智慧路灯系统物联网设备的设计与应用

智慧路灯物联网挂载设备是智慧路灯项目不可或缺的重要设备。因此，在推进智慧路灯项目过程中，必须按照预定设计目标、科学合理、快速稳定的落实各个环节[1]。物联网设备是智慧路灯项目提供前端信息数据的基础，物联网设备的完整性有利于增强系统的可控性能，保证系统平台的展示和解析数据的准确，促进智慧节能减碳工作的持续推进，从而创造出更大的社会效益和经济效益。因此，物联网挂载设备是智慧路灯系统甚至智慧城市系统中不可或缺的重要组成部分，起着十分重要的作用[2，3]。随着社会经济的不断发展，智慧路灯系统运行的安全、稳定、可靠至关重要。需要稳步推进物联网设备在智慧路灯系统终端设备层的建设工作，以保障对道路信息采集和终端展示的需求。从而为我国智慧城市的发展做出贡献[4]。

1、物联网设备应用的必要性

为了应对道路环境信息实时数据的缺失、道路行人误闯斑马线远端广播喊话功能的短缺、现场可视展示实时道路拥堵流通情况功能的不足、道路公益和营收广告设施的缺失[5]。全国都在加大推进建设智慧城市的力度，以及加快建设智慧路灯项目，为市民提供更好的生活和工作服务、为企业创造更有利的商业发展环境、为政府赋能更高效的运营与管理机制[6]。智慧路灯物联网设备的应用在应对环境变化、提升居民生活质量方面发挥着重要作用[7]。交通流量分布优化智能化城市交通综合管理和服务系统建设，实现交通信息的充分共享、公路交通状况的实时监控及动态管理，全面提升监控力度和智能化管理水平推进工业化和信息化的深度融合，实现工业社会向知识社会的转型过渡，实现创新型国家的目标[8，9]。为了确保智慧路灯系统稳定安全、高效的运行，避免发生严重影响社会大众正常交通通行的事故，除了各种行政和经济手段实施措施外，需要持续增强系统的可控性能，提高终端的运行稳定性，保障系统的数据通讯实时有效，确保系统高效运行，以利于智慧路灯项目实施的持续推进和后续项目的有效开展[10]。如图 1 项目现场图所示。

图 1 项目建设现场图Figure 1： Picture of the Project Construction Sit

2、智慧路灯系统设计2.1 智慧路灯系统

如图 2 和图 3 所示，智慧路灯系统在网络结构上主要分为平台层、应用层、网络层、感知层，主要涉及智慧路灯综合管理平台、网络管理设备、服务器系统、网络汇聚传输系统、终端数据传感、信息采集和应用执行设备。物联网设备数据的采集、下发主要涉及智慧路灯的控制系统、环境传感器、LED 显示屏、户外 IP 音柱、物联网边缘计算网关、道路氛围显示灯具、单灯控制器、路灯集中管理等。如图 2 挂载系统设施促进基础建设。

图 2 项目挂载系统Figure 2： Project Mounting System

图 3 中心设备与综合汇聚柜通讯链路 Figure 3：Communication link between central equipment and comprehensive aggregation cabinet

图 4 综合汇聚柜与终端通讯架构 Figure 4：Integrated aggregation cabinet and terminal communication architecture

如图 5，综合配电柜和综合配网柜均采用 4 门设计，布置综合云控锁分别开启和锁定各个分管部门的配电和各个分管部门的网络设备管理和维护。

图 5 双面综合配电柜（图左）和双面综合配网柜（图右）Figure 5；Double sided integrated distribution cabinet （left） and double sided integrated distribution network cabinet （right） （1）智慧路灯综合管理平台

智慧路灯综合管理平台是整个系统的数据管理和控制中心，担负着整个平台系统设备数据的交互处理和应用，对运维数据的管理、信息查询、参数配置、用户管理、设备监管、GIS 信息展示等功能，方便用户对于智慧路灯项目的设备使用及运维人员对设备的调试和检修，图 6 平台展示界面。

图 6 智慧路灯综合管理平台

ure 6： Comprehensive Management Platform for Smart Street Lig

（2）网络管理设备

此智慧路灯项目采用 3 层网络建设，通过运营商裸纤连接机房汇聚交换机和现场汇聚交换机的网络通讯，网络设备分别为外网接入路由器-核心交换机-汇聚交换机-前端汇聚交换机-物联网网关-物联网终端，由此将终端设备和网关处理后数据汇整传送至后台处理并执行平台操作。机房核心交换机旁挂病毒审计设备和防火墙等网络安全管理设备，配置奇安信和天融信网络审计和管理系统使非允许设置的外部接入设备能被及时发现和屏蔽处理，能够对外部干扰做出快速反应，起到保护智慧路灯网络的作用，特别是对于灯杆屏幕节目发布内容的设备管理审核，能有效截获和处理外部病毒的入侵及时避免由于公共显示和广播恶劣内容对社会造成的恐慌等不良影响，如图 7 所示网络拓扑。

