基于云邊融合室外智慧燈聯網的系統設計與應用

金 展，管彩霞，李文宜，沈海平

(1.杭州海康威視數字技術股份有限公司，浙江杭州 310052；2.復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

室外智慧燈聯網是以市政基礎設施路燈桿為基礎，運用最新的傳感、通信及控制技術構成智能監控系統，能快速而準確地進行智能照明監控，采集各種數據并輸送到智慧城市平臺。基于該智慧燈聯網可以實現多種智慧城市管理功能，如：通過燈具監控及環境傳感，可實現真正意義上的按需照明和精細化管理；通過紅外、微波、視頻等傳感器，可以快速對道路、公交車站、停車場的車輛情況進行覆蓋監測，并可通過燈聯網服務平臺，向交通信息中心提供實時交通信息；通過視頻監控及報警求助設備，可以建立覆蓋全城市的安防系統，維護城市安全及進行設施管理。未來，智慧燈聯網將在交通監測、環境監測、安防預警、信息發布、移動熱點等多個領域發揮作用。在燈聯網的幫助下，城市管理將更加精細、科學與智慧。智慧燈聯網是目前國內外研究的熱點，具有重要的研究價值[1, 2]。

2009年，德國研究團隊針對LED路燈開發了Dial4Light控制系統，提出了按需照明和人為干預照明的理念；2011年，荷蘭代爾夫特理工大學發布了基于IOS應用的智慧路燈控制系統雛形；2015年，英國劍橋大學計算機實驗室在倫敦威斯敏斯特實現的道路照明系統以及愛立信與飛利浦在荷蘭聯合打造的0站點路燈，標志著整體室外照明進入了智能化的時代。我國學者和單位也開展了智慧室外照明和燈聯網方面的研究及應用開發工作[3-9]。

目前很多智慧路燈僅僅是將多個物理傳感器簡單地搭載在路燈桿上，各數據采集系統都有各自的鏈路和平臺，導致傳輸鏈路上浪費嚴重，從而造成系統成本高且數據融合性差的問題。另外，由于傳感器采用各自的鏈路，導致故障節點增多，一旦出現問題，維修維護成本也高。這些問題都導致智慧路燈在城市級的項目中很難進行大規模的推廣，也很難形成真正意義上的智慧燈聯網。更重要的是，智慧城市及5G建設的推進，會對智慧路燈提出更多更高的應用要求，以下需求必須在設計建設初期就予以考慮：①如何讓智慧路燈桿成為共享的基礎設施，實現如供電、網絡、桿件等資源的共享；②如何讓智慧路燈成為城市級物聯網重要的入口采集平臺；③如何利用智慧路燈實現城市級業務上的創新應用，如排水監測、車路協同等。針對上述問題及需求，本文提出了一種基于云邊架構的城市級燈聯網系統，它能夠較好地解決系統的擴展性和成本問題。

1 系統架構

本系統按照“邊緣感知、多層認知、按需匯聚、分級應用”的核心理念，基于云計算和邊緣計算(簡稱云邊)技術的融合，設計相關邊緣的燈聯網智能網關和物聯網平臺。其系統邏輯圖如圖1所示，主要分為節點的感知端、邊緣計算的網關和智能應用的云計算中心，其中感知終端側重多維感知數據的采集和前端智能處理，以燈桿為載體掛載各類如電力、網絡、氣象環境等需求的傳感器；邊緣域側重感知數據的匯聚、存儲、處理和智能應用，其中智能網關是傳感設備的統一接入口，預留多種接口，支持多種協議、即插即用和邊緣計算；云中心側重業務數據融合及大數據多維分析應用，其中物聯網平臺負責統一管理傳感設備、數據透明傳輸、智能分發和數據流向計量。

圖1 基于云邊融合室外智慧燈聯網的開放架構邏輯圖

系統具體架構圖所圖2所示。其中邊緣域部分分成三部分：①傳統通用型傳感器，如環境感知、RFID、視頻、WIFI等，這些統一接入智能網關，以減少成本和費用，網關采用如MQTT、CoAP、Http等主流協議，私有協議也可接入；②燈桿(載體感知)是否傾倒、是否供電、GPS等信息，不建議與通用傳感器一同接入，否則萬一系統斷網就無法進行監測，可通過網絡單獨傳輸，建議采用NB-IoT的模式進行傳輸；③輔助接入的其他感知，如窨井蓋、垃圾桶、車位傳感器等，可通過路燈載體采集。

