基于云边融合室外智慧灯联网的系统设计与应用

金 展，管彩霞，李文宜，沈海平

(1.杭州海康威视数字技术股份有限公司，浙江杭州 310052；2.复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

室外智慧灯联网是以市政基础设施路灯杆为基础，运用最新的传感、通信及控制技术构成智能监控系统，能快速而准确地进行智能照明监控，采集各种数据并输送到智慧城市平台。基于该智慧灯联网可以实现多种智慧城市管理功能，如：通过灯具监控及环境传感，可实现真正意义上的按需照明和精细化管理；通过红外、微波、视频等传感器，可以快速对道路、公交车站、停车场的车辆情况进行覆盖监测，并可通过灯联网服务平台，向交通信息中心提供实时交通信息；通过视频监控及报警求助设备，可以建立覆盖全城市的安防系统，维护城市安全及进行设施管理。未来，智慧灯联网将在交通监测、环境监测、安防预警、信息发布、移动热点等多个领域发挥作用。在灯联网的帮助下，城市管理将更加精细、科学与智慧。智慧灯联网是目前国内外研究的热点，具有重要的研究价值[1, 2]。

2009年，德国研究团队针对LED路灯开发了Dial4Light控制系统，提出了按需照明和人为干预照明的理念；2011年，荷兰代尔夫特理工大学发布了基于IOS应用的智慧路灯控制系统雏形；2015年，英国剑桥大学计算机实验室在伦敦威斯敏斯特实现的道路照明系统以及爱立信与飞利浦在荷兰联合打造的0站点路灯，标志着整体室外照明进入了智能化的时代。我国学者和单位也开展了智慧室外照明和灯联网方面的研究及应用开发工作[3-9]。

目前很多智慧路灯仅仅是将多个物理传感器简单地搭载在路灯杆上，各数据采集系统都有各自的链路和平台，导致传输链路上浪费严重，从而造成系统成本高且数据融合性差的问题。另外，由于传感器采用各自的链路，导致故障节点增多，一旦出现问题，维修维护成本也高。这些问题都导致智慧路灯在城市级的项目中很难进行大规模的推广，也很难形成真正意义上的智慧灯联网。更重要的是，智慧城市及5G建设的推进，会对智慧路灯提出更多更高的应用要求，以下需求必须在设计建设初期就予以考虑：①如何让智慧路灯杆成为共享的基础设施，实现如供电、网络、杆件等资源的共享；②如何让智慧路灯成为城市级物联网重要的入口采集平台；③如何利用智慧路灯实现城市级业务上的创新应用，如排水监测、车路协同等。针对上述问题及需求，本文提出了一种基于云边架构的城市级灯联网系统，它能够较好地解决系统的扩展性和成本问题。

1 系统架构

本系统按照“边缘感知、多层认知、按需汇聚、分级应用”的核心理念，基于云计算和边缘计算(简称云边)技术的融合，设计相关边缘的灯联网智能网关和物联网平台。其系统逻辑图如图1所示，主要分为节点的感知端、边缘计算的网关和智能应用的云计算中心，其中感知终端侧重多维感知数据的采集和前端智能处理，以灯杆为载体挂载各类如电力、网络、气象环境等需求的传感器；边缘域侧重感知数据的汇聚、存储、处理和智能应用，其中智能网关是传感设备的统一接入口，预留多种接口，支持多种协议、即插即用和边缘计算；云中心侧重业务数据融合及大数据多维分析应用，其中物联网平台负责统一管理传感设备、数据透明传输、智能分发和数据流向计量。

图1 基于云边融合室外智慧灯联网的开放架构逻辑图

系统具体架构图所图2所示。其中边缘域部分分成三部分：①传统通用型传感器，如环境感知、RFID、视频、WIFI等，这些统一接入智能网关，以减少成本和费用，网关采用如MQTT、CoAP、Http等主流协议，私有协议也可接入；②灯杆(载体感知)是否倾倒、是否供电、GPS等信息，不建议与通用传感器一同接入，否则万一系统断网就无法进行监测，可通过网络单独传输，建议采用NB-IoT的模式进行传输；③辅助接入的其他感知，如窨井盖、垃圾桶、车位传感器等，可通过路灯载体采集。

