【導讀】智慧路燈是智慧城市的重要組成部分，傳統路燈僅承載著(zhù)道路照明的任務(wù)，新一代的智慧路燈則對提高道路通行效率意義重大。ABI Research的預測顯示，全球對“智能燈桿”和“智能街道照明”技術(shù)的投資，將從2022年的108億美元增長(cháng)至2030年的1,320億美元以上。
智慧路燈
智慧路燈是智慧城市的重要組成部分，傳統路燈僅承載著(zhù)道路照明的任務(wù)，新一代的智慧路燈則對提高道路通行效率意義重大。ABI Research的預測顯示，全球對“智能燈桿”和“智能街道照明”技術(shù)的投資，將從2022年的108億美元增長(cháng)至2030年的1,320億美元以上。
透過(guò)數據我們可以看到，智慧城市對于智慧路燈應用的需求旺盛。智慧路燈將為城市搭建一個(gè)智能的照明和感知網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)收集豐富的多模環(huán)境信息，為城市智慧大腦提供更好的決策支持。
智慧路燈
照亮汽車(chē)駛入全自動(dòng)駕駛時(shí)代
智慧路燈是指在傳統的路燈系統上進(jìn)行升級改造，通過(guò)感知、計算和連接等多種技術(shù)加成，讓其具備自行的控制能力，并且能與其它智慧交通設施集成，形成智慧交通系統，從而達到更高效的城市交通管理。
圖1：S.M.N.D.的智慧路燈方案
（圖源：syawalengineering.com）
借助AI智能攝像機模塊，智慧路燈能夠對城市道路中的車(chē)、人、物等元素進(jìn)行數據采集，預測車(chē)輛密度、行車(chē)和行人軌跡。
有了這些信息之后，智慧路燈就可以根據交通流量變化，自主調整燈光亮度和時(shí)間，為司機提供更好的道路照明，保障夜間行車(chē)安全。交管部門(mén)則能夠及時(shí)掌握道路情況并提前采取對應措施，主動(dòng)進(jìn)行路網(wǎng)管理部署及管控。有了智慧路燈網(wǎng)絡(luò )之后，我們對于一些緊急事件響應也會(huì )更為迅速，例如路面坍塌、道路積水和道路結冰等。智慧路燈可以及時(shí)向城市管理部門(mén)發(fā)出警報并提供一線(xiàn)道路狀況，為緊急事件的處理和應對提供重要支持。
在停車(chē)問(wèn)題上，智慧路燈也能為駕駛員提供更好的提示。傳感器實(shí)時(shí)檢測停車(chē)位占用情況，將這些信息發(fā)送到中央控制系統?；谶@些數據，中央控制系統可以快速識別出停車(chē)位的位置和可用性，并向駕駛員提供實(shí)時(shí)的、準確的停車(chē)指引。
例如
當一輛汽車(chē)進(jìn)入某個(gè)區域時(shí)，智慧路燈可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)向該駕駛員的手機或車(chē)載設備發(fā)送停車(chē)位信息，并為其提供導航指引，從而避免了在路上尋找停車(chē)位的煩惱。在美國圣地亞哥，這種智慧路燈已經(jīng)開(kāi)始試點(diǎn)，不僅能夠幫助引導司機前往空置停車(chē)位，還能提醒交通執法人員注意非法停放的汽車(chē)。
圖2：智慧路燈的引導泊車(chē)系統
（圖源：DOI:10.3390/app10031079）
上面所描述的僅是對于目前城市交通狀況的改善，讓我們把目光放得更長(cháng)遠一些，在未來(lái)的全自動(dòng)駕駛時(shí)代，智慧路燈更成為了車(chē)聯(lián)網(wǎng)的“V2I”環(huán)節中必不可少的路側單元（RSU）。透過(guò)智慧路燈感知能力的分享，自動(dòng)駕駛汽車(chē)可以突破自己車(chē)的硬件局限，進(jìn)一步將感知范圍擴大到幾十米甚至幾百米；而且密集的智慧路燈作為連接熱點(diǎn)，也降低了車(chē)輛的網(wǎng)路延遲，提高了車(chē)輛從中央控制平臺獲取信息的同步性。智慧路燈正在照亮智能汽車(chē)，駛向全面自動(dòng)駕駛的未來(lái)。
