基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智慧路燈在鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路亮化改造中的應(yīng)用

李立勉，藍裕泉，陳家民，張偉導(dǎo)，周書豪，林俊鑫，陳偉宏，蘇彬鋒

前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)廣泛應(yīng)用，智慧路燈已在我國多個城市掀起建設(shè)高潮。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與網(wǎng)上云管理平臺，可對LED路燈進行統(tǒng)一管理，達到照明檢測、智能管控、防盜防竊電、符合日常民生所需的效果，特別在城市郊區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等地區(qū)，有利于進一步提升人民群眾生活質(zhì)量，構(gòu)建和諧鄉(xiāng)鎮(zhèn)；同時由于運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云平臺技術(shù)的智慧路燈具有強大的功能拓展性，可為后續(xù)的安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)、氣候氣象監(jiān)測系統(tǒng)、城市與鄉(xiāng)鎮(zhèn)WiFi/廣播系統(tǒng)等功能的整合提供載體，為建設(shè)智慧城市、智慧鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)做好鋪墊。

一、現(xiàn)狀

目前，我國大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的路燈照明光源多采用高壓鈉燈，常用功率為100W、150W、250W及400W。由于光源技術(shù)的快速發(fā)展，老舊的高壓鈉燈對比現(xiàn)有的LED光源，在同等亮度情況下能耗高出1-2倍，不符合綠色節(jié)能的發(fā)展理念；同時，高壓鈉燈光譜窄，顯色性差（Ra=20～40），根據(jù)光譜特征，路面及周邊物體對其反射率較低，路面亮度較低，加之高壓鈉燈≤3000k的黃色光，給人感覺比較昏暗；高壓鈉燈在使用過程中產(chǎn)生的溫度較高，連續(xù)使用會產(chǎn)生高溫，使燈罩老化發(fā)黃發(fā)黑。

我司于2018年下半年開始，協(xié)助潮州市湘橋區(qū)官塘鎮(zhèn)開展潮州市科技計劃鄉(xiāng)村振興專題：《基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智慧路燈在鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路亮化改造中的示范應(yīng)用》，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路照明方面，從高效LED發(fā)光技術(shù)及高效配光技術(shù)方面提出適合鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路亮化改造的LED路燈要求；在智能化、智慧化路燈控制方面，提出采用GPRS+電力線載波方式建設(shè)二層通訊網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)合鄉(xiāng)村振興專題項目的成功實施，現(xiàn)就基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智慧路燈在鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路亮化改造中的示范應(yīng)用做一些淺析探討。

二、適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路亮化改造的LED路燈要求

（一）適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路的高效LED發(fā)光技術(shù)

從LED的發(fā)光特性來看，隨著要提高LED的發(fā)光效率，要么讓LED保持較低的工作電流；要么提高LED芯片的尺寸從而提高最佳發(fā)光效率的電流值。顯然采用大尺寸芯片不利于鄉(xiāng)鎮(zhèn)路燈成本控制，必須在同一個LED燈珠中采用多芯片并聯(lián)技術(shù)，將通過每一顆芯片的電流限制在最佳發(fā)光電流值。多芯片并聯(lián)方案由于燈珠支架限制，可以選用三芯片并聯(lián)方案，實現(xiàn)光源光效≥200lm/w，整燈光效≥140lm/w，比傳統(tǒng)高壓鈉燈的光效提升2-3倍，即在相同亮度下LED路燈的功率僅為高壓鈉燈的1/3，可為鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路照明節(jié)約大量電能損耗。

在顯色性與色溫方面，按照戶外照明的特點及人類視覺對于光線的感受，在兼顧光效的情況下，鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路照明的宜選擇顯色指數(shù)≥0.7，色溫3500-5000k（優(yōu)選4500k，部分反光路面或雨霧環(huán)境可選擇下限色溫）。

（二）適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路的高效LED配光技術(shù)

結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路大部分為窄路，通常為雙向兩車道，路面寬度常＜9m，常采用單側(cè)布燈或交叉布燈的方式進行，燈距要遠大于路面寬度，這就要求鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路的路燈照明要盡量將光線匯聚在沿道路方向。所以對于鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路照明的配光方式需采用更加扁平化的光斑結(jié)構(gòu)，即路燈配光曲線中沿道路方向的發(fā)光角要大于垂直方向的發(fā)光角，橢圓形光斑的長短軸比例常設(shè)為3：1，以此設(shè)計沿路面方向的出光角與垂直路面方向的出光角；并結(jié)合路面的具體寬度，確定燈桿高度與布燈距離、布燈方式等。

三、適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路智慧路燈管理的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

搭建三層架構(gòu)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)LED智能管理平臺，并應(yīng)用云技術(shù)等互聯(lián)技術(shù)結(jié)合電力線載波等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPRS等通信技術(shù)，建設(shè)“感-傳-控”一體式的智慧路燈管理平臺。