圖2 基于云邊融合室外智慧燈聯網的開放技術架構圖

云中心部分提供管理門戶和開發者門戶兩個面向用戶和開發的平臺，另外還包括四個模塊，分別為：①核心組件模塊，包括設備控制、數據存儲、告警引擎、路由分發、設備連接和協議解析等；②配置管理模塊，包括告警規則配置、告警處置配置、協議模型管理和告警信息管理；③運維模塊，包括工單管理、巡檢管理、運維記錄和故障處理記錄；④基礎信息管理模塊，包括設備管理、應用管理、用戶管理和設備/應用信息統計。

燈聯網平臺應能對接多樣化的感知終端，并提供二次開發套件以支撐各類物聯網應用開發。另外，平臺整體設計時必須充分考慮接口問題，物聯網平臺與設備間的主要接口包括：協議解析二次開發插件接口、異常告警二次開發插件接口、數據存儲二次開發插件接口和設備接入SDK；物聯網平臺與應用間的主要接口包括：設備管理接口、設備控制接口、設備狀態及告警信息接口和感知數據接口。

2 場景需求與規劃

2.1 城市級智慧燈聯網場景規劃

設計智慧燈聯網大數據平臺之前首先要做的是智慧路燈的場景規劃，主要包括分析每個傳感器數據的實時性和非實時性要求，采集頻次以及每次采集的數據量，根據數據量的測算，估算大概的數據類型與量級，以及相對應的數據處理能力等。詳細的業務數據流實例如圖3所示。

圖3 城市級智慧燈聯網的數據流業務規劃

路燈的數據流分析決定了設備場景的定位和性能需求，比如由于視頻的數據需求量非常大，所以在邊緣域路燈智能網關的系統中只考慮轉發功能；在路燈的狀態控制中，如果光度采集或時間控制組成的決策器可以本地化控制相應路燈的開關，那么就需要考慮智能網關的邊緣邏輯計算控制問題。

2.2 單燈場景需求

目前主流的智慧路燈應用場景如圖4所示，主要包括道路照明、5G基站、智能攝像頭、WIFI、環境傳感、LED顯示屏、一鍵報警、RFID讀寫器、充電樁、物聯網中繼等，在設計智能網關時應充分考慮實際市場的需求以及傳感器的接入能力。

圖4 智慧路燈的典型應用場景

3 系統設計

3.1 智能網關設計

智能網關是智慧路燈最為基礎和重要的一個匯聚節點，其性能好壞決定了系統的整體能力，設計時應注意以下問題：①支持多種傳輸協議，應預先集成主流傳輸協議，提供統一的數據傳輸協議標準，如MQTT、CoAP、Modbus、視頻28181等，同時支持各種私有協議的接入，目前本系統能夠接入的主流傳感器協議達到了100多種；②支持多種物理接口，預留多種標準物理接口和電氣接口，如RS232/485接口、交流/直流輸出接口、I/O口、以太網接口等，以兼容各種設備；③融合多種網絡接入方式，支持有線、無線多種通信方式，兼容以太網、WIFI、ZigBee、LoRa、NB-IoT等多種接入方式；④支持多種類型、廠家的傳感設備，使系統具備更好的兼容性。另外，網關在某些特殊的場景下需要有簡單的邊緣邏輯計算能力(反控)，比如智能燈桿被撞到后，網關可以自動實現桿體的聲光電報警和信息的自動向上報送。本系統中的智能網關的架構與功能如圖5所示。

