基于LoRa物联网技术的智能照明控制方案在高速公路上的应用
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摘 要：文章结合北京新机场高速公路照明工程实例，阐述了常规照明控制系统的现状，分析了基于新兴的LoRa物联网技术智能照明控制方案的系统原理和系统构成、系统在高速公路智能照明控制领域的应用以及系统应用能达到的节能和管理效益的提升效果，并对系统的扩展应用前景做了研究分析。
关键词：LoRa物联网;北京新机场高速;智能照明;控制方案
北京新机场高速公路（南五环-北京新机场）是国家重点工程北京大兴国际新机场的配套工程，工程起点位于北京大兴区南五环小白楼桥互通，终点位于北京新机场北航站楼北围界，全长约27.2 km，是连接北京市中心城区和北京新机场的主干道路，工程从开工之日起就备受各界关注，被誉为“新国门第一路”。
鉴于北京新机场高速的重要性，为了保障夜间行车安全和行车舒适性，并对外树立首都国际化都市形象，该高速照明系统建设采用国内高速公路领域最高标准，设置全线连续发光二极管（Light Emitting Diode，LED）照明，即高速沿线所有道路、桥梁、立交、收费广场、管理区、服务区等均设置全覆盖照明，全线累计安装各类LED照明灯具4 600多套。其中，照明控制系统经过深入研究和設计，采用了基于长距离无线电（Long Range Radio，LoRa）物联网技术的智能照明控制方案，是国内高速公路领域首次应用的一大科技亮点。
本研究以笔者参建的北京新机场高速照明工程为例，对基于LoRa物联网技术在高速公路照明控制领域的应用进行介绍及研究分析。
1 照明控制系统现状
随着社会经济的发展，国内城市建设越来越重视道路照明及城市亮化工程，如何在照明及亮化工程中采用新技术节省电力资源、破解城市能源供需矛盾、达到照明领域的绿色节能，越来越受到关注。
早期的照明控制系统大多采用有线控制，如电力载波技术等，并采用光控、时控相结合的方法，对路灯进行遥控开关。但监控终端基本安装于控制箱内，集中监控，对整条线路的运行状态进行检测和控制，无法细化到控制任意一盏灯，实现精确管控和节能。一方面，当单盏路灯发生故障时，无法精确地通过常规系统进行感知，人工巡检存在范围大、耗时耗力等缺陷;另一方面，当交通流量大时，可能存在电压低、路灯亮度不够的问题;夜深人静时，路上车辆稀少，路灯亮度却随着电压回升而提高，造成照度浪费甚至光污染，且对能源也是一种浪费。因此如何采用新技术以达到提高运营效率、节省能源的效果是一个亟待解决的课题。
2 LoRa智能照明解决方案概述
采用基于LoRa物联网技术、集单灯控制系统、运维管理系统、手机移动平台于一体的智能照明控制系统，实现单灯控制，建设智慧照明，提升道路照明精细化管理水平，促进节能减排，能够有效解决上述短板问题。
目前，最热门的物联网技术解决方案包括LoRa和窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）[1-2]。其中，LoRa是美国Semtech公司于2013年发起、创建的低功耗局域网无线标准。相对于其他无线技术，LoRa最大的特点及优势就是在同样的功耗下，能达到更远的传播距离，顺利实现了远距离、低功耗、性能可靠并能支持大规模组网，成为物联网应用推广中一种理想的技术选择。LoRa相比于其他如紫蜂技术（ZigBee）和通用无线分组业务（General Packet Radio Service，GPRS）等无线技术，在抗干扰能力、传输距离、覆盖范围、稳定性、费用方面都具有较大的优势，能够满足城市路灯分布密集、数量多、实时性要求高的需求，是应用于智能道路照明控制系统中的理想物联网技术解决方案[3]。
基于LoRa物联网技术的智能照明控制系统由电子单灯控制器、LoRa通信网络、计算机及软件平台相结合组成，中心计算机通过LoRa网络和终端的单灯控制器实现对单个灯具的电气参数实时检测、节能控制、远程管理，同时，借助监控系统的地理信息系统（Geographic Information System，GIS）地图对终端照明灯具的故障进行精准定位，提醒运维人员定向维修和主动运维，改变以往依靠热线报修、人工巡检的维保方式，实现精细化运维管理。从管理和节能两个角度对灯光照明实施全方位的智能化管理和监控，对每一盏终端灯具实现单独控制及全方位监控，同时，还能通过上半夜、下半夜和智能调光等手段，延长灯具设备的使用寿命，并获得良好的节能效果和经济效益。
3 电子单灯控制器
电子单灯控制器里集成了控制模块和通信模块，实现了控制灯具开关、调节灯具亮度、故障实时报警、并能采集各类电参数（电流、电压、功率及功率因素等）的功能，并留有接口，可附加温度采集、灯杆倾斜检测等功能。电子单灯控制器原理及结构如图1所示，电子单灯控制器接线如图2所示。
