基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制方案在高速公路上的應(yīng)用

林建勇

摘 ? 要：文章結(jié)合北京新機(jī)場(chǎng)高速公路照明工程實(shí)例，闡述了常規(guī)照明控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，分析了基于新興的LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能照明控制方案的系統(tǒng)原理和系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)在高速公路智能照明控制領(lǐng)域的應(yīng)用以及系統(tǒng)應(yīng)用能達(dá)到的節(jié)能和管理效益的提升效果，并對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展應(yīng)用前景做了研究分析。

關(guān)鍵詞：LoRa物聯(lián)網(wǎng);北京新機(jī)場(chǎng)高速;智能照明;控制方案

北京新機(jī)場(chǎng)高速公路（南五環(huán)-北京新機(jī)場(chǎng)）是國家重點(diǎn)工程北京大興國際新機(jī)場(chǎng)的配套工程，工程起點(diǎn)位于北京大興區(qū)南五環(huán)小白樓橋互通，終點(diǎn)位于北京新機(jī)場(chǎng)北航站樓北圍界，全長(zhǎng)約27.2 km，是連接北京市中心城區(qū)和北京新機(jī)場(chǎng)的主干道路，工程從開工之日起就備受各界關(guān)注，被譽(yù)為“新國門第一路”。

鑒于北京新機(jī)場(chǎng)高速的重要性，為了保障夜間行車安全和行車舒適性，并對(duì)外樹立首都國際化都市形象，該高速照明系統(tǒng)建設(shè)采用國內(nèi)高速公路領(lǐng)域最高標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置全線連續(xù)發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明，即高速沿線所有道路、橋梁、立交、收費(fèi)廣場(chǎng)、管理區(qū)、服務(wù)區(qū)等均設(shè)置全覆蓋照明，全線累計(jì)安裝各類LED照明燈具4 600多套。其中，照明控制系統(tǒng)經(jīng)過深入研究和設(shè)計(jì)，采用了基于長(zhǎng)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制方案，是國內(nèi)高速公路領(lǐng)域首次應(yīng)用的一大科技亮點(diǎn)。

本研究以筆者參建的北京新機(jī)場(chǎng)高速照明工程為例，對(duì)基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速公路照明控制領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹及研究分析。

1 ? ?照明控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)城市建設(shè)越來越重視道路照明及城市亮化工程，如何在照明及亮化工程中采用新技術(shù)節(jié)省電力資源、破解城市能源供需矛盾、達(dá)到照明領(lǐng)域的綠色節(jié)能，越來越受到關(guān)注。

早期的照明控制系統(tǒng)大多采用有線控制，如電力載波技術(shù)等，并采用光控、時(shí)控相結(jié)合的方法，對(duì)路燈進(jìn)行遙控開關(guān)。但監(jiān)控終端基本安裝于控制箱內(nèi)，集中監(jiān)控，對(duì)整條線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和控制，無法細(xì)化到控制任意一盞燈，實(shí)現(xiàn)精確管控和節(jié)能。一方面，當(dāng)單盞路燈發(fā)生故障時(shí)，無法精確地通過常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行感知，人工巡檢存在范圍大、耗時(shí)耗力等缺陷;另一方面，當(dāng)交通流量大時(shí)，可能存在電壓低、路燈亮度不夠的問題;夜深人靜時(shí)，路上車輛稀少，路燈亮度卻隨著電壓回升而提高，造成照度浪費(fèi)甚至光污染，且對(duì)能源也是一種浪費(fèi)。因此如何采用新技術(shù)以達(dá)到提高運(yùn)營效率、節(jié)省能源的效果是一個(gè)亟待解決的課題。

2 ? ?LoRa智能照明解決方案概述

采用基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、集單燈控制系統(tǒng)、運(yùn)維管理系統(tǒng)、手機(jī)移動(dòng)平臺(tái)于一體的智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單燈控制，建設(shè)智慧照明，提升道路照明精細(xì)化管理水平，促進(jìn)節(jié)能減排，能夠有效解決上述短板問題。

目前，最熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案包括LoRa和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）[1-2]。其中，LoRa是美國Semtech公司于2013年發(fā)起、創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于其他無線技術(shù)，LoRa最大的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)就是在同樣的功耗下，能達(dá)到更遠(yuǎn)的傳播距離，順利實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、低功耗、性能可靠并能支持大規(guī)模組網(wǎng)，成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣中一種理想的技術(shù)選擇。LoRa相比于其他如紫蜂技術(shù)（ZigBee）和通用無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）等無線技術(shù)，在抗干擾能力、傳輸距離、覆蓋范圍、穩(wěn)定性、費(fèi)用方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足城市路燈分布密集、數(shù)量多、實(shí)時(shí)性要求高的需求，是應(yīng)用于智能道路照明控制系統(tǒng)中的理想物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案[3]。

