基于物联网技术的智慧灯杆系统设计

基于物联网技术的智慧灯杆系统设计

王培青

安徽超清科技股份有限公司 安徽合肥 230000

摘要：以物联网技术为基础的智慧灯杆系统可以解决智慧城市建设中的信息孤岛问题，为城市管理手段与管理模式的创新提供支持。因此，文章以基于物联网技术的智慧灯杆系统为对象，分析了智慧灯杆系统的运行需求，阐述了智慧灯杆系统的结构设计，并对智慧灯杆系统的主要功能设计进行了进一步探究。

关键词：物联网技术；智慧灯杆系统；智慧照明

前言：在人类社会发展步伐持续加快进程中，城市作为人类生活、经济的主要载体，迈入了新治理模式与旧治理模式交替时期。以物联网技术为代表的新一代信息技术蓬勃发展，为智慧城市的建设带来了新的发展机遇。而智慧灯杆是新一代信息技术与传统城市公共基础设施融合的典范，颇具发展前景。因此，以物联网技术为基础，探究智慧灯杆系统的设计就具有非常重要的意义。

一、基于物联网技术的智慧灯杆系统需求分析

基于物联网技术的智慧灯杆系统功能涵盖了智慧照明、公共安全、新基建、便民服务、数据处理、环境监测、信息发布、AI感知、运营状态多个模块。比如，在数据处理模块，基于物联网技术的智慧灯杆系统应满足车辆黑名单比对、人员工作对象比对、信息上报、下发命令解析、遗失宠物比对、各外部设备信令控制要求。再如，在便民服务方面，基于物联网技术的智慧灯杆系统应满足新能源汽车充电、电动自行车充电、手机充电、信息查询、交通卡与燃气卡充值、WiFi热点等需求。

二、基于物联网技术的智慧灯杆系统设计

1、结构设计

基于物联网技术的智慧灯杆系统结构如下：

感知层

网络层

图1 基于物联网技术的智慧灯杆系统结构

如图1所示，基于物联网技术的智慧灯杆系统包括应用层、网络层、感知层三层，其中应用层又可划分为智慧灯杆系统PC端（APP端或小程序或微信公众号）、服务层（消息队列、解析服务、指令服务、告警服务、计算服务、缓存服务、基础服务、语音服务、算法服务、数据库服务、通信服务、规则引擎、安全认证及权限策略）、中间件（Proxy、redis、nginx、websocket、poi、schedule等）^[1]。其中服务层主要负责满足不同类别物联网设备通信接入、数据解析、指令上下行服务需求，同时为智慧灯杆系统管理平台提供底层通用功能。而中间件则需要根据自身类别进行数据库服务、计算服务、基础服务库搭建，形成真实模拟的智慧灯杆应用场景，为用户提供良好的操作体验；网络层包括网关（lora、ZigBee、plc）以及4G/5G、以太网、NB-IOT几个部分。具体运行中，通过有线/无线方式，可以从物联网感知终端获取不同类别数据并经以太网、4G/5G上传到服务器，或经LoRa、ZigBee上传到边缘网关后，再上传到服务器；感知层特指物联网感知设备，通过感知设备实现无线连接、数据回收、告警、智慧照明、通信、一键求助、视频监控、能源服务、环境监测等功能。在物联网感知终端需要遵循统一部署，进行标准接口配置，并根据实际场景需求，进行感知终端搭载。

2、硬件设计

从硬件上来看，基于物联网技术的智慧灯杆系统可以根据合并后的杆件挂载功能内容，进行四个层次的梳理、细分。并根据不同类别应用，从空间、高度入手，进行科学设计、恰当排布，以便最大程度规避不同应用间干扰、影响，满足综合杆需求。

图2 基于物联网技术的智慧灯杆系统硬件组成

如图2所示，在智慧灯杆系统最底层（0~2.50m），需要搭载舱内设备、检修门、管线、充电桩、紧急呼叫按钮等；在智慧灯杆系统第二层（2.50~5.50m）需要搭载警告标识、路名牌、人脸识别摄像机、作业区临时标识、FRID智能设备（井盖监测、特殊人群、市政监控等）、模组化可搭载小型器件等。其中模组化可搭载小型期间主要指气象传感器，比如PM2.5检测器、温湿度检测器、雨量与气压检测器、风速与风向检测器等；在智慧灯杆系统第三层（5.50~8.00m）需要搭载事件监控摄像机、违停抓拍机、电子警察、雷达、分道指示牌、云台、上部检修部门、禁令标识、警告标识、指路牌、物联网感知设备等；在智慧灯杆系统第四层（≥8.00m）需要搭载5G微基站等基站天线、路灯等。其中路灯需要具备分时调光、故障报警、单灯或编组控制等功能。

