LED智慧路燈系統(tǒng)在智慧城市中的應(yīng)用

王金躍，陸海強(qiáng)

（嘉興市恒創(chuàng)電力設(shè)備有限公司）

LED智慧路燈系統(tǒng)在智慧城市中的應(yīng)用

王金躍，陸海強(qiáng)

（嘉興市恒創(chuàng)電力設(shè)備有限公司）

智慧城市是城市發(fā)展的新思路，是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算時(shí)代的全新城市概念，其主要是運(yùn)用多種傳感技術(shù)獲取城市核心系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，再通過通信技術(shù)以及智能算法等手段整合城市包括：民生、環(huán)保、公共安全、城市服務(wù)等各種信息，進(jìn)而為市民提供更方便、快捷、精準(zhǔn)的服務(wù)，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。論文介紹了LED智慧路燈系統(tǒng)，其能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)采集PM2.5、溫度、濕度、氣壓、噪音、交通流量等相關(guān)路面信息，真正讓城市智慧起來。

智慧城市；LED智慧路燈系統(tǒng)

1 引言

路燈是人類出行必不可少的照明工具，它是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要一環(huán)。隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展，智能硬件和云計(jì)算大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，路燈的革新可以為城市帶來更多其他功能上的升級(jí)[1]。從目前路燈現(xiàn)狀分析，功能還是集中在單一的照明方式上。隨著物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、交通流量控制算法、人工智能算法、城市數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的成熟，路燈系統(tǒng)可以形成平臺(tái)統(tǒng)一，可定制，可拓展，綜合性的智能化城市的傳感數(shù)據(jù)集合的基礎(chǔ)平臺(tái)[2]，通過該系統(tǒng)形成1張巨大的城市感知網(wǎng)，將城市各個(gè)角落的傳感信息進(jìn)行融合并做智能化分析，從而形成真正的智慧城市網(wǎng)絡(luò)。

2 現(xiàn)有LED智慧路燈產(chǎn)品調(diào)研

圍繞LED智慧路燈以及相關(guān)控制系統(tǒng)，本節(jié)將主要介紹市面上已經(jīng)有的LED智慧路燈產(chǎn)品及方案。

2.1 基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)思路

1）華為

華為在CeBIT 2016上發(fā)布了業(yè)界首個(gè)多級(jí)智能控制照明物聯(lián)網(wǎng)解決方案。這一方案最大的亮點(diǎn)是可以根據(jù)實(shí)時(shí)狀況調(diào)整照明，從而提高節(jié)能效率。

該方案將城市道路所有的路燈統(tǒng)一納入城市物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，基于GIS對(duì)每一盞路燈進(jìn)行可視化管理，管理者可以隨時(shí)查詢每一盞路燈的狀態(tài)信息。結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)每一盞路燈的開關(guān)狀態(tài)、運(yùn)行功率進(jìn)行精準(zhǔn)控制，真正做到按需照明，節(jié)能效率高達(dá)80%以上。

在每盞路燈上都裝有路燈控制器，用來控制開關(guān)和運(yùn)行功率。該方案使用了基于IPv6的6LoWPAN技術(shù)，這一技術(shù)具有低功耗、自發(fā)現(xiàn)、自組網(wǎng)并快速自愈的特點(diǎn)。在路燈控制上，照明策略擁有1套“組合拳”，也就是所謂的傳感器的數(shù)據(jù)融合，可以通過亮度傳感器、第三方車流量、人流量傳感器、天氣環(huán)境監(jiān)測傳感器模組共同實(shí)現(xiàn)路燈亮度控制。

2）歐司朗

歐司朗開發(fā)的智能方案是將LED燈具連接到1個(gè)利用光管理軟件單獨(dú)控制的網(wǎng)絡(luò)，形成1個(gè)燈具網(wǎng)。經(jīng)過計(jì)算機(jī)的計(jì)算和分析，優(yōu)化軟件設(shè)置，按照特定時(shí)間、空間和環(huán)境狀況調(diào)節(jié)燈具狀態(tài)。

歐司朗將這一方案命名為“Smartification”，它能夠使城市的街區(qū)、隧道、廣場、公園等場所的照明根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)架構(gòu)包括：SLC軟件、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)和SLC網(wǎng)關(guān)。分別負(fù)責(zé)照明系統(tǒng)的管理規(guī)劃、軟件與互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)庫的連接和保存、處理和轉(zhuǎn)換由軟件發(fā)起的控制命令，還可以通過系統(tǒng)查詢燈具的信息和狀態(tài)。

網(wǎng)關(guān)和連接燈具之間的數(shù)據(jù)通過電力線纜直接傳輸；SLC照明設(shè)備控制器/SLC極控制器，SLC系統(tǒng)控制器可對(duì)任一燈具進(jìn)行控制和監(jiān)視，設(shè)備組件可以安裝在燈具或燈桿內(nèi)部，也可以安裝在燈桿外部。

