基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制方案在高速公路上的應用

Word文檔下載后（可任意編輯）第第頁基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制方案在高速公路上的應用LoRa物聯(lián)網(wǎng);北京新機場高速;智能照明;控制方案

北京新機場高速公路（南五環(huán)-北京新機場）是國家重點工程北京大興國際新機場的配套工程，工程起點位于北京大興區(qū)南五環(huán)小白樓橋互通，終點位于北京新機場北航站樓北圍界，全長約27.2km，是連接北京市中心城區(qū)和北京新機場的主干道路，工程從開工之日起就備受各界關(guān)注，被譽為“新國門第一路”。

鑒于北京新機場高速的重要性，為了保障夜間行車安全和行車舒適性，并對外樹立首都國際化都市形象，該高速照明系統(tǒng)建設(shè)采用國內(nèi)高速公路領(lǐng)域最高標準，設(shè)置全線連續(xù)發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，LED）照明，即高速沿線所有道路、橋梁、立交、收費廣場、管理區(qū)、服務區(qū)等均設(shè)置全覆蓋照明，全線累計安裝各類LED照明燈具4600多套。其中，照明控制系統(tǒng)經(jīng)過深入研究和設(shè)計，采用了基于長距離無線電（LongRangeRadio，LoRa）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制方案，是國內(nèi)高速公路領(lǐng)域首次應用的一大科技亮點。

本研究以筆者參建的北京新機場高速照明工程為例，對基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高速公路照明控制領(lǐng)域的應用進行介紹及研究分析。

1

照明控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)城市建設(shè)越來越重視道路照明及城市亮化工程，如何在照明及亮化工程中采用新技術(shù)節(jié)省電力資源、破解城市能源供需矛盾、達到照明領(lǐng)域的綠色節(jié)能，越來越受到關(guān)注。

早期的照明控制系統(tǒng)大多采用有線控制，如電力載波技術(shù)等，并采用光控、時控相結(jié)合的方法，對路燈進行遙控開關(guān)。但監(jiān)控終端基本安裝于控制箱內(nèi)，集中監(jiān)控，對整條線路的運行狀態(tài)進行檢測和控制，無法細化到控制任意一盞燈，實現(xiàn)精確管控和節(jié)能。一方面，當單盞路燈發(fā)生故障時，無法精確地通過常規(guī)系統(tǒng)進行感知，人工巡檢存在范圍大、耗時耗力等缺陷;另一方面，當交通流量大時，可能存在電壓低、路燈亮度不夠的問題;夜深人靜時，路上車輛稀少，路燈亮度卻隨著電壓回升而提高，造成照度浪費甚至光污染，且對能源也是一種浪費。因此如何采用新技術(shù)以達到提高運營效率、節(jié)省能源的效果是一個亟待解決的課題。

2

LoRa智能照明解決方案概述

采用基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、集單燈控制系統(tǒng)、運維管理系統(tǒng)、手機移動平臺于一體的智能照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)單燈控制，建設(shè)智慧照明，提升道路照明精細化管理水平，促進節(jié)能減排，能夠有效解決上述短板問題。

目前，最熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案包括LoRa和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings，NB-IoT）。

基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)由電子單燈控制器、LoRa通信網(wǎng)絡、計算機及軟件平臺相結(jié)合組成，中心計算機通過LoRa網(wǎng)絡和終端的單燈控制器實現(xiàn)對單個燈具的電氣參數(shù)實時檢測、節(jié)能控制、遠程管理，同時，借助監(jiān)控系統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，GIS）地圖對終端照明燈具的故障進行精準定位，提醒運維人員定向維修和主動運維，改變以往依靠熱線報修、人工巡檢的維保方式，實現(xiàn)精細化運維管理。從管理和節(jié)能兩個角度對燈光照明實施全方位的智能化管理和監(jiān)控，對每一盞終端燈具實現(xiàn)單獨控制及全方位監(jiān)控，同時，還能通過上半夜、下半夜和智能調(diào)光等手段，延長燈具設(shè)備的使用壽命，并獲得良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。

