摘要：随着我国社会经济的不断发展，城市化脚步也逐渐加快。对于传统路灯而言其存在许多问题，如智能化程度低、电量浪费巨大、管理控制不方便、通讯稳定程度差、及路面照度分布不均等。运用科学技术手段对路灯采取必要措施是照明控制领域一个新的重要课题。基于此，本文针对城市路灯的管理设计了一种基于物联网的智能路灯管理系统。
关键词：物联网；智能路灯；管理系统
引言
近年来，随着城市现代化建设步伐的加快，传统的路灯控制存在着一些的问题，如电量浪费巨大、智能化程度低、通讯稳定程度差、管理控制不方便、路面照度分布不均等。因此，如何利用目前的科技手段来解决这些矛盾已经成为照明控制领域里一个新的重要课题。当前，物联网技术已经成功应用到各行各业，例如电子不停车收费（ETC）、ZigBee路灯控制系统、门禁系统等。本文提出了一种基于物联网技术的智能路灯管理系统，实现将传统路灯改造升级为便于管理、高效节能，稳定可靠、配置灵活的智能路灯系统。
1建设智能路灯的背景及发展意义
近年来，道路通达的里程越来越长，传统道路照明方式已不能满足日渐变化的社会发展需求，把城市照明建设作为一项长期的任务来抓，主要是基于以下几个问题：（1）功能单一，扩展性差。只提供路灯的开关功能，不具备日常维护管理功能，路灯系统的故障、数据报表统计等功能需要人工来完成。（2）日常维护困难。现有路灯照明设施的管理工作主要采用人工巡查模式，工作量大。故障不能实时、准确、全面地监控整个照明系统的运行状况，缺乏有效的故障预警机制。
近年来，能源问题日趋紧张，国家大力宣传在城市照明行业发展节能新技术，采用节能新光源，倡导“绿色照明”新观念。为顺应国家能源战略的总体要求，各种路灯节能设备在城市照明行业得到普遍应用，建设智能路灯，能够有效的顺应其号召，因此智能路灯的建设具有非常重要的意义。
2物联网技术
物联网技术是在互联网技术的基础之上进行扩展的网络技术。物联网以通信网和电网作为信息承载体，让具有独立寻址功能的对象可以实现信息的互通和交换。我国对物联网的研究相比欧美一些科技发达国家来说是比较晚的，在1999年我国启动了物联网技术的传感网研究，如今随着物联网技术的快速发展，我国从材料、加工到系统控制已经形成了完整的产业链，目前我国的物联网技术的发展和应用已经处于世界前列。物联网的技术体系框架包括感知层、网络层、应用层，具体框架如下图所示。当前物联网技术已经应用到智能电网、智能物流和智能家居等领域，把物联网技术应用到智能路灯控制系统中也是物联网技术新的应用。
图1 物联网的技术体系框架
3物理网技术在智能路灯控制管理系统应用的意义分析
路灯作为城市建设必不可少的基础设施，直接反映一个城市建设的水平。目前传统的城市路灯照明系统中人工控制系统是最原始的路灯控制方式，路灯的开关需要人手动控制；时控控制系统是城市路灯控制中采用最多的控制方式，通过定时器定时功能来控制路灯的开关；光控系统使用较少，主要是在光照比较好的地方才使用，通过光的强弱对路灯开关进行控制。这些传统的路灯控制系统不能及时地把路灯能耗等相关的数据情况返回给控制中心，如果路灯出现故障了，维修人员也不能及时地对故障进行维修，所以传统的路灯照明控制系统已经不能够满足现代路灯照明系统的管理需求，传统的路灯照明控制系统比较落后，随着城市规模的不断扩大，传统路灯照明系统的在对路灯的管理方面存在严重不足，传统路灯控制系统不具有节能功能，电能能耗大比较大，路灯在维护上主要以人工巡视和维护方式为主，路灯出现故障随机性比较大，这样对路灯系统的维修维护效率比较低，传统的路灯控制系统对路灯开关的控制比较落后，所以对智能路灯控制系统的设计和研究是必要的。在路灯控制系统中引入物联网技术，采用智能化的控制模式，无论是在路灯的管理还是在维护上都有了很大的提高，基于物理网技术的智能路灯控制系统可以降低电能损耗，减少环境污染，在一定程度上也减少了政府部门的资金投入。路灯系统中引入物联网技术，实现了路灯控制系统智能化管理，与传统路灯控制管理方式相比，路灯系统管理效率高，路灯系统报警及时，基于物理网技术的智能路灯控制系统的通信介质采用交直流电线取代了传统的铺设电缆的方式，有线通信方式稳定，受外界因素影响小，对照明路灯进行分组管理，对路灯的照明时间可以进行智能化设置，对路灯照明系统进行远程控制，24小时全天获取工作数据，对路灯进行亮度的调节，降低了路灯使用过程中对电能损耗，延长了路灯灯具的使用寿命。
