基于智慧路燈及異構(gòu)網(wǎng)通訊網(wǎng)關(guān)的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)解決方案

陳紅瑜(廈門萬安智能有限公司，福建 廈門 361008)

基于智慧路燈及異構(gòu)網(wǎng)通訊網(wǎng)關(guān)的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)解決方案

陳紅瑜
(廈門萬安智能有限公司，福建 廈門 361008)

針對當(dāng)前智慧城市應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用技術(shù)的復(fù)雜性，提出了一種以異構(gòu)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和城市智慧路燈網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案。

智慧城市 物聯(lián)網(wǎng) 智慧路燈 異構(gòu)網(wǎng)通訊網(wǎng)關(guān)

0 引言

2016年7月，住建部、國家發(fā)改委、財(cái)政部“三部委”聯(lián)合發(fā)出《關(guān)于開展特色小城鎮(zhèn)培育工作的通知》，提出到2020年要培育1 000個左右各具特色、富有活力的特色小鎮(zhèn)。

根據(jù)通知的相關(guān)精神，特色小鎮(zhèn)的建設(shè)要以信息基礎(chǔ)設(shè)施智能化為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)公共管理與公共服務(wù)的智慧化，而這也恰好是智慧城市的核心內(nèi)容：城市物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，即：將城市生態(tài)系統(tǒng)中原本相對孤立的資源或應(yīng)用，互聯(lián)互通形成一個相互聯(lián)系、相互促進(jìn)、彼此影響的整體，推動城市和諧、可持續(xù)發(fā)展。故本文針對當(dāng)前智慧城市應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用技術(shù)的復(fù)雜性，提出了一種以異構(gòu)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和城市智慧路燈網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)

1.1物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)

國際電信聯(lián)盟(ITU)對物聯(lián)網(wǎng)定義為：通過各種信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

由于智慧城市物聯(lián)網(wǎng)具有組成復(fù)雜、通信信息流量小、突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此對于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)及技術(shù)要求的關(guān)鍵不是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)速度的快慢，而是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的有效性及充分性。理論上說，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是可靠的、無所不在、無所不聯(lián)的連接。

1.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的層次

1)傳感網(wǎng)絡(luò)層：是物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)，但也因?yàn)閿?shù)量龐大、種類繁多，使得各種設(shè)備組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣。因此需要進(jìn)行不同架構(gòu)、不同通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的通訊，即異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通訊(后文會詳細(xì)介紹)。

2)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)層：用于解決傳感網(wǎng)絡(luò)層與信息應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳輸，是智慧城市建設(shè)中的一個重要內(nèi)容。無論是對智慧城市應(yīng)用中小則幾萬或幾十萬平米的項(xiàng)目，還是大則數(shù)十甚至數(shù)百平方公里的城市區(qū)域，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本高、周期長、易變化等決定了智慧城市物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)實(shí)施是一個統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施、按需實(shí)施的長期過程。

3)信息應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層：基本都以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)組成，其傳輸速度快、信息量大，可以非常好的滿足需求。

1.3物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的解決方案

綜合智慧城市周期長、應(yīng)用范圍廣、覆蓋范圍及投資造價(jià)不一等建設(shè)特點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)方式不僅可以滿足新建項(xiàng)目，對于改建項(xiàng)目也能有較好的應(yīng)用效果。筆者認(rèn)為，以覆蓋城鎮(zhèn)區(qū)域的路燈為基礎(chǔ)打造智慧路燈系統(tǒng)，從而打造基于智慧路燈網(wǎng)絡(luò)的智慧城鎮(zhèn)的物聯(lián)網(wǎng)，在現(xiàn)階段應(yīng)該是一個可行的、較適合的解決方案，原因有以下幾點(diǎn)。

1)無論城鎮(zhèn)規(guī)模、城市化建設(shè)水平如何，市政基礎(chǔ)設(shè)施是首要建設(shè)項(xiàng)目，而市政道路又是城市必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，更是城市建設(shè)中的優(yōu)先對象。

2)市政道路必然配套有路燈照明等設(shè)施，依托城鎮(zhèn)道路的建設(shè)，路燈網(wǎng)絡(luò)將覆蓋城市的每個區(qū)域，是最密集的城市基礎(chǔ)設(shè)施。

