智能路燈的設計與應用

劉麗

（太原市政建設集團有限公司，山西太原 030000）

0 引言

城市照明系統為人們日常生產生活提供便利的同時，也造成了大量電力資源的浪費，有較大的節能空間。在當前我國節能減排政策的大力推動下，通過科學管理模式與先進科學技術的應用，可以促進照明系統節能降耗，是當前城市照明系統發展的必然趨勢。

1 城市路燈的作用

1.1 美化城市景觀

路燈對城市的最大作用就是美化城市景觀。路燈構筑城市的骨架和網絡，延長了城市經濟活動的時間。路燈所創造出來的舒適、安全的照明環境氛圍是其他工具無法替代的，良好的照明質量是建設城市優美夜晚環境的前提，也是城市不可缺少的因素。

1.2 提高生活質量

白天，在太陽光的照耀下，綠化、建筑、道路等城市的基礎設施展現著城市的獨特魅力，路燈也在其中，可以提升城市的品位。夜晚，路燈是城市基礎設施的光源，其能清晰地勾勒城市的輪廓，使其與白天的景色相呼應。路燈將城市景觀與人文活動有機地結合在一起，展現著一座城市獨特的格局及其特有的藝術氛圍。生活在這樣環境下的人們，生活質量會越來越高，對城市的喜愛與信賴程度亦與日俱增。

2 市政道路照明中路燈的發展現狀

路燈是城市照明的重要組成部分。在傳統路燈照明系統中，比較常用的是高壓鈉燈，其主要由燈桿、燈具、光源和鎮流器等組成，其中，鎮流器是高壓鈉燈最重要的元件。高壓鈉燈的光效低，造成了能源的浪費，除了路燈自身光照的耗能，高壓鈉燈的鎮流器的耗能量也較高。因此，隨著市場需求的改變，傳統的高壓鈉燈逐步被淘汰。基于節能環保的考量，需要解決高壓鈉燈及其鎮流器耗能大的問題，不斷提升其綜合效能[1]。

3 智能路燈的設計

3.1 系統方案設計

融合氣象數據的路燈控制系統按功能模塊可劃分為終端設備、傳輸網絡、云服務器和用戶端4 個部分：①終端層。終端層包括數據采集設備和控制設備。數據采集設備由單片機、土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照強度傳感器、交流電計量模塊及窄帶物聯網模塊組成，采集終端設備用于采集電氣和氣象數據，然后將采集的數據發送給窄帶物聯網模塊。控制設備由繼電器組成，窄帶物聯網模塊接收到云服務器指令后，控制繼電器打開LED 路燈。②通信層。通信層即窄帶物聯網傳輸網絡，由窄帶物聯網基站和核心網組成，窄帶物聯網模塊通過窄帶物聯網傳輸網絡將采集的數據傳輸至物聯網云平臺。③應用服務層。此層部署在物聯網云平臺上，通過窄帶物聯網傳輸網絡接收采集的數據，實現數據查詢及存儲，并通過窄帶物聯網傳輸網絡下發控制指令對路燈進行管控。④用戶層。管理人員通過移動端APP 或PC 端查看路燈狀況或獲取電氣和氣象數據，并隨時控制LED 路燈開關。

3.2 箱網搭建

箱網搭建主要指結合道路等級、用電需求等因素，合理規劃建設各級配電設施，從而使電力資源下沉，是路燈專網的物理基礎和空間前提。由于城市建設的快速發展，現有的城市配電設施難以滿足城市用電的需求。尤其對于新規劃的城市用地，通常存在電源點分布不合理、分布密度不夠，造成取電困難、用電手續復雜等問題。對于老城區道路，由于缺乏統一的配電規劃管理，常常會出現通信運營商、交通、公安系統等各投資方或用電單位重復建設配電箱、線井等設施的情況，未能高效統籌地上地下空間利用，有礙市容美化的同時也帶來建設成本浪費和運維難度增加的問題。根據上述架構，將逐步完善各級配電設施建設，構建配電箱網。對于大型路口，根據已有路燈箱式變合理改造升級，建設為綜合能源站，設計容量為250kVA～400kVA，為公安、交管系統、5G 基站以及充電樁等設備供電；對于中小型路口，新增建設綜合能源分支箱，設計容量為30～50kW；此外根據道路、規劃等實際情況，在路口、公交站臺等區域結合各類設施實際用電需求增建功能箱，設計容量為10～20kW。此外，對于智慧路燈終端依循“就近接電”的原則接入能源箱或功能箱，保障其掛載設備的用電需求，最大限度提高城市公共基礎用電終端的分布密度，通過分級配電和集中供電為下一步城市公共用電綜合管理（包括監測、預警、調控、分析等功能）奠定物理基礎[2]。

