室外智慧照明，美好城市的践行者（中）

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室外智慧照明，美好城市的践行者（中）

姜玉稀，赵建平，冉 峰，运 柳

【国家重点研发计划项目“室外智慧照明关键技术及系统集成”（项目编号：2017YFB0403500）】

二、让每一盏路灯都智慧起来，真正发挥它的大作用

智慧照明是以提升照明的舒适化、人性化与智能化为出发点，以LED照明、信息采集、信息传输、信息发布、数据处理和控制执行等技术的融合为支撑，以点、面结合的运行方式为主体，面向未来智慧家庭、智慧城市、智慧社会和智慧世界的绿色照明。

1.智慧路灯功能模块与应用系统

智慧路灯系统基于物联网信息传感设备，通过路灯对信息进行智能采集、存储、传递、处理，它不仅可以作为一个重要的信息传输通道，也是市政信息发布终端、互动终端、便民终端，是现代化城市中一道亮丽的名片。根据“智慧照明”技术概念的定义，智慧路灯除了具备最为基本的智能照明功能外，还应具有空气质量监测、温/湿度监测、噪声监测、摄像、RIFD、Wi-Fi服务、广告牌、应急充电和紧急呼叫等多项涵盖信息采集、信息传输、信息发布的功能，并将上述功能归类为智能照明模块、信息发布模块、信息采集模块、信息传输和控制模块、应急电源模块五大功能模块。同时智慧路灯系统分为LED路灯照明、LED显示屏显示、通讯与控制、视频监控、RFID人/物监测、环境传感监测、电动车充电桩和紧急呼叫等八大应用子系统（如图1所示）。用户可以根据自身需求，高效合理地进行子系统的选择与组合，以充分满足智慧城市建设中各种应用环境（如图2所示）。

图1“智慧路灯”基本功能

2.智慧交通及智慧安防

在智慧城市的构建中，良好的城市道路环境是行人和车辆出行的必备条件。在城市道路中，有大量的公共设施，例如道路井盖、名贵树木、指示牌等。而这些设施的管理仅能依靠巡查和市民反馈，不仅费时费力，还不符合智能城市的理念。在智慧路灯系统中，利用无线电波在雷达与物体上的电子标签之间传输数据，采集车辆、车位信息、市政设备（窨井盖、垃圾桶等）、特殊人群（老人、儿童等）进行统一身份编码、识别和管理。具体来说，当发生交通事故或者“RFID”读到车辆RFID标签在短时间内过于密集时，摄像机会立即打开进行跟踪拍摄，并即时将信息发送到处理中心和交通管理中心，同时智慧路灯会通过微基站向周边手机、车载显示终端以及公共移动终端发布信息，进行交通状况告知和预警；当发生窨井盖、垃圾桶等异常，特殊人员遇到困难或危险，通过RFID安全卡标签进行报警时，RFID阅读器接收到报警信号后，立即将报警信息传送至服务器端，相关管理机构便可及时进行干预与施救，减少相应安全事故的发生。

图2“智慧路灯系统”应用示意图

（1） Wi-Fi探针人流检测技术，从智能手机MAC地址入手，统计单位时间内MAC地址数量来计算人流量。即由多个探针实时抓取移动设备的信号组，并通过计算和指纹库的方式获取移动终端的大致区域，算出该区域的统计人数和密度图（如图3所示）。

图3 节点感知Wi-Fi探针人流检测系统运行框图

（2）节点感知波纹交叠式RFID移动对象定位跟踪技术，RFID读写器通过射频发射天线发射一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被激活；标签将自身编码等信息通过内置天线发送出去（如图4所示）；RFID读写器系统接收天线接收从标签发送过来的载波信号，经天线调节器传送到RFID读写器，RFID读写器对接收到的信号进行解调之后送到上位机进行相关处理（如图5所示）。

图4 节点感知波纹交叠式RFID读写系统结构图

图5 节点感知波纹交叠式RFID读写系统的实现原理

（3）环境状态传感器组件与多模态异构数据归一化融合技术，包括传感器层、融合层和任务层（如图6所示）。传感器层将负责与硬件设备之间的交互，并且为融合层提供所需的信息；在融合层，来自不同信息源的信息被格式化表示，然后对它们进行融合处理，并根据相应算法将最终结果传送到任务层；任务层利用融合信息来完成不同的任务。

图6 多传感器融合模块系统框图

3.信息发布、信息显示

位于智慧路灯灯杆右侧的高清LED显示屏，间距为P3，采用无玻化设计，具有观看距离近，成本低、清晰度高等优势。凭借人脸识别功能，LED显示屏实时更新显示周边的PM2.5、风向、风速、温度、湿度、噪音等环境信息，还可播报实时路况、市政、天气等信息。在运营中，还可以为成为一个全城覆盖的广告平台，凭借大数据的优势可为广告主提供精准的广告投放，提升智慧路灯的传媒价值，让运营者获得更高的广告收益。

信息发布系统主要包括三个部分：Web信息控制平台、显示系统和显示终端，对播放内容进行编辑、审核、发布、监控等，对所有播放机进行统一管理和控制。显示系统包括显示调度中心、媒体播放机、视音频传输器、视音频解码器，主要通过媒体播放机接收传送过来的多媒体信息（视频、图片、文字等），通过 VGA/HDMI/网络等将画面内容展示在LED等显示终端上（信息发布和显示系统如图7所示）。