3)路燈照明耗能在當(dāng)前社會耗能中占比較大，城市管理部門除了在設(shè)備方面優(yōu)選LED等節(jié)能燈具外，還可在管理上加大舉措。通過智慧路燈系統(tǒng)的建設(shè)，采用更高效率的路燈照明節(jié)能管理來實(shí)現(xiàn)更高效的節(jié)能。例如，智慧路燈系統(tǒng)可通過傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等將城市(鎮(zhèn))中的路燈連接形成一個路燈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對路燈的遠(yuǎn)程控制與管理，并能根據(jù)設(shè)定條件(如天氣狀況、當(dāng)前時(shí)間、交通車流量等)設(shè)制預(yù)定方案自動管理路燈，包括開啟數(shù)量控制、亮度調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程控制、故障報(bào)警、線纜防盜、數(shù)據(jù)抄收等操作，有效控制電能消耗，提升城市(鎮(zhèn))公共照明管理的水平，降低維護(hù)和管理成本。

“三規(guī)合一”規(guī)劃指標(biāo)內(nèi)容需對地方發(fā)展的階段特點(diǎn)及發(fā)展要求進(jìn)行充分體現(xiàn)，并就對人的需求以及城鄉(xiāng)發(fā)展需求作為出發(fā)點(diǎn)，來充分體現(xiàn)出規(guī)劃的針對性及地方適應(yīng)性。當(dāng)前我國還處于工業(yè)化朝著后工業(yè)化的過渡階段，其城鄉(xiāng)差距相對較大，這也致使城鎮(zhèn)化發(fā)展的內(nèi)在動力依舊很強(qiáng)，城鎮(zhèn)高效集約利用土地以及和諧保護(hù)生態(tài)兩者的矛盾相對突出。因此在進(jìn)行空間規(guī)劃的過程中就需要做到以下幾點(diǎn)：

綜上分析，筆者認(rèn)為智慧路燈系統(tǒng)是智慧城鎮(zhèn)的最佳入口和服務(wù)端口之一，具有覆蓋范圍廣、業(yè)務(wù)融合建設(shè)成本低的優(yōu)勢，可促進(jìn)智慧市政和智慧城市在城市基礎(chǔ)管理服務(wù)方面的落地，因此，以智慧路燈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，打造智慧城市物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)是一個可行的解決方案。

2 智慧路燈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的解決方案

2.1智慧路燈系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)

目前智慧路燈系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有電力線載波、ZigBee、4G/3G/GPRS/CDMA無線通訊技術(shù)等，而隨著技術(shù)的發(fā)展，5G通信技術(shù)也即將得以應(yīng)用。

1)ZigBee、Z-Wove、IEEE802.11ah：均屬于無線通訊類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，適用于短距離物聯(lián)網(wǎng)覆蓋，但無法保證網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制的可靠性。

2)衛(wèi)星通信：成本高昂，設(shè)備能耗高，穿透力有限，無法有效覆蓋室內(nèi)區(qū)域。

3)電力載波通訊：是一種利用電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。其具有組網(wǎng)簡便、傳輸速率較快等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是：其本身的脈沖干擾易影響通訊質(zhì)量；負(fù)荷重時(shí)傳輸距離短；耦合方式影響傳輸；三相損失大，只適用于單相傳輸；配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用等，使其只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送，不適用于大規(guī)模的應(yīng)用。

4)2G：容量有限，無法滿足大量設(shè)備同時(shí)接入，而且美國、歐洲等地計(jì)劃或已經(jīng)啟動了2G應(yīng)用的退網(wǎng)計(jì)劃，2G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)閉只是遲早問題。

5)3G：工作頻段較2G更高，覆蓋范圍更小，室內(nèi)覆蓋效果差，而且其成本較高，不利于普及利用。

6)4G：主要是LTE網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是：設(shè)備數(shù)量不大、流量高。但其通訊接續(xù)延遲時(shí)間較長，控制信號與語音、數(shù)據(jù)通訊之間的相互干擾尚未協(xié)調(diào)解決，仍需優(yōu)化。

7)5G：該網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)也在逐步落實(shí)，NB-IOT等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的落地，也預(yù)示著5G網(wǎng)絡(luò)商用化即將到來，但其普及還需時(shí)日。

2.2智慧路燈系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)解決方案

智慧路燈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，應(yīng)該選擇何種技術(shù)方案呢？筆者認(rèn)為應(yīng)根據(jù)整體規(guī)劃、具體應(yīng)用來具體選擇。

