智能路燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉麗

（太原市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西太原 030000）

0 引言

城市照明系統(tǒng)為人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活提供便利的同時(shí)，也造成了大量電力資源的浪費(fèi)，有較大的節(jié)能空間。在當(dāng)前我國(guó)節(jié)能減排政策的大力推動(dòng)下，通過(guò)科學(xué)管理模式與先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，可以促進(jìn)照明系統(tǒng)節(jié)能降耗，是當(dāng)前城市照明系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 城市路燈的作用

1.1 美化城市景觀

路燈對(duì)城市的最大作用就是美化城市景觀。路燈構(gòu)筑城市的骨架和網(wǎng)絡(luò)，延長(zhǎng)了城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的時(shí)間。路燈所創(chuàng)造出來(lái)的舒適、安全的照明環(huán)境氛圍是其他工具無(wú)法替代的，良好的照明質(zhì)量是建設(shè)城市優(yōu)美夜晚環(huán)境的前提，也是城市不可缺少的因素。

1.2 提高生活質(zhì)量

白天，在太陽(yáng)光的照耀下，綠化、建筑、道路等城市的基礎(chǔ)設(shè)施展現(xiàn)著城市的獨(dú)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(chǔ)設(shè)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(yīng)。路燈將城市景觀與人文活動(dòng)有機(jī)地結(jié)合在一起，展現(xiàn)著一座城市獨(dú)特的格局及其特有的藝術(shù)氛圍。生活在這樣環(huán)境下的人們，生活質(zhì)量會(huì)越來(lái)越高，對(duì)城市的喜愛(ài)與信賴(lài)程度亦與日俱增。

2 市政道路照明中路燈的發(fā)展現(xiàn)狀

路燈是城市照明的重要組成部分。在傳統(tǒng)路燈照明系統(tǒng)中，比較常用的是高壓鈉燈，其主要由燈桿、燈具、光源和鎮(zhèn)流器等組成，其中，鎮(zhèn)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(fèi)，除了路燈自身光照的耗能，高壓鈉燈的鎮(zhèn)流器的耗能量也較高。因此，隨著市場(chǎng)需求的改變，傳統(tǒng)的高壓鈉燈逐步被淘汰。基于節(jié)能環(huán)保的考量，需要解決高壓鈉燈及其鎮(zhèn)流器耗能大的問(wèn)題，不斷提升其綜合效能[1]。

3 智能路燈的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

融合氣象數(shù)據(jù)的路燈控制系統(tǒng)按功能模塊可劃分為終端設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、云服務(wù)器和用戶端4 個(gè)部分：①終端層。終端層包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備和控制設(shè)備。數(shù)據(jù)采集設(shè)備由單片機(jī)、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(qiáng)度傳感器、交流電計(jì)量模塊及窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊組成，采集終端設(shè)備用于采集電氣和氣象數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊。控制設(shè)備由繼電器組成，窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊接收到云服務(wù)器指令后，控制繼電器打開(kāi)LED 路燈。②通信層。通信層即窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，由窄帶物聯(lián)網(wǎng)基站和核心網(wǎng)組成，窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。③應(yīng)用服務(wù)層。此層部署在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上，通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)接收采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢(xún)及存儲(chǔ)，并通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)下發(fā)控制指令對(duì)路燈進(jìn)行管控。④用戶層。管理人員通過(guò)移動(dòng)端APP 或PC 端查看路燈狀況或獲取電氣和氣象數(shù)據(jù)，并隨時(shí)控制LED 路燈開(kāi)關(guān)。