解析智慧路燈背后技術(shù)
傳感、計算和連接
作為自動(dòng)駕駛新時(shí)代的重要基建設施之一，智慧路燈不僅是一個(gè)照明工具，更是包含了多種關(guān)鍵技術(shù)的智慧終端。根據不同的安裝位置和場(chǎng)景，智慧路燈的產(chǎn)品形態(tài)和功能也有相應的變化，每一部分功能也都包含了差異化的技術(shù)路線(xiàn)。
從照明層面來(lái)看
需要LED光源和驅動(dòng)器；不同類(lèi)型驅動(dòng)器可以用數字、模擬和PWM等方式，實(shí)現對LED的亮度和色溫等參數的調節。
從感知層面來(lái)看
智慧路燈上包含了多種傳感技術(shù)，設計者可以按照實(shí)際需求進(jìn)行選擇，并且通過(guò)傳感器融合來(lái)提高檢測結果的準確性。攝像頭可以進(jìn)行視頻信息采集；紅外傳感器可以感知溫度和人體紅外輻射；光敏元件可以感知環(huán)境亮度變化；而聲音傳感器用來(lái)檢測環(huán)境聲音。
從計算層面來(lái)看
智慧路燈需要MCU等計算單元的參與。根據其本地計算需求，設計者可以選擇不同資源的MCU型號。在連接層面上，可以選擇電力線(xiàn)通信、LoRaWAN、NB-IoT、蜂窩網(wǎng)絡(luò )等多種不同的技術(shù)來(lái)與中央控制平臺進(jìn)行連接；而與附近智能設備的連接，則可以選擇像Wi-Fi和藍牙等短距離的連接技術(shù)。
在電源系統設計方面，需要考慮到路燈高功率的供電需求，選擇支持高壓轉換的電源芯片，如一些搭載了光伏發(fā)電板的路燈，還要考慮到AC/AC的轉換和儲能的設計。
圖3：智慧路燈框圖
（圖源：DOI:10.1109/COBEP.2009.5347642）
要將智慧路燈構成城市的智慧感知網(wǎng)絡(luò )，只有最底層燈桿上的端側感知計算連接技術(shù)是不夠的，還需要中間層的邊緣計算節點(diǎn)和最頂層的云平臺參與。
中間層包括交換機、路由器、服務(wù)器等設備，負責對從終端設備收集的數據進(jìn)行處理和分析，同時(shí)也可以向終端設備下發(fā)控制指令，實(shí)現對路燈和其他設備的遠程管理和控制。云平臺則是整個(gè)系統的核心，負責數據的匯總、存儲和分析。云平臺提供了數據可視化和預警功能，通過(guò)大數據和人工智能技術(shù)對海量數據進(jìn)行挖掘和分析，幫助城市管理部門(mén)做出更加科學(xué)和準確的決策。
圖4：華為智慧路燈拓撲
（圖源：華為官網(wǎng)）
高效可靠的智慧路燈驅動(dòng)方案分享
回到照明本身，要實(shí)現一切智能化的前提，是將傳統高壓鈉燈更新為L(cháng)ED照明方案，這樣才能提高能效，并使其具備更為豐富的調光功能。智慧路燈的設計者們需要設計出高能效且可靠的LED驅動(dòng)方案，這遠比普通的低壓LED驅動(dòng)設計要復雜得多，要在驅動(dòng)功能實(shí)現的同時(shí)兼顧穩定、安全性和EMC性能。
在此為大家推薦一款來(lái)自STMicroelectronics的PFC和LLC諧振組合控制器，該產(chǎn)品非常適用于高壓LED驅動(dòng)方案，在貿澤電子的具體料號為“STCMB1”。
這款控制器是一款具有X-cap放電的TM PFC和LLC的諧振組合控制器，支持耐壓800V的高壓線(xiàn)路以及控制管理線(xiàn)路。STMicroelectronics還同步提供了基于此芯片的150W/1A LED驅動(dòng)器方案，電氣規格適用于高功率街道照明應用。該方案的空載功耗小于0.5W，滿(mǎn)負載效率高于90%，能夠顯著(zhù)提高能效。此外該方案還提供了模擬、電阻和PWM三種調光方式，以及豐富的LED電路保護功能。
