前言

随着物联网、云计算等新一代信息技术广泛应用，智慧路灯已在我国多个城市掀起建设高潮。借助物联网技术与网上云管理平台，可对LED路灯进行统一管理，达到照明检测、智能管控、防盗防窃电、符合日常民生所需的效果，特别在城市郊区、乡镇等地区，有利于进一步提升人民群众生活质量，构建和谐乡镇；同时由于运用物联网技术与云平台技术的智慧路灯具有强大的功能拓展性，可为后续的安防视频监控系统、气候气象监测系统、城市与乡镇WiFi/广播系统等功能的整合提供载体，为建设智慧城市、智慧乡镇建设做好铺垫。

一、现状

目前，我国大多数乡镇的路灯照明光源多采用高压钠灯，常用功率为100W、150W、250W及400W。由于光源技术的快速发展，老旧的高压钠灯对比现有的LED光源，在同等亮度情况下能耗高出1-2倍，不符合绿色节能的发展理念；同时，高压钠灯光谱窄，显色性差（Ra=20～40），根据光谱特征，路面及周边物体对其反射率较低，路面亮度较低，加之高压钠灯≤3000k的黄色光，给人感觉比较昏暗；高压钠灯在使用过程中产生的温度较高，连续使用会产生高温，使灯罩老化发黄发黑。

我司于2018年下半年开始，协助潮州市湘桥区官塘镇开展潮州市科技计划乡村振兴专题：《基于物联网技术的LED智慧路灯在乡镇道路亮化改造中的示范应用》，在乡镇道路照明方面，从高效LED发光技术及高效配光技术方面提出适合乡镇道路亮化改造的LED路灯要求；在智能化、智慧化路灯控制方面，提出采用GPRS+电力线载波方式建设二层通讯网络的网络结构。结合乡村振兴专题项目的成功实施，现就基于物联网技术的LED智慧路灯在乡镇道路亮化改造中的示范应用做一些浅析探讨。

二、适用于乡镇道路亮化改造的LED路灯要求

（一）适用于乡镇道路的高效LED发光技术

从LED的发光特性来看，随着要提高LED的发光效率，要么让LED保持较低的工作电流；要么提高LED芯片的尺寸从而提高最佳发光效率的电流值。显然采用大尺寸芯片不利于乡镇路灯成本控制，必须在同一个LED灯珠中采用多芯片并联技术，将通过每一颗芯片的电流限制在最佳发光电流值。多芯片并联方案由于灯珠支架限制，可以选用三芯片并联方案，实现光源光效≥200lm/w，整灯光效≥140lm/w，比传统高压钠灯的光效提升2-3倍，即在相同亮度下LED路灯的功率仅为高压钠灯的1/3，可为乡镇道路照明节约大量电能损耗。

在显色性与色温方面，按照户外照明的特点及人类视觉对于光线的感受，在兼顾光效的情况下，乡镇道路照明的宜选择显色指数≥0.7，色温3500-5000k（优选4500k，部分反光路面或雨雾环境可选择下限色温）。

（二）适用于乡镇道路的高效LED配光技术

结合乡镇道路大部分为窄路，通常为双向两车道，路面宽度常＜9m，常采用单侧布灯或交叉布灯的方式进行，灯距要远大于路面宽度，这就要求乡镇道路的路灯照明要尽量将光线汇聚在沿道路方向。所以对于乡镇道路照明的配光方式需采用更加扁平化的光斑结构，即路灯配光曲线中沿道路方向的发光角要大于垂直方向的发光角，椭圆形光斑的长短轴比例常设为3：1，以此设计沿路面方向的出光角与垂直路面方向的出光角；并结合路面的具体宽度，确定灯杆高度与布灯距离、布灯方式等。

三、适用于乡镇道路智慧路灯管理的物联网技术

搭建三层架构的基于物联网技术LED智能管理平台，并应用云技术等互联技术结合电力线载波等物联网技术、GPRS等通信技术，建设“感-传-控”一体式的智慧路灯管理平台。

