城市照明行业数字管理系统设计_城市照明智能管理系统

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城市照明行业数字管理系统设计城市照明系统结构设计

城市照明行业应用系统结构如图12所示，整个系统基本上由以下几个部分组成：

1.联通M2M业务支撑平台。这里完成整个城市照明系统的信息汇总，监测，控制功能。

2.3G、GPRS 网络传输，实现公网的干网信息传输。如图11，每个路段（本系统的路段以组为单位，每个组包含50盏至100盏路灯，每个组配备一个基于3G的M2M网关）的3G 网关通过公网提供的3G或者GPRS服务，完成与互联网的接入工作，接入到联通M2M业务支撑平台，形成公干网信息传输路径。

3.ZigBee 网络传输，专网控制网络。系统将每一个路段（本系统的路段路灯以组为单位，每个组包含50盏至100盏路灯）内部的所有路灯通过 ZigBee 网络传输信息，既可以将传输3G网关发送的控制指令，也可以将每盏路灯的运行信息，报警信息通过

ZigBee 网络经由3G网关上传给监控中心。

图1 城市照明系统行业应用结构图 4.3G M2M网关，每一组路灯安装一台。3G网关实现将监控中心与 ZigBee 网络之间互联，完成互联网到路灯控制系统专网之间的信息转换功能。

5.路灯控制节点，即每盏路灯安装的路灯控制器。每盏路灯作为一个信息链上的节点，能够接收监控中心发送来的每一条指令，也可以主动向监控中心发送自身的运行信息，形成信息链。

6.行业应用系统监控，即M2M系统中的行业应用系统，该系统从M2M业务支撑平台上获取行业应用数据，允许客户端通过互联网来访问服务器监控程序，实现远程登录和管理路灯系统的运行操作等。

7.数据库，复制和备份城市照明系统的运行、监测、控制数据，以及报警信息等，满足多条件查询和查找，实现数据分析功能。城市照明系统M2M终端与ZigBee网络规划

如图2所示，所展示的是深圳南山区部分地图，上面标注了南山区的主要干道，包括广深高速，北环大道，滨海大道等主干线。不仅如此，还有地图上标注的各条规模较小的街道，所有这些街道，都有2排路灯。那么，如果将这些路灯纳入到城市照明信息化系统，建立路灯信息网，需要做一个统一的网络规划，来决定每盏路灯如何接入到互联网。

移动网络规划和优化的基本原则是：在一定的成本下，在满足网络服务质量的前提下，建设一个容量和覆盖范围都尽可能大的无线网络，并适应未来网络发展和扩容的要求，也就是CCCQ最优原则（C-Cost，C-Coverage，C-Capacity，Q-Quality）。这其实是无线通讯网络所要遵循的基本要素。因此，ZigBee 路灯信息网络规划也是要实现同样的目的，即在服务对象明确的情况下，建设一个容量和覆盖范围尽可能大的无线网络，满足实际应用中的网络数据传输性能。

基本思想是，在独立路段采用路灯分组控制接入互联网，组内每盏路灯作为独立的信息点与互联网通讯；对于交叉路口的路段，统一分配路灯组，以实现网络资源最大化利用，同时实现网络交换的原则。具体的网络规划方案，需要在确定实施路段和实施范围后进行实地勘测和测试设计。

图2 深圳南山区部分地图应用系统功能设计

1、自动定时控制模式

根据城市的地理位置（经纬度）和一年四季的天气统计情况，构造一个开、关定时时间表，将周期时间内每天操作开关灯的时间（包括：日常、节假日、周末开关灯时间等），下载到各路灯控制终端自动执行。2、临时性操作控制