3.2 箱網(wǎng)搭建

箱網(wǎng)搭建主要指結(jié)合道路等級(jí)、用電需求等因素，合理規(guī)劃建設(shè)各級(jí)配電設(shè)施，從而使電力資源下沉，是路燈專(zhuān)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)和空間前提。由于城市建設(shè)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的城市配電設(shè)施難以滿足城市用電的需求。尤其對(duì)于新規(guī)劃的城市用地，通常存在電源點(diǎn)分布不合理、分布密度不夠，造成取電困難、用電手續(xù)復(fù)雜等問(wèn)題。對(duì)于老城區(qū)道路，由于缺乏統(tǒng)一的配電規(guī)劃管理，常常會(huì)出現(xiàn)通信運(yùn)營(yíng)商、交通、公安系統(tǒng)等各投資方或用電單位重復(fù)建設(shè)配電箱、線井等設(shè)施的情況，未能高效統(tǒng)籌地上地下空間利用，有礙市容美化的同時(shí)也帶來(lái)建設(shè)成本浪費(fèi)和運(yùn)維難度增加的問(wèn)題。根據(jù)上述架構(gòu)，將逐步完善各級(jí)配電設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建配電箱網(wǎng)。對(duì)于大型路口，根據(jù)已有路燈箱式變合理改造升級(jí)，建設(shè)為綜合能源站，設(shè)計(jì)容量為250kVA～400kVA，為公安、交管系統(tǒng)、5G 基站以及充電樁等設(shè)備供電；對(duì)于中小型路口，新增建設(shè)綜合能源分支箱，設(shè)計(jì)容量為30～50kW；此外根據(jù)道路、規(guī)劃等實(shí)際情況，在路口、公交站臺(tái)等區(qū)域結(jié)合各類(lèi)設(shè)施實(shí)際用電需求增建功能箱，設(shè)計(jì)容量為10～20kW。此外，對(duì)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(shè)備的用電需求，最大限度提高城市公共基礎(chǔ)用電終端的分布密度，通過(guò)分級(jí)配電和集中供電為下一步城市公共用電綜合管理（包括監(jiān)測(cè)、預(yù)警、調(diào)控、分析等功能）奠定物理基礎(chǔ)[2]。

3.3 路燈節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)路燈節(jié)點(diǎn)的硬件包括采集模塊和執(zhí)行模塊。采集模塊包括電源模塊、檢測(cè)模塊、控制模塊及無(wú)線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了將采集到的路燈信息發(fā)送至無(wú)線傳輸基站。檢測(cè)模塊包括定位模塊、電壓電流檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、聲音檢測(cè)模塊及光照檢測(cè)模塊。電壓電流檢測(cè)模塊用于提供控制模塊對(duì)路燈回路功率計(jì)算時(shí)所需的電壓值及電流值；溫度檢測(cè)模塊用于檢測(cè)路燈燈泡的溫度，由功率和燈泡的發(fā)熱來(lái)判斷路燈工作是否正常；聲音檢測(cè)模塊用來(lái)檢測(cè)是否有車(chē)輛或人經(jīng)過(guò)；光照檢測(cè)模塊用來(lái)檢測(cè)戶外的光強(qiáng)，若戶外亮度低且有車(chē)輛或人員經(jīng)過(guò)時(shí)，則打開(kāi)路燈開(kāi)關(guān)，否則，則關(guān)閉路燈。控制模塊響應(yīng)無(wú)線傳輸基站發(fā)送的控制指令進(jìn)而控制執(zhí)行模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)路燈的亮滅，控制模塊實(shí)現(xiàn)傳輸路燈節(jié)點(diǎn)的信息及響應(yīng)無(wú)線傳輸基站發(fā)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(yī)療、自動(dòng)化與過(guò)程控制、通信與網(wǎng)絡(luò)、傳感與儀器等領(lǐng)域[3]。

3.4 燈具的選擇

燈具發(fā)光效率（LOR）是燈具選型中必須考慮的節(jié)能指標(biāo)。假設(shè)有燈具1 和燈具2，各自的LOR 值分別為65%和79%，LOR 為燈具發(fā)出的總光通量與燈具內(nèi)所有光源發(fā)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(diǎn)考慮指標(biāo)，該值將直接對(duì)初始照度造成影響。假設(shè)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(nèi)特定時(shí)間的光通量與該燈的初始光通量之比，在使用場(chǎng)景一致的前提下，燈具2 的初始照度比燈具1 低。由此看來(lái)，在挑選照明節(jié)能燈具時(shí)，應(yīng)著重考慮優(yōu)質(zhì)高效、高光通維持率的基本要求。具體至城市路燈照明領(lǐng)域，所采用的燈具應(yīng)具有較高的光通利用系數(shù)，其具體受到安裝高度、傾斜角度、配光方式等多項(xiàng)因素的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行綜合考慮。按照工程要求選擇好燈具及配光方式后，要進(jìn)一步考慮具體的安裝參數(shù)，包含高度H、間距S、傾斜角度，其均會(huì)對(duì)路燈照明質(zhì)量帶來(lái)影響。為兼顧照明、節(jié)能、美觀、耐久等多重要求，通常S/H 的值應(yīng)穩(wěn)定在3～4，傾斜角度為5°～10°。通過(guò)合理的燈具發(fā)光效率（LOR）等燈具選型從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)[4]。