3.3 路燈節點硬件設計

本系統路燈節點的硬件包括采集模塊和執行模塊。采集模塊包括電源模塊、檢測模塊、控制模塊及無線傳輸模塊，實現了將采集到的路燈信息發送至無線傳輸基站。檢測模塊包括定位模塊、電壓電流檢測模塊、溫度檢測模塊、聲音檢測模塊及光照檢測模塊。電壓電流檢測模塊用于提供控制模塊對路燈回路功率計算時所需的電壓值及電流值；溫度檢測模塊用于檢測路燈燈泡的溫度，由功率和燈泡的發熱來判斷路燈工作是否正常；聲音檢測模塊用來檢測是否有車輛或人經過；光照檢測模塊用來檢測戶外的光強，若戶外亮度低且有車輛或人員經過時，則打開路燈開關，否則，則關閉路燈。控制模塊響應無線傳輸基站發送的控制指令進而控制執行模塊來實現調節路燈的亮滅，控制模塊實現傳輸路燈節點的信息及響應無線傳輸基站發送的控制路燈亮滅的指令，其工作電壓范圍為1.65～3.6V，可用于醫療、自動化與過程控制、通信與網絡、傳感與儀器等領域[3]。

3.4 燈具的選擇

燈具發光效率（LOR）是燈具選型中必須考慮的節能指標。假設有燈具1 和燈具2，各自的LOR 值分別為65%和79%，LOR 為燈具發出的總光通量與燈具內所有光源發出的總光通量之比，在光源一致的前提下，燈具2 的照度比燈具1 高。除此之外，光通維持率也是重點考慮指標，該值將直接對初始照度造成影響。假設有燈具1 和燈具2，各自的光通維持率分別為0.6 和0.7，光通維持率為燈在壽命期間內特定時間的光通量與該燈的初始光通量之比，在使用場景一致的前提下，燈具2 的初始照度比燈具1 低。由此看來，在挑選照明節能燈具時，應著重考慮優質高效、高光通維持率的基本要求。具體至城市路燈照明領域，所采用的燈具應具有較高的光通利用系數，其具體受到安裝高度、傾斜角度、配光方式等多項因素的影響，在設計時應進行綜合考慮。按照工程要求選擇好燈具及配光方式后，要進一步考慮具體的安裝參數，包含高度H、間距S、傾斜角度，其均會對路燈照明質量帶來影響。為兼顧照明、節能、美觀、耐久等多重要求，通常S/H 的值應穩定在3～4，傾斜角度為5°～10°。通過合理的燈具發光效率（LOR）等燈具選型從而實現節能目標[4]。

3.5 智能路燈控制云平臺與APP 設計

智能路燈控制云平臺一方面負責接收電氣和氣象數據、顯示電氣和氣象數據、存儲電氣和氣象數據等，另一方面負責下發控制命令實時控制路燈開關，此外還可以設置電氣和氣象數據閥值預警。智能路燈控制云平臺部署于中國移動物聯網開放平臺。之所以選擇此平臺主要出于3 個方面考慮：①其具有海量儲存空間和超強計算能力，支持主流物聯網協議解析和轉換，并具備大規模數據安全保障機制；②其提供可靠高效的數據管理服務和智能數據分析服務；③基于此平臺做開發，可降低開發成本、縮短開發周期。智能路燈控制云平臺的軟件設計步驟如下：首先創建產品，設備接入方式選擇“公開協議”，聯網方式選擇“窄帶物聯網”，創建成功后會生成一個產品ID 及正式環境注冊碼；其次添加設備，在添加設備前先通過指令查詢，再通過指令控制終端設備云平臺發送數據；最后在物聯網平臺查看上傳數據。物聯網平臺用戶可創建多個產品，對每個產品、設備、設備應用、觸發器、數據流進行管理，考慮到智能路燈系統發現電氣和氣象數據異常應具備預警功能，運用云平臺觸發器對每個數據流都進行警報功能設計，當終端設備采集到異常數據、上傳云端時會觸發警報，云平臺會將包含有異常數據流與設備信息的郵件發送至用戶，用戶可以通過PC 端或APP 接收報警信息。基于智能路燈控制云平臺部署完成后，采用物聯網提供的應用程序編程接口調用、數據推送等應用管理功能進行應用設計，具體做法是在手機頁面的編輯區對應用界面進行開發，開發完成后即可下載智能路燈控制APP，用戶可安裝此APP 實時查看電氣和氣象數據或隨時隨地控制路燈開關[5]。