基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)由電子單燈控制器、LoRa通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)及軟件平臺(tái)相結(jié)合組成，中心計(jì)算機(jī)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)和終端的單燈控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)燈具的電氣參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)、節(jié)能控制、遠(yuǎn)程管理，同時(shí)，借助監(jiān)控系統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）地圖對(duì)終端照明燈具的故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位，提醒運(yùn)維人員定向維修和主動(dòng)運(yùn)維，改變以往依靠熱線報(bào)修、人工巡檢的維保方式，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化運(yùn)維管理。從管理和節(jié)能兩個(gè)角度對(duì)燈光照明實(shí)施全方位的智能化管理和監(jiān)控，對(duì)每一盞終端燈具實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制及全方位監(jiān)控，同時(shí)，還能通過上半夜、下半夜和智能調(diào)光等手段，延長(zhǎng)燈具設(shè)備的使用壽命，并獲得良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

3 ? ?電子單燈控制器

電子單燈控制器里集成了控制模塊和通信模塊，實(shí)現(xiàn)了控制燈具開關(guān)、調(diào)節(jié)燈具亮度、故障實(shí)時(shí)報(bào)警、并能采集各類電參數(shù)（電流、電壓、功率及功率因素等）的功能，并留有接口，可附加溫度采集、燈桿傾斜檢測(cè)等功能。電子單燈控制器原理及結(jié)構(gòu)如圖1所示，電子單燈控制器接線如圖2所示。

控制器通過接入220 VAC實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的單點(diǎn)控制、監(jiān)測(cè)和調(diào)光。采用LoRa無線通信模塊與控制中心計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行通信，將采集到的路燈數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器并執(zhí)行平臺(tái)軟件下發(fā)的命令。

主要電路包括電源、采集、開關(guān)、調(diào)光、微控制單元（Microco-ntroller Unit，MCU）、通信6個(gè)部分。

（1）電源部分，包括交流-直流（Alternating Current-Direct Current，AC-DC）電源模塊及電源處理模塊，為電路其他部分的正常工作提供電源，主要可分為3路：第一路為采集電路提供5 V電源;第二路為MCU、控制、通信提供12 V和3.3 V電源;第三路為調(diào)光部分提供電源。

（2）采集部分，包括電參數(shù)采集和傳感器附加采集，主要對(duì)路燈的各項(xiàng)電參數(shù)或附加的溫度、傾斜度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（3）開關(guān)部分，使用控制繼電器的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈開燈、關(guān)燈的控制。

（4）調(diào)光部分，通過調(diào)光模塊對(duì)路燈進(jìn)行無極亮度控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)檔節(jié)能。單燈控制器調(diào)光支持0～10 V調(diào)光以及脈沖寬度調(diào)制波形（Pulse Width Modulation Wave，PWM）調(diào)光：對(duì)于鈉燈需要安裝支持0～10 V調(diào)光或PWM調(diào)光的電子鎮(zhèn)流器;對(duì)于LED燈調(diào)光，需要安裝支持0～10 V調(diào)光或PWM調(diào)光的LED電源。

（5）微控制單元部分，為主芯片、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等其他外圍電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制器各部分的控制和數(shù)據(jù)處理。

（6）通信部分，通過內(nèi)置的LoRa通信模組，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)無線通信，實(shí)現(xiàn)控制中心與燈具終端的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)鏈接。

4 ? ?LoRa通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

采用LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智能照明控制專用網(wǎng)絡(luò)，安全可靠，專網(wǎng)與公網(wǎng)隔離，采用無線專用信道、專用設(shè)備、專用加密協(xié)議，可以防止外部入侵。數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)傳輸，存儲(chǔ)于北京新機(jī)場(chǎng)高速運(yùn)營管理單位，數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)小，可以自主控制和管理。LoRa通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)架構(gòu)主要由各終端照明燈具單燈控制器、微基站（網(wǎng)關(guān)）、云平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)4個(gè)部分組成，對(duì)照明設(shè)施進(jìn)行“點(diǎn)、線、面”的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，構(gòu)建指揮調(diào)度和應(yīng)急管理能力，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)照明系統(tǒng)的在線信息、運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和能耗情況，加強(qiáng)照明管理工作的針對(duì)性和科學(xué)性。

單燈控制器安裝在每個(gè)終端LED照明燈具上，通過內(nèi)置的傳感器采集燈具的電流、電壓等各項(xiàng)電參數(shù)信息，并通過LoRa模組將信息上傳到網(wǎng)關(guān)上。同時(shí)，單燈控制器接收網(wǎng)關(guān)下發(fā)的各項(xiàng)控制指令，并根據(jù)對(duì)應(yīng)指令執(zhí)行相應(yīng)操作。

網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)終端燈具數(shù)據(jù)的獲取和數(shù)據(jù)的封包上傳工作。網(wǎng)關(guān)通過LoRa模塊接收不同終端燈具的單燈控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)，按固定的格式進(jìn)行封包，通過與服務(wù)器建立WebSocket連接，上傳終端燈具信息。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)接收服務(wù)器下發(fā)的控制指令，對(duì)指令進(jìn)行解析，通過LoRa模塊將控制信息發(fā)送到單燈控制器。