3.5 智能路燈控制云平臺(tái)與APP 設(shè)計(jì)

智能路燈控制云平臺(tái)一方面負(fù)責(zé)接收電氣和氣象數(shù)據(jù)、顯示電氣和氣象數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)電氣和氣象數(shù)據(jù)等，另一方面負(fù)責(zé)下發(fā)控制命令實(shí)時(shí)控制路燈開(kāi)關(guān)，此外還可以設(shè)置電氣和氣象數(shù)據(jù)閥值預(yù)警。智能路燈控制云平臺(tái)部署于中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。之所以選擇此平臺(tái)主要出于3 個(gè)方面考慮：①其具有海量?jī)?chǔ)存空間和超強(qiáng)計(jì)算能力，支持主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議解析和轉(zhuǎn)換，并具備大規(guī)模數(shù)據(jù)安全保障機(jī)制；②其提供可靠高效的數(shù)據(jù)管理服務(wù)和智能數(shù)據(jù)分析服務(wù)；③基于此平臺(tái)做開(kāi)發(fā)，可降低開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期。智能路燈控制云平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)步驟如下：首先創(chuàng)建產(chǎn)品，設(shè)備接入方式選擇“公開(kāi)協(xié)議”，聯(lián)網(wǎng)方式選擇“窄帶物聯(lián)網(wǎng)”，創(chuàng)建成功后會(huì)生成一個(gè)產(chǎn)品ID 及正式環(huán)境注冊(cè)碼；其次添加設(shè)備，在添加設(shè)備前先通過(guò)指令查詢(xún)，再通過(guò)指令控制終端設(shè)備云平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)；最后在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)查看上傳數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)用戶可創(chuàng)建多個(gè)產(chǎn)品，對(duì)每個(gè)產(chǎn)品、設(shè)備、設(shè)備應(yīng)用、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)流進(jìn)行管理，考慮到智能路燈系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電氣和氣象數(shù)據(jù)異常應(yīng)具備預(yù)警功能，運(yùn)用云平臺(tái)觸發(fā)器對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)流都進(jìn)行警報(bào)功能設(shè)計(jì)，當(dāng)終端設(shè)備采集到異常數(shù)據(jù)、上傳云端時(shí)會(huì)觸發(fā)警報(bào)，云平臺(tái)會(huì)將包含有異常數(shù)據(jù)流與設(shè)備信息的郵件發(fā)送至用戶，用戶可以通過(guò)PC 端或APP 接收?qǐng)?bào)警信息?；谥悄苈窡艨刂圃破脚_(tái)部署完成后，采用物聯(lián)網(wǎng)提供的應(yīng)用程序編程接口調(diào)用、數(shù)據(jù)推送等應(yīng)用管理功能進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，具體做法是在手機(jī)頁(yè)面的編輯區(qū)對(duì)應(yīng)用界面進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)完成后即可下載智能路燈控制APP，用戶可安裝此APP 實(shí)時(shí)查看電氣和氣象數(shù)據(jù)或隨時(shí)隨地控制路燈開(kāi)關(guān)[5]。

