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从智能照明看智慧城市中的交通规划

关键词:智能照明 智慧城市 智慧路灯

时间:2023-06-05 14:05:35      来源:贸泽电子微信公众号

智慧路灯是智慧城市的重要组成部分,传统路灯仅承载着道路照明的任务,新一代的智慧路灯则对提高道路通行效率意义重大。ABI Research的预测显示,全球对“智能灯杆”和“智能街道照明”技术的投资,将从2022年的108亿美元增长至2030年的1,320亿美元以上。

智慧路灯

智慧路灯是智慧城市的重要组成部分,传统路灯仅承载着道路照明的任务,新一代的智慧路灯则对提高道路通行效率意义重大。ABI Research的预测显示,全球对“智能灯杆”和“智能街道照明”技术的投资,将从2022年的108亿美元增长至2030年的1,320亿美元以上。

透过数据我们可以看到,智慧城市对于智慧路灯应用的需求旺盛。智慧路灯将为城市搭建一个智能的照明和感知网络,通过收集丰富的多模环境信息,为城市智慧大脑提供更好的决策支持。

智慧路灯照亮汽车驶入全自动驾驶时代

智慧路灯是指在传统的路灯系统上进行升级改造,通过感知、计算和连接等多种技术加成,让其具备自行的控制能力,并且能与其它智慧交通设施集成,形成智慧交通系统,从而达到更高效的城市交通管理。


图1:S.M.N.D.的智慧路灯方案(图源:syawalengineering.com)

借助AI智能摄像机模块,智慧路灯能够对城市道路中的车、人、物等元素进行数据采集,预测车辆密度、行车和行人轨迹。

有了这些信息之后,智慧路灯就可以根据交通流量变化,自主调整灯光亮度和时间,为司机提供更好的道路照明,保障夜间行车安全。交管部门则能够及时掌握道路情况并提前采取对应措施,主动进行路网管理部署及管控。有了智慧路灯网络之后,我们对于一些紧急事件响应也会更为迅速,例如路面坍塌、道路积水和道路结冰等。智慧路灯可以及时向城市管理部门发出警报并提供一线道路状况,为紧急事件的处理和应对提供重要支持。

在停车问题上,智慧路灯也能为驾驶员提供更好的提示。传感器实时检测停车位占用情况,将这些信息发送到中央控制系统。基于这些数据,中央控制系统可以快速识别出停车位的位置和可用性,并向驾驶员提供实时的、准确的停车指引。

例如

当一辆汽车进入某个区域时,智慧路灯可以通过无线网络自动向该驾驶员的手机或车载设备发送停车位信息,并为其提供导航指引,从而避免了在路上寻找停车位的烦恼。在美国圣地亚哥,这种智慧路灯已经开始试点,不仅能够帮助引导司机前往空置停车位,还能提醒交通执法人员注意非法停放的汽车。


图2:智慧路灯的引导泊车系统(图源:DOI:10.3390/app10031079)

上面所描述的仅是对于目前城市交通状况的改善,让我们把目光放得更长远一些,在未来的全自动驾驶时代,智慧路灯更成为了车联网的“V2I”环节中必不可少的路侧单元(RSU)。透过智慧路灯感知能力的分享,自动驾驶汽车可以突破自己车的硬件局限,进一步将感知范围扩大到几十米甚至几百米;而且密集的智慧路灯作为连接热点,也降低了车辆的网路延迟,提高了车辆从中央控制平台获取信息的同步性。智慧路灯正在照亮智能汽车,驶向全面自动驾驶的未来。

解析智慧路灯背后技术传感、计算和连接

作为自动驾驶新时代的重要基建设施之一,智慧路灯不仅是一个照明工具,更是包含了多种关键技术的智慧终端。根据不同的安装位置和场景,智慧路灯的产品形态和功能也有相应的变化,每一部分功能也都包含了差异化的技术路线。

1. 从照明层面来看

需要LED光源和驱动器;不同类型驱动器可以用数字、模拟和PWM等方式,实现对LED的亮度和色温等参数的调节。

2. 从感知层面来看

智慧路灯上包含了多种传感技术,设计者可以按照实际需求进行选择,并且通过传感器融合来提高检测结果的准确性。摄像头可以进行视频信息采集;红外传感器可以感知温度和人体红外辐射;光敏元件可以感知环境亮度变化;而声音传感器用来检测环境声音。

3. 从计算层面来看

智慧路灯需要MCU等计算单元的参与。根据其本地计算需求,设计者可以选择不同资源的MCU型号。在连接层面上,可以选择电力线通信、LoRaWAN、NB-IoT、蜂窝网络等多种不同的技术来与中央控制平台进行连接;而与附近智能设备的连接,则可以选择像Wi-Fi和蓝牙等短距离的连接技术。

