基于物聯網的智慧路燈系統設計

張家英

隨著智慧城市的概念的推出，越來越多的城市將其納入衡量城市管理水平高低的指標之一。其中，路燈是市政建設重要的組成部分，而“智慧路燈”則是未來智慧城市的主要信息采集入口，基于物聯網的智慧路燈系統的建設成為了智慧城市的重要組成部分。

【關鍵詞】智慧路燈 物聯網 智慧城市

隨著智慧城市的概念的推出，越來越多的城市將其納入衡量城市管理水平高低的指標之一。在實踐中大多數推廣數字化城市管理模式的城市，在提高城市的管理效率、降低城市管理成本和促進精細化管理水平上有著顯著的效果。其中，路燈是市政建設重要的組成部分，而“智慧路燈”則是未來智慧城市的主要信息采集入口，基于物聯網的智慧路燈系統的建設成為了智慧城市的重要組成部分。

智慧路燈系統作為一個平臺可以集成各種傳感器和物聯網為智慧城市收集各種有價值的數據，這些數據可與政府內部的交通系統、警務管理系統、財政管理系統和采購管理系統進行交互，成為智慧城市的有機結合體可以有效服務政府職能部門和公眾服務組織。智慧路燈設計是借助網聯網技術管理路燈，在路燈上集成多種傳感器采集環境、水質、大氣等數據，并結合GIS服務展示給用戶，在通過云計算將數據存儲在云端提供豐富的應用接口，為政府部門和公共組織提供應用支持。

1 系統總體設計

智慧路燈是智慧城市的一個重要組成部分，與智慧城市一樣其都是以數據支撐系統的運行，而其底層的數據收集則都是依托于物聯網技術為基礎的。結合物聯網分層的概念，大體上智慧路燈系統的建設分層如圖1所示。

感知層，這個層與傳統物聯網一樣，由多種傳感器構成。所不同的是傳感器集成在智慧路燈桿上。智慧路燈桿集成了智能LED燈、傳感網絡、傳感設備、電子屏以及攝像頭等多種感知設備，并且通過光纖將數據、控制信號、設備管理狀態、故障告警等信息以TCP/IP報文的形式接入到上層系統中。

在這個層次上我們的基于物聯網的智慧路燈系統，主要提供對桿的配置管理，例如：獲取桿的信息、支持的傳感器、電子屏、攝像頭等信息；配置傳感器的參數、設置攝像頭、電子屏的工作模式等；當傳感網絡出現故障、傳感器出現狀態不穩定、攝像頭損壞等故障可以通過平臺獲取故障告警。

傳輸層，主要是以光通信設備為載體搭建的網絡，通過光傳輸技術實現智慧城市內的信息傳輸通道。在這個層次上我們的智能支撐管理平臺，主要對傳輸設備、光纖拓撲、時鐘拓撲、業務拓撲等進行展示和管理。通過我們的平臺可以實現靈活的配置定義業務，達到電信級網管的運維要求。利用光纖通過EPON或GPON接入到PTN組成的光傳輸網絡中，我們提供電信級的運營保障能力，系統提供安全管理、拓撲管理、配置管理、故障告警管理、性能管理、運維故障分析、擴容管理、業務配置管理、設備統計等功能。通過對傳輸層網絡的管理，可以最大限度的控制建設投入，優化傳輸網絡建設。

匯聚層，主要是匯集來自傳感器、攝像頭、系統本身記錄的各種數據，通過大數據管理平臺進行存儲和計算。例如：提供分析溫度傳感器和車流量之間的關系、人流量與電子屏顯示信息的關系、人流聚集數據模型等，平臺利用數據挖掘、機器學習等技術，為城市管理者提供有價值的管理、建設、開發等信息，服務城市主體，讓每一個城市參與者受益。在這個層次上我們的系統，主要對匯聚數據進行管理，平臺提供大數據管理平臺和私有云服務，對數據的存儲、智能分析、數據安全性提供完整的支持。

應用層，主要是針對智慧城市的各個專項領域提供更為專用的應用服務接口，應用服務的基礎數據可以從我們系統獲取。

2 物聯網管理設計

由于物聯網目前還沒有一個完全統一的標準，目前在智慧城市等項目運用較多的物聯網技術主要有LoRa、NBIOT和zigBee等物聯網協議標準。本系統設計考慮到實際需求上要求遠采用無線通訊距離傳輸，信號要有抗干擾能力強的特點，從市政建設節能減排的要求需要采用低功耗的設備，最終選擇LoRa作為本系統的物聯網載體。