云平臺(tái)包括核心專網(wǎng)和服務(wù)器，主要功能是提供數(shù)據(jù)連接、管理數(shù)據(jù)，同時(shí)，作為承載網(wǎng)絡(luò)提供到控制中心網(wǎng)絡(luò)的接口，接收分布在新機(jī)場(chǎng)高速沿線LoRa專網(wǎng)微基站上傳的信息，并將信息錄入數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)終端燈具工作狀態(tài)信息的獲取和跟蹤。新機(jī)場(chǎng)高速運(yùn)營單位可以通過智能管理軟件平臺(tái)看到沿線高速燈具的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整并控制燈具的開關(guān)、亮度和工作時(shí)間等。

應(yīng)用系統(tǒng)主要指控制中心的計(jì)算機(jī)軟件綜合管控平臺(tái)，包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、工作站、展示界面、存儲(chǔ)設(shè)備等，部署智能照明監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)照明資源管理、運(yùn)行監(jiān)控、單燈節(jié)能管理和安全監(jiān)測(cè)等智能化應(yīng)用。

5 ? ?綜合智能管控平臺(tái)

北京新機(jī)場(chǎng)高速智能照明綜合管控平臺(tái)通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的深度集成，打造功能強(qiáng)大的統(tǒng)一綜合管控平臺(tái)。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流動(dòng)過程和業(yè)務(wù)邏輯分析，軟件平臺(tái)的架構(gòu)自下而上主要包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和展示層4個(gè)層次，平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。

5.1 ?數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層構(gòu)建系統(tǒng)所需的專用數(shù)據(jù)庫，采用統(tǒng)一的編碼標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)模型，對(duì)空間信息數(shù)據(jù)、運(yùn)行資源數(shù)據(jù)、管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和燈具監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，為平臺(tái)應(yīng)用提供各種數(shù)據(jù)支撐。

5.2 ?服務(wù)層

服務(wù)層提供通信/數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、GIS服務(wù)等各項(xiàng)服務(wù)，通過采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議和數(shù)據(jù)接口，確保實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)內(nèi)各子系統(tǒng)之間以及與平臺(tái)對(duì)外與其他系統(tǒng)之間的信息共享。

5.3 ?應(yīng)用層

應(yīng)用層用來實(shí)現(xiàn)綜合管理系統(tǒng)各項(xiàng)具體應(yīng)用功能，主要包括照明智能監(jiān)控、設(shè)施資源管理、單燈節(jié)能管理、生產(chǎn)運(yùn)維管理以及移動(dòng)終端監(jiān)控應(yīng)用等。

5.4 ?展示層

展示層為系統(tǒng)平臺(tái)提供的各項(xiàng)應(yīng)用及服務(wù)的展示界面，同時(shí)支持多種接入及切換方式，可以實(shí)現(xiàn)控制中心大屏幕顯示、專用工作站顯示，手持移動(dòng)終端顯示等，實(shí)現(xiàn)本地、遠(yuǎn)程、移動(dòng)等多種展示及切換方式。

6 ? ?系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

本研究基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)相比，具有安全性、創(chuàng)新性、易用性、拓展性等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

6.1 ?安全性：采用LoRa無線專網(wǎng)系統(tǒng)管理，系統(tǒng)安全可靠，自主可控

采用無線專網(wǎng)，安全可靠。專網(wǎng)與公網(wǎng)隔離，采用無線專用信道、專用設(shè)備、專用加密協(xié)議，可以防止外部入侵。數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)傳輸，存儲(chǔ)在管理單位，數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)小。專網(wǎng)由高速公路運(yùn)營單位管理，可以自主控制和管理。

6.2 ?創(chuàng)新性：構(gòu)建無線物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)節(jié)能管控精準(zhǔn)化

采用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，精準(zhǔn)控制每一盞終端燈具，在滿足照度標(biāo)準(zhǔn)、確保行車安全的前提下，根據(jù)天氣情況、季節(jié)特點(diǎn)、交通信息、特殊狀況等各種具體條件設(shè)定照明系統(tǒng)運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)切合實(shí)際、科學(xué)運(yùn)維，并達(dá)到最佳的節(jié)能減排效果。

6.3 ?易用性：實(shí)現(xiàn)運(yùn)維服務(wù)主動(dòng)化，降本增效、解放人力

通過系統(tǒng)無線自動(dòng)巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)燈具故障情況并在電子地圖上進(jìn)行精確定位，改變以往“人工巡檢、熱線報(bào)修”的常規(guī)維保模式，實(shí)現(xiàn)定向化、主動(dòng)化和精細(xì)化運(yùn)維管理，提高系統(tǒng)的運(yùn)維效率，節(jié)省人力資源，節(jié)約運(yùn)維成本。

6.4 ?拓展性：以無線智能監(jiān)控為手段，為打造智慧高速公路提供高科技支撐

基于無線物聯(lián)專網(wǎng)和管控平臺(tái)，以無線智能監(jiān)控為手段，實(shí)現(xiàn)高速照明設(shè)施的集中化和智能化監(jiān)控管理，今后可以拓展到高速公路管理的各個(gè)領(lǐng)域，為全面打造智慧高速提供先進(jìn)適用的技術(shù)支撐。