3.6 微電腦智能控制器

傳統的定時鐘控制方式能夠自動完成對燈具的開啟與關閉操作，但全年內不同季節的晝夜時間有所不同，換季時對應的控制器設定時間也應得到調整，需在此方面投入一定的人力。并且定時鐘控制的精度較低，誤差通常在±15min。相比之下，微電腦智能控制器則是一種更可行性的方式，其自動考慮不同經緯度的日出、日落時間，自適應調節燈具的開關時間。配置工作中，僅需在初期設定當地的經緯度信息、日期信息、開關燈時間信息即可，后續運行時控制器可獲悉當日的日出日落時間，從而自動完成對燈具開關時間的調節操作。可見，微電腦控制器的應用具有更加便捷的優勢，后續無須在時間調整方面投入人力資源，且該裝置還具備失電保護的功能，有效提高了裝置的耐久性[6]。

3.7 道路照明的分組控制

城市主干道包含快車道和慢車道，各自的照明要求有所不同，需做有針對性的考慮。在后半夜，行駛在慢車道的非機動車數量較少，該階段對照明的要求較低，因此，在不影響安全的前提下可關閉下半夜慢車道的照明。此外，為有效提高城市路燈照明質量，部分城市采用雙光源燈具或是實施一桿多燈具的配置方案，此時照明的靈活性得以提升，在下半夜車輛較少時，可適時降低照明燈具的照度。例如，關閉其中的某盞燈，一方面保證了正常的照明功能，另一方面則減少了電能消耗量，一舉多得。由此也得到啟發，在城市路燈照明節能設計中，可結合實際情況采取分組控制的方案，通過此途徑減少能源消耗量。對于城市照明監控系統，其節能措施主要體現在分組適時控制各分控點、降電壓等方面，但道路照明的供電線路普遍較長，同時還存在負荷較大的特點，導致線路的壓降處于較大的水平，而光源對電壓提出了較高的要求，因此，降電壓的空間有限。從這一角度來看，該系統在節能方面的優勢并未得到有效的發揮，而這也是后續技術發展中的重要突破口。為同時滿足節能、照明效果、便捷化管理的多重要求，需緊密結合城市道路的實際條件，以分時、分段的方法對道路照明的功率做靈活的調節，使照明設施有效適應當前的工作環境。根據城市照明監控系統的現有運行情況，為之增添“遙調”的功能，具體可采用調光控制設備（其類型較多，如前端控制器、降功率節能轉換器，視實際情況合理選擇），將其配套至各照明個體上，由此提高照明系統的智能化水平，通過控制器、分控點、照明控制中心的共同組合，構成完善的城市照明網監控系統。若能合理應用城市照明監控系統，可有利于提高對城市道路中每盞路燈的動態監控水平，及時掌握各路段中各路燈的具體使用情況，進而給管控工作的開展提供了關鍵的參考依據。在該配置方式下，系統可接收源自控制中心的指令，也能按照預設時間完成相應的控制工作，例如，對每盞燈進行開、關機降功率控制，在自動化控制機制下，將道路照明的額定功率和降功率穩定在合理范圍內[7]。

4 結語

當前如何有效促進城市現有公共基礎設施升級改造，通過技術、管理賦能滿足日益增長的各類需求是城市管理者和建設參與者努力的重要方向。本文基于現有城市路燈供配電系統，提出了“路燈專網”的定義，從箱網搭建，能源通訊網絡搭建和物聯網、大數據等技術的應用多個方面闡述了路燈專網的整體架構。后期隨著直流供電、儲能等技術的進步，路燈專網的節能效益和應急能力將進一步完善，同時隨著物聯網、大數據等技術的升級，路燈專網的數字化、智能化水平和綜合管理能力也將大大提升。