智慧城市背景下的公共照明控制智能化改造

摘要：随着智慧城市建设不断铺开，利用先进信息技术对城市公共照明进行智能化改造也逐步展开。智能照明建设不仅节能减排，而且管理智慧便捷，因此本文阐述了城市公共照明智能控制原理与关键技术，分析了城市公共照明控制智能化改造技术应用。

关键词：智慧城市；公共照明；智能控制

公共照明是城市重要的基础设施之一，它点亮城市的夜空，为行人和车辆提供安全的照明。然而传统照明控制只有手动控制、定时控制、感应式控制等几种方式，存在控制效果差、能耗高等不足，当前城市公共照明耗电已占全部照明耗电的30%以上，需要考虑更加智能、节能的控制方式[1]。智慧城市的发展为城市公共照明控制带来发展的契机，利用先进的信息技术实现智能照明，使公共照明系统运行高效、节能、环保、安全、可靠[2]。因此，本文对智慧城市背景下的公共照明控制智能化改造进行了分析。 1城市公共照明智能控制原理与关键技术 1.1控制方式

以智能路灯控制为例，其控制方式分为集中控制和单灯控制。集中控制是指利用集中控制器对一条或多条线路的路灯进行控制，例如统一控制路灯的开、关及灯光照度变化。单灯控制是通过单灯控制器对每一盏路灯进行控制，除实现集中控制所有功能以外，还可做到“隔一亮一”、“隔二亮一”等效果。 1.2通信方式

智能路灯控制可采用电力线载波通信、Zigbee无线通信、现场总线、GPRS/3G/4G等方式。电力线载波通信利用低压电力配电线路作为传输信息的媒介，可传输数据、语音、视频等多种业务，成本低，传输率高，但通信质量易受噪声影响。Zigbee是一种短距离无线通信方式，成本低、功耗小，但传输速率低、穿透性差。现场总线是工业领域应用广泛的通信控制方式，交互性强，但有丢包和延迟现象。GPRS/3G/4G由移动网络运营商提供网络信号，在覆盖范围内可自由漫游，但需向运营商支付数据流量费。近年来，随着物联网（IoT）技术的发展，城市公共照明采用更经济、更高效、更稳定的通信方式成为可能，例如基于窄带物联网（NB-IoT）技术在城市智慧照明中得到应用[3]。 1.3系统架构

从应用框架层次上可将智能路灯控制分为三个层次：底层为硬件设施层，包括路灯、路灯控制器、灯杆、导线等；底层之上为网络层或通信层，用于硬件设施层与应用层之间的通信和数据传输；最上面的是应用层或系统层，集成路灯照明的管理系统及相关业务，提供人机操作界面，用于路灯的监控、管理。 1.4管理系统

路灯智能控制为路灯管理提供方便，管理系统包括资产管理、地理信息管理、能耗管理、故障监测与维修管理、紧急报警等，为城市公共照明提供全方位控制与管理。以故障监测与维修管理为例，根据收集的路灯信息分析故障类型及发生原因，指导维修人员进行故障处理；而维修管理可以实现派单、班组管理、仓库管理等功能。

2城市公共照明控制智能化改造技术应用 2.1总体设计

这是基于NB-IoT技术的路灯智能化改造项目。硬件设施层由微控制单元（MCU）、通信模组、传感器等组成。通信层由低功耗NB-IoT组成，遵从COAP通信协议。应用层采用云平台，利用Java Web技术进行管理和控制。 2.2硬件设计

控制器硬件结构由MCU、电源转换及管理模块、数据输入模块、通信模块、输出控制模块及其他电路组成。MCU由STM32L476RCT6芯片、晶振电路、复位电路、写入电路等组成。电源工作电压为5V和3.3V，由220V市电降压整流供电，锂电池备份。当市电失电后，由锂电池向负载供电，正常情况下当锂电池电压不足时，电源模块向锂电池充电。数据输入模块用于采集温湿度、光照强度、灯杆状态、人体接近、电流、电压、GPS定位信息等数据。通信模块为NB-IoT芯片组成的通信模组。输出控制模块用于LED显示、报警和继电器控制。其他电路用于串口调试。 2.3软件设计

