智慧路燈的應(yīng)用探討

吳春海

(深圳市燈光環(huán)境管理中心，廣東 深圳 518036)

智慧路燈的應(yīng)用探討

吳春海

(深圳市燈光環(huán)境管理中心，廣東 深圳 518036)

本文介紹了城市照明控制技術(shù)發(fā)展情況，闡述了智慧路燈熱潮的原因和應(yīng)用情況。針對(duì)智慧路燈的應(yīng)用、平臺(tái)、傳輸、硬件四個(gè)層級(jí)，提出技術(shù)關(guān)鍵是平臺(tái)開放性和通信方式的選擇，并對(duì)PLC、ZigBee、NB-IoT、LoRa四種通信方式進(jìn)行具體分析和比較，為智慧路燈的未來發(fā)展提出合理建議。

智慧路燈；技術(shù)關(guān)鍵；通信方式

引言

20世紀(jì)后期至今，照明、通信等技術(shù)發(fā)展迅速，帶動(dòng)我國(guó)照明控制技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步。從“三遙”、“五遙”、單燈控制，直到今天的智慧路燈熱潮，既提升了城市照明科學(xué)管理水平，又為行業(yè)發(fā)展帶來諸多挑戰(zhàn)[1-5]。這需要我們冷靜思考，認(rèn)真應(yīng)對(duì)，找到智慧路燈推廣應(yīng)用的合適道路。

1 城市照明控制技術(shù)發(fā)展情況

從20世紀(jì)90年代開始，國(guó)內(nèi)城市照明控制技術(shù)開始規(guī)模應(yīng)用。以廣東深圳為例，1999年路燈“三遙”控制系統(tǒng)建成運(yùn)行，通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)路燈實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控。隨著技術(shù)進(jìn)步，部分終端在“三遙”基礎(chǔ)上增加了遙視、遙調(diào)功能，簡(jiǎn)稱為“五遙”。而且，景觀照明數(shù)量越來越多，原來只限于道路照明的智能控制系統(tǒng)擴(kuò)展到景觀照明，目前深圳市燈光環(huán)境管理中心直接管理的監(jiān)控終端點(diǎn)已超過1 000個(gè)，實(shí)現(xiàn)了城市照明配電箱全覆蓋，在精細(xì)化管理和節(jié)能降耗等方面發(fā)揮了顯著作用。

近年來，通信技術(shù)發(fā)展很快，特別是易于調(diào)控的LED燈具的規(guī)模應(yīng)用，單燈控制成了不少城市的新選擇，如濟(jì)南、上海等城市有超過萬(wàn)盞的應(yīng)用，也取得不錯(cuò)得效果。從通信方式來說，第1層級(jí)(控制中心到集中控制器)一般采用GPRS公網(wǎng)，第2層級(jí)(從集中控制器到單燈控制器)多數(shù)采用電力載波(PLC)，也有少數(shù)城市采用ZigBee。從2011年開始，深圳結(jié)合LED路燈推廣進(jìn)行了一系列的單燈控制研究，涉及通信技術(shù)包括PLC、ZigBee、NB-IoT等。

2 智慧路燈的熱潮和應(yīng)用

單燈控制方興未艾，智慧路燈橫空出世。路燈在城市中具有分布廣泛、帶有市電等特點(diǎn)，在智慧城市的大潮中，路燈成了令人眼紅的感知終端載體，是智慧城市落地的最佳切入點(diǎn)。由此，智慧路燈迅速取代LED和單燈控制，成為國(guó)內(nèi)照明行業(yè)的最新技術(shù)熱點(diǎn)，各城市的試點(diǎn)層出不窮，形成一股熱潮。從試點(diǎn)情況看，智慧路燈集合智能照明、無線WIFI、視頻監(jiān)控、信息發(fā)布、環(huán)境感知、緊急呼叫、充電樁等各項(xiàng)功能，只是各項(xiàng)功能的拼湊，各項(xiàng)功能之間的聯(lián)系非常弱。按硬件(多功能桿)、軟件(監(jiān)控平臺(tái))、系統(tǒng)(城市智能管理)來分，目前僅在硬件階段，稱之為智慧路燈有點(diǎn)言過其實(shí)，視作智能型多功能桿更為合適。

目前，在城市級(jí)別推動(dòng)智慧路燈條件還不成熟，城市里的智慧路燈功能分屬不同的政府部門管理，如公安、交通、照明、環(huán)衛(wèi)、氣象等，整合的困難很大。當(dāng)然，如果能在城市試點(diǎn)成功或取得突破，一定程度上也可倒逼市政管理的融合和提高。對(duì)于封閉的街區(qū)和范圍明確的景區(qū)，智慧路燈的作用比較明顯。這些區(qū)域是集中管理的模式，管理人員24小時(shí)值班，緊急呼叫、視頻監(jiān)控等設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，可以幫助管理人員及時(shí)處理突發(fā)狀況，提高管理效率。

