智能路灯的设计与应用

刘丽

（太原市政建设集团有限公司，山西太原 030000）

0 引言

城市照明系统为人们日常生产生活提供便利的同时，也造成了大量电力资源的浪费，有较大的节能空间。在当前我国节能减排政策的大力推动下，通过科学管理模式与先进科学技术的应用，可以促进照明系统节能降耗，是当前城市照明系统发展的必然趋势。

1 城市路灯的作用

1.1 美化城市景观

路灯对城市的最大作用就是美化城市景观。路灯构筑城市的骨架和网络，延长了城市经济活动的时间。路灯所创造出来的舒适、安全的照明环境氛围是其他工具无法替代的，良好的照明质量是建设城市优美夜晚环境的前提，也是城市不可缺少的因素。

1.2 提高生活质量

白天，在太阳光的照耀下，绿化、建筑、道路等城市的基础设施展现着城市的独特魅力，路灯也在其中，可以提升城市的品位。夜晚，路灯是城市基础设施的光源，其能清晰地勾勒城市的轮廓，使其与白天的景色相呼应。路灯将城市景观与人文活动有机地结合在一起，展现着一座城市独特的格局及其特有的艺术氛围。生活在这样环境下的人们，生活质量会越来越高，对城市的喜爱与信赖程度亦与日俱增。

2 市政道路照明中路灯的发展现状

路灯是城市照明的重要组成部分。在传统路灯照明系统中，比较常用的是高压钠灯，其主要由灯杆、灯具、光源和镇流器等组成，其中，镇流器是高压钠灯最重要的元件。高压钠灯的光效低，造成了能源的浪费，除了路灯自身光照的耗能，高压钠灯的镇流器的耗能量也较高。因此，随着市场需求的改变，传统的高压钠灯逐步被淘汰。基于节能环保的考量，需要解决高压钠灯及其镇流器耗能大的问题，不断提升其综合效能[1]。

3 智能路灯的设计

3.1 系统方案设计

融合气象数据的路灯控制系统按功能模块可划分为终端设备、传输网络、云服务器和用户端4 个部分：①终端层。终端层包括数据采集设备和控制设备。数据采集设备由单片机、土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、光照强度传感器、交流电计量模块及窄带物联网模块组成，采集终端设备用于采集电气和气象数据，然后将采集的数据发送给窄带物联网模块。控制设备由继电器组成，窄带物联网模块接收到云服务器指令后，控制继电器打开LED 路灯。②通信层。通信层即窄带物联网传输网络，由窄带物联网基站和核心网组成，窄带物联网模块通过窄带物联网传输网络将采集的数据传输至物联网云平台。③应用服务层。此层部署在物联网云平台上，通过窄带物联网传输网络接收采集的数据，实现数据查询及存储，并通过窄带物联网传输网络下发控制指令对路灯进行管控。④用户层。管理人员通过移动端APP 或PC 端查看路灯状况或获取电气和气象数据，并随时控制LED 路灯开关。

3.2 箱网搭建

箱网搭建主要指结合道路等级、用电需求等因素，合理规划建设各级配电设施，从而使电力资源下沉，是路灯专网的物理基础和空间前提。由于城市建设的快速发展，现有的城市配电设施难以满足城市用电的需求。尤其对于新规划的城市用地，通常存在电源点分布不合理、分布密度不够，造成取电困难、用电手续复杂等问题。对于老城区道路，由于缺乏统一的配电规划管理，常常会出现通信运营商、交通、公安系统等各投资方或用电单位重复建设配电箱、线井等设施的情况，未能高效统筹地上地下空间利用，有碍市容美化的同时也带来建设成本浪费和运维难度增加的问题。根据上述架构，将逐步完善各级配电设施建设，构建配电箱网。对于大型路口，根据已有路灯箱式变合理改造升级，建设为综合能源站，设计容量为250kVA～400kVA，为公安、交管系统、5G 基站以及充电桩等设备供电；对于中小型路口，新增建设综合能源分支箱，设计容量为30～50kW；此外根据道路、规划等实际情况，在路口、公交站台等区域结合各类设施实际用电需求增建功能箱，设计容量为10～20kW。此外，对于智慧路灯终端依循“就近接电”的原则接入能源箱或功能箱，保障其挂载设备的用电需求，最大限度提高城市公共基础用电终端的分布密度，通过分级配电和集中供电为下一步城市公共用电综合管理（包括监测、预警、调控、分析等功能）奠定物理基础[2]。