遇到临时性的特殊情况，例如有重大活动、维修巡视，则可以根据需要制定临时性的控制策略，由系统根据临时性策略进行临时性控制。3、立即操作

在突发性情况，比如天气可视情况突然恶化，现场操作维修等情况，通过后台进行对指定区域、路段的路灯控制。4、单点控制功能

在后台控制中心，能够根据需要指定区域，指定路段，指定控制时间表和程序设置单独对每个灯杆进行开、关灯控制，亮度调节等操作，以实现对全夜灯、半夜灯、景观灯、高层泛光灯的监控。根据环境照度控制照明灯的开、关。同时，也可以根据事先预定的策略来控制路灯照明的控制。5、远程测量功能（遥测）

直接采集每盏路灯电压和电流，以此来判定路灯是否在正常工作，并且可以计算出照度情况。采集每个配电箱输送给照明灯的电压和电流，计算出有功功率、功率因数，测定不亮灯的数量，计算亮灯率，环境照度；采集终端控制柜的柜门开关状态；采集照明系统的运行状态；采集电力电缆的损坏情况,确定大致位置。

6、远程视频监控（遥视）

在重点地段或有夜景景观的地点安装摄像机，在监控中心可以直观地监视夜景及其控制情况。7、统计功能

对测量的数据、故障维修、报警情况进行统计并制作报表。8、远程报警功能

能够处理过压、过流报警；非正常开关灯报警；亮灯率低于额定值报警；终端控制柜非法打开报警；线杆门非法打开报警；通信故障报警；电缆断路、短路报警；报警记录、统计。9、大屏幕显示功能

采用屏幕背投电视墙可以同时显示计算机实时图像和视频监视图像，动态直观地显示整个城市各个路段、各分站和各单灯的工作状态，外形美观大方，视觉效果良好，可放大显示某一幅图像，是目前比较先进和普遍采用的图像显示方式。显示的主要内容包括：①显示地理信息；②显示系统的运行状态；③显示系统的运行参数；④显示视频图像；⑤显示报警信息。10、报表打印

包括各类数据的统计。系统设定日报、月报、年报或者随时打印预定数据和任何数据，如亮灯率、故障灯率、故障灯数量及编号清单、功率、时钟日期、电流、电压、瞬时高低压参数等，并进行自动统计。11、历史操作记录查询 根据选定条件，能够查询报警信息，故障信息，操作记录等，具有完备的数据备份。

12、行业应用系统

客户端可以远程登录到服务器进行查询和管理路灯控制，支持现场调试和测量；跨行业应用设计

如图12，城市照明系统在全市各条道路上都有路灯设备，这意味着在全市道路上都建立了信息接入点，建成了信息传输网络。在此基础上，根据各个行业需要，在各个路灯接入点，增设各种行业的传感器和智能设备，实现全道路范围应用。

4.1 环境监控行业应用设计

在环境监控行业应用中，通过架设在全市的节点网络实现全市道路范围内的环境监控。以温度采集和湿度采集为例，遍布全市所有道路上的路灯，几乎将全市所有的地域都纳入到信息监控的领域来；因此，在需要的地点和区域内，在选择相应的路灯作为信息接入点，增加温度和湿度传感器，通过路灯节点将采集信息传递给3G M2M网关，由网关将数据发送给联通M2M业务支撑平台将数据进行处理，该数据将交给环境行业应用系统处理。

4.2 交通监控行业应用设计

城市道路主要的道路口和干道都有路灯照明，这也意味着这些区域都有着物联网通讯网络。在各个路口或者主干道上，增加必要的车流量传感器等交通领域的特殊传感器，通过 ZigBee 网络将信息发送给相近的路灯节点，由路灯节点将数据进行处理发送给3G M2M网关，由网关按照M2M协议发送给联通M2M业务支撑平台进行数据处理，通过平台的应用系统接入单元将数据转发给交通行业应用处理平台。

