物聯(lián)網(wǎng)在智慧城市照明管理系統(tǒng)中的應(yīng)用探析

崔楊峰

城市照明是城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，城市照明建設(shè)情況從一定程度上彰顯著城市的科技實(shí)力和經(jīng)濟(jì)水平，體現(xiàn)一座城市的競(jìng)爭(zhēng)力與基礎(chǔ)定位。近年來(lái)，城市照明的重要性日漸突出，收到了各級(jí)政府機(jī)關(guān)的廣泛重視，為完善城市照明基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，政府投入了大量的資金。但隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，城市照明能耗也在逐年攀升，由此，一些相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題開(kāi)始暴露出來(lái)。首先，城市照明需要大量的人員維護(hù)，工作量極大，其次，電費(fèi)支出過(guò)多，加重了財(cái)政負(fù)擔(dān)。

通過(guò)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，城市公共照明其耗電量約占總照明耗電量的30%左右。我國(guó)的一些大中型城市在晚上0點(diǎn)以后，小型城市9點(diǎn)以后，戶外活動(dòng)的人數(shù)會(huì)逐漸減少，僅為平時(shí)人流量的10%左右，甚至更低。雖然深夜的城市人流量極小，但城市照明的能耗還是始終保持著相對(duì)高位的水平。資源浪費(fèi)給政府造成了巨大的財(cái)政壓力，需引起足夠重視，并盡早解決。在智慧城市中綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以很好的優(yōu)化城市照明系統(tǒng)，以提高城市照明系統(tǒng)的高效性和節(jié)能性。

一、物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)就是萬(wàn)物互聯(lián)。通常有兩種表達(dá)含義：一、物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的拓展和深化。二、物聯(lián)網(wǎng)的任何節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)用戶端的延伸和拓展，可以進(jìn)行信息通信和交換。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)本身的特性，可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，其中包括紅外感應(yīng)、射頻識(shí)別、激光掃描、全球定位等，并根據(jù)協(xié)議通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)中物與物的連接和通信，實(shí)現(xiàn)智能化定位、識(shí)別、跟蹤、管理和監(jiān)控等功能。

二、物聯(lián)網(wǎng)在構(gòu)建智慧城市中的地位

自1982年第一臺(tái)智能冰箱問(wèn)世后，物聯(lián)網(wǎng)便迅速蔓延了整個(gè)世界，如今在“物聯(lián)網(wǎng)+”的基礎(chǔ)上，智慧醫(yī)療，智慧農(nóng)業(yè)等系統(tǒng)相繼成型，“物聯(lián)網(wǎng)+操作系統(tǒng)”的組合更是帶來(lái)了一波熱潮。

中國(guó)軟件行業(yè)協(xié)會(huì)嵌入式系統(tǒng)分會(huì)副理事長(zhǎng)何小慶曾提到，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)上搭建了統(tǒng)一的管道，有云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的技術(shù)支撐，物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)越來(lái)越趨于成熟。不久的將來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的成本會(huì)更低，設(shè)備端也會(huì)向的小型化、低功耗、高安全性的方向發(fā)展，隨著日益復(fù)雜的設(shè)備軟件的出現(xiàn)，應(yīng)用層對(duì)計(jì)算能力的要求更高，這些就是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)被孕育出來(lái)的必要條件，而這一步也是走向智慧城市的必經(jīng)之路。未來(lái)處理智慧城市系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)是核心。

三、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于城市照明系統(tǒng)中，對(duì)于優(yōu)化城市照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有非常重要的作用，同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對(duì)網(wǎng)關(guān)、路燈信息終端、城市照明控制中心高效協(xié)調(diào)配置。在以前，城市照明控制中心利用Internet和GPRS無(wú)線通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)連接，如今，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域正在向NB-IOT，5G等新系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)變，我國(guó)的三大運(yùn)營(yíng)商就是其基礎(chǔ)網(wǎng)的奠基者。值得提一下的是在NBIOT或者5G系統(tǒng)下，路燈加裝NB-IOT或者5G模塊即可，無(wú)需再多加網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)。而以ZigBee為代表的短距通信在組網(wǎng)時(shí)必須加裝網(wǎng)關(guān)，其過(guò)程大致如下：網(wǎng)管系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)給各區(qū)域網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)指令給路燈信息終端，路燈信息終端會(huì)根據(jù)接受到的指令完成相關(guān)操作。從目前的現(xiàn)狀看NB-IOT模塊價(jià)格較貴，且多片區(qū)終端易產(chǎn)生擁塞；ZigBee則相對(duì)廉價(jià)，而且其網(wǎng)絡(luò)已人為分區(qū)，一個(gè)網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)片區(qū)，基本不用考慮擁塞的情況，技術(shù)相對(duì)成熟。

（二）用戶管理軟件

城市照明控制系統(tǒng)主要由控制中心和網(wǎng)絡(luò)客戶端兩部分組成。各網(wǎng)絡(luò)客戶端采用視窗化模塊，整合轄區(qū)內(nèi)的照明終端參數(shù)、時(shí)段、人流量等以便維護(hù)和優(yōu)化；控制中心采集各網(wǎng)絡(luò)客戶端數(shù)據(jù)，定期生成報(bào)表，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)異常情況及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

