物聯網下的智慧照明系統設計

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【摘要】文章從智慧照明的物聯網架構談起，詳細介紹了系統的功能架構，并對智慧照明物聯網管理平臺的智能監控管理、數據管理、業務管理和系統管理模塊進行了詳細闡述。智慧照明系統實現了城市照明的智能化管理，減少了能源消耗，減少了維護成本，滿足了城市照明的需求，具有很好的應用價值。

【關鍵詞】城市照明系統；物聯網；智慧照明

1引言

城市道路照明系統是城市發展建設的重要公共基礎設施，承擔著城市照明、夜晚城市居民出行的需求。但是，長期以來，城市照明系統存在設備維護成本高、能源浪費大等問題。截至目前，全國現有約1億盞路燈，占照明耗電30%，達到全國耗電總量的10%，大約35%的電能被浪費，嚴重制約著城市照明系統的發展。隨著當前科技水平的飛速發展，“移、大、物、智、云”概念的提出，建設基于物聯網技術的大數據處理、云計算模式的“城市照明管理系統”已經成為可能。智慧照明[1]系統利用物聯網[2]傳輸和感知技術，對路燈、電纜、配電柜等部件進行監控和遠程管理，具有自動調節路燈亮度、遠程照明控制、故障主動報警、燈具線纜防盜、遠程抄表等功能，能夠大幅節省電力資源、節省維護成本，提升公共照明管理水平。根據城市照明系統的需求，設計了一種基于物聯網技術的城市智慧照明系統，實現了城市照明的自動調節、智慧化的管理和智能化的監控，減少了城市能源消耗，減少了設備維護成本，滿足了城市照明的需求，提高了政府服務水平。

2智慧照明物聯網架構

智慧照明系統通過物聯網基礎設施、云計算中心、地理空間基礎設施等新一代信息技術以及移動通信終端等工具和方法，實現了全面透徹的感知、寬帶泛在的互聯、智能融合的應用。智慧照明系統由終端燈具、單燈控制器、集中控制器、IoT核心網和智慧照明物聯網管理平臺組成。其物聯網架構如圖1所示。其中單燈控制器是照明系統的遠程調光終端接口，負責燈具電流、電壓、電量等參數的采集、異常自動監控等功能。集中控制器連接智慧路燈物聯網管理平臺，用于集中控制網絡節點通信，是整個網絡的核心設備。IoT核心網是智慧照明系統的物聯網通信系統，負責采集數據的上傳和控制信息的下發。由于NB-IoT[3]技術是一種3GPP標準定義的LPWA（低功耗廣域網）解決方案，具有海量連接、超低功耗、安全性和穩定可靠的優點，且可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，即可與現有網絡基站復用，因此在本系統中采取該協議作為物聯網通信協議，實現數據的穩定可靠傳輸。智慧照明物聯網管理平臺負責系統的智能監控、業務管理、數據統計和參數設置等功能，實現照明系統的遠程控制、智慧化管理和服務。

3智慧照明物聯網管理平臺

智慧照明物聯網管理平臺通過互聯網+模式，實現了對城市路燈的遠程控制、設備管理、故障報修以及大數據分析等功能。智慧照明物聯網管理平臺可以分為智能監控管理、安全管理、業務管理和數據管理四個功能模塊。其功能架構如圖2所示。

3.1智能監控管理

1）遠程開關可按光照度智能開關，采用時控與光控相結合的控制方案，由后臺自動智能控制開關燈、分時段調光。2）調光控制根據不同類型的路燈控制要求，可對照明設施按照管理區域、照明類型（全夜燈、半夜燈、景觀燈、其他等）任意控制終端的任意控制回路進行分組設置、控制、查詢、顯示。控制系統對整個城市、某一區、某條路、某一RTU（集中控制器）、某一支路、甚至單盞燈都可以方便地進行時控、光控、強制開關燈、巡檢、實測、遙視及參數設置等操作。也可對RTU或某支路進行自定義靈活分組、混合編組，實現系統控制的多樣化，如整體控制（城控）、分區控制（面控）、線控、點控等。3）GIS地圖以空間數據庫為基礎，將集中控制器、單燈等各部件與地理位置的圖形信息有機結合，根據需要將這些信息真實并圖文并茂的展示出來。GIS地圖包括地圖矢量縮放功能、燈設備部件管理功能、查找地址功能和地理統計功能，可顯示電參數、開關狀態、故障狀態、燈具狀態、線纜狀態等信息。地理統計可以根據區域統計、道路統計、分組統計；通過地圖模式還可用框選功能直觀的選擇需要操作的道路。4）故障報警當出現故障時終端能夠立即自動搶占信道，將報警數據及時發送到控制中心，供值班人員判斷故障，并及時處理。故障報警是以“報警報表”、“報警分心”、“報警類型分析”和“區域報警分析”的形式，并按照報警的時間、區域、類型等，歸納所有設備（RTU或單燈）的報警情況。報警內容包括意外亮燈、意外滅燈、燈具故障、過流、過壓、門開、進水、控制柜缺相、電源故障、線纜斷路、交流接觸器故障等，可實現警報跟蹤、定位、回溯及統計功能。5）策略管理根據不同類型的路燈亮化控制要求，可以把路燈按單燈分別設置成若干個不同的功能組進行策略控制，可以實現單控、組控、群控及組策略管理。根據城市需求，可在系統設置不同的開關燈策略，包括開關燈時間及有效期設置，如假日策略，周策略等。6）數據召測系統通過手動或者自動的方式定時或實時遙測全市路燈的工作狀態。監測的數據包括總回路、支回路和單燈的電流、電壓、接觸器狀態、功率、功率因數、用電量等等，從而反映出亮燈率等路燈運行情況和故障情況。7）區域管理系統可對路燈控制區域的省市、縣區、街道進行分級管理，可隨時新增及刪除指定區域。

