基于物联网技术的路灯监控系统的设计与实现

近年来，随着我国智慧城市建设的飞速发展，城市规模不断扩大，城市路灯建设也进入城市发展的快车道，其已经成为城市形象的重要代表，对提高夜晚环境质量、促进经济繁荣具有不可替代的作用。

2017年12月，住房城乡建设部编制了《“十三五”城市绿色照明规划纲要》，纲要中明确提出全面建设智能化管理系统的建设目标，要求完善和强化城市照明信息统计制度，推进照明数据规范化和标准化，以信息化为依托，结合智慧城市建设，加快城市照明数据中心建设，加强城市照明管理数字化平台建设和功能整合，实现城市照明资产统计、能耗监测、监督考核信息化，促进城市照明信息资源开放共享。

路灯照明的过快发展，给城市能源供给增加了压力，尤其是在城市照明的日常维护和管理工作中，由于缺少有限的监测和管理手段，存在着电能浪费、无法知晓路灯亮灯率、EMC工程无法监控、故障处理不及时等现状，具体的问题表现在以下两个方面：

（1）控制方式落后。目前，市政道路路灯及交通道路路灯的控制和管理主要是采用人工管理和定时控制，而城市路灯的定时控制大多数采用“时间继电器+经纬度控制器光控控制器”和“一站到位+交流接触器”的控制方式每天定时开关。当季节变换时，需要人工调节每一个时间继电器的参数。如发生突发事件，需到现场进行人工调控，无法及时采取应对措施，造成该“亮”时“不亮”，该“灭”时“不灭”的问题发生，同时也产生部分的电能浪费。

（2）管理方式落后。建设局和路灯所没有部署路灯的信息化管理工具，相关各类管理数据通过人工收集和统计，无法保证准确性和及时性，因而无法对路灯的运营维护情况进行有效监管；过往路灯维护采用人工巡检的方式，缺乏故障主动发现机制，路灯故障类型、位置难以确定，导致故障处理困难，使得故障处理延迟大、周期长，即使加大路灯维护的人工和车辆投入，对路灯亮灯率的提升作用也非常有限；同时，传统的路灯建设项目缺少远程控制手段，城市照明的管理方式比较落后，在应对突发事件时灵活性较差。

本文通过采用新型的物联网、“云计算”和移动通信等技术，针对城市公共照明存在的一系列问题，提出了回路控制的照明智能管理和控制解决方案。通过在原有路灯设备中加装路灯控制器，路灯控制箱里面加装照明回路控制器、三相电能表和漏电保护，即可实现对城市道路照明的线路状态监测、定时开关策略配置、电能计量、漏电保护，降低路灯设施的维护难度和成本，提升管理水平，实现节能减排。

本文以城市路灯为基础，逐步建成国内先进、功能齐全的智慧城市物联网应用大平台管理中心，每个路灯上加装一个路灯控制器，路灯控制箱里面加装照明回路控制器、三相电能表和漏电保护，路灯控制系统可以对路灯进行分组，实现对待改造地区的任何一组路灯的遥测、遥控、遥信、遥调、遥视“五遥”功能，实现路灯的分组智能及精细化管理，系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

路灯监控系统总体框架设计包括感知层、基础设施层、数据层、应用层与展现层5个部分，总体框架设计图如图2所示。

图2 总体框架设计

感知层主要包括单灯控制器、双灯控制器、三相电能表、漏电保护、照明回路控制器、户外照度传感器等。

基础设施层支撑设施主要包括共有云和私有云服务器。

数据层依托于数据中台，主要完成数据处理、数据存储和数据交互的工作。

应用层主要包括数据监控、智能策略、报警管理、能耗分析、统计分析、运维管理等功能。

展示层包括PC端和移动APP端。

1、可视化大屏

通过采集道路集中控制器的经纬度信息，录入到后台管理系统，实现在后台管理系统的地图功能中对设备进行可视化定位和操作。监控路灯正在使用情况、具体位置、亮灯时长、报警日志、能耗曲线等信息，如图3所示。

图3 可视化大屏

2、路灯监测

通过在道路线路安装路灯控制器及电流互感器，实时监测和分析线路的电流、电压和功率，当线路状态出现异常时，出现漏电、线缆被盗、线缆异常断电、部分灯具损坏等情况时，实时检测出来，并通过短信、邮件、手机APP、语音外呼等多种方式主动上报，维护人员可以及时发现，进行处理，如图4所示。

图4 路灯监测

3、智能策略

通过在后台管理系统中制定和下发定时开关灯策略或临时开关灯策略，实现对单个或一组道路照明的智能开关调光功能，如图5所示。用户无需到现场开关灯，增强城市路灯管理的突发情况处理能力，提升路灯管理的体验效果及管理水平。同时可根据日出和日落情况进行开关灯，减少因固定开关灯时间带来的过度照明，增加额外的节能收益。

图5 智能策略

4、报警管理

终端设备检测到报警实时上报后台管理系统，生成报警后在系统中可进行工单派发功能，将相关的故障通过派工单的方式派发给维护人员，工单提醒方式包括邮件方式和手机短信方式。同时可在系统中对故障进行GIS定位，如图6所示。

图6 报警管理

5、统计分析

系统支持对节能数据、故障信息等进行直观的报表统计分析，包括曲线图及柱状图方式，并可导出Excel报表，如图7所示，也可以通过远程抄表对电量进行统计，并可针对历史用电量的节能率进行统计，保证采集到的用电量数据的统计的准确性，强化节能数据检测分析为科学决策提供有力支持。

图7 统计分析

6、运维管理

对路灯控制器、路灯灯具、灯杆、多功能电力仪表及路灯配电箱等进行统一管理。系统可以对这些设备巡查计划，设备巡检采用NFC射频卡标签，手机扫描标签进行巡检工作，系统也可以自动记录巡检人员的巡检轨迹，代替了传统纸质检查记录，改变了传统巡查不到位、巡检记录不真实的现状，如图8所示。

图8 运维管理

路灯监控系统对提升城市的路灯信息化和管理水平、提高城市路灯的亮灯率、监控EMC节能、减少路灯电能浪费、降低维护成本等方面有着重大的意义。

1、路灯监控系统是提高路灯运维监管能力的科学手段

目前，国内大部分城市都缺少统一的通过信息化方式对路灯监管和调度系统，对路灯各类设备进行管理，无法迅速、实施和直观的收集和统计路灯相关的用电、故障率数据，对路灯的管理决策的时效性、精准性支撑乏力。通过建设路灯监控系统，可以有效解决上述问题，提高管理部门对路灯资产、运维等的监管能力。

2、路灯监控系统是提升路灯照明“亮灯率”的有力保障

城市道路的面积广阔，路灯的巡检和维护成本较高，传统巡查方式的时间和空间覆盖面有限，很难进一步提高路灯的亮灯率。通过实施本路灯监控系统，可以及时、准确报告和定位全镇范围内路灯的灯具、线路故障，从而迅速排除故障。

3、路灯监控系统是增强城市照明应变能力的智慧大脑。

目前，基于配电柜的路灯人工调节方式不够灵活，不能根据日落时间/环境对路灯进行精准调控，存在一定电能浪费。此外，在各类突发状况时（恶劣天气），无法实时调控路灯。路灯监控系统实施后，可以在后台管理系统灵活制定和修改定时控制策略，提升突发事件的应急能力，提高节能率。