物联网下的智慧照明系统设计

【摘要】文章从智慧照明的物联网架构谈起，详细介绍了系统的功能架构，并对智慧照明物联网管理平台的智能监控管理、数据管理、业务管理和系统管理模块进行了详细阐述。智慧照明系统实现了城市照明的智能化管理，减少了能源消耗，减少了维护成本，满足了城市照明的需求，具有很好的应用价值。

【关键词】城市照明系统；物联网；智慧照明

1引言

城市道路照明系统是城市发展建设的重要公共基础设施，承担着城市照明、夜晚城市居民出行的需求。但是，长期以来，城市照明系统存在设备维护成本高、能源浪费大等问题。截至目前，全国现有约1亿盏路灯，占照明耗电30%，达到全国耗电总量的10%，大约35%的电能被浪费，严重制约着城市照明系统的发展。随着当前科技水平的飞速发展，“移、大、物、智、云”概念的提出，建设基于物联网技术的大数据处理、云计算模式的“城市照明管理系统”已经成为可能。智慧照明[1]系统利用物联网[2]传输和感知技术，对路灯、电缆、配电柜等部件进行监控和远程管理，具有自动调节路灯亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗、远程抄表等功能，能够大幅节省电力资源、节省维护成本，提升公共照明管理水平。根据城市照明系统的需求，设计了一种基于物联网技术的城市智慧照明系统，实现了城市照明的自动调节、智慧化的管理和智能化的监控，减少了城市能源消耗，减少了设备维护成本，满足了城市照明的需求，提高了政府服务水平。

2智慧照明物联网架构

智慧照明系统通过物联网基础设施、云计算中心、地理空间基础设施等新一代信息技术以及移动通信终端等工具和方法，实现了全面透彻的感知、宽带泛在的互联、智能融合的应用。智慧照明系统由终端灯具、单灯控制器、集中控制器、IoT核心网和智慧照明物联网管理平台组成。其物联网架构如图1所示。其中单灯控制器是照明系统的远程调光终端接口，负责灯具电流、电压、电量等参数的采集、异常自动监控等功能。集中控制器连接智慧路灯物联网管理平台，用于集中控制网络节点通信，是整个网络的核心设备。IoT核心网是智慧照明系统的物联网通信系统，负责采集数据的上传和控制信息的下发。由于NB-IoT[3]技术是一种3GPP标准定义的LPWA（低功耗广域网）解决方案，具有海量连接、超低功耗、安全性和稳定可靠的优点，且可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，即可与现有网络基站复用，因此在本系统中采取该协议作为物联网通信协议，实现数据的稳定可靠传输。智慧照明物联网管理平台负责系统的智能监控、业务管理、数据统计和参数设置等功能，实现照明系统的远程控制、智慧化管理和服务。

3智慧照明物联网管理平台

智慧照明物联网管理平台通过互联网+模式，实现了对城市路灯的远程控制、设备管理、故障报修以及大数据分析等功能。智慧照明物联网管理平台可以分为智能监控管理、安全管理、业务管理和数据管理四个功能模块。其功能架构如图2所示。

3.1智能监控管理

1）远程开关可按光照度智能开关，采用时控与光控相结合的控制方案，由后台自动智能控制开关灯、分时段调光。2）调光控制根据不同类型的路灯控制要求，可对照明设施按照管理区域、照明类型（全夜灯、半夜灯、景观灯、其他等）任意控制终端的任意控制回路进行分组设置、控制、查询、显示。控制系统对整个城市、某一区、某条路、某一RTU（集中控制器）、某一支路、甚至单盏灯都可以方便地进行时控、光控、强制开关灯、巡检、实测、遥视及参数设置等操作。也可对RTU或某支路进行自定义灵活分组、混合编组，实现系统控制的多样化，如整体控制（城控）、分区控制（面控）、线控、点控等。3）GIS地图以空间数据库为基础，将集中控制器、单灯等各部件与地理位置的图形信息有机结合，根据需要将这些信息真实并图文并茂的展示出来。GIS地图包括地图矢量缩放功能、灯设备部件管理功能、查找地址功能和地理统计功能，可显示电参数、开关状态、故障状态、灯具状态、线缆状态等信息。地理统计可以根据区域统计、道路统计、分组统计；通过地图模式还可用框选功能直观的选择需要操作的道路。4）故障报警当出现故障时终端能够立即自动抢占信道，将报警数据及时发送到控制中心，供值班人员判断故障，并及时处理。故障报警是以“报警报表”、“报警分心”、“报警类型分析”和“区域报警分析”的形式，并按照报警的时间、区域、类型等，归纳所有设备（RTU或单灯）的报警情况。报警内容包括意外亮灯、意外灭灯、灯具故障、过流、过压、门开、进水、控制柜缺相、电源故障、线缆断路、交流接触器故障等，可实现警报跟踪、定位、回溯及统计功能。5）策略管理根据不同类型的路灯亮化控制要求，可以把路灯按单灯分别设置成若干个不同的功能组进行策略控制，可以实现单控、组控、群控及组策略管理。根据城市需求，可在系统设置不同的开关灯策略，包括开关灯时间及有效期设置，如假日策略，周策略等。6）数据召测系统通过手动或者自动的方式定时或实时遥测全市路灯的工作状态。监测的数据包括总回路、支回路和单灯的电流、电压、接触器状态、功率、功率因数、用电量等等，从而反映出亮灯率等路灯运行情况和故障情况。7）区域管理系统可对路灯控制区域的省市、县区、街道进行分级管理，可随时新增及删除指定区域。