圖5：集成STCMB1的LED路燈驅動(dòng)方案
（圖源：STMicroelectronics）
要實(shí)現智能化，互連必不可少。選擇STEVAL-LLL006V1這一款具備低功耗遠距離連接功能的智能LED驅動(dòng)方案，就能夠加速智慧路燈的整體方案開(kāi)發(fā)。該電路板集成了基于HVLED001A高壓LED驅動(dòng)器的智能電源轉換級、一個(gè)STM32L071KZ微控制器，以及嵌入式SPSGRFC收發(fā)器模塊。SPSGRFC是一個(gè)sub-1 GHz收發(fā)器模塊，能夠配置實(shí)現6LoWPAN Mesh網(wǎng)絡(luò )，接收遠程開(kāi)、關(guān)和調光命令。
STMicroelectronics還為此方案提供了配套的移動(dòng)應用，支持在6LoWPAN網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中收集評估板上由微控制器和射頻模塊表示的照明節點(diǎn)。通過(guò)貿澤電子官網(wǎng)搜索“STEVAL-LLL006V1”，就可以找到這個(gè)方案了。
圖6：STEVAL-LLL006V1智慧路燈方案
（圖源：STMicroelectronics）
建設交通強國，智慧路燈不可缺席
智慧路燈造價(jià)高昂，這帶來(lái)了不小的推廣難度。當前我國的智慧燈桿滲透率較低，僅1%左右，但近年來(lái)增長(cháng)態(tài)勢較好。據國家統計局數據顯示，2021年我國城市道路照明燈數量超過(guò)3,200萬(wàn)盞；截止到2022年12月29日，我國智慧燈桿合計建設39.2萬(wàn)盞。
圖7：中國智慧燈桿產(chǎn)業(yè)鏈
（圖源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）
國務(wù)院也已經(jīng)頒發(fā)了《交通強國建設綱要》，目標在2035年基本建成交通強國。智慧燈桿是我們建設交通強國的必要新基建，各省市已經(jīng)投資數億元用于智慧路燈網(wǎng)的鋪設。
北京亦莊計劃斥資約15億，將60平方公里范圍內的傳統路燈全部升級為智慧路燈。深圳出臺了《深圳市推進(jìn)新型信息基礎設施建設行動(dòng)計劃（2022-2025年）》，計劃到2025年底建成4.5萬(wàn)根多功能智能桿。廣州總投資32億，計劃到2025年建成智慧燈桿約8萬(wàn)根。河南許昌的智慧城市基礎設施建設運營(yíng)項目將建設智慧燈桿數量約1.2萬(wàn)套，總投資估算為11億元。
圖8：中國智慧燈桿代表企業(yè)分布
（圖源：前瞻研究院）
作為一個(gè)具有跨界屬性的智能終端產(chǎn)品，智慧路燈這一藍海市場(chǎng)已經(jīng)吸引了來(lái)自運營(yíng)商、互聯(lián)網(wǎng)巨頭、傳統LED燈廠(chǎng)、AI安防領(lǐng)軍企業(yè)和數字化集成服務(wù)商等不同類(lèi)型的參與者。像華為、中興、?？低?、歐普照明、飛利浦等廠(chǎng)商都推出了“端邊云”一體的解決方案。
在這場(chǎng)競逐中，各家都獨具優(yōu)勢。雖然歐美廠(chǎng)商在底層技術(shù)沉淀上更具優(yōu)勢，但本土廠(chǎng)商對于中國的應用特色更為了解；運營(yíng)商在連接網(wǎng)絡(luò )搭建上具備天然優(yōu)勢，而LED方案商在端側系統集成能力更強。未來(lái)勝負尚未可知，但可以預見(jiàn)的是，在城市亮化、交通強國和新基建等多種利好疊加下，中國的智慧路燈市場(chǎng)前景廣闊。
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