基于 NB-IoT 的城市路灯智能控制与状态监测系统

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

城市路灯作为城市公共基础设施，保障市民夜间出行安全，在城市运转中占据十分重要的地位。随着城镇化建设持续推进，城市路灯布设规模不断扩大，路灯数量持续增长，传统路灯的管控模式逐渐暴露出诸多现实短板。现阶段不少城市路灯依旧采用固定时间开闭的控制方式，不会随外界光照环境灵活调整工作状态，傍晚光照尚充足时路灯提前开启，清晨自然光已经充足路灯却依旧工作，长期满负荷运行带来大量不必要的电力损耗。同时传统路灯缺少完善的运行状态感知手段，路灯出现灯具损坏、线路异常等故障，大多依靠运维人员道路巡回检查才能发现，人工巡检覆盖范围有限，工作强度大，故障发现不及时，部分损坏路灯长时间得不到维修，影响道路夜间通行安全，也提升了城市路灯的整体运维成本。

物联网通信技术的不断发展，为公共照明设备的智能化改造提供可行的技术路径，将无线传感、局域组网、云平台远程管控技术运用到路灯控制系统当中，能够改变传统路灯管控模式的局限。开展本套智能路灯控制与监测系统设计，利用各类传感单元采集环境光照、环境温度以及路灯工作的电气参数，本地终端可以根据光照条件自主完成路灯调控，同时搭建主从节点网络，实现区域内多盏路灯统一管理。系统既可以在本地通过按键完成阈值配置、定时设置与亮度调节，也能够借助广域物联网接入云端平台，工作人员可以远程查看路灯运行状态，下发开关、调光控制指令，设备检测到电压异常、温度超标等故障信息时主动触发声光报警。该系统可以有效降低路灯不必要的电能消耗，减少人工巡检的工作量，加快故障响应处理速度。本设计不仅对城市路灯智能化改造有着实际参考作用，同时也加深物联网组网、传感采集、远程控制相关技术理解，为中小型公共照明智能设备的设计实现提供实践思路。

1.2 国内外研究现状

国外较早开展城市智能路灯相关领域研究，物联网、传感监测技术起步较早，很多城市已经逐步完成照明设施的智能化升级。国外相关研究更多聚焦大规模城市级路灯管控平台建设，将光照传感、电气状态监测融入路灯终端，依托广域无线通信实现海量路灯设备接入，平台可以完成数据统计分析、能耗统计、故障自动上报，部分方案结合气象数据、人流数据对路灯工作策略做优化，进一步缩减照明能耗。但国外成熟成套智能路灯设备整体建设成本偏高，设备硬件结构复杂，整套系统对网络基础设施要求较高，大多适配大规模城市项目，对于中小型改造场景，设备部署成本压力较大，难以大范围普及应用。国外的相关研究更多偏向大型市政工程落地，面向小区域多节点、主从分布式路灯终端的轻量化研究相对较少。

国内近些年智慧城市建设不断推进，智能路灯相关技术研究得到快速发展，大量科研人员和企业针对路灯智能控制开展研究。国内多数现有方案可以实现光照采集、路灯开关控制以及简单的远程状态上传，能够在一定程度上实现路灯节能管控。多数方案直接采用单节点直接接入广域网络的模式，每一盏路灯都配置广域通信单元，节点数量较多时硬件成本会明显上升。部分系统只支持云端远程控制，本地现场操控功能较弱，现场工作人员无法直接完成阈值修改、参数配置。部分设计缺少主从局域组网架构，多路灯节点之间缺少协同交互能力，一旦网络断开，本地路灯就会失去管控能力。与此同时不少设计故障监测维度较为单一，只做简单开关状态监测，缺少电压、电流、环境温度多维度故障判别。总体来看国内智能路灯技术框架已经成熟，但兼顾局域组网、本地人机交互、多参数故障报警、双供电模式的轻量化系统还有进一步优化的空间，本设计针对上述问题开展研究，实现本地与云端双重管控，具备一定现实研究价值。

1.3 研究内容与方法

本设计围绕智能路灯控制与状态监测需求开展整体方案设计，明确系统整体架构，构建主从分布式终端网络，完成硬件电路整体规划，搭建传感采集、人机交互、报警输出以及通信相关硬件电路，实现多路节点环境与电气参数采集。依托主控单元编写底层驱动程序，完成光照、温度、电气参数的数据采集处理，实现调光输出与声光报警逻辑，开发本地按键交互逻辑，完成各类参数阈值、定时时间的设置，同时实现屏幕参数信息刷新显示。搭建局域无线通信程序，完成主节点与多个子节点之间的数据收发，同时完成广域物联网通信程序开发，实现终端与云平台的数据交互，接收平台下发远程控制指令，上传路灯各项运行数据与故障信息。开展软硬件联合调试，对采集精度、控制逻辑、通信稳定性进行测试，排查软硬件存在的问题，验证系统本地控制、远程监控、故障报警等全部功能是否可以稳定实现。