3.3 路灯节点硬件设计

本系统路灯节点的硬件包括采集模块和执行模块。采集模块包括电源模块、检测模块、控制模块及无线传输模块，实现了将采集到的路灯信息发送至无线传输基站。检测模块包括定位模块、电压电流检测模块、温度检测模块、声音检测模块及光照检测模块。电压电流检测模块用于提供控制模块对路灯回路功率计算时所需的电压值及电流值；温度检测模块用于检测路灯灯泡的温度，由功率和灯泡的发热来判断路灯工作是否正常；声音检测模块用来检测是否有车辆或人经过；光照检测模块用来检测户外的光强，若户外亮度低且有车辆或人员经过时，则打开路灯开关，否则，则关闭路灯。控制模块响应无线传输基站发送的控制指令进而控制执行模块来实现调节路灯的亮灭，控制模块实现传输路灯节点的信息及响应无线传输基站发送的控制路灯亮灭的指令，其工作电压范围为1.65～3.6V，可用于医疗、自动化与过程控制、通信与网络、传感与仪器等领域[3]。

3.4 灯具的选择

灯具发光效率（LOR）是灯具选型中必须考虑的节能指标。假设有灯具1 和灯具2，各自的LOR 值分别为65%和79%，LOR 为灯具发出的总光通量与灯具内所有光源发出的总光通量之比，在光源一致的前提下，灯具2 的照度比灯具1 高。除此之外，光通维持率也是重点考虑指标，该值将直接对初始照度造成影响。假设有灯具1 和灯具2，各自的光通维持率分别为0.6 和0.7，光通维持率为灯在寿命期间内特定时间的光通量与该灯的初始光通量之比，在使用场景一致的前提下，灯具2 的初始照度比灯具1 低。由此看来，在挑选照明节能灯具时，应着重考虑优质高效、高光通维持率的基本要求。具体至城市路灯照明领域，所采用的灯具应具有较高的光通利用系数，其具体受到安装高度、倾斜角度、配光方式等多项因素的影响，在设计时应进行综合考虑。按照工程要求选择好灯具及配光方式后，要进一步考虑具体的安装参数，包含高度H、间距S、倾斜角度，其均会对路灯照明质量带来影响。为兼顾照明、节能、美观、耐久等多重要求，通常S/H 的值应稳定在3～4，倾斜角度为5°～10°。通过合理的灯具发光效率（LOR）等灯具选型从而实现节能目标[4]。

3.5 智能路灯控制云平台与APP 设计

智能路灯控制云平台一方面负责接收电气和气象数据、显示电气和气象数据、存储电气和气象数据等，另一方面负责下发控制命令实时控制路灯开关，此外还可以设置电气和气象数据阀值预警。智能路灯控制云平台部署于中国移动物联网开放平台。之所以选择此平台主要出于3 个方面考虑：①其具有海量储存空间和超强计算能力，支持主流物联网协议解析和转换，并具备大规模数据安全保障机制；②其提供可靠高效的数据管理服务和智能数据分析服务；③基于此平台做开发，可降低开发成本、缩短开发周期。智能路灯控制云平台的软件设计步骤如下：首先创建产品，设备接入方式选择“公开协议”，联网方式选择“窄带物联网”，创建成功后会生成一个产品ID 及正式环境注册码；其次添加设备，在添加设备前先通过指令查询，再通过指令控制终端设备云平台发送数据；最后在物联网平台查看上传数据。物联网平台用户可创建多个产品，对每个产品、设备、设备应用、触发器、数据流进行管理，考虑到智能路灯系统发现电气和气象数据异常应具备预警功能，运用云平台触发器对每个数据流都进行警报功能设计，当终端设备采集到异常数据、上传云端时会触发警报，云平台会将包含有异常数据流与设备信息的邮件发送至用户，用户可以通过PC 端或APP 接收报警信息。基于智能路灯控制云平台部署完成后，采用物联网提供的应用程序编程接口调用、数据推送等应用管理功能进行应用设计，具体做法是在手机页面的编辑区对应用界面进行开发，开发完成后即可下载智能路灯控制APP，用户可安装此APP 实时查看电气和气象数据或随时随地控制路灯开关[5]。

