智慧燈桿光學測量模塊設計

王 駿

（南京路燈工程建設有限責任公司，南京 210000）

人工智能、大數據、5G等新技術的發展和智慧城市建設，為城市照明燈桿資源的充分利用提供了方向。路燈燈桿的覆蓋面廣、分布規律為公共服務設施建設提供了良好的基礎支撐，因此，推動路燈燈桿的綜合利用，努力打造智慧燈桿示范區，規范和科學指導智慧燈桿的建設、發展、運行及維護，可美化城市環境，優化空間結構，促進城市高質量發展。為提高路燈照明質量，在多功能燈桿上增設現場路面亮度、光源顯示指數和色溫的實時監控系統，防止災害性天氣日光照度驟降影響路燈的照明水平［1］。

1 系統的設計思路、主要結構和通信模式

1.1 設計思路

為便于對道路照明質量的實時監控，及時應對突發性災害天氣，并實時得到現場數據，在智慧燈桿的基礎上增加了光學測量模塊，采用瞄點式亮度計、光譜傳感器和照度傳感器，配合自主研發的軟件并加裝防雨防塵裝置，保證測量的準確性、可重復性及穩定性。該測量模塊的測量數據將接入智慧城市管理平臺，或直接傳送至相關管理人員的電腦及手機終端。

1.2 模塊組成

1）路面亮度測量單元。使用瞄點式亮度計，對指定路面亮度實時監測，并上傳數據。

瞄點式亮度計利用透鏡成像原理，通過望遠光學系統，在非接觸狀態下測定光源或物體的亮度，如圖1所示。通過直接目視瞄準、調節焦距、變換視角等方法對目標物進行測量，減少測量過程中的人為或外界誤差。該系統中不包含任何模擬部分，克服了現有亮度計難以避免的零點漂移問題，具有抗干擾能力和高轉換精度，而且儀器采用了大動態范圍的數字傳感器，消除了傳統亮度計的量程切換誤差。儀器內含RS232接口，經過計算機軟件定標，可用于計算機遠程在線監控系統，穩定性高，可實時采集數據［2］。

圖1 瞄點式亮度計成像原理圖

2）色溫、顯色指數測量單元。使用光譜傳感器，實時測得路燈的色溫、顯色指數數據，并上傳數據。

光譜傳感器可將不同的路燈光源進行光分解，通過對光信息的采集和分析，得到不同的光學參數。儀器通過光電倍增管等光探測器測量光譜線不同波長位置的強度。其基本構造由一個入射狹縫、一個色散系統、一個成像系統和一個或多個出射狹縫組成。通過色散元件將輻射源的電磁輻射分離出所需要的波長或波長區域，并在選定的波長上進行強度測定，如圖2所示。配套專業的測試分析軟件，可查看光譜曲線圖及相應的光學參數指標。

圖2 光譜傳感器的簡單結構

3）日光照度測量單元。對天空環境照度進行實時監測，當照度小于一定數值時，及時發出報警信號，并自動點亮路燈。

照度傳感器是通過硒光電池將光能直接轉換成電能的光電元件。當光線照射到硒光電池表面時，入射光透過金屬薄膜到達半導體硒層和金屬薄膜的分界面上，在界面上產生光電效應。其產生電位差的大小與光電池受光表面上的照度有一定的比例關系。同時接上外接電路，產生電流，電流值從微安表上顯示。光電流的大小取決于入射光的強弱和回路中的電阻。通過變檔的調節，可測量不同的照度值，如圖3所示。

圖3 照度傳感器原理圖

1.3 通信模式

1）光學測量模塊加入物聯網，使用NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）網絡，定時向服務器發送數據。

2）光學測量模塊使用RS232或RS485線，直接按雙方設置好的通信協議把數據發送至智慧燈桿，智慧燈桿再向控制中心服務器發送數據。

2 光學模塊介紹

2.1 設計效果圖

智慧燈桿和光學測量模塊組合設計如圖4所示。

圖4 設計效果圖

2.2 系統圖

光學測量模塊系統如圖5所示。

2.3 設計主要技術參數

2.3.1 路面亮度測量單元

1）亮度測量范圍：0～10 cd／m2；

2）亮度測量精度：±5%。

圖5 系統圖

2.3.2 色溫、顯色指數測量單元

1）色溫測量范圍：1 500～25 000 K；

2）顯色指數測量范圍：0～100；

3）測量精度：±5%。

2.3.3 日光照度測量單元

1）照度測量范圍：0～200 000 lx；

2）照度測量精度：±5%。

3 軟件設計

3.1 設計思路及要求

為實現智慧燈桿的集中統一管理，軟件采用Jave EE體系和物聯網，形成一個成熟、擴展性強的基礎架構，建立集數據測量、數據分析、實時監控、定時傳輸、及時報警等功能為一體的軟件平臺。支持Windows操作系統、支持SQL Server、MySQL等主流數據庫系統，并提供應用和數據接口給使用部門和管理部門。設計時考慮到要與現有的城市照明智能化系統（如集中控制系統、單燈控制系統）對接，最大程度保護已建資源，同時考慮今后的軟件升級與無縫擴展問題。

軟件不僅支持運維單位的私有部署安裝，還支持云端部署安裝，并提供相應的手機APP。

軟件滿足以下要求：

1）采用統一的賬號和權限管理機制；

2）支持彈性擴展；

3）支持新增特性的快速上線、發布；

4）支持在線升級、回退和擴容［3］。

3.2 軟件界面設計

照度、亮度測量界面如圖6所示。

色溫、顯色指數測量界面如圖7所示。

圖6 照度、亮度測量界面

圖7 色溫、顯色指數測量界面

通過軟件可以對現場的照度、亮度、色溫、顯色指數實時測量，并通過無線網絡定時向服務器發送數據。軟件曲線圖也可看出不同時段數據的變化情況。

4 運行與維護

1）每季度定期對系統進行一次全面的功能性檢查，并及時提交系統運維報告。

2）由于戶外灰塵較多，需定期對瞄點式亮度計、光譜傳感器、照度傳感器進行清理，保證測量的準確性。

3）如遇極端天氣或重大節假日、重大活動前，應加強對系統的檢查、維護。

4）檢測時主要查看傳感器的防護、固定以及供電和通信情況，對后臺采集的數據進行驗證，并定期校驗傳感器。

5 結論

隨著城市建設規范化、科學化的不斷進步，智慧燈桿的運用將更加廣泛，光學測量模塊的增加有效提高了智慧燈桿的利用率，實時反映了室外光學數據的變化情況，以提高路燈照明水平和突發災害性天氣時對路燈的管控能力。