3

電子單燈控制器

電子單燈控制器里集成了控制模塊和通信模塊，實現(xiàn)了控制燈具開關(guān)、調(diào)節(jié)燈具亮度、故障實時報警、并能采集各類電參數(shù)（電流、電壓、功率及功率因素等）的功能，并留有接口，可附加溫度采集、燈桿傾斜檢測等功能。電子單燈控制器原理及結(jié)構(gòu)如圖1所示，電子單燈控制器接線如圖2所示。

控制器通過接入220VAC實現(xiàn)對路燈的單點控制、監(jiān)測和調(diào)光。采用LoRa無線通信模塊與控制中心計算機平臺進行通信，將采集到的路燈數(shù)據(jù)上傳至服務器并執(zhí)行平臺軟件下發(fā)的命令。

主要電路包括電源、采集、開關(guān)、調(diào)光、微控制單元（Microco-ntrollerUnit，MCU）、通信6個部分。

（1）電源部分，包括交流-直流（AlternatingCurrent-DirectCurrent，AC-DC）電源模塊及電源處理模塊，為電路其他部分的正常工作提供電源，主要可分為3路：第一路為采集電路提供5V電源;第二路為MCU、控制、通信提供12V和3.3V電源;第三路為調(diào)光部分提供電源。

（2）采集部分，包括電參數(shù)采集和傳感器附加采集，主要對路燈的各項電參數(shù)或附加的溫度、傾斜度等信息進行實時采集并與MCU進行數(shù)據(jù)交互。

（3）開關(guān)部分，使用控制繼電器的動作實現(xiàn)對路燈開燈、關(guān)燈的控制。

（4）調(diào)光部分，通過調(diào)光模塊對路燈進行無極亮度控制，實現(xiàn)調(diào)檔節(jié)能。單燈控制器調(diào)光支持0～10V調(diào)光以及脈沖寬度調(diào)制波形（PulseWidthModulationWave，PWM）調(diào)光：對于鈉燈需要安裝支持0～10V調(diào)光或PWM調(diào)光的電子鎮(zhèn)流器;對于LED燈調(diào)光，需要安裝支持0～10V調(diào)光或PWM調(diào)光的LED電源。

（5）微控制單元部分，為主芯片、實時時鐘等其他外圍電路，實現(xiàn)對整個控制器各部分的控制和數(shù)據(jù)處理。

（6）通信部分，通過內(nèi)置的LoRa通信模組，進行物聯(lián)網(wǎng)無線通信，實現(xiàn)控制中心與燈具終端的數(shù)據(jù)實時鏈接。

4

LoRa通信網(wǎng)絡系統(tǒng)

采用LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智能照明控制專用網(wǎng)絡，安全可靠，專網(wǎng)與公網(wǎng)隔離，采用無線專用信道、專用設(shè)備、專用加密協(xié)議，可以防止外部入侵。數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)傳輸，存儲于北京新機場高速運營管理單位，數(shù)據(jù)泄露風險小，可以自主控制和管理。LoRa通信網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)架構(gòu)主要由各終端照明燈具單燈控制器、微基站（網(wǎng)關(guān)）、云平臺和應用系統(tǒng)4個部分組成，對照明設(shè)施進行“點、線、面”的實時監(jiān)控管理，構(gòu)建指揮調(diào)度和應急管理能力，實時監(jiān)測照明系統(tǒng)的在線信息、運轉(zhuǎn)狀況和能耗情況，加強照明管理工作的針對性和科學性。

單燈控制器安裝在每個終端LED照明燈具上，通過內(nèi)置的傳感器采集燈具的電流、電壓等各項電參數(shù)信息，并通過LoRa模組將信息上傳到網(wǎng)關(guān)上。同時，單燈控制器接收網(wǎng)關(guān)下發(fā)的各項控制指令，并根據(jù)對應指令執(zhí)行相應操作。

網(wǎng)關(guān)主要負責終端燈具數(shù)據(jù)的獲取和數(shù)據(jù)的封包上傳工作。網(wǎng)關(guān)通過LoRa模塊接收不同終端燈具的單燈控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)，按固定的格式進行封包，通過與服務器建立WebSocket連接，上傳終端燈具信息。同時，網(wǎng)關(guān)接收服務器下發(fā)的控制指令，對指令進行解析，通過LoRa模塊將控制信息發(fā)送到單燈控制器。