3.6 微电脑智能控制器

传统的定时钟控制方式能够自动完成对灯具的开启与关闭操作，但全年内不同季节的昼夜时间有所不同，换季时对应的控制器设定时间也应得到调整，需在此方面投入一定的人力。并且定时钟控制的精度较低，误差通常在±15min。相比之下，微电脑智能控制器则是一种更可行性的方式，其自动考虑不同经纬度的日出、日落时间，自适应调节灯具的开关时间。配置工作中，仅需在初期设定当地的经纬度信息、日期信息、开关灯时间信息即可，后续运行时控制器可获悉当日的日出日落时间，从而自动完成对灯具开关时间的调节操作。可见，微电脑控制器的应用具有更加便捷的优势，后续无须在时间调整方面投入人力资源，且该装置还具备失电保护的功能，有效提高了装置的耐久性[6]。

3.7 道路照明的分组控制

城市主干道包含快车道和慢车道，各自的照明要求有所不同，需做有针对性的考虑。在后半夜，行驶在慢车道的非机动车数量较少，该阶段对照明的要求较低，因此，在不影响安全的前提下可关闭下半夜慢车道的照明。此外，为有效提高城市路灯照明质量，部分城市采用双光源灯具或是实施一杆多灯具的配置方案，此时照明的灵活性得以提升，在下半夜车辆较少时，可适时降低照明灯具的照度。例如，关闭其中的某盏灯，一方面保证了正常的照明功能，另一方面则减少了电能消耗量，一举多得。由此也得到启发，在城市路灯照明节能设计中，可结合实际情况采取分组控制的方案，通过此途径减少能源消耗量。对于城市照明监控系统，其节能措施主要体现在分组适时控制各分控点、降电压等方面，但道路照明的供电线路普遍较长，同时还存在负荷较大的特点，导致线路的压降处于较大的水平，而光源对电压提出了较高的要求，因此，降电压的空间有限。从这一角度来看，该系统在节能方面的优势并未得到有效的发挥，而这也是后续技术发展中的重要突破口。为同时满足节能、照明效果、便捷化管理的多重要求，需紧密结合城市道路的实际条件，以分时、分段的方法对道路照明的功率做灵活的调节，使照明设施有效适应当前的工作环境。根据城市照明监控系统的现有运行情况，为之增添“遥调”的功能，具体可采用调光控制设备（其类型较多，如前端控制器、降功率节能转换器，视实际情况合理选择），将其配套至各照明个体上，由此提高照明系统的智能化水平，通过控制器、分控点、照明控制中心的共同组合，构成完善的城市照明网监控系统。若能合理应用城市照明监控系统，可有利于提高对城市道路中每盏路灯的动态监控水平，及时掌握各路段中各路灯的具体使用情况，进而给管控工作的开展提供了关键的参考依据。在该配置方式下，系统可接收源自控制中心的指令，也能按照预设时间完成相应的控制工作，例如，对每盏灯进行开、关机降功率控制，在自动化控制机制下，将道路照明的额定功率和降功率稳定在合理范围内[7]。

4 结语

当前如何有效促进城市现有公共基础设施升级改造，通过技术、管理赋能满足日益增长的各类需求是城市管理者和建设参与者努力的重要方向。本文基于现有城市路灯供配电系统，提出了“路灯专网”的定义，从箱网搭建，能源通讯网络搭建和物联网、大数据等技术的应用多个方面阐述了路灯专网的整体架构。后期随着直流供电、储能等技术的进步，路灯专网的节能效益和应急能力将进一步完善，同时随着物联网、大数据等技术的升级，路灯专网的数字化、智能化水平和综合管理能力也将大大提升。