图 7 设备网络拓扑Figure 7：Device Network Topology

（3）服务器系统

智慧路灯平台部署在服务器内，并且服务器完全本地化，内部联动平台的虚拟机布置采用 Linux 系统 CentOS 8 的版本。配置的 1 台物理机内设置虚拟化 4 台服务器。由此部署所有物联网设备本身自有平台，各个子平台通过数据端口对接综合管理平台，从而可以保证子系统数据平台的可靠稳定运行。如图 8 中心机房服务器部署示意。

图 8 中心机房服务器部署示意 Figure 8：Schematic diagram of server deployment in the central computer room

（4）网络汇聚传输系统

目前，智慧路灯网络传输单元常用拓扑方式：环形网络、星型网络。其中，环形网络采用串联各个网关设备所采用光纤熔接方式比较简单，但是由于所有数据的逐层叠加对于前后端第一台网络设备的运行带宽压力比较大，限制其不能在同一环路串联过多的高带宽设备。而星型网络采用点对点的网络熔纤方式光缆的中间接续点比较多光衰点也多损耗较多，但是采用点对点的传输方式对于维护较便捷。因此，本项目采用星型网络建设方式，若设备出现离线或者其他问题在排除故障时可迅速便捷的查找网路得问题点，方便项目的运维和后期扩容。如图 9 所示：

图 9 智慧路灯总系统 Figure 9：Smart Street Lamp System

（5）终端数据传感和应用设备

①环境传感器：采用一体式扬尘监测传感器，属于扬尘监测的专业化小型仪器，可监测风向、风速、温湿度、气压、雨量、光照、紫外等气象要素，还可监测 PM2.5、PM10、噪声等环境要素。采用模块化设计具有灵活配置，体积小，成本低的特点，并且可以应用于工业化密集布点监测。如表 1 中 1 所示。

②LED灯杆显示屏：专门挂载在路灯杆上的 LED 显示屏。灯杆屏可为市民发布最近的公交到站信息、自行车道指引天气预报信息；为车主发布施工占道提醒、交通路况；同时还能发布商业广告、进行市政服务宣传等。如表 1 中 2 所示。③户外 IP 音柱：为户外型布置于路口中杆灯上的挂载设备，用于对行人的周边进行广播提示和突发情况的预警，监控中心可对全部、划区或单个音柱进行广播喊话或者定时播放语音信息。如表 1 中 3 所示。

④物联网网关：智慧灯杆专用网关是智慧灯杆系统的核心设备，专为智慧灯杆、智能灯杆、5G 灯杆、智慧路灯、智能杆、智慧城市、泛在电力物联网等场景应用而研发的边缘计算网关，具有强大的电源供应管理能力、设备接入能力、边缘计算处理能力、联动控制能力、安全防护能力等。其采用 Linux 系统，集成论文 Python、C 语言开发环境，提供标准 API 接口，便于实现二次开发应用。此次应用主要功能为 3 路 AC220V 强电输出控制和检测，2 光 8 电的网络接口提供给屏幕和音柱供应网络，RS485 口与环境传感器接通作为环境数据的采集透传。如表 1 中 4 所示。

⑤道路氛围显示灯具：道路交通流量展示灯具采用与当地文化特色接入的外挂设计，设计显示为红绿蓝三色，道路交通拥挤时拥挤路段显示红色，交通流量一般时前方路段显示黄色，交通流量比较畅通时显示绿色。如表 1 中 5 所示。

⑥单灯控制器：采用无线通讯方式，具有数据监测预警、脱机自运行、远程操控、远程诊断等诸多功能。采用 ANSI 136.4标准 NEMA 安装接口，具有覆盖广、连接多、功耗低、灵敏度高、架构优、安装方便等诸多优点。上行采用 4G 通讯方式，可远程采集控制器的实时数据、并进行实时控制、预下发控制指令报警信息接收及其他参数的配置及读取。具有自动入网、网络自诊断自恢复功能，以 4G 模块的唯一 IMEI 值为设备区分。控制器支持时控、光控、实时控制、光控+时控四种路灯控制及调光策略。如表 1 中 6 所示。