4.3 城市视频监控应用设计

城市视频监控，涉及到平安城市，道路车辆监控等多行业交叉应用。一般的视频监控摄像头必须要架设专线或者专网，费用昂贵。在城市照明网络中，在3G M2M网关上增加WIFI网络接入，视频监控摄像头以WIFI信号输出，通过定向天线向3G M2M网关WIFI接收天线发送视频流。视频流采用本地保存和后天点播方式，即能保证图像信息的完整，又不会过分增加3G网络的负担。而在3G网关处安装的摄像头则不需要通过WIFI进行传输，只需要通过百兆网口与3G网关通讯即可实现视频流的传输。按照每100盏路灯一组，架设一个3G M2M网关的设计，通常路灯间隔为30至35米之间，这意味着，至少每隔3公里到3.5公里之间就会有一个视频摄像头。如果有特殊需要，可以通过在这段3公里到3.5公里之间的道路上架设基于WIFI传输的视频摄像头，这将意味着全市所有的道路按照每隔1.5公里左右的距离就会有一个视频监控，这样密度的视频监控还可以进一步增大而不受3G成本的增加。通过3G网关传输给联通M2M平台的视频流将被保存和转发给需要的行业应用系统，进行专业处理。项目的特色和创新突破点

目前制约M2M产业发展的瓶颈仍然是需要真正地在某一个行业做出有示范效应的应用，这样才有实质性的推动作用，之后形成良性循环。联通及几大运营商正在几个行业中积极的尝试，但是效果不明显。这主要有以下几点原因：

1、所选行业相对封闭，扩展性差。现在所选项目主要集中在环境监控，车务监控等，与其它行业交互性低，较为封闭，没有形成带动性作用；

2、所选行业带来的经济效益低，行业动力不足。所选的行业没有给行业应用者带来直接的经济效益，间接效益也不明显，导致行业推广上没有明显的动力，因此，M2M平台发挥作用较小。综合以上，选取一个应用对象明确，M2M应用能够带来明显的直接经济效益和间接经济效益的行业至关重要，同时，该行业还应该可以辐射到其它行业在M2M上的应用，起到这正的行业间推动效应，这样才能真正促进M2M产业的发展。本项目选取的城市照明行业，就能够满足以上几点要求。随着城市现代化建设，深圳城市灯光设施建设有了很大的发展，但是所产生的电费也大幅度攀升，路灯设备的维护工作量也显著增加。据统计，我国照明用电量约占全社会总用电量的12％，其中城市路灯照明在我国照明耗电中占30％的比例，在每年800亿元的政府机构电力能耗中，城市公共照明部分能源支出达200多亿元。现在全国的节能减排工作和打造低碳城市，已经成为了环境保护的重要目标。作为耗电大户的城市公共照明路灯系统，如何在城市照明管理系统运用各种先进的科学手段降低城市照明能耗，是建立节能型城市，满足城市照明多样化要求的必然发展趋势。

不仅如此，现有的城市照明监控管理系统中，每盏路灯都是信息孤岛，所有的路灯都是一个个孤立的节点，不能与系统进行通讯，无法实现有效的集中管理监控，已经越来越无法满足日益发展的路灯管理需要。由于缺乏灵活的智能化控制手段，在路灯管理工作中还存在以下不足之处：

1、无法有效修改路灯开、关时间

目前，路灯开关灯控制方法基本上是“钟控”与“光控”，最多实现了“半”自动化；但是，二者均不能真正实现路灯控制的合理化、科学化。比如，在实际操作中常会出现开灯过早、关灯过晚，或者是开灯过晚、关灯过早的现象。这些情况不仅会造成巨大的电能浪费，而且会损害城市形象、影响社会治安和交通安全，从而影响城市的投资环境。

2、无法进行路灯工作状态采集、查询

由于路灯现在都是信息孤岛，每盏独立的路灯的工作状态没有办法通过网络渠道进行传输，只能依靠工作人员巡视或者群众举报的方式来获知。依靠人工的管理方式来查询路灯故障和工作状态，一方面发现故障的周期长，另一方面工作人员劳动强度大、效率低，人力物力成本投入大，已经无法满足城市照明发展与管理的需要。