1)方案1：基于ZigBee+4G/3G/GPRS/CDMA無線通信技術(shù)的組網(wǎng)解決方案

該方案利用ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)對路燈的實(shí)時(shí)控制。集中控制器是系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)及ZigBee系統(tǒng)子網(wǎng)的族頭，上行數(shù)據(jù)采用4G/3G/GPRS以及CDMA等與中心服務(wù)器通訊，下行控制數(shù)據(jù)采用ZigBee無線通訊與集中控制器進(jìn)行通訊，具有移動物體檢測、環(huán)境光檢測及時(shí)間設(shè)定等路燈控制方式，能實(shí)現(xiàn)路燈遠(yuǎn)程控制、自動調(diào)光、故障檢測及定位等功能。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 方案1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2)方案2：基于電力載波+4G/3G/GPRS/CDMA無線通信技術(shù)的組網(wǎng)解決方案

本方案與方案1總體結(jié)構(gòu)相似，只是在下行數(shù)據(jù)方面，采用電力線載波技術(shù)與各路燈節(jié)點(diǎn)的控制器(網(wǎng)關(guān))進(jìn)行通訊，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 方案2系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

從電力線載波技術(shù)與ZigBee技術(shù)的應(yīng)用對比看，電力線載波不容易受環(huán)境變化影響，保密性較高，通訊不宜破壞；帶寬大，使用無限制；信號穩(wěn)定，不需要額外設(shè)備。即使存在電力線噪聲及脈沖對系統(tǒng)干擾較大等缺點(diǎn)，但隨著電力載波技術(shù)的不斷完善及優(yōu)化，這些不利因素也在逐步解決，因此對于路燈系統(tǒng)，電力載波技術(shù)無疑是中小規(guī)模區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的合理選擇。

因此筆者建議的方案是以方案2為基礎(chǔ)，并根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化與改進(jìn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 改進(jìn)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖3可以看出，每個路燈節(jié)點(diǎn)不僅是一臺智能路燈控制器，還是一臺異構(gòu)網(wǎng)通訊網(wǎng)關(guān)。該異構(gòu)通訊網(wǎng)關(guān)不僅可接受智慧路燈系統(tǒng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)對路燈的智能化控制，而且還具有多種通訊接口，支持RS485、EIB等有線控制協(xié)議及IEEE802.11ah、ZigBee、Z-Wave等無線通訊協(xié)議，可根據(jù)前端傳感器設(shè)備的通訊形式選用對應(yīng)的通訊方式進(jìn)行通訊，不僅可實(shí)現(xiàn)對路燈的智能管理，還可接入井蓋管理、城市安防、市政隧道管理等多種應(yīng)用。

基于覆蓋廣泛的智慧路燈系統(tǒng)及可將各種不同網(wǎng)絡(luò)的通訊打通的異構(gòu)通訊網(wǎng)絡(luò)，智慧城市物聯(lián)網(wǎng)可根據(jù)現(xiàn)場及實(shí)際需求接入各種不同的智慧城市應(yīng)用。通過充分利用路燈桿這個資源，可將智慧城市的相關(guān)應(yīng)用融合為一體，具有很高的隱蔽性，比如，在路燈桿設(shè)置電信通訊天線、城市環(huán)境監(jiān)控、安防管理等，或者基于智慧路燈系統(tǒng)及設(shè)備，集多種功能于一身，肩負(fù)智慧城市網(wǎng)絡(luò)中感應(yīng)層的終端作用：實(shí)現(xiàn)按需照明、智能管理；GPS坐標(biāo)定位；采集氣象、噪音、PM2.5等多種數(shù)據(jù)；實(shí)施多方位全景監(jiān)控；免費(fèi)Wi-Fi覆蓋等。

3 結(jié)束語

智慧城市是一個綜合性系統(tǒng)，構(gòu)建復(fù)雜、投資大、建設(shè)持續(xù)期長，而智慧路燈系統(tǒng)無疑是智慧城市的最佳入口和服務(wù)端口之一。在政府相關(guān)政策的大力支持下，城市智能路燈系統(tǒng)將進(jìn)一步快速發(fā)展。而以智慧路燈照明系統(tǒng)為載體，不僅可解決路燈管理智能化的需求，而且在集約化建設(shè)思路的引導(dǎo)下，還可作為平安城市、智慧市政、智慧城管以及智能交通等智慧城市應(yīng)用的載體，為智慧城市(城鎮(zhèn))的建設(shè)提供更多民生保障。

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SmartCityIOTSolutionsBasedonIntelligentStreetLightingandHeterogeneousNetworkCommunicationGateway

Chen Hongyu

In view of the complexity of current smart city application network and its application technology, a solution to the construction of Intelligent City IOT based on heterogeneous network gateway and city intelligent street light network is proposed.

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