為了減少建設成本提高路燈的控制能力，設計上通過一根主路燈控制多個從路燈的方式。從桿上的路燈和傳感器通過LoRa Slave接入到LoRa網關，再被LoRa Master管理，這種模式就是典型的LoRaWan的應用場景。

LoRaWan是在傳統LoRa的基礎上加入了NM Server網管服務器軟件系統。NM Server通過UDP傳輸GWMP協議管理網關，協議解析網關地址找到關聯的Brokers，再由Broker分發報文到Handler處理不同路燈和傳感器的應用邏輯，起到控制路燈的節能策略和接受傳感器采集數據的作用。

3 私有云設計

智慧路燈的核心設計目標之一就是要滿足數據的共享要求。為了確保數據共享，系統設計必須滿足在不同單位、不同歸屬的條件下的智慧路燈及其集成的各種傳感器數據可以共享。由于共享的數據規模大，訪問頻次高，訪問級別差異大，這就需要建設智慧路燈的私有云服務。本系統設計分為四個層次，從上到下分為交互層、轉換層、綜合層和私有云層。各層具體的設計意義如下：

3.1 交互層

本系統的交互層采用兩種架構的訪問模式即C/S、B/S和移動終端APP，其分別負責數據的管理和數據的展示。

3.2 轉換層

利用智能代理為智慧路燈物聯網數據信息提供統一的通用接口，提供標準的讀寫模式和數據交換協議，對數據提供定制的標簽方便信息的分類和檢索，實現智慧路燈物聯網數據與云端數據的隔離和透明性。

3.3 綜合層

其作用是利用信息的共享源對系統的數據模式化，對結構化和非結構化的數據梳理統一的模式，在共享源中插入安全定義和描述信息，提供基于角色的安全認證。

3.4 私有云層

以虛擬化資源池的方式提供數據的存儲、計算、共享、分析處理、管理和網絡傳輸，其實數據于用戶的交互紐帶，是整個智慧路燈物聯網數據共享平臺的運行基礎。其會對數據進行數值分析，通過海量的數據分析算法挖掘數據規律和統計數據模式。endprint

4 智慧路燈管理設計

從功能上劃分系統，系統可以被劃分為五個應用層次，最底層是智能路燈桿及設備的管理；其上是各個管理子模塊；再上層是對設備及系統的故障管理層；再往上是系統的安全管理劃分系統的管理權限；最后是對其他應用的大數據服務接口。在智慧路燈的管控上，提供了GIS拓撲滿足快速定位智能路燈桿等城市智能硬件平臺，并可以通過軟件對智能硬件配置各種業務。例如：根據光敏傳感器來配置LED路燈的敏感程度，某個桿上的某個傳感器故障產生告警，統計人流量等感知層網絡功能。

在智慧路燈GIS拓撲界面上智慧路燈的管理者可以方便的看到路燈的運行狀況，照明情況，利用GIS服務可以很精準的定位路燈的位置信息。

當路燈設備發生故障時，可以借助系統及時了解到故障定位點，知曉在哪個地區哪個路燈的那臺設備發生了什么故障，方便維護人員及時定位搶修。現場維護人員可以通過手機終端的APP了解檢修信息，如圖2智慧路燈APP維護界面所示。

現場維護人員在戶外可以通過其手機的APP了解檢修任務，查詢設備信息了解設備的使用狀況，設備類型，檢修歷史等信息。也可以查看缺陷信息了解當前的故障和系統分析的故障定位點進行現場搶修。搶修后可以對設備信息進行配置和基礎數據的同步維護等操作。

5 總結

本文設計的基于物聯網的智慧路燈系統提供了一個統一的智慧路燈數據的收集、分析、管理的閉環平臺。在設計上提出的方案，利用物聯網的LoRaWan技術和云計算的技術伸縮性實現高性能計算，利用云端的安全性保障數據的共享。借助云計算這一整體方案，避免人工干預取代傳統的人工管理數據的低效方式。系統的目標是實現智慧路燈的信息的高效和應用，為市政管理提供決策、指揮、和后勤保障的信息支持。在交互結構上采用多種模式既有可以B/S又有C/S還有手機APP的模式，供不同的用戶和終端訪問系統。經過論證，本系統與傳統路燈相比可以降低40%的能耗，降低90%的維護人力成本，達到節能減排的效果。

參考文獻

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[2]王陽，溫向明等.新興物聯網技術——LoRa[J].信息通信技術，2017，11（01）：55-59+72.

作者單位

北京高森明晨信息科技有限公司 北京市100176endprint