2.2 基于智能硬件思路

國內(nèi)外傳統(tǒng)的LED科技廠商通過對(duì)路燈本身智能模塊拼接進(jìn)行功能升級(jí)。其中具有代表性功能的路燈有多個(gè)腔體的路燈主體，路燈主體一部分設(shè)有無線WIFI、4G/5G基站等無線發(fā)射裝置、高清云攝像頭、空氣質(zhì)量（PM2.5）傳感器模塊、溫濕度傳感器、風(fēng)向風(fēng)速模塊、GPS定位、互聯(lián)掃描儀等偵測設(shè)備。

在某些廠商的路燈設(shè)計(jì)中結(jié)合了LED高清戶外顯示屏作為智能廣告路燈，將避雷針、太陽能光伏板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制箱、接收器和存儲(chǔ)器等部件集成在控制箱內(nèi)，部分太陽能光伏板結(jié)合了太陽追蹤系統(tǒng)，還有些廠商將電動(dòng)汽車充電樁與路燈燈桿相結(jié)合。這些技術(shù)的應(yīng)用，使得路燈的可用性極大增強(qiáng)，功能性也得到了極大的拓展，從而讓路燈的概念從僅僅道路照明拓展到1個(gè)馬路信息收集及推送的功能綜合體。

3 LED智慧路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介

目前智慧路燈無線控制系統(tǒng)是基于GPRS技術(shù)和ZigBee技術(shù)共同構(gòu)建的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈狀態(tài)、異地操作單個(gè)路燈、控制路燈的開關(guān)和功率、查詢路燈的各類信息等。[1]

圖1是LED智慧路燈控制系統(tǒng)圖。

整個(gè)路燈監(jiān)控系統(tǒng)共分為3層控制模式，分別為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心負(fù)責(zé)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的路燈監(jiān)控子站，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)1條道路或者某段道路上的所有普通節(jié)點(diǎn)，普通路燈節(jié)點(diǎn)的燈桿下都裝有1個(gè)控制箱，控制箱內(nèi)集成了智慧路燈配置的各種各樣的傳感器[3]。

各層控制模式分別完成了如下功能：

圖1 LED智慧路燈控制系統(tǒng)圖

圖2 路燈終端控制結(jié)構(gòu)

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心完成的功能

1）可以將每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)路燈控制箱傳感器的數(shù)據(jù)獲取匯總，在控制中心的平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并展現(xiàn)給管理人員作出人工判斷。

2）管理人員可以通過監(jiān)控中心對(duì)不同區(qū)域的任意節(jié)點(diǎn)發(fā)起控制，完成對(duì)路燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行與控制匹配的相應(yīng)操作。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成的功能

1）收集道路上所有普通路燈節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和信息，并把正確的數(shù)據(jù)分門別類地發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

2）接受來自遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的調(diào)控指令，并把命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的地址，將信息分配給每1個(gè)路燈的普通節(jié)點(diǎn)[4]。

3）解析和處理接收到的數(shù)據(jù)信息，通過無線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)普通路燈節(jié)點(diǎn)之間的通信，通過GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信。

圖2是路燈終端控制結(jié)構(gòu)。

4 多傳感器數(shù)據(jù)融合方法簡介

在多傳感器基礎(chǔ)下的智慧路燈系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)融合步驟，把傳感器采集的環(huán)境信息經(jīng)過電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換等步驟轉(zhuǎn)換成可量化的信息，經(jīng)過去除干擾噪聲，補(bǔ)償檢測過程中干擾信號(hào)，進(jìn)行特征量提取，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過多種方式的數(shù)據(jù)融合輸出判定結(jié)果，目前主要的數(shù)據(jù)融合方式存在以下幾種[4]：

1）卡爾曼濾波法

該方法主要是通過特性統(tǒng)計(jì)傳感網(wǎng)絡(luò)大量的冗余信息，遞推得出目前狀態(tài)量的最佳值。這種方法使得小容量的傳感器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)得到了優(yōu)勢上的發(fā)揮。在多目標(biāo)識(shí)別和跟蹤、機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域，該方法可以實(shí)時(shí)將n個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，不僅可以獲得目標(biāo)當(dāng)前的狀態(tài)估計(jì)，還可同時(shí)獲取測量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度等其他的信息。