目前城市照明控制系統(tǒng)基本健全，在此基礎(chǔ)上通過(guò)低成本的物聯(lián)網(wǎng)改造升級(jí)能實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)、休眠等完全自動(dòng)控制的智能模式。隨著無(wú)線通信技術(shù)的普及，信息傳輸成本也進(jìn)一步下降，除此之外，網(wǎng)絡(luò)客戶端還可以設(shè)置特定的場(chǎng)景模式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈亮度的智能調(diào)節(jié)，如在主干道，步行街等鬧市街區(qū)的路燈將會(huì)更加明亮，而深夜行人稀疏的街道的路燈將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入節(jié)能模式。

同時(shí)，在辦公大樓，商場(chǎng)等用電集中的地區(qū)，使用智能化的照明模式也能實(shí)現(xiàn)“人在燈明，人走燈滅”的智能控制，增加照明的高效性、智能性和安全性，在管理上也更加事半功倍。如下圖所示是一種走廊智能燈節(jié)能模式：

人步行速度1-2米/秒，人視線對(duì)前方20米燈亮度感覺(jué)靈敏。設(shè)置前進(jìn)方向10-20米內(nèi)燈100%亮度，20-30米燈處70%亮度，超過(guò)30米10%亮度。

與行進(jìn)方向相反的燈，人離開(kāi)后距離10米燈亮度變?yōu)?0%，人離開(kāi)后距離20米的燈亮度10%。

方案優(yōu)點(diǎn)：預(yù)先將前方10-30米內(nèi)的燈開(kāi)啟100%亮度，隨著人的移動(dòng)前方始終保持30米的燈處于100%亮度，后方的燈進(jìn)入休眠狀態(tài)。好處是，人未到燈已亮，給人的感覺(jué)是燈一直亮著，節(jié)電的同時(shí)不影響用戶體驗(yàn)。

（三）單燈信息終端

在城市照明的各個(gè)燈具內(nèi)部集成信息終端可以有效實(shí)現(xiàn)城市照明燈具運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，網(wǎng)絡(luò)客戶端通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析可以對(duì)燈具的運(yùn)行狀態(tài)作出綜合判斷。此外，單燈信息終端還可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，其告警信號(hào)可以通過(guò)ZigBee等無(wú)線通信系統(tǒng)傳送，網(wǎng)絡(luò)終端或控制中心收到告警信號(hào)后自動(dòng)開(kāi)啟相關(guān)聯(lián)動(dòng)裝置，再將多個(gè)單燈智能模塊連接形成巨大的智能網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是，隨著智能模塊的數(shù)量增加，燈具和線路本身的優(yōu)劣勢(shì)都將會(huì)放大，因此在單燈信息模塊的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意采用低功耗，低成本的設(shè)計(jì)理念。

（四）拓展燈具照明控制系統(tǒng)的功能應(yīng)用

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于城市照明控制系統(tǒng)中，其目的在于實(shí)現(xiàn)以下功能：?jiǎn)吸c(diǎn)控制和集成控制相結(jié)合，城市節(jié)能照明系統(tǒng)會(huì)隨著季節(jié)的更迭，其照明需求也會(huì)有所不同，我們可以對(duì)全夜燈和半夜燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，此外還可以對(duì)特殊終端實(shí)現(xiàn)個(gè)性化控制，并采集各燈具的運(yùn)行參數(shù)。自動(dòng)控制，通過(guò)場(chǎng)景設(shè)置，定時(shí)等功能對(duì)整個(gè)城市照明系統(tǒng)巡檢，并根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程控制。通過(guò)在設(shè)備上嵌入射頻模塊，工作人員可以使用自己的終端實(shí)現(xiàn)對(duì)城市照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理。定位精準(zhǔn)。以ZigBee為代表的短距離無(wú)線通信系統(tǒng)還具有精準(zhǔn)定位的功能。一旦照明設(shè)備出現(xiàn)故障，物聯(lián)網(wǎng)模塊會(huì)將故障信息及時(shí)傳遞至控制中心，工作人員獲取故障信息，及時(shí)采取檢修方案。傳統(tǒng)控制和智能控制方案的對(duì)比，如下表所示。

四、結(jié)語(yǔ)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)的城市變革讓智慧城市不再是夢(mèng)想。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的進(jìn)步，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與城市照明控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制以達(dá)到節(jié)能目的。以ZigBee為代表的短距無(wú)線通信技術(shù)在城市照明管理發(fā)展中具有十分重要的作用，同時(shí)，NB-IOT和5G的興起，簡(jiǎn)單快捷的改造與成熟商用無(wú)線網(wǎng)相結(jié)合，將承擔(dān)起智慧城市的高效運(yùn)營(yíng)，無(wú)論未來(lái)采用何種模式，都可以更好的優(yōu)化傳統(tǒng)的城市照明，科技日新月異，我們對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的研究還應(yīng)不斷深入，為智慧城市的明天貢獻(xiàn)力量。