这些她也都模糊地想到过，明知不关她事，不要她管。这时候因为不知道下一步怎样，在这小楼上难免觉得是高坐在火药桶上，马上就要给炸飞了，两条腿都有点虚软。

（一） GPRS+电力线载波的网络拓扑结构

GPRS+电力线载波物联网技术的网络拓扑图，如下：

图2 GPRS+电力线载波物联网技术的网络拓扑图

以太网：工作人员的网络主是以一个以太网的方式存在。

英特网：英特网主要是外围有权限的操作员（外线维修员）及连接智能硬件GPRS网络。

GPRS网：通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递，以达到无线控制路灯集中控制器的目的。

电力线载波通信网：利用输电线作为传输通路的载波通信方式，复用电力线路进行通信不需要重复建设通信线路，利用输送50Hz强电线路，具有线路衰减小、机械强度高、传输可靠等优势。

（二） GPRS+电力线载波的硬件配置

GPRS+电力线载波对于路灯的测控方式主要通过集中控制器（组网）+节点控制器（单灯，可外置独立于LED驱动电源，也可内置与驱动电源进行集成设计）进行，控制方式如下图所示：

图3 GPRS+电力线载波物联网技术的控制方式图

（1）集中控制器的配置

集中控制器主要由：电源供电电路、MCU核心电路、电力线载波通信模块、GPRS模块、RS485通信模块、开关量输入检测电路、回路输出控制电路、RTC时钟电路、模拟量输入检测电路、LCD显示及按键部分等模块组成。集中控制器内部框架图如下：

图4 集中控制器内部框架图

a）集中控制器CPU主控部分采用32位ARM9 RISC结构的微处理器作为内核CPU，片内集成了USB、以太网、EBI、MCI、SSC和SPI等多种通信接口，200MIPS的处理速度和先进电源管理使芯片非常适合于系统控制和通信领域。同时主控部分憨厚32MB SDRAM以及32MB NAND FLASH，可支持庞大的数据分析和管理。

b）电力线载波模块主要用于集中控制器与终端节点控制器之间的相互通信，实际控制灯具的远程开关灯、灯具状态查询以及接收终端节点控制器上报的报警信息。电力线载波通信模块性能参数如下表所示：

表1 电力线载波通信模块性能参数表

c）GPRS通讯模块可选用Motorola公司的G20、Siemens公司的MC39i及SIMCOM公司的SIMl00等产品，完成基于GPRS网络的移动数据通信。

（2）节点控制器的配置

节点控制器也称智能单灯控制器，以电力线载波通讯技术为核心，配合专业的硬件和软件设计，通过上述智能控制系统可远程对LED灯具进行开关灯、查询（实时电压、电流、功率因素等参数）、0-100%无极调光、故障报警（欠载、过载、异常开关等）等智能控制。电力线载波通信模块性能参数与集中控制器相同匹配。

（三）兼容性与拓展性的提升

本技术方案也充分考虑系统平台的兼容性与拓展性，硬件方面：集中控制器具有RS458通信接口适合MODBUS通信协议，可外挂适合MODBUS协议的多功能设备；同时内核CPU集成了USB、以太网、EBI、MCI、SSC和SPI等多种通信接口，各类功能模块可以通过上述各种结构协议进行通信，具有极大的拓展性。

总结

根据基于物联网技术的LED智慧路灯在乡镇道路亮化改造中的示范应用项目实施的实际情况，并借鉴其他LED智能控制系统的技术优劣性，GPRS+电力线载波物联网技术凭借着技术的成熟性、高可靠性、重复利用电力线路无需重复建设的节约性、软硬件配置的简便性、强大的性能拓展性等方面的特点，更适合于乡镇道路亮化改造，对于提升乡镇人民生活质量、节省能源、节约维护成本和振兴乡村发展、推进智慧乡镇建设都具有非常重要的意义。