4基于物联网技术的智能路灯控制管理系统总体设计
4.1智能路灯控制系统总体结构设计
智能路灯控制系统在传统的路灯控制系统基础上建立了3层控制系统，第一层是LMS上位机的路灯控制系统，上位机路灯控制系统是整个控制系统的终端，为用户提供人机交互的用户操作界面，通过各个功能模块实现对路灯的控制，根据具体要求实现路灯的自动开关控制和路灯亮度的控制调节。在系统中可以根据路灯控制系统开发的要求，添加相应的功能模块。第二层数据集中器，在智能路灯控制系统中，数据集中器通过无线网络通信媒介，和上位机的控制系统实现通信功能，根据上位机控系统的需要，把数据实时的传输到上位机控制系统中。数据集中器通过电力载波信号与下级的单灯控制器进行通信，对单灯控制器进行控制，完成对数据的收集和控制命令的发送，实现对路灯开关的控制和亮度的调节控制。第三层单灯控制器，单灯控制器在系统中控制相连的路灯，单灯控制器通过电子载波器实时的把收集到的单灯电流和功率等数据传输给数据集中器，单灯控制器使用唯一的标识码对路灯个体进行标识，标识码也是电子载波进行寻址的唯一标识。
4.2硬件系统设计
智能路灯控制系统的设计要实现节能和实时控制功能，在满足日常路灯照亮需要的同时，通过对路灯进行亮度调节的控制实现路灯的节能，实时控制可以对路灯系统出现的异常数据进行判断，减少维修人员日常维修和维护的难度，也可以达到节约开支的目的。智能路灯控制系统硬件设计要完成以下功能的需要，第一在单灯控制器的设计上，对与单灯控制器相连的路灯进行功率、运行时间和亮度值等数据的测量，也可以增加光照感应器等有用的功能设计。第二在三相耦合器的设计上，我国路灯线路的设计都是以三相电为基础，三相耦合器的设计可以实现负载均衡，减少了线路设计的难度，帮助数据集中器把另外两相电的信号耦合到数据集中器上。第三在信号隔离器的设计上，智能路灯控制系统的硬件基础设施是以原有的硬件设施为基础建立的，信号的传输也是以原有硬件连接方式来实现的。
4.3软件系统设计
在基于物联网技术的智能路灯控制系统软件设计中包括两方面，一是终端监测软件的设计，终端监测软件主要是安装在远端服务器上的，通过功能模块进行控制；二是通信模块，根据传输功能的特点设计的新模块。系统软件是和用户直接接触的应用终端，系统软件界面设计要简洁美观，根据用户的需要来设计控制界面。系统软件要实时的把操作人员的控制指令发送给各个硬件的设备层，实现对硬件的控制，还要把下层的数据信息发回到上层软件的控制系统。系统软件的设计开发都是JavaWeb技术开发的，JavaWeb技术是把Java技术应用到互联网中并和Web技术一起解决相关的问题。WEN技术包括两部分，分别是Web服务器和Web客户端，Java在客户端主要应用Javaapplet技术，Java在服务器端的应用主要是JSP和第三方框架，Java技术为Web提供技术上的支持。系统作为一个控制软件终端，在终端功能设计上的功能模块主要有路灯监控，故障报警、开关等计划和控制器管理等模块等，路灯监控功能模块显示每条街道路灯的基本信息以及每个路灯的运行情况。故障报警功能模块对故障信息进行记录然后进行上报，便于工作人员对路灯进行维护，工作人员可以按照自己的需要对报警信息进行检索等操作。开关灯计划功能模块在路灯的开关灯设置上更加灵活，以最小的时间为单位对时间进行配置，根据异常情况和季节的变化来调整开关灯计划。控制器管理功能模块可以实现系统对控制器的设置，对控制器的连接情况进行记录。