3.2數據管理模塊

1）設備資產管理設備資產管理包含但不限于以下設備：光源、燈桿、電源、電纜、光源附屬設備（如：觸發器、補償電容、鎮流器）、監控設備（如：RTU、節能設備、防盜設施）等。系統能根據設施類型進行設施量登記、增加、減少、變更、查詢、匯總、報表等。2）報表統計該模塊具有亮燈時長統計和能耗統計功能。其中時長統計功能具有亮燈時長統計、故障時長統計和電能累計遠程讀取功能；能耗統計具有對所有數據能夠按照操作人員的要求進行查詢、支持燈具能耗報表生成功能。可按年/月/日進行統計報表，列出所有控制柜的用電量、本月亮燈率、本月耗電明細、本月節能率等，為用戶提供能源消耗結構和能源消耗成本分析，并評估節能效果和關聯影響。3）數據存儲記錄系統可記錄至少一年的各種數據內容備索，以利于故障分析和領導決策。系統具有歷史電參量記錄、歷史數據存儲查詢、單燈和回路的參數定時保存、每天用電時間（亮燈時間）和亮燈率存儲、歷史報警信息存儲的功能，方便用戶查詢統計。同時，系統按照設定時間自動將歷史數據備份成其它可導入格式，并按年/月/日自動定置文件名備份到指定位置，當重裝系統后可導入歷史紀錄。4）電量分析電量分析分為電量管理、電量報表、節能分析和時長分析等部分。系統能夠能夠存儲并根據時間對路燈用電量做統計分析，并以列表、柱形圖、餅圖等多種方式進行顯示。系統電量分析結果如圖3所示。5）亮燈率亮燈率反映了某一RTU下全部單燈的亮滅比率。被監測到的單燈如果亮燈率是100%則表示每條回路中的單燈都亮燈，如果是0%則表示回路中的燈都滅或者已失聯；通過該模塊即可查看某RTU的實時亮燈率，也可以查看歷史亮燈率。

3.3業務管理

在業務管理模塊包括在線派工、故障定位、維修調度和責任劃分等功能。當控制中心接收到故障報警后，通過在控制中心安裝短信群發設備，調度端因特殊原因無人值守時，系統可以預置若干個手機號碼，以短消息方式，按照預先設定的模式，把故障類型、發生時間、故障部位等相關信息發送相關人員的手機上。根據大量應用案例，系統對故障報警進行了分級設置。系統對故障發生地點，故障類型分別設置了不同的參數，從而計算出報警的級別，然后根據不同的報警級別，以短信的方式通知不同的管理人員，包括不同級別的領導、值班人員、巡查人員以及維修人員等。

3.4系統管理

1）用戶管理系統可將操作人員劃分等級和權限，分別設定自己的密碼及值班記錄，操作人員只能完成權限范圍內的操作，并將每項操作的具體內容及時間存入數據庫中，非超級用戶不能修改。用戶管理分為個人用戶和巡更用戶，通過該模塊實現用戶人員的授權、增加和刪除功能。具有根據對應權限對策略進行查看、添加、編輯，刪除功能；對不同權限用戶，顯示內容不同（訪客、操作員、管理員、超級管理員）。2）操作日志通過該模塊可以實現查詢用戶登錄記錄，操作記錄等功能。

4結語

隨著中國經濟的快速發展和中國城鎮化進程，城市人口越來越大，城市規模越來越大。城市道路照明系統作為城市的重要公共基礎設施其規模越來越大，越來越復雜。但傳統的城市照明系統存在能源浪費大、維護成本高、維護不便利等缺點，無法滿足現代城市照明的需求。物聯網、大數據、移動互聯網等新一代信息與通信技術的發展和應用有力的推動了城市智慧照明系統的發展，減少照明系統能源的消耗，降低了維護成本，提高了城市公共照明的服務水平。

參考文獻

[1]陽波，陳開仁，李忠良.基于NB-IoT的智慧路燈系統[J].物聯網技術，2017（12）:91-93.

[2]孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網:概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010（3）:1-9.

作者：呂輝 車輝 楊波 單位：湖州星興工程咨詢有限公司