基于路灯的智慧城市物联网体系设计.doc
基于路灯的智慧城市物联网体系设计Aaaaaa摘要：本文针对智慧城市建设快速发展的趋势，通过对现有路灯的重新定位与改造，集合智能传感器技术、电力载波通信技术、云计算技术等先进技术，方便快速的建设覆盖广、容纳终端数量多、成本低、智能化程度高的城市物联网基础平台，实现对物的主动式管理、广域开环运行、可信可靠，并便于复制且低成本运营。在此平台基础上实现智能照明、智能交通、环境监测、城市安全、无线城市等多个智慧应用。关键字：路灯；物联网；智慧城市1 案例设计目标众所周知，路灯作为城市中密度最大、数量最多的市政设施之一，其在城市中的作用是不言而喻的。首先，增加人们夜晚的能见度，提高安全感，创造夜晚舒适怡人的社会活动、交往空间。其次，保证车辆和行人夜晚活动的安全，减少夜问交通事故和犯罪、暴力事件的发生。最后，满足城市不同区域的功能需要，为各分区的活动和相互间的交通、联系提供照明条一件，美化城市形象，促进经济繁荣。深入分析路灯在城市中的分布及建设情况，可以发现，除了传统意义上的照明功能外，路灯不但常见、机构强健、驻点固定，而且也有电力供应，因此是很适合用来建立高密度的城市感测网络。针对城市路灯的以上特点，通过对现有路灯的重新定位与改造，集合智能传感器技术、电力载波通信技术、云计算技术等先进技术，方便快速的建设覆盖广、容纳终端数量多、成本低、智能化程度高的城市物联网基础平台，实现对物的主动式管理、广域开环运行、可信可靠，并便于复制且低成本运营。在此平台基础上实现智能照明、智能交通、环境监测、城市安全、无线城市等多个智慧应用。2 现状分析2.1 城市路灯系统现状2.1.1 规律分布于城市路灯作为道路上重要的设施，长期以来均遵照城市道路照明设计标准进行标准化的设计、建设，使得路灯在道路上呈现明细的规律化分布，同时随着城镇化进程，路灯分布越来越广泛，更是随着道路延伸到城市的各个角落。2.1.2 精确的地理坐标由于路灯分布及间距的规律性，路灯杆本身已具备精确定位功能，深圳是最早利用路灯杆编号，实现“定位”报警的城市，其对主要道路上11万根路灯杆均进行统一编号，并将这些编号及其对应的地理坐标录入数据库，报警人报出所在位置的7位路灯杆号，指挥中心民警便能确定报警人位置，调度最近的警力出警。2.1.3 极佳的通信位置作为道路周边数量最多，分布最为规律的路基侧设备，为了保证对路面及周边环境的照明效果，其所架设的位置优势是非常明显的。尤其路灯灯头位置更是作为智慧城市信息感知终端的绝佳选择。另一方面，目前通信运营商与城市路灯也进行了一定的合作，这种合作基本上是建立在城市路灯已经建设的基础上。通信运营商根据自身的网络覆盖需求，规划出满足网络覆盖的城市路灯的位置，并对现有的路灯进行改造，以满足天线的安装，实现对周边区域的覆盖。2.1.4 现成的供电线路作为道路周边最大的用电设施群体，每个路灯均可作为道路周边现成的供电接入点。实际上，一直以来，公交站广告牌，节日道路景观亮化等均是直接将路灯杆作为供电电源接入，远期甚至可以直接将路灯作为汽车充电桩进行使用。如果将路灯供电电缆同时用来传输电力载波信号，则形成了一张覆盖于整个城市的供电及通信基础网络。2.2 城市路灯系统的管理与应用现状2.2.1 城市路灯系统的管理现状路灯的管理和控制系统的发展大致分为三个过程：人工控制阶段，机械控制阶段和计算机控制阶段。现代化的路灯监控系统可以借助现有的通讯服务平台实现遥测、遥控、遥信“三遥”路灯数据采集和监控1。从上个世纪90年代开始，西方发达国家代就开始从事智能照明系统的研发，已经积累了丰富的建设经验和成功案例。比如新加坡、法国和瑞士已经采用计算机技术实现路灯的自动化监控，德国ABB 公司基于I-BUS 总线研发的路灯控制系统可以实现路灯的集中开关控制；日本的松下公司基于HBS的协议研发了智能灯具和相应的管控系统，实现了灯具的智能化远程控制2。国外在路灯监控领域的技术特点大致体现在以下几个方面：监控策略的现代化；信息承载方式的现代化，管理系统的现代化。