王 駿

（南京路燈工程建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210000）

人工智能、大數(shù)據(jù)、5G等新技術(shù)的發(fā)展和智慧城市建設(shè)，為城市照明燈桿資源的充分利用提供了方向。路燈燈桿的覆蓋面廣、分布規(guī)律為公共服務(wù)設(shè)施建設(shè)提供了良好的基礎(chǔ)支撐，因此，推動路燈燈桿的綜合利用，努力打造智慧燈桿示范區(qū)，規(guī)范和科學(xué)指導(dǎo)智慧燈桿的建設(shè)、發(fā)展、運(yùn)行及維護(hù)，可美化城市環(huán)境，優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)城市高質(zhì)量發(fā)展。為提高路燈照明質(zhì)量，在多功能燈桿上增設(shè)現(xiàn)場路面亮度、光源顯示指數(shù)和色溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，防止災(zāi)害性天氣日光照度驟降影響路燈的照明水平［1］。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、主要結(jié)構(gòu)和通信模式

1.1 設(shè)計(jì)思路

為便于對道路照明質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)應(yīng)對突發(fā)性災(zāi)害天氣，并實(shí)時(shí)得到現(xiàn)場數(shù)據(jù)，在智慧燈桿的基礎(chǔ)上增加了光學(xué)測量模塊，采用瞄點(diǎn)式亮度計(jì)、光譜傳感器和照度傳感器，配合自主研發(fā)的軟件并加裝防雨防塵裝置，保證測量的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性及穩(wěn)定性。該測量模塊的測量數(shù)據(jù)將接入智慧城市管理平臺，或直接傳送至相關(guān)管理人員的電腦及手機(jī)終端。

1.2 模塊組成

1）路面亮度測量單元。使用瞄點(diǎn)式亮度計(jì)，對指定路面亮度實(shí)時(shí)監(jiān)測，并上傳數(shù)據(jù)。

瞄點(diǎn)式亮度計(jì)利用透鏡成像原理，通過望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，在非接觸狀態(tài)下測定光源或物體的亮度，如圖1所示。通過直接目視瞄準(zhǔn)、調(diào)節(jié)焦距、變換視角等方法對目標(biāo)物進(jìn)行測量，減少測量過程中的人為或外界誤差。該系統(tǒng)中不包含任何模擬部分，克服了現(xiàn)有亮度計(jì)難以避免的零點(diǎn)漂移問題，具有抗干擾能力和高轉(zhuǎn)換精度，而且儀器采用了大動態(tài)范圍的數(shù)字傳感器，消除了傳統(tǒng)亮度計(jì)的量程切換誤差。儀器內(nèi)含RS232接口，經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件定標(biāo)，可用于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)，穩(wěn)定性高，可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)［2］。

圖1 瞄點(diǎn)式亮度計(jì)成像原理圖

2）色溫、顯色指數(shù)測量單元。使用光譜傳感器，實(shí)時(shí)測得路燈的色溫、顯色指數(shù)數(shù)據(jù)，并上傳數(shù)據(jù)。

光譜傳感器可將不同的路燈光源進(jìn)行光分解，通過對光信息的采集和分析，得到不同的光學(xué)參數(shù)。儀器通過光電倍增管等光探測器測量光譜線不同波長位置的強(qiáng)度。其基本構(gòu)造由一個(gè)入射狹縫、一個(gè)色散系統(tǒng)、一個(gè)成像系統(tǒng)和一個(gè)或多個(gè)出射狹縫組成。通過色散元件將輻射源的電磁輻射分離出所需要的波長或波長區(qū)域，并在選定的波長上進(jìn)行強(qiáng)度測定，如圖2所示。配套專業(yè)的測試分析軟件，可查看光譜曲線圖及相應(yīng)的光學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

圖2 光譜傳感器的簡單結(jié)構(gòu)

3）日光照度測量單元。對天空環(huán)境照度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)照度小于一定數(shù)值時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，并自動點(diǎn)亮路燈。

照度傳感器是通過硒光電池將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的光電元件。當(dāng)光線照射到硒光電池表面時(shí)，入射光透過金屬薄膜到達(dá)半導(dǎo)體硒層和金屬薄膜的分界面上，在界面上產(chǎn)生光電效應(yīng)。其產(chǎn)生電位差的大小與光電池受光表面上的照度有一定的比例關(guān)系。同時(shí)接上外接電路，產(chǎn)生電流，電流值從微安表上顯示。光電流的大小取決于入射光的強(qiáng)弱和回路中的電阻。通過變檔的調(diào)節(jié)，可測量不同的照度值，如圖3所示。