3 智慧路燈的關(guān)鍵技術(shù)

智慧路燈架構(gòu)一般分為應(yīng)用、平臺(tái)、傳輸、硬件四個(gè)層級(jí)[4]。應(yīng)用層涉及市政、環(huán)保、公安、交通等不同政府部門職能，需要通過溝通協(xié)調(diào)來理順關(guān)系，目前在技術(shù)方面討論的作用不大。硬件層的LED燈具、攝像頭、傳感器、Wifi、充電樁等設(shè)備，一般都是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，增加或減少幾個(gè)功能，技術(shù)難度不大，預(yù)留接口即可。相對(duì)而言，平臺(tái)層、傳輸層在技術(shù)方面則非常重要，甚至可能決定智慧路燈應(yīng)用的成敗。

3.1管理平臺(tái)的開放性

對(duì)一套管理系統(tǒng)來說，平臺(tái)開放性的作用不言而喻。特別是涉及公共利益的智慧路燈管理平臺(tái)，開放性、兼容性和擴(kuò)展性尤為重要。不過，國(guó)內(nèi)城市普遍做得不好，如某城市采用某公司照明管理平臺(tái)和系統(tǒng)，就意味著被壟斷，要么心甘情愿被控制，要么推倒重來另起爐灶。由于城市照明市場(chǎng)非常分散，每個(gè)城市的議價(jià)能力都不高，即使是深圳，也一直找不到合適的解決辦法。

3.2通信方式的選擇

既然平臺(tái)和系統(tǒng)的開放性無法保障，通信方式的選擇就非常重要。對(duì)一個(gè)城市來說，選擇失誤幾無糾錯(cuò)可能。我們有過深刻教訓(xùn)，深圳路燈“三遙”控制系統(tǒng)1999年建設(shè)時(shí)采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的CDPD公網(wǎng)?？上В捎谑袌?chǎng)推廣應(yīng)用不佳，2004年底CDPD在深圳只剩我們一個(gè)用戶了。不得已，整個(gè)“三遙”系統(tǒng)只能推倒重來，全面改造為GPRS。在2007年GPRS改造完成之前，天天承受CDPD斷網(wǎng)和撤網(wǎng)的惶恐。因此，對(duì)于通信方式，穩(wěn)定性很重要，但生命力也很關(guān)鍵，必須確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.1 主要通信方式

目前，智慧路燈使用的主要通信方式有PLC、ZigBee、Nb-IoT、LoRa等四種：

1)PLC：利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)耦合到電力線進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

2)ZigBee：是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低速、短距離、低功耗、雙向無線通信技術(shù)的局域網(wǎng)通信協(xié)議，又稱紫蜂協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等，其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，主要用于傳感控制應(yīng)用。特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織(自配置、自修復(fù)、自管理)、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。

3)NB-IoT：支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。

4)LoRa：低功耗廣域物聯(lián)技術(shù)的一種，使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，即保持了像FSK(頻移鍵控)調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾，即不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會(huì)相互干擾，因此在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)能夠并行接收并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行(即非授權(quán)頻段)。

3.2.2 通信方式比較

以上四種通信方式，各有特點(diǎn)(見表1)。除了Lora外，其他三種通信方式均在深圳路燈進(jìn)行過測(cè)試。技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)為通信方式本身固有，自然很重要，但我更重視的卻是技術(shù)推動(dòng)和推廣風(fēng)險(xiǎn)兩項(xiàng)。照明行業(yè)規(guī)模不大，期望企業(yè)投入巨大資源專門研究照明通信方式，有點(diǎn)不切實(shí)際。照明控制的通信方式研究，更多在于其他行業(yè)通信技術(shù)取得突破，再反過來應(yīng)用于照明行業(yè)。推廣風(fēng)險(xiǎn)則與通信方式的生命力息息相關(guān)，生命力的基礎(chǔ)是技術(shù)先進(jìn)，但能否營(yíng)造良好的行業(yè)生態(tài)更為關(guān)鍵。無法凝聚共識(shí)，帶動(dòng)行業(yè)共贏的通信技術(shù)，其生命力必定存疑。

至于是PLC、ZigBee、NB-IoT、LoRa，還是其他通信方式在未來能夠勝出，目前尚無定論，還需一系列測(cè)試研究?？紤]到與智慧城市的結(jié)合，以及政府的推廣力度，NB-IoT暫時(shí)占有一定優(yōu)勢(shì)。

