LED智慧路燈系統在智慧城市中的應用

王金躍，陸海強

（嘉興市恒創電力設備有限公司）

LED智慧路燈系統在智慧城市中的應用

王金躍，陸海強

（嘉興市恒創電力設備有限公司）

智慧城市是城市發展的新思路，是大數據、云計算時代的全新城市概念，其主要是運用多種傳感技術獲取城市核心系統運行的各項關鍵信息，再通過通信技術以及智能算法等手段整合城市包括：民生、環保、公共安全、城市服務等各種信息，進而為市民提供更方便、快捷、精準的服務，促進城市的可持續發展。論文介紹了LED智慧路燈系統，其能夠實現同時采集PM2.5、溫度、濕度、氣壓、噪音、交通流量等相關路面信息，真正讓城市智慧起來。

智慧城市；LED智慧路燈系統

1 引言

路燈是人類出行必不可少的照明工具，它是城市基礎設施的重要一環。隨著現代化城市的發展，智能硬件和云計算大數據時代的到來，路燈的革新可以為城市帶來更多其他功能上的升級[1]。從目前路燈現狀分析，功能還是集中在單一的照明方式上。隨著物聯網、計算機網絡、交通流量控制算法、人工智能算法、城市數字監控系統的成熟，路燈系統可以形成平臺統一，可定制，可拓展，綜合性的智能化城市的傳感數據集合的基礎平臺[2]，通過該系統形成1張巨大的城市感知網，將城市各個角落的傳感信息進行融合并做智能化分析，從而形成真正的智慧城市網絡。

2 現有LED智慧路燈產品調研

圍繞LED智慧路燈以及相關控制系統，本節將主要介紹市面上已經有的LED智慧路燈產品及方案。

2.1 基于網絡系統思路

1）華為

華為在CeBIT 2016上發布了業界首個多級智能控制照明物聯網解決方案。這一方案最大的亮點是可以根據實時狀況調整照明，從而提高節能效率。

該方案將城市道路所有的路燈統一納入城市物聯網絡，基于GIS對每一盞路燈進行可視化管理，管理者可以隨時查詢每一盞路燈的狀態信息。結合實際情況，對每一盞路燈的開關狀態、運行功率進行精準控制，真正做到按需照明，節能效率高達80%以上。

在每盞路燈上都裝有路燈控制器，用來控制開關和運行功率。該方案使用了基于IPv6的6LoWPAN技術，這一技術具有低功耗、自發現、自組網并快速自愈的特點。在路燈控制上，照明策略擁有1套“組合拳”，也就是所謂的傳感器的數據融合，可以通過亮度傳感器、第三方車流量、人流量傳感器、天氣環境監測傳感器模組共同實現路燈亮度控制。

2）歐司朗

歐司朗開發的智能方案是將LED燈具連接到1個利用光管理軟件單獨控制的網絡，形成1個燈具網。經過計算機的計算和分析，優化軟件設置，按照特定時間、空間和環境狀況調節燈具狀態。

歐司朗將這一方案命名為“Smartification”，它能夠使城市的街區、隧道、廣場、公園等場所的照明根據實際情況進行調節。系統架構包括：SLC軟件、互聯網協議(IP)和SLC網關。分別負責照明系統的管理規劃、軟件與互聯網及數據庫的連接和保存、處理和轉換由軟件發起的控制命令，還可以通過系統查詢燈具的信息和狀態。

網關和連接燈具之間的數據通過電力線纜直接傳輸；SLC照明設備控制器/SLC極控制器，SLC系統控制器可對任一燈具進行控制和監視，設備組件可以安裝在燈具或燈桿內部，也可以安裝在燈桿外部。

2.2 基于智能硬件思路

國內外傳統的LED科技廠商通過對路燈本身智能模塊拼接進行功能升級。其中具有代表性功能的路燈有多個腔體的路燈主體，路燈主體一部分設有無線WIFI、4G/5G基站等無線發射裝置、高清云攝像頭、空氣質量（PM2.5）傳感器模塊、溫濕度傳感器、風向風速模塊、GPS定位、互聯掃描儀等偵測設備。

在某些廠商的路燈設計中結合了LED高清戶外顯示屏作為智能廣告路燈，將避雷針、太陽能光伏板、風力發電機、控制箱、接收器和存儲器等部件集成在控制箱內，部分太陽能光伏板結合了太陽追蹤系統，還有些廠商將電動汽車充電樁與路燈燈桿相結合。這些技術的應用，使得路燈的可用性極大增強，功能性也得到了極大的拓展，從而讓路燈的概念從僅僅道路照明拓展到1個馬路信息收集及推送的功能綜合體。

3 LED智慧路燈控制系統設計簡介

目前智慧路燈無線控制系統是基于GPRS技術和ZigBee技術共同構建的路燈監控系統，可以實現遠程監控路燈狀態、異地操作單個路燈、控制路燈的開關和功率、查詢路燈的各類信息等。[1]

圖1是LED智慧路燈控制系統圖。

整個路燈監控系統共分為3層控制模式，分別為遠程監控中心、網關節點和普通節點。遠程監控中心負責控制整個網絡內的路燈監控子站，網關節點負責1條道路或者某段道路上的所有普通節點，普通路燈節點的燈桿下都裝有1個控制箱，控制箱內集成了智慧路燈配置的各種各樣的傳感器[3]。