3、无法有效实现路灯的精细节能

由于技术的原因，现在路灯的控制上只能采用较为粗犷的方式，通常情况是以路段为控制单位，不能有效区分路段的照明需求和节能要求，控制效果不佳。

4、信息孤岛，路灯节点报警信息无法上报

在一些较为偏僻的路段，时常发生路灯线缆或者路灯配件被盗，尤其以现在新型的太阳能LED路灯的蓄电池被盗情况更为严重。由于窃取所发生的路段通常较为偏僻，因此在发生窃取时，绝大多数情况都是无法及时发现，由此造成巨大的直接和间接经济损失，深圳路灯的损失每年都在数百万元。

以上不足之处，在现有的路灯管理手段中已经无法解决，需要采用新的技术手段来彻底克服和解决现有的问题。本项目则在此背景下，采用M2M关键技术，完成整个城市照明的系统改造，实现真正的行业应用。

基于M2M平台的城市照明系统行业应用就是采用基于M2M的物联网关键技术，在每盏路灯上安装一个 ZigBee 的无线控制设备，然后在每隔几十或者上百盏路灯上架设一个基于3G的M2M终端，将该路段的几十盏或者上百盏路灯的信息上传给M2M平台，或者根据M2M平台的指令来控制该路段的全部路灯。不仅如此，由于城市所有道路基本上都全覆盖了路灯照明，因此，意味着全市的道路都处于M2M平台的管理之间，包括道路上的交通信息，环境信息，安防信息等，实现同平台跨行业的应用，推动整个M2M平台的实质性发展，因此，本项目的特色和创新之处在于：

1、在物联网M2M平台推进中，选取的城市照明行业，能够带来直接经济效益，采用了物联网技术的无线路灯控制器，可以将高压钠灯等耗电量降低到原先的50%到70%左右，按照250W高压钠灯计算，每盏路灯年约节省用电300多度到500多度，直接经济利益明显，降低碳排放量。

2、基于M2M平台的城市照明行业，增加了路灯运行状态监测，可以直接监测每盏路灯的运行情况，在应用平台就可以第一时间解决路灯的巡查问题，降低人力巡查成本，产生了间接经济效益；

3、基于M2M平台的城市照明行业，还可以增加防盗报警，针对每盏路灯，增加了自动报警装置，当非法打开路灯的操作门或者切断路灯供电电缆时，会第一时间将告警信息上报给M2M平台，有效防止路灯行业的盗窃发生，大大减少盗窃引起的直接和间接经济损失。

4、由于覆盖全市的道路网，在需要的位置，安装各种环境监控需要的传感器，比如温度、湿度等，可以获取几乎覆盖全市的环境信息，利用已经架设好的城市照明信息网络，可以将环境监控信息通过3G的M2M终端直接发送的M2M平台，供M2M平台提供给相关行业应用，实现平台的数据转发和存储的跨行业应用；

5、在指定的位置安装城市道路相关的传感器，比如车流量传感器等，同样利用城市照明系统中的M2M终端，将信息上传给M2M平台，可以实现全市道路的交通监测，实现平台数据转发、存储和跨行业应用；

6、在指定的位置安装视频系统，通过WIFI网络直接传输给城市照明系统的M2M终端，将视频信息发送给M2M平台，实现全市道路覆盖的视频监控，在M2M平台上完成视频信息的处理，供交通、公安、城管等行业应用，真正实现平台的统一支撑功能；

7、在城市照明单一M2M终端上实现了数据、视频流等多种M2M应用通讯协议，实现了单一终端多种内容应用，多种行业应用的复合模式；

8、本项目针对省级M2M平台和虚拟省级平台应用，重点实现单一终端跨行业数据的平台支撑功能，实现多行业数据存储、转发和分流，以供不同的行业应用使用，真正的起到平台的支撑作用；

9、本项目针对视频监控、城市照明等重点行业数据，采用不同的QoS等级，保证M2M平台数据的实时性和有效带宽，实现数据流的差别；