首先，监控策略的现代化体现在由集中控制模式发展到精确的场景及行为分析阶段。路灯控制的“三遥”模式在国外已经非常成熟，很多国家都制定了专门针对路灯的工业标准。在集中控制的基础上，现代的路灯控制策略更加关注场景及行为分析的功能。比如：自适应的光照感知功能、根据日升日落时间的自动开关及调光功能，车流及人流分析功能等等，而且针对繁华街路，偏僻街路及高速公路均有不同的监控策略，一方面是路灯的控制更加的人性化，另一方面也进一步节约了能源3。我国的路灯监控系统大致经历了与国外相似的发展过程，目前还处于一个不断发展的阶段。与国外相比，我们目前的管理模式和管理手段还比较落后，绝大部分的城市还不没有路灯监控系统，虽然在一些大中城市实现了路灯开关的集中控制，但其灵活性很差，不能根据环境因素的变化自动调节开关的时间，更没有路灯亮度的自动调节功能，应对特殊极端天气的能力较差，无法实现路灯状态的自动监控，路灯出现故障后维护效率低实时性差等问题。这些不足一方面造成了能源和人力资源的极大浪费，另一方面也无法满足现代化城市发展的需求4,5。2.2.2 城市路灯系统的智慧应用利用智慧城市研究成果，开展城市道路智慧照明研究，是当今道路照明发展的趋势和特征。目前，国内外照明企业和照明科技工作者都在研究智慧照明，但研究成果主要体现在硬件上。例如:研制出不少远程道路照明控制平台，像飞利浦和爱立信公司推出了联网路灯系统。安徽合肥采用互联网和路灯的城市道路智慧照明系统，对全市17万盏路灯进行远程管理。这样的成果不断涌现，引起了照明工程理论工作者高度重视。2014年，在丹麦阿尔贝特斯隆举办的“显微镜下的城市”国际研讨会上，有学者介绍了利用太阳能和风能，以及采用LED节能光源的城市智慧照明实际工程案例，并展示了位于丹麦Hersted工业区长约10 km的生活试验区，该工程采用了装有广角红外摄像头的智慧路灯系统，能监控过往的车辆、行人以及小动物。无人时，路灯保持低亮度;有人时，路灯提前升高亮度，从而使城市道路照明更加人性化，并有效节能。2015年杭州已经试点智能路灯杆，WIFI热点被安装在城市随处可见的路灯杆上，一同被装备给路灯杆的还有充电桩、视频探头等设备。试点的路灯杆数量上规模后，杭州市还考虑开通充电箱的电子支付，市民卡支付等功能。杭州市对智能路灯杆的试点让城市里均匀分布的路灯杆成为智慧城管物联网的重要节点。3 总体方案设计3.1 基于城市路灯系统的物联网架构结合路灯最为主要的物联网价值，对现有城市路灯实行升级，就可以方便快捷地建立起覆盖范围足够广的信息感知网，从而建立实现智慧城市的物联网基础网络平台。新型的物联网路灯除去单纯的照明功能外，通过整合各种传感器技术，能够同时具备信息感知、收集、传递、处理等多种功能，、一个典型的物联网路灯如图1所示。图1 典型物联网路灯组成示意图物联网路灯主要由中央处理模块，通信模块，电源模块，路灯控制模块，传感器模块及信息发布及通信接人模块等几部分组成。所选择的通信方式及通信模块作为建设整个基于路灯的物联网系统的关键，优先选择电力载波技术，主要是因为其免布线、低成本、便于统一管理等特性。物联网路灯内部的控制及监测模块用于对路灯本身进行调光和工作状态监测，实现真正意义上的智能照明。传感器模块则按照应用分为环境监测、设施监测、智能交通应用、信息发布及通信接人等几类。在整个物联网路灯中，中央处理模块、通信模块、电源模块必须具备，而传感器模块则可以根据实际应用需要进行选择和组合。为实现通过路灯实现城市物联网的建设，就必须要将所有的物联网路灯整合到一个平台上，而该平台由三个部分组成，包括物联网路灯，现场智能基站和统一的服务平台。物联网路灯通过接入的各类传感器对所覆盖范围内的环境、设施等进行数据采集及处理，并借由路灯供电电缆通过电力线载波通信方式传输到现场智能基站。现场智能基站收集相应数据后执行相应本地策略并将数据转发到服务平台。服务平台通过INTERNET与现场智能基站进行数据交换，可以根据数据采集的需要，控制相应传感器的开启与关闭，也可以根据与照明相关的传感器信息控制路灯的工作状态。