3.2数据管理模块

1）设备资产管理设备资产管理包含但不限于以下设备：光源、灯杆、电源、电缆、光源附属设备（如：触发器、补偿电容、镇流器）、监控设备（如：RTU、节能设备、防盗设施）等。系统能根据设施类型进行设施量登记、增加、减少、变更、查询、汇总、报表等。2）报表统计该模块具有亮灯时长统计和能耗统计功能。其中时长统计功能具有亮灯时长统计、故障时长统计和电能累计远程读取功能；能耗统计具有对所有数据能够按照操作人员的要求进行查询、支持灯具能耗报表生成功能。可按年/月/日进行统计报表，列出所有控制柜的用电量、本月亮灯率、本月耗电明细、本月节能率等，为用户提供能源消耗结构和能源消耗成本分析，并评估节能效果和关联影响。3）数据存储记录系统可记录至少一年的各种数据内容备索，以利于故障分析和领导决策。系统具有历史电参量记录、历史数据存储查询、单灯和回路的参数定时保存、每天用电时间（亮灯时间）和亮灯率存储、历史报警信息存储的功能，方便用户查询统计。同时，系统按照设定时间自动将历史数据备份成其它可导入格式，并按年/月/日自动定置文件名备份到指定位置，当重装系统后可导入历史纪录。4）电量分析电量分析分为电量管理、电量报表、节能分析和时长分析等部分。系统能够能够存储并根据时间对路灯用电量做统计分析，并以列表、柱形图、饼图等多种方式进行显示。系统电量分析结果如图3所示。5）亮灯率亮灯率反映了某一RTU下全部单灯的亮灭比率。被监测到的单灯如果亮灯率是100%则表示每条回路中的单灯都亮灯，如果是0%则表示回路中的灯都灭或者已失联；通过该模块即可查看某RTU的实时亮灯率，也可以查看历史亮灯率。

3.3业务管理

在业务管理模块包括在线派工、故障定位、维修调度和责任划分等功能。当控制中心接收到故障报警后，通过在控制中心安装短信群发设备，调度端因特殊原因无人值守时，系统可以预置若干个手机号码，以短消息方式，按照预先设定的模式，把故障类型、发生时间、故障部位等相关信息发送相关人员的手机上。根据大量应用案例，系统对故障报警进行了分级设置。系统对故障发生地点，故障类型分别设置了不同的参数，从而计算出报警的级别，然后根据不同的报警级别，以短信的方式通知不同的管理人员，包括不同级别的领导、值班人员、巡查人员以及维修人员等。

3.4系统管理

1）用户管理系统可将操作人员划分等级和权限，分别设定自己的密码及值班记录，操作人员只能完成权限范围内的操作，并将每项操作的具体内容及时间存入数据库中，非超级用户不能修改。用户管理分为个人用户和巡更用户，通过该模块实现用户人员的授权、增加和删除功能。具有根据对应权限对策略进行查看、添加、编辑，删除功能；对不同权限用户，显示内容不同（访客、操作员、管理员、超级管理员）。2）操作日志通过该模块可以实现查询用户登录记录，操作记录等功能。

4结语

随着中国经济的快速发展和中国城镇化进程，城市人口越来越大，城市规模越来越大。城市道路照明系统作为城市的重要公共基础设施其规模越来越大，越来越复杂。但传统的城市照明系统存在能源浪费大、维护成本高、维护不便利等缺点，无法满足现代城市照明的需求。物联网、大数据、移动互联网等新一代信息与通信技术的发展和应用有力的推动了城市智慧照明系统的发展，减少照明系统能源的消耗，降低了维护成本，提高了城市公共照明的服务水平。

参考文献

[1]阳波，陈开仁，李忠良.基于NB-IoT的智慧路灯系统[J].物联网技术，2017（12）:91-93.

[2]孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010（3）:1-9.

作者：吕辉 车辉 杨波 单位：湖州星兴工程咨询有限公司