各層控制模式分別完成了如下功能：

圖1 LED智慧路燈控制系統圖

圖2 路燈終端控制結構

3.1 遠程監控中心完成的功能

1）可以將每個普通節點路燈控制箱傳感器的數據獲取匯總，在控制中心的平臺上進行數據處理，并展現給管理人員作出人工判斷。

2）管理人員可以通過監控中心對不同區域的任意節點發起控制，完成對路燈節點進行與控制匹配的相應操作。

3.2 網關節點完成的功能

1）收集道路上所有普通路燈節點的狀態和信息，并把正確的數據分門別類地發送到遠程監控中心。

2）接受來自遠程監控中心的調控指令，并把命令數據轉發給相應的地址，將信息分配給每1個路燈的普通節點[4]。

3）解析和處理接收到的數據信息，通過無線傳輸模塊，實現普通路燈節點之間的通信，通過GPRS通信模塊實現與遠程監控中心的通信。

圖2是路燈終端控制結構。

4 多傳感器數據融合方法簡介

在多傳感器基礎下的智慧路燈系統存在數據融合步驟，把傳感器采集的環境信息經過電信號的轉換、A/D轉換等步驟轉換成可量化的信息，經過去除干擾噪聲，補償檢測過程中干擾信號，進行特征量提取，最終進行數據傳輸。通過多種方式的數據融合輸出判定結果，目前主要的數據融合方式存在以下幾種[4]：

1）卡爾曼濾波法

該方法主要是通過特性統計傳感網絡大量的冗余信息，遞推得出目前狀態量的最佳值。這種方法使得小容量的傳感器系統網絡得到了優勢上的發揮。在多目標識別和跟蹤、機器人導航等領域，該方法可以實時將n個傳感器的測量數據進行數據融合，不僅可以獲得目標當前的狀態估計，還可同時獲取測量目標的運動軌跡和速度等其他的信息。

2）貝葉斯估計法

貝葉斯決策方法是統計決策中的1個基本方法，其中的基本思想是：

（1）利用樣本信息修改先驗分布來得到后驗分布。

（2）使用類似于“極大似然估計”等方法進行統計推斷。

（3）基于貝葉斯公式轉換成后驗概率，根據后驗概率大小進行決策分類。

在多數情況下，系統傳感器在不同的時間或空間對同一目標進行識別和判斷，通過貝葉斯估計法將單獨的概率分布組合成1個聯合后驗概率函數，然后通過對這個概率函數“極大似然估計”，可以判斷數據融合目的值。

3）模糊邏輯算法

這種數據融合方法通過對現實對象的分析、處理數據并構建模糊型數學模型，對檢測目標進行識別和預判，因此，待測目標應該是該方法的基礎。模糊邏輯實質上是1種多值的邏輯，在處理過程中，對每個命題及推理數值賦予0～1之間的實數值，標識每個數據在融合過程中的重要程度，然后使用多值邏輯推理法，對各個傳感器提供的數據信息進行融合。這種方法具有抗干擾能力強、響應速度快的特點。

4）神經網絡算法

該方法是模擬人類大腦運行的方式而產生的1種數據處理技術，它通過神經元來處理信息。神經網絡具有很強的自適應性、自組織性和容錯性，能夠實現復雜的映射，簡化設計的難度。神經網絡具有強大的非線性處理能力，可以滿足數據融合要求。神經網絡數據融合的方法步驟如下：先從選定的多個傳感器中提取數據信息，在預處理之后進行特征提取，然后對特征信號進行統一化處理，為神經網絡的輸入提供標準形式。再將統一化的特征信息作為標準化的數據，并作為已知網絡，最后將新的特征統一數據來和標準化網絡進行比對，并輸出被測系統的狀態結果。

5 結語

本文主要介紹了LED路燈的多樣化對于智慧城市系統的意義，從LED智能路燈本身的設計以及LED智慧路燈系統的架構上簡要地介紹了一些目前市面上主流的方案[5],并且在關鍵的智能系統中多傳感器數據融合的方法上做了簡單的介紹。

對于未來的智慧城市系統架構，LED智能路燈是必要且關鍵的1個環節。通過以上的介紹，分析出未來系統的網絡結構以及單機傳感器數據融合的方向。從社會城市化角度來看，智慧城市的智能路燈系統可以為事故救援、交通管理、環境污染、能源短缺等問題帶來技術上的解決工具。通過實時獲取大量路面信息，通過大數據的分析與處理可以實現更加節能、高效、智能的城市控制方案。

[1]查利君，蔡濱峰，黃建輝.城市LED路燈智慧照明設計[J].中國照明論壇,2014.

[2]羅茶根，洪蕓蕓，張志海.LED智慧路燈在智慧城市中的應用[J].中國信息交通化,2015(12):135-137.

[3]任鳳娟，孫彥凱.白光LED可見光通信及其關鍵技術研究[J].電子質量,2010（5）：20-21.

[4]曲騰.基于城市智能照明感知系統的數據融合研究[D].大連：大連理工大學,2013.

[5]戴海濱，陳愛勇.路燈桿在通信基站快速規模建設中的研究與實踐[J].中國新通信，2014（12）：99-102.

The Application of LED Street Lamp System in Smart City

WANG Jin-yue,LU Hai-qiang

(Jiaxing HENGCHUANG Electric Equipment Ltd.Co.)

Wisdom city is a new train of thought on the development of city,is a big data,cloud computing in the age of new urban concept,main is to use a variety of sensing technology for urban core system is the key information,again through the communication technology and intelligent algorithm incorporated cities include:the people's livelihood,environmental protection,public security,urban services,such as all kinds of information,thus to provide more convenient in the city,convenient and accurate service,promoting the harmonious and sustainable growth.In this paper,through introducing the LED street lamp system is wisdom,to realize the collection of PM2.5,temperature,humidity,air pressure,noise,traffic road information,related to really let the city of wisdom.

smart city;LED smart street lamp system