图7 智慧照明实时信息发布、信息显示系统图

4.新能源汽车充电桩

近年来，新能源汽车市场投放量不断增大，然而充电桩的数量远远无法满足电动汽车的需求。充电桩与道路照明灯杆合二为一，将极大地解决充电桩数量不足的问题。智慧路灯底座安装的电动汽车充电桩模块，新能源车只要停靠在路灯旁，用手机扫描充电桩二维码，并安装相关APP后，就可将汽车与路灯连接开始充电。充电费用根据充电时间、电量等计算，用手机支付即可。同时，充电桩是利用智慧照明技术改造后节省出来的配电容量给电动汽车充电，本身具有定位功能，有标示性作用，电动汽车车主查找充电桩十分方便。利用路灯本身的电力管网资源解决充电桩建设电路布线、占用道路的问题，突破了城市充电桩建设过程中存在的征地难、建设费用高、电力配套难等困局，能够快速推进城市管理者和电动汽车、充电桩运营商构建“灯、桩、网、车”一体化产业联动的智慧城市运营生态圈。

5.智能控制

智慧路灯灯具内嵌智能调光模块，按不同的环境和工作场合设计需求功能，根据探测到的环境照明条件、环境温度、时间等数据对灯具的亮度进行智能控制，调节不同环境照明的整体亮度，做到按需照明，从而实现最大限度的节电。同时，通过路灯综合运营管理平台以及单灯智能控制系统，实现整个路灯网络的自动巡检、远程管理、实时监控、故障报警功能，大大提高路灯管理人员的工作效率，降低路灯维护员的工作强度。

（1）层次化多协议路由规则架构的智能网关技术，通过基于双向桥接、开源代码、自适应匹配算法、可扩展配置底层协议转换芯片问题的解决形成智能网关架构技术，进行集多模有线/无线通信、多制式单灯和集中控制器接入方式为一体的层次化协议路由规划，开展层次化多协议路由规则的制定（如图8所示）。

图8 智能照明控制系统拓扑图

（2）灯联网智慧控制平台技术，通过灯联网系统分层次部署及故障接管策略的规划，形成相邻或上层节点接管故障节点和节点恢复后自动回切快速愈合的平台控制技术（如图9所示）。在灯联网智慧控制平台整体框架中，包含用户层、API层、服务层、工具维护四部分。

图9 灯联网智慧控制平台框架

用户层：使用网页，用户无需安装特定的软件，可以通过电脑、手机、平板等多种设备进行访问。

API层：采用RESTful Web服务的方式封装底层各个子系统的功能，提供对系统内部应用层及其他第三方统一的HTTP API接口服务。

服务层：作为系统的核心部分，通过服务中心将各个服务整合起来，通过数据中心采集、推送数据，再加上数据库进行数据存储，构成一个完整的系统。

工具维护：工具维护主要是为了配合具体工程的实施，它主要包含：

a.手机APP：对于安装人员，可以通过手机记录设备安装信息，然后通过无线传输或导出文件的方式将设备信息录入系统；对于用户，可以通过手机监控设备状态并实现简单控制；对于重要信息，系统也可以通过推送到手机让相关人员及时了解。

b.专业测试软件：可以帮助现场人员对系统进行快速检查、对故障原因快速定位，降低现场施工的难度。

c.设备模拟器：可以模拟相关的硬件设备，用于系统测试和仿真。

6.智慧城市的决策模式——大数据平台

利用室外照明设备合理布局，构建灯联网云计算大数据平台。将风速风向传感器、温湿度传感器、光照度传感器、能见度传感器、气象检测器、危险气体检测传感器、车流量传感器、非接触道路路面传感器等采集到的空气能见度、降雨量、气体泄漏、汽车尾气、PM2.5等环境指标数据进行实时快速分析处理，与路灯管理、道路交通、城管执法、民生、环保、警务管理、城市服务、财政管理、采购管理等城市管理系统进行交互，为智慧城市的大数据应用提供多种数据支持，实现各个部门共享信息，协同作战，降低政府管理成本。同时，点（路灯）、线（道路）、面（城市）三级监控，有效实现屏控、灯控、采集、联动的统一，实现路灯状态、节能情况、环境参数和视频等实时和历史数据的查询，便于在智慧城市运营中对大数据的分析和统计（如图10所示）。

图10 大数据计算平台总体架构

7.室外智慧照明系统产业化标准体系

从目前室外智慧照明系统的技术、产业和市场应用等角度来看，其还处于刚刚起步的阶段。但是，由于室外照明逐步从网络化、数字化、智能化，最终迈向智慧化的脚步正在加快，以及强有力的应用市场驱动，因而引发了世界范围内对智慧照明探索、研究和实践的热潮。然而，室外智慧照明可操作相关技术规程标准缺失问题却是一个亟待解决的关键问题。在可预见的未来，此问题将成为阻碍室外智慧照明产业发展、市场拓展的主要因素。围绕制约室外智慧照明应用的智能灯具模组、智能CPS传感及节点感知组件、智能网关设备、通讯网络复合系统的可靠性、兼容性和安全性、设计方法、评价和调试方法等建立《传感器、控制器可靠性评价方法》《室外智慧照明通讯接口及安全技术要求》《智能照明控制系统技术规程》3项标准，以期填补国内外室外智慧照明标准的缺失，合理引导室外智慧照明技术发展。（未完待续）

▌全文刊载于《照明工程学报》2017年第28卷第6期