2）貝葉斯估計(jì)法

貝葉斯決策方法是統(tǒng)計(jì)決策中的1個(gè)基本方法，其中的基本思想是：

（1）利用樣本信息修改先驗(yàn)分布來得到后驗(yàn)分布。

（2）使用類似于“極大似然估計(jì)”等方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷。

（3）基于貝葉斯公式轉(zhuǎn)換成后驗(yàn)概率，根據(jù)后驗(yàn)概率大小進(jìn)行決策分類。

在多數(shù)情況下，系統(tǒng)傳感器在不同的時(shí)間或空間對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和判斷，通過貝葉斯估計(jì)法將單獨(dú)的概率分布組合成1個(gè)聯(lián)合后驗(yàn)概率函數(shù)，然后通過對(duì)這個(gè)概率函數(shù)“極大似然估計(jì)”，可以判斷數(shù)據(jù)融合目的值。

3）模糊邏輯算法

這種數(shù)據(jù)融合方法通過對(duì)現(xiàn)實(shí)對(duì)象的分析、處理數(shù)據(jù)并構(gòu)建模糊型數(shù)學(xué)模型，對(duì)檢測目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和預(yù)判，因此，待測目標(biāo)應(yīng)該是該方法的基礎(chǔ)。模糊邏輯實(shí)質(zhì)上是1種多值的邏輯，在處理過程中，對(duì)每個(gè)命題及推理數(shù)值賦予0～1之間的實(shí)數(shù)值，標(biāo)識(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)在融合過程中的重要程度，然后使用多值邏輯推理法，對(duì)各個(gè)傳感器提供的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合。這種方法具有抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

該方法是模擬人類大腦運(yùn)行的方式而產(chǎn)生的1種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，它通過神經(jīng)元來處理信息。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性、自組織性和容錯(cuò)性，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的映射，簡化設(shè)計(jì)的難度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的非線性處理能力，可以滿足數(shù)據(jù)融合要求。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合的方法步驟如下：先從選定的多個(gè)傳感器中提取數(shù)據(jù)信息，在預(yù)處理之后進(jìn)行特征提取，然后對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一化處理，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入提供標(biāo)準(zhǔn)形式。再將統(tǒng)一化的特征信息作為標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)，并作為已知網(wǎng)絡(luò)，最后將新的特征統(tǒng)一數(shù)據(jù)來和標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比對(duì)，并輸出被測系統(tǒng)的狀態(tài)結(jié)果。

5 結(jié)語

本文主要介紹了LED路燈的多樣化對(duì)于智慧城市系統(tǒng)的意義，從LED智能路燈本身的設(shè)計(jì)以及LED智慧路燈系統(tǒng)的架構(gòu)上簡要地介紹了一些目前市面上主流的方案[5],并且在關(guān)鍵的智能系統(tǒng)中多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法上做了簡單的介紹。

對(duì)于未來的智慧城市系統(tǒng)架構(gòu)，LED智能路燈是必要且關(guān)鍵的1個(gè)環(huán)節(jié)。通過以上的介紹，分析出未來系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及單機(jī)傳感器數(shù)據(jù)融合的方向。從社會(huì)城市化角度來看，智慧城市的智能路燈系統(tǒng)可以為事故救援、交通管理、環(huán)境污染、能源短缺等問題帶來技術(shù)上的解決工具。通過實(shí)時(shí)獲取大量路面信息，通過大數(shù)據(jù)的分析與處理可以實(shí)現(xiàn)更加節(jié)能、高效、智能的城市控制方案。

[1]查利君，蔡濱峰，黃建輝.城市LED路燈智慧照明設(shè)計(jì)[J].中國照明論壇,2014.

[2]羅茶根，洪蕓蕓，張志海.LED智慧路燈在智慧城市中的應(yīng)用[J].中國信息交通化,2015(12):135-137.

[3]任鳳娟，孫彥凱.白光LED可見光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子質(zhì)量,2010（5）：20-21.

[4]曲騰.基于城市智能照明感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合研究[D].大連：大連理工大學(xué),2013.

[5]戴海濱，陳愛勇.路燈桿在通信基站快速規(guī)模建設(shè)中的研究與實(shí)踐[J].中國新通信，2014（12）：99-102.

The Application of LED Street Lamp System in Smart City

WANG Jin-yue,LU Hai-qiang

(Jiaxing HENGCHUANG Electric Equipment Ltd.Co.)

Wisdom city is a new train of thought on the development of city,is a big data,cloud computing in the age of new urban concept,main is to use a variety of sensing technology for urban core system is the key information,again through the communication technology and intelligent algorithm incorporated cities include:the people's livelihood,environmental protection,public security,urban services,such as all kinds of information,thus to provide more convenient in the city,convenient and accurate service,promoting the harmonious and sustainable growth.In this paper,through introducing the LED street lamp system is wisdom,to realize the collection of PM2.5,temperature,humidity,air pressure,noise,traffic road information,related to really let the city of wisdom.

smart city;LED smart street lamp system