圖5 智慧燈聯網中智能網關的架構與功能

3.2 云中心設計

智慧路燈物聯網云中心的整體架構采用分布式構架，以適應未來城市級業務中的高并發、可擴展、支撐業務場景復雜等特點，并應充分考慮作為城市級物聯網基礎平臺未來的性能和指標擴展需求。本文所設計的智慧燈聯網云中心的架構如圖6所示。在設計云中心時，應充分考慮到以下幾個方面：①在智慧路燈桿上，視頻作為最重要的傳感器之一，發揮著越來越重要的作用，處理方式和接入也最為復雜，應充分考慮其設備接入安全、訪問權限控制、分析數據上報、固件升級、設備插件適配、協議模型適配、設備狀態監控等功能；②IoT接入須考慮接入安全、設備入網注冊、訪問控制、狀態監測等方面；③須充分考慮網關的設備監控執行、設備控制反饋記錄等問題；④對于平臺應充分考慮流量管理，包括流量分類、流量狀態、接入管理和共享流量管理等問題；⑤應充分考慮平臺的數據共享，如共享SDK數據管理、共享安全管理、數據共享引擎等；⑥應充分考慮二次開發包工具，如SDK/API等；⑦應開發物聯網接入標準規范，如設備接入標準、數據共享標準等。

圖6 智慧燈聯網云中心架構

4 智慧燈聯網平臺的應用

本文提出并設計的基于云邊融合室外智慧燈聯網系統技術在某市的路燈物聯網項目中得到了應用。該項目第一階段業主需求為：接入路燈桿300多個，并實現8000多個設備的統一管理，以該智慧燈聯網為基礎，建立一個城管物聯網平臺，實現對街邊違章占道、違章擺攤、違章停車和亂倒垃圾等違法違規行為的監控和自動識別，以及窨井蓋的實時監測。另外，從長遠看，該智慧燈聯網還應能服務于照明管理、城市亮化、智慧環衛、城管智慧執法、園林綠化、市政設施、城管應急保障指揮、及戶外店招廣告、建筑垃圾運輸、執法車輛調度監管等多個城市應用場景。這對智慧燈聯網的功能擴展性提出了較高要求。

該項目采用了圖2中所示的系統構架，目前除實現了項目第一階段的需求外，還實現了以下功能：

1)基于設備接入的管理應用，支持一鍵報警、單燈控制、充電樁管理、溫濕度傳感器、積水檢測傳感器、智能桿傳感器、攝像機、用電監測儀、智慧路燈網關等設備的接入，并可視化地展現了設備的接入數量及接入的應用開發數。

2)基于設備地理信息的管理應用，可實現設備地理信息和離線在線狀態信息的顯示，告警、異常、維護等信息在GIS上實現同步實時的傳輸，根據感測器、網關、智能設備進行信息分類。未來還可實現工單APP與平臺的互通，方便運維人員直接在APP上監測設備的狀態。

3)基于設備的可視化展示，展示內容包括接入總數和在線數，整體平臺開發的應用數據，推送的設備及數據成功率，上報報文數和下發報文數，處理的速度和數據每日的增量等。

4)智能路網項目，實現車輛和路網采集信息數據化，通過燈聯網平臺+5G，實現無人駕駛車的實時同步，是未來無人駕駛領域最重要的基礎數據采集平臺。

5)其他功能，如工單管理、模型管理、告警管理、應用管理、巡檢管理、工單管理、權限管理等，本文不作詳細介紹。

基于云邊融合的室外智慧燈聯網系統，為用戶提供了較好的整體解決方案，不僅滿足了當前的應用需求，而且還提供了未來應用需求的接口，較好地解決了燈聯網系統的擴展性問題，可根據管理者的實際需要靈活地進行功能和應用的擴展。此外，相比一般的系統，它減少了很多線路，降低了網絡成本，避免了重復建設，節約了建設成本。

5 總結

針對目前智慧路燈中各數據采集系統鏈路和平臺集成度不高而導致的傳輸鏈路浪費、系統成本高、擴展性差、數據融合性差及故障節點多等問題，本文提出了一種基于云邊架構的城市級室外智慧燈聯網系統技術，較好地解決燈聯網系統的可靠性、擴展性和成本問題，使得系統擴容更容易，管理更扁平，還可實現不同數據之間的共享和關聯性分析，為5G時代的互聯互通打下了軟硬件技術基礎。

智能網關和云平臺是燈聯網智能化的核心技術。限于篇幅，本文簡要介紹了云邊融合室外智慧燈聯網系統的一般特點、系統構架和軟硬件設計，并給出了它在某個具體項目上的應用實例，以期對相關研究人員提供參考。