⑦集中控制器：基于道路照明监控及物联网技术所开发的新一代无线道路照明集中控制器，是智能照明控制系统的一重要组成部分。具有六回路的三相电参数测量、三相电能计量、交流接触器控制及反馈检测，脱机自运行，远程操控，远程诊断等诸多功能。具有蓝牙通讯接口及 LCD 显示屏幕，方便现场录入及调试。采用 4G 无线通讯方式，具有覆盖广、连接多、功耗低、灵敏度高等特点。架构内部的上行数据采用 4G 无线通讯方式并向下兼容 3G 及 GPRS，可远程采集控制器的实时数据、实时状态、实时控制、预下发控制指令、接收报警信息及配置与读取其他参数。具有自动入网、网络自诊断自恢复功能。具有六路继电器的输出，每个继电器都可以单独用于控制外部交流接触器每一路输出，均可单独进行开关控制，并可配置不同的控制策略。且能够对每个回路接触器的干节点进行检测，并且对反馈接触器通断状态进行实时反馈，如表 1 中 7：

2.2 方案分析

结合笔者在奉化区道路现场的实际勘察和业主方的情况了解，此次项目采用最合理的物联网设备配置方式，采用以上系统搭建和设备部署已能满足业主及现场的实际需求，既能实现道路多杆合一道路整洁提升的建设的要求，又能满足挂载设备的完整铺设。合杆建设有效减少独立部署杆件 200 余根，提升了整个道路的美观度。环境检测设备的应用能够实时采集到到道路的噪音、温湿度、风速风向、PM2.5 等的环境信息使城管和环保部门实时监测道路数据。道路口应急广播设备的安装能够有效解决人潮拥挤、穿越斑马线的远程广播预警，提升道路交通安全的管理能力。智慧网关结合可变色氛围灯系统的应用使市民在远处就能明显观察到前方的道路交通流量情况，更好的为具名出现提供最优化的出行路线。如图 10 展示交通与氛围灯的联动情况和原理。户外 LED 灯杆屏系统的应用，使市民在出行时能够实时了解到政府目前的宣传标语、公益、融媒体发布的商业性质广告等，在方便市民接受政府口号标语的同时也能为政府创造一定的广告收益，如图 11 项目实际部署杆件图。

图10 交通状态联动指示氛围灯Figure 10 traffic status linkage indicator atmosphere light

图 11 智慧路灯实物图

Figure 11：Physical picture of smart street lamp

3、结论

目前国内外智慧路灯建设后的移交使用及维护相对复杂，部分项目出现验收后无人管理、移交后业主不会使用智慧路灯系统或者整个项目无人维护的问题，以至于造成智慧路灯项目搭载的物联网设备资源的浪费。本文通过对奉化区智慧路灯系统物联网设备的应用分析，能够发现笔者结合奉化区道路实际建设情况和地理人文要素，从而可以综合解决道路的物联网设备设施层面的相关问题。主要做了如下几个方面工作：首先介绍了物联网设备应用的必要性；其次，智慧路灯系统设计，重点介绍智慧路灯综合管理平台、网络管理设备、服务器系统、网络汇聚传输系统、终端数据传感和应用设备。同时结合智慧路灯系统物联网设备的应用进行项目分析。智慧路灯系统物联网设备的研究与应用为智慧城市的数据采集提供基础保障，同时为我国智慧城市升级提供硬件基础。

参考文献：

[1]陆昱帆，吴有龙，王蓉，许佳彤，庞启明，陈 于物联网技术的智慧路灯系统设计[J].物联网技术，2024，14（04）：82-84+89

[2]刘晓江.基于交通环境感知的智慧路灯技术应用研究[J].电脑与信息技术，2024，32（02）：63-65+94.

[3]李凌郁.智慧路灯照明配电问题的研究[J].中国设备工程，2024，（04）：47-49.

[4]张基延，智慧路灯（灯杆）控制系统设计[D].杭州电子科技大学.2023.

[5]周庆.浅谈智慧多功能杆的应用[J].中国照明电器，2024，（03）：19-21.

[6]钟锦波，洪鹏，丁杰，熊佳敏基于物联网交互的智慧路灯[J]工业控制计算机，2023.36（02）：61-62

[7]邹蓉珠.智能网关技术应用研究[J].中国高新科技，2024，（19）：122-124.

[8]时建春，安平，魏文政，等.智慧灯杆的硬件设计方案[J].灯与照明，2024，48（03）：67-71.

[9]白江涛.智慧城市中智慧路灯布设与施工设计[J].电工技术，2024，（14）：66-68.

[10]徐威.5G+智慧灯杆在智慧城市中的应用[J].长江信息通信，2023，36（08）：227-229.