這些她也都模糊地想到過，明知不關(guān)她事，不要她管。這時候因為不知道下一步怎樣，在這小樓上難免覺得是高坐在火藥桶上，馬上就要給炸飛了，兩條腿都有點虛軟。

（一） GPRS+電力線載波的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

GPRS+電力線載波物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，如下：

圖2 GPRS+電力線載波物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

以太網(wǎng)：工作人員的網(wǎng)絡(luò)主是以一個以太網(wǎng)的方式存在。

英特網(wǎng)：英特網(wǎng)主要是外圍有權(quán)限的操作員（外線維修員）及連接智能硬件GPRS網(wǎng)絡(luò)。

GPRS網(wǎng)：通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞，以達到無線控制路燈集中控制器的目的。

電力線載波通信網(wǎng)：利用輸電線作為傳輸通路的載波通信方式，復(fù)用電力線路進行通信不需要重復(fù)建設(shè)通信線路，利用輸送50Hz強電線路，具有線路衰減小、機械強度高、傳輸可靠等優(yōu)勢。

（二） GPRS+電力線載波的硬件配置

GPRS+電力線載波對于路燈的測控方式主要通過集中控制器（組網(wǎng)）+節(jié)點控制器（單燈，可外置獨立于LED驅(qū)動電源，也可內(nèi)置與驅(qū)動電源進行集成設(shè)計）進行，控制方式如下圖所示：

圖3 GPRS+電力線載波物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的控制方式圖

（1）集中控制器的配置

集中控制器主要由：電源供電電路、MCU核心電路、電力線載波通信模塊、GPRS模塊、RS485通信模塊、開關(guān)量輸入檢測電路、回路輸出控制電路、RTC時鐘電路、模擬量輸入檢測電路、LCD顯示及按鍵部分等模塊組成。集中控制器內(nèi)部框架圖如下：

圖4 集中控制器內(nèi)部框架圖

a）集中控制器CPU主控部分采用32位ARM9 RISC結(jié)構(gòu)的微處理器作為內(nèi)核CPU，片內(nèi)集成了USB、以太網(wǎng)、EBI、MCI、SSC和SPI等多種通信接口，200MIPS的處理速度和先進電源管理使芯片非常適合于系統(tǒng)控制和通信領(lǐng)域。同時主控部分憨厚32MB SDRAM以及32MB NAND FLASH，可支持龐大的數(shù)據(jù)分析和管理。

b）電力線載波模塊主要用于集中控制器與終端節(jié)點控制器之間的相互通信，實際控制燈具的遠程開關(guān)燈、燈具狀態(tài)查詢以及接收終端節(jié)點控制器上報的報警信息。電力線載波通信模塊性能參數(shù)如下表所示：

表1 電力線載波通信模塊性能參數(shù)表

c）GPRS通訊模塊可選用Motorola公司的G20、Siemens公司的MC39i及SIMCOM公司的SIMl00等產(chǎn)品，完成基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的移動數(shù)據(jù)通信。

（2）節(jié)點控制器的配置

節(jié)點控制器也稱智能單燈控制器，以電力線載波通訊技術(shù)為核心，配合專業(yè)的硬件和軟件設(shè)計，通過上述智能控制系統(tǒng)可遠程對LED燈具進行開關(guān)燈、查詢（實時電壓、電流、功率因素等參數(shù)）、0-100%無極調(diào)光、故障報警（欠載、過載、異常開關(guān)等）等智能控制。電力線載波通信模塊性能參數(shù)與集中控制器相同匹配。

（三）兼容性與拓展性的提升

本技術(shù)方案也充分考慮系統(tǒng)平臺的兼容性與拓展性，硬件方面：集中控制器具有RS458通信接口適合MODBUS通信協(xié)議，可外掛適合MODBUS協(xié)議的多功能設(shè)備；同時內(nèi)核CPU集成了USB、以太網(wǎng)、EBI、MCI、SSC和SPI等多種通信接口，各類功能模塊可以通過上述各種結(jié)構(gòu)協(xié)議進行通信，具有極大的拓展性。

總結(jié)

根據(jù)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED智慧路燈在鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路亮化改造中的示范應(yīng)用項目實施的實際情況，并借鑒其他LED智能控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)劣性，GPRS+電力線載波物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)憑借著技術(shù)的成熟性、高可靠性、重復(fù)利用電力線路無需重復(fù)建設(shè)的節(jié)約性、軟硬件配置的簡便性、強大的性能拓展性等方面的特點，更適合于鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路亮化改造，對于提升鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民生活質(zhì)量、節(jié)省能源、節(jié)約維護成本和振興鄉(xiāng)村發(fā)展、推進智慧鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)都具有非常重要的意義。