图2 基于云边融合室外智慧灯联网的开放技术架构图

云中心部分提供管理门户和开发者门户两个面向用户和开发的平台，另外还包括四个模块，分别为：①核心组件模块，包括设备控制、数据存储、告警引擎、路由分发、设备连接和协议解析等；②配置管理模块，包括告警规则配置、告警处置配置、协议模型管理和告警信息管理；③运维模块，包括工单管理、巡检管理、运维记录和故障处理记录；④基础信息管理模块，包括设备管理、应用管理、用户管理和设备/应用信息统计。

灯联网平台应能对接多样化的感知终端，并提供二次开发套件以支撑各类物联网应用开发。另外，平台整体设计时必须充分考虑接口问题，物联网平台与设备间的主要接口包括：协议解析二次开发插件接口、异常告警二次开发插件接口、数据存储二次开发插件接口和设备接入SDK；物联网平台与应用间的主要接口包括：设备管理接口、设备控制接口、设备状态及告警信息接口和感知数据接口。

2 场景需求与规划

2.1 城市级智慧灯联网场景规划

设计智慧灯联网大数据平台之前首先要做的是智慧路灯的场景规划，主要包括分析每个传感器数据的实时性和非实时性要求，采集频次以及每次采集的数据量，根据数据量的测算，估算大概的数据类型与量级，以及相对应的数据处理能力等。详细的业务数据流实例如图3所示。

图3 城市级智慧灯联网的数据流业务规划

路灯的数据流分析决定了设备场景的定位和性能需求，比如由于视频的数据需求量非常大，所以在边缘域路灯智能网关的系统中只考虑转发功能；在路灯的状态控制中，如果光度采集或时间控制组成的决策器可以本地化控制相应路灯的开关，那么就需要考虑智能网关的边缘逻辑计算控制问题。

2.2 单灯场景需求

目前主流的智慧路灯应用场景如图4所示，主要包括道路照明、5G基站、智能摄像头、WIFI、环境传感、LED显示屏、一键报警、RFID读写器、充电桩、物联网中继等，在设计智能网关时应充分考虑实际市场的需求以及传感器的接入能力。

图4 智慧路灯的典型应用场景

3 系统设计

3.1 智能网关设计

智能网关是智慧路灯最为基础和重要的一个汇聚节点，其性能好坏决定了系统的整体能力，设计时应注意以下问题：①支持多种传输协议，应预先集成主流传输协议，提供统一的数据传输协议标准，如MQTT、CoAP、Modbus、视频28181等，同时支持各种私有协议的接入，目前本系统能够接入的主流传感器协议达到了100多种；②支持多种物理接口，预留多种标准物理接口和电气接口，如RS232/485接口、交流/直流输出接口、I/O口、以太网接口等，以兼容各种设备；③融合多种网络接入方式，支持有线、无线多种通信方式，兼容以太网、WIFI、ZigBee、LoRa、NB-IoT等多种接入方式；④支持多种类型、厂家的传感设备，使系统具备更好的兼容性。另外，网关在某些特殊的场景下需要有简单的边缘逻辑计算能力(反控)，比如智能灯杆被撞到后，网关可以自动实现杆体的声光电报警和信息的自动向上报送。本系统中的智能网关的架构与功能如图5所示。