软件采用开源、免费的嵌入式操作系统FreeRTOS，底层驱动模块包括I/O、SPI、IIC、USART、ADC、DMA、时钟、Timer及各种外设初始化程序，通过它们使传感器、继电器、通信模组及各类外设工作。底层应用程序通过嵌入式操作系统和底层驱动程序实现各种定制化功能。云平台由电信服务运营商提供，客户端通过云平台与终端通信和交互，可以避免NAT地址老化，实现长时间不间断的会话。数据传输分完全透传和非透传两种方式。前者可将数据打包，传输时不解包；后者可利用平台提供的API接口传输数据。应用软件采用Java Web编写，采用B/S架构，可通过浏览器访问，无需安装客户端软件。Web服务器选用Tomcat模式进行底层通信，开发时利用Web技术将应用程序打包部署到Tomcat服务器上实现网络通信。

2.4系统应用

路灯智能化改造项目包括100多条道路和1万余盏路灯。新建集中控制柜120台，用于远程集中控制。5条道路上1500余盏高压钠灯改造为单灯控制的LED灯，采用单灯控制模式。新建智能路灯监控中心，配置监控管理系统和服务器机房，可对覆盖范围内的路灯进行实时监控和调度。智能路灯监控中心配备有计算机、监控机及液晶拼接的大屏显示系统。云平台监控系统采用B/S架构，包含GIS地图模块、设备监控模块、能耗统计模块、设备运维模块、路灯资产管理模块、智慧灯杆模块、系统管理模块等。集中控制器采用导轨安装方式，可对控制范围内的路灯进行集中控制，包括开关控制、全夜灯控制、半夜灯控制、节假日控制等多种模式，并提供报警、路灯经纬度、光照度等信息，能自动切换主、备控制器。可单灯控制，也能集中控制。控制柜内设3.2寸LCD显示屏，方便值班人员现场操作。控制柜上设有智能门锁，支持移动设备app开锁，非法开门时自动发送报警信息。移动监控终端支持安卓系统和苹果iOS系统，通过终端软件可实现遥控、遥测、遥信、遥调的“四遥”功能，以及故障监测、地图展示、单灯节能控制、单灯调光等功能。 2.5路灯智能化改造效果分析

以光效100lm/W传统高压钠灯和智能LED灯进行对比。高压钠灯理论寿命6000h，实际寿命只有3000～4000h，而且随着使用时间延长，光照度快速衰减；而LED灯寿命长达

50000h以上，光照度衰减慢。以每W到达路面光通量计算，高压钠灯只有40%，LED灯可以达到80%。按视觉效果，高压钠灯有效光通量约70lm，而LED灯为220lm。以每天开灯10h计，高压钠灯年耗电1022kWh，而LED灯只有493kWh，每年节电50%以上，10年减排二氧

化碳0.93t。再加上每盏LED灯单独监控一次节能和智能控制二次节能，节能减排效果将更加显著。 3结语

在智慧城市背景下，智慧照明日益成为人们日常生活中不可或缺的方式。毫无疑问，传统照明方式已难以满足智慧城市建设的需要，不仅能耗高，而且维护管理也不方便。随着传统照明智能化改造的不断推进，公共照明必将发生根本性变化，成为提升城市生活品质和优化城市管理的重要支点。 参考文献：

[1]陆万荣，许江淳，曾德斌，等.基于双模糊控制器的城市智慧照明系统[J].能源工程，2019（4）：-94.

[2]管清宝，沈茹.智慧城市建设中的智能照明应用[J].城市照明，2019，23（2）：8-11. [3]刘友泉，章旭敏，高俊海，等.城市道路智慧照明物联网的关键技术[J].照明工程学报，2019，30（4）：13-16，47.