控制器通过接入220 VAC实现对路灯的单点控制、监测和调光。采用LoRa无线通信模块与控制中心计算机平台进行通信，将采集到的路灯数据上传至服务器并执行平台软件下发的命令。
主要电路包括电源、采集、开关、调光、微控制单元（Microco-ntroller Unit，MCU）、通信6个部分。
（1）电源部分，包括交流-直流（Alternating Current-Direct Current，AC-DC）电源模块及电源处理模块，为电路其他部分的正常工作提供电源，主要可分为3路：第一路为采集电路提供5 V电源;第二路为MCU、控制、通信提供12 V和3.3 V电源;第三路为调光部分提供电源。
（2）采集部分，包括电参数采集和传感器附加采集，主要对路灯的各项电参数或附加的温度、倾斜度等信息进行实时采集并与MCU进行数据交互。 （3）开关部分，使用控制继电器的动作实现对路灯开灯、关灯的控制。
（4）调光部分，通过调光模块对路灯进行无极亮度控制，实现调档节能。单灯控制器调光支持0～10 V调光以及脉冲宽度调制波形（Pulse Width Modulation Wave，PWM）调光：对于钠灯需要安装支持0～10 V调光或PWM调光的电子镇流器;对于LED灯调光，需要安装支持0～10 V调光或PWM调光的LED电源。
（5）微控制单元部分，为主芯片、实时时钟等其他外围电路，实现对整个控制器各部分的控制和数据处理。
（6）通信部分，通过内置的LoRa通信模组，进行物联网无线通信，实现控制中心与灯具终端的数据实时链接。
4 LoRa通信网络系统
采用LoRa无线物联网技术，构建智能照明控制专用网络，安全可靠，专网与公网隔离，采用无线专用信道、专用设备、专用加密协议，可以防止外部入侵。数据通过专网传输，存储于北京新机场高速运营管理单位，数据泄露风险小，可以自主控制和管理。LoRa通信网络系统架构如图3所示。
系统架构主要由各终端照明灯具单灯控制器、微基站（网关）、云平台和应用系统4个部分组成，对照明设施进行“点、线、面”的实时监控管理，构建指挥调度和应急管理能力，实时监测照明系统的在线信息、运转状况和能耗情况，加强照明管理工作的针对性和科学性。
单灯控制器安装在每个终端LED照明灯具上，通过内置的传感器采集灯具的电流、电压等各项电参数信息，并通过LoRa模组将信息上传到网关上。同时，单灯控制器接收网关下发的各项控制指令，并根据对应指令执行相应操作。
网关主要负责终端灯具数据的获取和数据的封包上传工作。网关通过LoRa模块接收不同终端灯具的单灯控制器发来的数据，按固定的格式进行封包，通过与服务器建立WebSocket连接，上传终端灯具信息。同时，网关接收服务器下发的控制指令，对指令进行解析，通过LoRa模块将控制信息发送到单灯控制器。
云平台包括核心专网和服务器，主要功能是提供数据连接、管理数据，同时，作为承载网络提供到控制中心网络的接口，接收分布在新机场高速沿线LoRa专网微基站上传的信息，并将信息录入数据库，从而实现对终端灯具工作状态信息的获取和跟踪。新机场高速运营单位可以通过智能管理软件平台看到沿线高速灯具的实时运行状态，根据实际情况实时调整并控制灯具的开关、亮度和工作时间等。
应用系统主要指控制中心的计算机软件综合管控平台，包括网络、服务器、工作站、展示界面、存储设备等，部署智能照明监控管理系统软件，实现照明资源管理、运行监控、单灯节能管理和安全监测等智能化应用。
5 综合智能管控平台
北京新机场高速智能照明综合管控平台通过统一数据基础，实现多源数据的深度集成，打造功能强大的统一综合管控平台。根据系统数据流动过程和业务逻辑分析，软件平台的架构自下而上主要包括数据层、服务层、应用层和展示层4个层次，平台架构如图4所示。
5.1 数据层
数据层构建系统所需的专用数据库，采用统一的编码标准和数据模型，对空间信息数据、运行资源数据、管理业务数据和灯具监控数据统一进行存储和管理，为平台应用提供各种数据支撑。
5.2 服务层
服务层提供通信/数据服务、应用服务、GIS服务等各项服务，通过采用统一的数据协议和数据接口，确保实现平台对内各子系统之间以及与平台对外与其他系统之间的信息共享。
5.3 应用层
应用层用来实现综合管理系统各项具体应用功能，主要包括照明智能监控、设施资源管理、单灯节能管理、生产运维管理以及移动终端监控应用等。
5.4 展示层
展示层为系统平台提供的各项应用及服务的展示界面，同时支持多种接入及切换方式，可以实现控制中心大屏幕显示、专用工作站显示，手持移动终端显示等，实现本地、远程、移动等多种展示及切换方式。
6 系统的特点和优势
本研究基于LoRa物联网技术的智能照明控制系统与传统路灯控制系统相比，具有安全性、创新性、易用性、拓展性等特点和优势。
6.1 安全性：采用LoRa无线专网系统管理，系统安全可靠，自主可控
采用无线专网，安全可靠。专网与公网隔离，采用无线专用信道、专用设备、专用加密协议，可以防止外部入侵。数据通过专网传输，存储在管理单位，数据泄露风险小。专网由高速公路运营单位管理，可以自主控制和管理。