同时，服务平台可以汇集路灯采集的相应传感器数据，并加以分析处理，实现各种智慧城市所需要的应用，如下图2所示。图2 基于路灯的城市物联网体系3.2 系统的硬件组成本方案设计了如图3所示的路灯体系硬件架构图，系统硬件架构主要分为三层，底层是数据采集和控制层，中间层为网络通信层，上层为系统监控中心，构成了分布式无线遥测、遥信、遥控的自动化“三遥”功能，实现对路灯系统的遥测变量参数、遥信设备状态信息、遥控路灯启闭、调光。该设计目的在于保证信息实时性、操作可视化和管理的科学性。图3 路灯体系硬件架构图4 技术方案分析4.1 智能照明传统路灯照明能耗巨大，除去路灯光源本身的能耗问题外，没有合理的管理方式与手段也是造成能源浪费的重要原因之一。通过路灯内置的控制器，可以实现真正意义上的按需照明和精细化管理。通过红外、车流车速、亮度传感器的共同工作，按照路面照度状况及道路上车流、人流的情况，调整每一盏路灯的合理开闭时间及亮度等级，保证道路交通安全的同时，达到最优的能源使用效率，如图4所示。同时通过电力载波通信，将路灯的实时工作状态及故障状态上传到服务平台，使得路灯管理部门对整个城市路灯的运行状态一目了然，减少日常巡灯的投入的同时，大幅度提高城市路灯的精细化、科学化管理水平。图4 路灯智能照明示意图4.2 智能交通及位置服务在智能交通系统中，各类交通信息采集传感器均面临安装位置限制、分布广度与深度、低成本建设等问题，而此也直接影响到交通信息采集的完整性和实时性。通过物联网路灯上安装的红外、微波、视频等传感器，可以低成本且快速覆盖对道路、公交车站、停车场的车辆情况进行监测，通过物联网路灯服务平台向交通信息中心提供实时交通信息，这些信息通过处理后，向交通参与者提供各类完善的实时道路交通信息。在类似的应用中，英国剑桥大学计算机实验室正试图利用路灯来实施一个名为“交通信息监控环境”(Transport Information Monitoring Environment）的研究计划，其在路灯上装设红外线传感器，来监测交通流量。随着RFID技术的发展，车载电子标签(OBU，On Board Unit)项目在国内多个城市进行试点，作为其中重要的组成部分，路侧控制单元(RSU，Road Side Unit)通过专用短程无线通信技术来完成与行驶车辆上安装的OBU设备进行通信。车载电子标签存有车辆的标识码和其他有关车辆属性的数据，当车辆进人RSU的识别区时，能将这些数据传送给RSU，起到车辆身份认证的作用，同时，也可接受、记录由RSU发送的有关数据。RSU目前主要使用在ETC(电子收费系统)中，而随着车载电子标签的逐步推广，在路灯上部署RSU将能够极大推动智能交通的发展，可以实现实时交通信息的采集、车辆定位与跟踪、车辆防盗、特种车辆管理等多种极具价值的应用。由此可见，大规模部署物联网路灯网络，将可提供实时性、免费的交通管制信息或路况讯息，甚至为城市规划者提供长期性的观测信息，以协助政策制定。因此路灯除了照明作用，也将成为改善城市环境的生力军。物联网路灯能通过整合各种智能传感器设备完成对交通信息的感知与获取。而在另一个层面，由于路灯本身具有的精确位置信息，通过蓝牙、WlFI、甚至是专用短程无线通信向周边车辆、行人发布其位置信息，将能够对各种基于位置的服务提供更为精确的解决方案。在现有的定位及导航系统中通常采用的GPS技术，由于易受天气，建筑遮挡等因素的影响，在某些区域存在较大的误差，而通过与物联网路灯所提供的位置信标功能相结合，将能够提升如智能公交的电子站牌系统等现有许多应用的用户体验。如果同时在该信标功能中加入实时信息发布，其想象空间将进一步放大。例如英国一家名为Last Mile Communications的公司通过在路灯上加装无线AP和闪存记忆体，向路人提供覆盖范围极广的无线网络接人，而内置闪存则记录了附近旅店、餐厅的地址及营业详情，方便路人查阅。