3.6 微電腦智能控制器

傳統(tǒng)的定時(shí)鐘控制方式能夠自動(dòng)完成對(duì)燈具的開(kāi)啟與關(guān)閉操作，但全年內(nèi)不同季節(jié)的晝夜時(shí)間有所不同，換季時(shí)對(duì)應(yīng)的控制器設(shè)定時(shí)間也應(yīng)得到調(diào)整，需在此方面投入一定的人力。并且定時(shí)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(dòng)考慮不同經(jīng)緯度的日出、日落時(shí)間，自適應(yīng)調(diào)節(jié)燈具的開(kāi)關(guān)時(shí)間。配置工作中，僅需在初期設(shè)定當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度信息、日期信息、開(kāi)關(guān)燈時(shí)間信息即可，后續(xù)運(yùn)行時(shí)控制器可獲悉當(dāng)日的日出日落時(shí)間，從而自動(dòng)完成對(duì)燈具開(kāi)關(guān)時(shí)間的調(diào)節(jié)操作?？梢?jiàn)，微電腦控制器的應(yīng)用具有更加便捷的優(yōu)勢(shì)，后續(xù)無(wú)須在時(shí)間調(diào)整方面投入人力資源，且該裝置還具備失電保護(hù)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(chē)道和慢車(chē)道，各自的照明要求有所不同，需做有針對(duì)性的考慮。在后半夜，行駛在慢車(chē)道的非機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量較少，該階段對(duì)照明的要求較低，因此，在不影響安全的前提下可關(guān)閉下半夜慢車(chē)道的照明。此外，為有效提高城市路燈照明質(zhì)量，部分城市采用雙光源燈具或是實(shí)施一桿多燈具的配置方案，此時(shí)照明的靈活性得以提升，在下半夜車(chē)輛較少時(shí)，可適時(shí)降低照明燈具的照度。例如，關(guān)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(fā)，在城市路燈照明節(jié)能設(shè)計(jì)中，可結(jié)合實(shí)際情況采取分組控制的方案，通過(guò)此途徑減少能源消耗量。對(duì)于城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，其節(jié)能措施主要體現(xiàn)在分組適時(shí)控制各分控點(diǎn)、降電壓等方面，但道路照明的供電線路普遍較長(zhǎng)，同時(shí)還存在負(fù)荷較大的特點(diǎn)，導(dǎo)致線路的壓降處于較大的水平，而光源對(duì)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(lái)看，該系統(tǒng)在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)并未得到有效的發(fā)揮，而這也是后續(xù)技術(shù)發(fā)展中的重要突破口。為同時(shí)滿足節(jié)能、照明效果、便捷化管理的多重要求，需緊密結(jié)合城市道路的實(shí)際條件，以分時(shí)、分段的方法對(duì)道路照明的功率做靈活的調(diào)節(jié)，使照明設(shè)施有效適應(yīng)當(dāng)前的工作環(huán)境。根據(jù)城市照明監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)有運(yùn)行情況，為之增添“遙調(diào)”的功能，具體可采用調(diào)光控制設(shè)備（其類(lèi)型較多，如前端控制器、降功率節(jié)能轉(zhuǎn)換器，視實(shí)際情況合理選擇），將其配套至各照明個(gè)體上，由此提高照明系統(tǒng)的智能化水平，通過(guò)控制器、分控點(diǎn)、照明控制中心的共同組合，構(gòu)成完善的城市照明網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。若能合理應(yīng)用城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，可有利于提高對(duì)城市道路中每盞路燈的動(dòng)態(tài)監(jiān)控水平，及時(shí)掌握各路段中各路燈的具體使用情況，進(jìn)而給管控工作的開(kāi)展提供了關(guān)鍵的參考依據(jù)。在該配置方式下，系統(tǒng)可接收源自控制中心的指令，也能按照預(yù)設(shè)時(shí)間完成相應(yīng)的控制工作，例如，對(duì)每盞燈進(jìn)行開(kāi)、關(guān)機(jī)降功率控制，在自動(dòng)化控制機(jī)制下，將道路照明的額定功率和降功率穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前如何有效促進(jìn)城市現(xiàn)有公共基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造，通過(guò)技術(shù)、管理賦能滿足日益增長(zhǎng)的各類(lèi)需求是城市管理者和建設(shè)參與者努力的重要方向。本文基于現(xiàn)有城市路燈供配電系統(tǒng)，提出了“路燈專(zhuān)網(wǎng)”的定義，從箱網(wǎng)搭建，能源通訊網(wǎng)絡(luò)搭建和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用多個(gè)方面闡述了路燈專(zhuān)網(wǎng)的整體架構(gòu)。后期隨著直流供電、儲(chǔ)能等技術(shù)的進(jìn)步，路燈專(zhuān)網(wǎng)的節(jié)能效益和應(yīng)急能力將進(jìn)一步完善，同時(shí)隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的升級(jí)，路燈專(zhuān)網(wǎng)的數(shù)字化、智能化水平和綜合管理能力也將大大提升。