3、软件设计

对于基于物联网技术的智慧灯杆系统而言，系统云端需要承担极大的计算压力，且需要满足端设备之间响应实时性要求。因此，在软件设计时，可以引入边缘计算与边缘协议解析技术。由端设备数据接入入手，由边缘网关发起主从通信模式，驱动端设备采集数据。进而经插件加载协议，从服务器端、本地进行协议脚本加载，为端设备查询数据包组包提供支持。在端设备查询到数据包组包后，将查询的信息发送到通信队列，进而经虚拟消息总线交驱动层反馈至端设备。对于端设备的应答数据（/主动上报数据），边缘网关可以加载协议插件为支撑进行协议脚本内的对应方法调动，完成调动后，上报数据格式标准化、数据解析/存储。在整个过程中，针对标准化的端设备数据，需要由边缘计算模块进行逻辑运算。即进行不同算法执行周期识别，根据执行周期加载边缘算法、数据并执行算法逻辑。在执行算法逻辑中由虚拟消息总线生成端设备控制指令，并传递给服务下发线程。最终经边缘协议服务自带的组包功能，向端设备下发控制指令组成端设备可识别数据实现端↔端协同。

三、基于物联网技术的智慧灯杆系统主要功能设计

1、物联网感知

鉴于通信基站、物联网网关均具备有效覆盖半径特性，在智慧灯杆系统功能设计时可以选择道路两侧交叉布放形式，进行通信基站、物联网网关需求测算。假定通信基站需求数为M₀，物联网网关需求数为M₁，则对应道路A侧通信基站、物联网网关布点距离可以分别记录为M₀₁、M₁₁，对应道路B侧通信基站、物联网网关布点距离可以分别记录为M₀₂、M₁₂，此时，通信基站（4G/5G/wifi）总需求数M0=A₁+B₂+A₃+...+B_n-1+A_n，物联网网关需求数M₁=A₁+B₂+A₃+...+B_n-1+A_n。在通信基站、物联网网关对应布点间隔为L₀、L₁时，其总需求数M₀+M₁可以表示为（2M₀/L₁+1）/2。

2、视频监控与一键求助

在基于物联网技术的智慧灯杆系统中，视频监控、一键求助业务需求存在紧密联系，监控布点单位均为“空间”，强调封闭成环状，汇聚成网状，构建协同防控体系。在这一协同防控体系中，监控关键区域是视频监控功能突出表现^[2]。基于此，在同一个智慧灯杆系统中，可以选择基于监控的面积覆盖度、基于监控目标的覆盖度等指标，进行视频监控布点方案策划依据。在视频监控头需求数为M3，视频监控头到监视对象的布点距离为L3，则道路两侧视频监控头的需求数可以表示为（2M₀/L₃+1）/2。因视频监控、一键求助两业务比例为1/1，一键求助业务需求也可以用上式表示。在这个基础上，设计人员可以应用基于设备模型驱动的泛化物联技术，进行端设备物理模型的自由创建以及视频监控头等设备实例化处理，实现设备与模型的一一对应。

总结：

综上所述，智慧灯杆涵盖了杆体及其搭载的不同设备、传感器组成的感知终端，将智慧照明、公共安全、新基建、便民服务、数据处理、环境监测、信息发布、AI感知、运营状态等诸多功能进行了高度集成，是新一代物联网新型基础设施。设计人员可以根据上述功能需求，利用模块化分层设计理念，在物联网技术的基础上进行智慧灯杆系统感知层、网络层、应用层的合理设计，并根据需求配置硬件设备和软件程序，为智慧城市建设助力。

参考文献：

【1】吴刚,张伟,裴勇.智慧灯杆物联网大数据系统平台应用示范[J].灯与照明,2021,45(01):22-26.

【2】李大川,陈智刚,张宏鹏.多功能灯杆智慧灯杆的模块化与标准化[J].电子元器件与信息技术,2020,4(08):68-69.