在电源系统设计方面,需要考虑到路灯高功率的供电需求,选择支持高压转换的电源芯片,如一些搭载了光伏发电板的路灯,还要考虑到AC/AC的转换和储能的设计。


图3:智慧路灯框图(图源:DOI:10.1109/COBEP.2009.5347642)

要将智慧路灯构成城市的智慧感知网络,只有最底层灯杆上的端侧感知计算连接技术是不够的,还需要中间层的边缘计算节点和最顶层的云平台参与。

中间层包括交换机、路由器、服务器等设备,负责对从终端设备收集的数据进行处理和分析,同时也可以向终端设备下发控制指令,实现对路灯和其他设备的远程管理和控制。云平台则是整个系统的核心,负责数据的汇总、存储和分析。云平台提供了数据可视化和预警功能,通过大数据和人工智能技术对海量数据进行挖掘和分析,帮助城市管理部门做出更加科学和准确的决策。


图4:华为智慧路灯拓扑(图源:华为官网)

高效可靠的智慧路灯驱动方案分享

回到照明本身,要实现一切智能化的前提,是将传统高压钠灯更新为LED照明方案,这样才能提高能效,并使其具备更为丰富的调光功能。智慧路灯的设计者们需要设计出高能效且可靠的LED驱动方案,这远比普通的低压LED驱动设计要复杂得多,要在驱动功能实现的同时兼顾稳定、安全性和EMC性能。

在此为大家推荐一款来自STMicroelectronics的PFC和LLC谐振组合控制器,该产品非常适用于高压LED驱动方案,在贸泽电子的具体料号为“STCMB1”。

这款控制器是一款具有X-cap放电的TM PFC和LLC的谐振组合控制器,支持耐压800V的高压线路以及控制管理线路。STMicroelectronics还同步提供了基于此芯片的150W/1A LED驱动器方案,电气规格适用于高功率街道照明应用。该方案的空载功耗小于0.5W,满负载效率高于90%,能够显著提高能效。此外该方案还提供了模拟、电阻和PWM三种调光方式,以及丰富的LED电路保护功能。


图5:集成STCMB1的LED路灯驱动方案(图源:STMicroelectronics)

要实现智能化,互连必不可少。选择STEVAL-LLL006V1这一款具备低功耗远距离连接功能的智能LED驱动方案,就能够加速智慧路灯的整体方案开发。该电路板集成了基于HVLED001A高压LED驱动器的智能电源转换级、一个STM32L071KZ微控制器,以及嵌入式SPSGRFC收发器模块。SPSGRFC是一个sub-1 GHz收发器模块,能够配置实现6LoWPAN Mesh网络,接收远程开、关和调光命令。

STMicroelectronics还为此方案提供了配套的移动应用,支持在6LoWPAN网状网络中收集评估板上由微控制器和射频模块表示的照明节点。通过贸泽电子官网搜索“STEVAL-LLL006V1”,就可以找到这个方案了。


图6:STEVAL-LLL006V1智慧路灯方案(图源:STMicroelectronics)

建设交通强国,智慧路灯不可缺席

智慧路灯造价高昂,这带来了不小的推广难度。当前我国的智慧灯杆渗透率较低,仅1%左右,但近年来增长态势较好。据国家统计局数据显示,2021年我国城市道路照明灯数量超过3,200万盏;截止到2022年12月29日,我国智慧灯杆合计建设39.2万盏。


图7:中国智慧灯杆产业链(图源:前瞻产业研究院)

国务院也已经颁发了《交通强国建设纲要》,目标在2035年基本建成交通强国。智慧灯杆是我们建设交通强国的必要新基建,各省市已经投资数亿元用于智慧路灯网的铺设。

北京亦庄计划斥资约15亿,将60平方公里范围内的传统路灯全部升级为智慧路灯。深圳出台了《深圳市推进新型信息基础设施建设行动计划(2022-2025年)》,计划到2025年底建成4.5万根多功能智能杆。广州总投资32亿,计划到2025年建成智慧灯杆约8万根。河南许昌的智慧城市基础设施建设运营项目将建设智慧灯杆数量约1.2万套,总投资估算为11亿元。


图8:中国智慧灯杆代表企业分布(图源:前瞻研究院)

作为一个具有跨界属性的智能终端产品,智慧路灯这一蓝海市场已经吸引了来自运营商、互联网巨头、传统LED灯厂、AI安防领军企业和数字化集成服务商等不同类型的参与者。像华为、中兴、海康威视、欧普照明、飞利浦等厂商都推出了“端边云”一体的解决方案。

在这场竞逐中,各家都独具优势。虽然欧美厂商在底层技术沉淀上更具优势,但本土厂商对于中国的应用特色更为了解;运营商在连接网络搭建上具备天然优势,而LED方案商在端侧系统集成能力更强。未来胜负尚未可知,但可以预见的是,在城市亮化、交通强国和新基建等多种利好叠加下,中国的智慧路灯市场前景广阔。

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