表1 四種通信方式的比較

4 智慧路燈的未來發(fā)展

綜上所述，智慧路燈發(fā)展的兩個(gè)方面非常關(guān)鍵，一是平臺(tái)是否開放和兼容不同技術(shù)；二是傳輸和通信方式的選擇。對(duì)城市來說，這兩方面一旦確定之后就很難改變，對(duì)未來的發(fā)展方向影響深遠(yuǎn)。

就目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，智慧路燈還沒普及，智慧城市的建設(shè)也有待完善。智慧路燈的普及是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，近年出現(xiàn)的一些智慧路燈項(xiàng)目，并不一定就是未來的發(fā)展方向。可以說，智慧路燈的發(fā)展正處于起步階段，各項(xiàng)功能還處于不確定的狀態(tài)，目前像在“搭積木”，下一步可能是“變形金剛”。還在快速發(fā)展的國(guó)內(nèi)城市，不要幻想一步到位，一勞永逸?，F(xiàn)在沒用的功能，以后可能很重要；現(xiàn)在很重要的功能，不久可能變得多余。

智慧路燈如何與智慧城市有效結(jié)合，還有漫長(zhǎng)的磨合期，不僅是技術(shù)方面的問題，還關(guān)系到政府職能和城市規(guī)劃、建設(shè)、管理等各方面的支持與協(xié)調(diào)。智慧路燈在逐漸演變，智慧城市也處在不斷發(fā)展變化之中。今天的所謂智慧城市，數(shù)年之后，在人們看來可能就不那么“智慧”了。智慧城市的建設(shè)需要一步步提升，循序漸進(jìn)，不能畢其功于一役，止步于已有的想法，只會(huì)把未來的發(fā)展框死。

因此，智慧路燈也好，智慧城市也罷，我們都需要秉持開放態(tài)度。首先，必須摒棄畢其功于一役的想法，既然號(hào)稱智慧，必須承認(rèn)技術(shù)發(fā)展的生命力和成長(zhǎng)性，與城市共生是應(yīng)有之義。其次，要有超越功利的眼光，智慧路燈能換職稱、工程，當(dāng)然也能換政績(jī)、業(yè)績(jī)，這無可厚非，但這只能是副產(chǎn)品，智慧路燈的未來必須與城市發(fā)展、市民生活緊密結(jié)合，廣納民意，強(qiáng)化公眾參與，才能產(chǎn)生最大的效能。最后，對(duì)城市發(fā)展要有前瞻性考慮，技術(shù)要嚴(yán)謹(jǐn)，但絕不能用現(xiàn)在的想法去框死智慧路燈的未來，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的演進(jìn)會(huì)帶來各種可能，我們要學(xué)會(huì)接受不確定性，跟隨時(shí)代發(fā)展的潮流，推動(dòng)智慧路燈向前發(fā)展。

[1] 梁國(guó)芹，董小輝.北京昌平區(qū)城市夜景照明工程“多網(wǎng)合一”智能化照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].照明工程學(xué)報(bào),2007,18(2):60-64.

[2] 吳春海，賴常華，李振. LED路燈智能控制技術(shù)模式研究及應(yīng)用[J]. 建筑電氣,2014,33(9):52-56.

[3] 張鈺唯，葉煒，許煜.照明控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].照明工程學(xué)報(bào),2010, 21(2) :1-7.

[4] 吳春海. 深圳LED路燈應(yīng)用及展望//中國(guó)照明學(xué)會(huì).2016年中國(guó)照明論壇——半導(dǎo)體照明創(chuàng)新應(yīng)用暨智慧照明發(fā)展論壇論文集[C].北京：中國(guó)照明學(xué)會(huì)，2016.

[5] 方景，邴赫亮，肖輝.照明控制技術(shù)的進(jìn)展[J].照明工程學(xué)報(bào),2014,25(2):10-14.

DiscussionontheApplicationofIntelligentStreetLamp

WU Chunhai
(ShenzhenLightingEnvironmentManagementCenter,Shenzhen518036,China)

This paper introduces the development of urban lighting control technology and analyzes the current application of intelligent street lamp. For the four layers of intelligent street lamp, as knownas application, transmission, hardware and platform, the key technologies are platform openness and communication modes selection. The communication modes including PLC, ZigBee, NB-IoT and LoRa are compared and analyzed respectively. This paper puts forward some reasonable suggestion for the development of intelligent street lamp.

intelligent street lamp; key technology; communication modes

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.006