在紧急情况下，如火灾，消防队员可以在到达失火地点第一时间得到周围消火栓分布以及备用水源情况，有效提高了扑救效率。图5 路灯实现智能交通及位置服务4.3 城市安全与设施管理在目前的城市公共设施管理中，还有许多设施的数量及管理难度非常大，例如道路井盖、名贵树木、指示牌等。而在这些设施的管理仅能依靠巡查和市民反馈。在基于路灯的城市物联网系统中，每一个该类部件大部分分布在路灯周边，通过低功耗传感器技术及RFID技术，即可轻松实现对其的实时监测和快速报警，极大的提高城市管理者的主动发现、全面感知能力。而通过物联网路灯内置的摄像头等传感器设备，也能实时监测照明范围内车辆、行人情况，就此建立覆盖全城市的安防系统。图6 路灯实现城市安全与设施管理4.4 环境监测与灾害预警通过物联网路灯内置的温度、湿度、烟雾、能见度、空气污染、噪声等传感器，能够快速建立覆盖全城市的环境监测平台。而沿道路周边的桥梁、隧道、山体等处加装各类传感器，也能为城市的整体灾害预警提供低成本、高覆盖的解决方案。而这些数据的汇总分析，将能为城市管理者提供详尽的决策参考和快速响应。例如，英国威斯敏斯特议会就准备在路灯中安装噪声传感器，以便监测那些过于吵闹的环境。4.5 移动通信与热点覆盖考虑到下一代移动通信系统不仅要求比第3代移动通信系统具有更快的传输速率、更大的系统容量和更高的频谱利用率，还要考虑更低的功率消耗、更复杂的网络环境(面临多种通信网络体制的共存)等问题，尤其要彻底解决移动通信发展过程中的4个根本性问题：基站选址困难问题，手机辐射功率大的问题，传统基站周围强辐射问题，5 GHz以下的无线电频谱相当昂贵。6-8由于路灯已覆盖整个城市，只要用户身在城市中，就有一盏路灯离其很近。将无线接人点集成在路灯中，将能够组成具有信息收发功能的路灯。基于路灯的无线接入场景如图5所示，路灯作为无线接入点，手机终端、车载台等通过周围的多个路灯接入点接入网络。路灯接人点通过电力线中心信号处理器相连，实现与主干网的通信。这种分布式基站结构将较好地解决移动通信发展过程中的4个根本性问题，并具有自身的结构优势9。图7 路灯系统实现西东通信与热点覆盖5 方案的优越性和前景本文针对智慧城市快速发展的趋势，通过对现有路灯的重新定位与改造，集合智能传感器技术、电力载波通信技术、云计算技术等先进技术，则可方便快速的建设覆盖广、容纳终端数量多、成本低、智能化程度高的城市物联网基础平台，可以实现对物的主动式管理、可以广域开环运行、可信可靠，并便于复制且低成本运营。在此城市物联网平台基础上实现智能照明、智能交通、环境监测、城市安全、无线城市等多个智慧应用。更为重要的是，基于路灯的城市物联网作为智慧城市建设的一个全新视角，最大的借鉴意义体现在通过物联网的角度来重新认知原有的城市资源，并借助其特点来实现可持续发展的智慧城市应用。例如，基于城市路灯的大数量规律分布可以快速部署各种信息采集终端，借助多种通信技术及路灯现成供电网络可低成本实现覆盖整个城市的的物联网络，城市路灯的原有专业维护服务可以保障其稳定与可靠运行而在此基础上可快速实现多种跨行业整合应用与服务。可见，充分认知并发挥原有城市资源的特点与优势，对于促进智慧城市的建设与发展具备极大价值与意义。6 小结随着物联网、移动互联网、云计算等技术的发展，对于城市道路管理的重要组成部分-道路路灯的管理，从简单的照明功能也进行了延伸。路灯已经不止是一个简单的照明，而是未来智慧城市道路综合管理的末梢，承载了节能、安防、便民等多种的用途。作为未来智慧城市神经网络的末梢，路灯网络天然具有了落地快、覆盖全、电力和电信网络易于到位等优势，除了承载节能、便民、wifi、监控定位等用途外，还可以开发多种基于智慧城市的智能应用。相信随着产业链的进一步成熟，相应的技术也将逐步迈向成熟。参考目录1 Yousef K M, Al-Karaki J N, Shatnawi A M. 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