6.2 创新性：构建无线物联网智能监控，实现节能管控精准化
采用无线物联网技术，构建智能监控网络，精准控制每一盏终端灯具，在满足照度标准、确保行車安全的前提下，根据天气情况、季节特点、交通信息、特殊状况等各种具体条件设定照明系统运行模式，实现切合实际、科学运维，并达到最佳的节能减排效果。
6.3 易用性：实现运维服务主动化，降本增效、解放人力
通过系统无线自动巡检，及时发现灯具故障情况并在电子地图上进行精确定位，改变以往“人工巡检、热线报修”的常规维保模式，实现定向化、主动化和精细化运维管理，提高系统的运维效率，节省人力资源，节约运维成本。
6.4 拓展性：以无线智能监控为手段，为打造智慧高速公路提供高科技支撑
基于无线物联专网和管控平台，以无线智能监控为手段，实现高速照明设施的集中化和智能化监控管理，今后可以拓展到高速公路管理的各个领域，为全面打造智慧高速提供先进适用的技术支撑。 北京新机场高速照明工程管控平台主界面如图5所示。
7 系统实现节能和管理效益
系统实现照明精准控制管理，可以有效降低用电成本、降低维护成本、延长灯具使用寿命，符合国家节能减排政策，具有良好的经济效益和社会效益。
7.1 采用无线调光技术，降低用电成本
在保证道路照明安全、符合国家照明标准的前提下，通过技术手段，合理调节路灯亮度，降低路灯能耗，降低用电成本，同时，可以延长灯具使用寿命。
采用无线智能亮度调节控制方案，可以按傍晚、半夜、凌晨等不同时段调整全线灯具亮度，不用整夜按100%亮度运行。通过合理调配，预计节电率可超过40%。部分路段的路灯可以采用个性化调光方案，节省更多的电量。
平时保持标准照明亮度，在极端天气应急情况下，可以调到最大照明亮度，既可以保证道路交通安全照明，又可以降低用电成本。
7.2 采用无线巡检技术，降低维护成本
采用无线巡检技术，降低日常维护、检修、巡查成本。管理人员在中心通过系统就可以查询现场每一盏灯具的运行情况，可以自动进行故障报警、故障快速定位，减少人工、车辆、油费等人机成本消耗。北京新机场高速照明工程管控平台调光控制界面如图6所示。
8 系统其他应用前景
系统具有广阔的应用前景。目前，依托系统建设的无线物联专网已经全面覆盖北京新机场高速公路一期工程，实现道路照明和生活区照明智能化管理，今后可以扩展到主动发光交通标志控制[4]、夜景亮化控制、配电控制等多个高速设备管理物联网应用领域，为全面打造智慧高速公路提供先进、安全、可靠的技术支撑，如图7所示。
[参考文献]
[1]陈轶林，鲁阳，吴正坤，等.基于LoRa的物联网智能路灯系统[C].杭州：2018年全国物联网技术与应用大會，2018.
[2]吴俊.基于LoRa和NB-IOT的双模路灯控制系统的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2019（20）：2-3.
[3]吕琪珺.浅析城市道路照明智能化关键技术[J].自动化应用，2018（6）：143-145.
[4]毛新发.NB-IoT智慧照明解决方案[J].科技视界，2019（32）：15.
Abstract：Based on the example of Beijing new airport expressway lighting project， this paper expounds the present situation of the conventional lighting control system， analyzes the principle and system composition of the intelligent lighting control scheme based on the emerging LoRa Internet of Things technology， the application of the scheme in the field of intelligent lighting control of expressway and the energy saving and energy saving achieved by the application of the scheme， the expansion application prospect of the system is studied and analyzed.
Key words：LoRa Internet of Things; Beijing new airport expressway; intelligent lighting; control scheme
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