云平臺包括核心專網(wǎng)和服務器，主要功能是提供數(shù)據(jù)連接、管理數(shù)據(jù)，同時，作為承載網(wǎng)絡提供到控制中心網(wǎng)絡的接口，接收分布在新機場高速沿線LoRa專網(wǎng)微基站上傳的信息，并將信息錄入數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)對終端燈具工作狀態(tài)信息的獲取和跟蹤。新機場高速運營單位可以通過智能管理軟件平臺看到沿線高速燈具的實時運行狀態(tài)，根據(jù)實際情況實時調(diào)整并控制燈具的開關(guān)、亮度和工作時間等。

應用系統(tǒng)主要指控制中心的計算機軟件綜合管控平臺，包括網(wǎng)絡、服務器、工作站、展示界面、存儲設(shè)備等，部署智能照明監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)照明資源管理、運行監(jiān)控、單燈節(jié)能管理和安全監(jiān)測等智能化應用。

5

綜合智能管控平臺

北京新機場高速智能照明綜合管控平臺通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的深度集成，打造功能強大的統(tǒng)一綜合管控平臺。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流動過程和業(yè)務邏輯分析，軟件平臺的架構(gòu)自下而上主要包括數(shù)據(jù)層、服務層、應用層和展示層4個層次，平臺架構(gòu)如圖4所示。

5.1

數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層構(gòu)建系統(tǒng)所需的專用數(shù)據(jù)庫，采用統(tǒng)一的編碼標準和數(shù)據(jù)模型，對空間信息數(shù)據(jù)、運行資源數(shù)據(jù)、管理業(yè)務數(shù)據(jù)和燈具監(jiān)控數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行存儲和管理，為平臺應用提供各種數(shù)據(jù)支撐。

5.2

服務層

服務層提供通信/數(shù)據(jù)服務、應用服務、GIS服務等各項服務，通過采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議和數(shù)據(jù)接口，確保實現(xiàn)平臺對內(nèi)各子系統(tǒng)之間以及與平臺對外與其他系統(tǒng)之間的信息共享。

5.3

應用層

應用層用來實現(xiàn)綜合管理系統(tǒng)各項具體應用功能，主要包括照明智能監(jiān)控、設(shè)施資源管理、單燈節(jié)能管理、生產(chǎn)運維管理以及移動終端監(jiān)控應用等。

5.4

展示層

展示層為系統(tǒng)平臺提供的各項應用及服務的展示界面，同時支持多種接入及切換方式，可以實現(xiàn)控制中心大屏幕顯示、專用工作站顯示，手持移動終端顯示等，實現(xiàn)本地、遠程、移動等多種展示及切換方式。

6

系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢

本研究基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)相比，具有安全性、創(chuàng)新性、易用性、拓展性等特點和優(yōu)勢。

6.1

安全性：采用LoRa無線專網(wǎng)系統(tǒng)管理，系統(tǒng)安全可靠，自主可控

采用無線專網(wǎng)，安全可靠。專網(wǎng)與公網(wǎng)隔離，采用無線專用信道、專用設(shè)備、專用加密協(xié)議，可以防止外部入侵。數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)傳輸，存儲在管理單位，數(shù)據(jù)泄露風險小。專網(wǎng)由高速公路運營單位管理，可以自主控制和管理。

6.2

創(chuàng)新性：構(gòu)建無線物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控，實現(xiàn)節(jié)能管控精準化

采用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智能監(jiān)控網(wǎng)絡，精準控制每一盞終端燈具，在滿足照度標準、確保行車安全的前提下，根據(jù)天氣情況、季節(jié)特點、交通信息、特殊狀況等各種具體條件設(shè)定照明系統(tǒng)運行模式，實現(xiàn)切合實際、科學運維，并達到最佳的節(jié)能減排效果。

6.3

易用性：實現(xiàn)運維服務主動化，降本增效、解放人力

通過系統(tǒng)無線自動巡檢，及時發(fā)現(xiàn)燈具故