5控制系统管理的安全风险
5.1主站和集中器
集中器与主站系统通常是利用公共网络进行通信，但是集中器和主站互相传输信息数据时，可能会出现一些安全风险，在传输过程中，数据和信息有可能被窃取，发生一些不必要的损失。针对下行链路，如果信息数据被他人篡改，就可能出现整个片区异常照明的问题，异常照明会对城市的公共安全造成很大的影响和威胁，可能使居民对城市建设的满意度下降，甚至导致社会恐慌。对于上行链路，将路灯相关信息数据传输到主站时，如果被他人篡改，就会使后台控制中心出现不正确的调度，浪费政府资源。
5.2集中器和路灯控制设备
集中器和路灯控制设备传输数据的安全问题与集中器和主站间的问题很相似。无线通信在安全方面面临很大挑战，无线通信过程中的路灯控制设备和集中器的数据信息很容易被篡改。我国城市化建设速度越来越快，城市中的视频监控保证了全体市民的安全，为公安部门办案提供了一手的直接证据，不过需要注意的是，视频监控是否有效，路灯照明光纤质量是否得到保障。如果一些犯罪分子在实施犯罪前，先将犯罪现场路灯破坏，那么相关的视频监控就会失去作用。
6智能路灯控制系统的安全技术
加密和解密技术主要有两种分类：第一，对称加密算法。第二，非对称加密算法。对称加密法主要是单钥密码系统，其中加密密钥和解密密钥是相等的，也能互相推导。通常情况下，要按每一次的加密长度进行。非对称密钥加密体系使用的是双钥密码，用公钥进行加密，加密安全系数更高。这两种加密解密技术具有很大优势：第一，抵抗病毒攻击的能力更强。一样的密钥长度，它的抗攻击能力比普通的要强很多。第二，计算量不大，但是处理速度特别快。第三，在存储空间中占用的资源很少。第四，对网络带宽的要求特别低。
7关键技术介绍
7.1短距离通讯技术
在本次智能路灯管理系统中，节点路灯控制器与主控制器的通信采用短距离无线通信技术，常用的短距离通信方式有RF、WiFi、蓝牙等，考虑到抗干扰能力强的需求，拟采用NRF905作为本次系统中的节点控制器与主控制器间通信的模块。
7.2远距离无线通信技术
远距离无线通信技术最主要包括GPRS、3G、4G等几种，结合路灯管理系统数据传送量不是很大，且需要覆盖范围广泛的问题，我们选用3G通信技术实现本地节点与远程控制中心的通信。
7.3定位技术
定位技术指利用卫星等导航工具，确定物体所处的经纬度，常见的有GPS定位和北斗卫星导航定位系统两种。为了使定位更加准确，在本次路灯管理系统中将利用北斗+GPS双模定位。
8管理系统系统软件设计
8.1主控制器程序设计
主控制器是控制系统的核心，它可以对路灯进行控制并将数据及时的传送到总控制端，同时接受来自控制端的命令。当控制端需要查询控制器位置信息的时候，控制器开放定位模块连接串口，获取位置信息并上传终端；若不需要位置信息，则控制器根据传感器检测的实时数据对路灯进行控制，同时将数据传输到终端。
8.2路灯故障自检程序设计
控制器程序对当前的路灯的工作状态进行查询，并与系统设定的工作做状态进行比较，若路灯工作在设定状态，则路灯正常；若路灯未工作在设定状态，则判定路灯处于故障状态，此时控制器获取故障路灯的位置信息并上传给远程控制中心，完成故障自检。
结语：
综上所述，本文对传统路灯所面临的问题通过物联网技术的运用对路灯加以分析，实现了物联网技术化智能路灯。对于该系统的优点则是可以弥补传统路灯所存在的问题，使路灯管理系统可以更好的把控实际情况，达到节能环保低成本的效果，对长久发展有较大的帮助。
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论文作者:饶月贤
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：路灯论文; 控制系统论文; 智能论文; 技术论文; 集中器论文; 系统论文; 控制器论文; 《电力设备》2017年第30期论文;