圖3 照度傳感器原理圖

1.3 通信模式

1）光學(xué)測量模塊加入物聯(lián)網(wǎng)，使用NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

2）光學(xué)測量模塊使用RS232或RS485線，直接按雙方設(shè)置好的通信協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送至智慧燈桿，智慧燈桿再向控制中心服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 光學(xué)模塊介紹

2.1 設(shè)計(jì)效果圖

智慧燈桿和光學(xué)測量模塊組合設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)效果圖

2.2 系統(tǒng)圖

光學(xué)測量模塊系統(tǒng)如圖5所示。

2.3 設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

2.3.1 路面亮度測量單元

1）亮度測量范圍：0～10 cd／m2；

2）亮度測量精度：±5%。

圖5 系統(tǒng)圖

2.3.2 色溫、顯色指數(shù)測量單元

1）色溫測量范圍：1 500～25 000 K；

2）顯色指數(shù)測量范圍：0～100；

3）測量精度：±5%。

2.3.3 日光照度測量單元

1）照度測量范圍：0～200 000 lx；

2）照度測量精度：±5%。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路及要求

為實(shí)現(xiàn)智慧燈桿的集中統(tǒng)一管理，軟件采用Jave EE體系和物聯(lián)網(wǎng)，形成一個(gè)成熟、擴(kuò)展性強(qiáng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，建立集數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、定時(shí)傳輸、及時(shí)報(bào)警等功能為一體的軟件平臺。支持Windows操作系統(tǒng)、支持SQL Server、MySQL等主流數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并提供應(yīng)用和數(shù)據(jù)接口給使用部門和管理部門。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到要與現(xiàn)有的城市照明智能化系統(tǒng)（如集中控制系統(tǒng)、單燈控制系統(tǒng)）對接，最大程度保護(hù)已建資源，同時(shí)考慮今后的軟件升級與無縫擴(kuò)展問題。

軟件不僅支持運(yùn)維單位的私有部署安裝，還支持云端部署安裝，并提供相應(yīng)的手機(jī)APP。

軟件滿足以下要求：

1）采用統(tǒng)一的賬號和權(quán)限管理機(jī)制；

2）支持彈性擴(kuò)展；

3）支持新增特性的快速上線、發(fā)布；

4）支持在線升級、回退和擴(kuò)容［3］。

3.2 軟件界面設(shè)計(jì)

照度、亮度測量界面如圖6所示。

色溫、顯色指數(shù)測量界面如圖7所示。

圖6 照度、亮度測量界面

圖7 色溫、顯色指數(shù)測量界面

通過軟件可以對現(xiàn)場的照度、亮度、色溫、顯色指數(shù)實(shí)時(shí)測量，并通過無線網(wǎng)絡(luò)定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。軟件曲線圖也可看出不同時(shí)段數(shù)據(jù)的變化情況。

4 運(yùn)行與維護(hù)

1）每季度定期對系統(tǒng)進(jìn)行一次全面的功能性檢查，并及時(shí)提交系統(tǒng)運(yùn)維報(bào)告。

2）由于戶外灰塵較多，需定期對瞄點(diǎn)式亮度計(jì)、光譜傳感器、照度傳感器進(jìn)行清理，保證測量的準(zhǔn)確性。

3）如遇極端天氣或重大節(jié)假日、重大活動前，應(yīng)加強(qiáng)對系統(tǒng)的檢查、維護(hù)。

4）檢測時(shí)主要查看傳感器的防護(hù)、固定以及供電和通信情況，對后臺采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并定期校驗(yàn)傳感器。

5 結(jié)論

隨著城市建設(shè)規(guī)范化、科學(xué)化的不斷進(jìn)步，智慧燈桿的運(yùn)用將更加廣泛，光學(xué)測量模塊的增加有效提高了智慧燈桿的利用率，實(shí)時(shí)反映了室外光學(xué)數(shù)據(jù)的變化情況，以提高路燈照明水平和突發(fā)災(zāi)害性天氣時(shí)對路燈的管控能力。