图5 智慧灯联网中智能网关的架构与功能

3.2 云中心设计

智慧路灯物联网云中心的整体架构采用分布式构架，以适应未来城市级业务中的高并发、可扩展、支撑业务场景复杂等特点，并应充分考虑作为城市级物联网基础平台未来的性能和指标扩展需求。本文所设计的智慧灯联网云中心的架构如图6所示。在设计云中心时，应充分考虑到以下几个方面：①在智慧路灯杆上，视频作为最重要的传感器之一，发挥着越来越重要的作用，处理方式和接入也最为复杂，应充分考虑其设备接入安全、访问权限控制、分析数据上报、固件升级、设备插件适配、协议模型适配、设备状态监控等功能；②IoT接入须考虑接入安全、设备入网注册、访问控制、状态监测等方面；③须充分考虑网关的设备监控执行、设备控制反馈记录等问题；④对于平台应充分考虑流量管理，包括流量分类、流量状态、接入管理和共享流量管理等问题；⑤应充分考虑平台的数据共享，如共享SDK数据管理、共享安全管理、数据共享引擎等；⑥应充分考虑二次开发包工具，如SDK/API等；⑦应开发物联网接入标准规范，如设备接入标准、数据共享标准等。

图6 智慧灯联网云中心架构

4 智慧灯联网平台的应用

本文提出并设计的基于云边融合室外智慧灯联网系统技术在某市的路灯物联网项目中得到了应用。该项目第一阶段业主需求为：接入路灯杆300多个，并实现8000多个设备的统一管理，以该智慧灯联网为基础，建立一个城管物联网平台，实现对街边违章占道、违章摆摊、违章停车和乱倒垃圾等违法违规行为的监控和自动识别，以及窨井盖的实时监测。另外，从长远看，该智慧灯联网还应能服务于照明管理、城市亮化、智慧环卫、城管智慧执法、园林绿化、市政设施、城管应急保障指挥、及户外店招广告、建筑垃圾运输、执法车辆调度监管等多个城市应用场景。这对智慧灯联网的功能扩展性提出了较高要求。

该项目采用了图2中所示的系统构架，目前除实现了项目第一阶段的需求外，还实现了以下功能：

1)基于设备接入的管理应用，支持一键报警、单灯控制、充电桩管理、温湿度传感器、积水检测传感器、智能杆传感器、摄像机、用电监测仪、智慧路灯网关等设备的接入，并可视化地展现了设备的接入数量及接入的应用开发数。

2)基于设备地理信息的管理应用，可实现设备地理信息和离线在线状态信息的显示，告警、异常、维护等信息在GIS上实现同步实时的传输，根据感测器、网关、智能设备进行信息分类。未来还可实现工单APP与平台的互通，方便运维人员直接在APP上监测设备的状态。

3)基于设备的可视化展示，展示内容包括接入总数和在线数，整体平台开发的应用数据，推送的设备及数据成功率，上报报文数和下发报文数，处理的速度和数据每日的增量等。

4)智能路网项目，实现车辆和路网采集信息数据化，通过灯联网平台+5G，实现无人驾驶车的实时同步，是未来无人驾驶领域最重要的基础数据采集平台。

5)其他功能，如工单管理、模型管理、告警管理、应用管理、巡检管理、工单管理、权限管理等，本文不作详细介绍。

基于云边融合的室外智慧灯联网系统，为用户提供了较好的整体解决方案，不仅满足了当前的应用需求，而且还提供了未来应用需求的接口，较好地解决了灯联网系统的扩展性问题，可根据管理者的实际需要灵活地进行功能和应用的扩展。此外，相比一般的系统，它减少了很多线路，降低了网络成本，避免了重复建设，节约了建设成本。

5 总结

针对目前智慧路灯中各数据采集系统链路和平台集成度不高而导致的传输链路浪费、系统成本高、扩展性差、数据融合性差及故障节点多等问题，本文提出了一种基于云边架构的城市级室外智慧灯联网系统技术，较好地解决灯联网系统的可靠性、扩展性和成本问题，使得系统扩容更容易，管理更扁平，还可实现不同数据之间的共享和关联性分析，为5G时代的互联互通打下了软硬件技术基础。

智能网关和云平台是灯联网智能化的核心技术。限于篇幅，本文简要介绍了云边融合室外智慧灯联网系统的一般特点、系统构架和软硬件设计，并给出了它在某个具体项目上的应用实例，以期对相关研究人员提供参考。