【導(dǎo)讀】智慧路燈是智慧城市的重要組成部分，傳統(tǒng)路燈僅承載著道路照明的任務(wù)，新一代的智慧路燈則對(duì)提高道路通行效率意義重大。ABI Research的預(yù)測(cè)顯示，全球?qū)Α爸悄軣魲U”和“智能街道照明”技術(shù)的投資，將從2022年的108億美元增長(zhǎng)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(tǒng)路燈僅承載著道路照明的任務(wù)，新一代的智慧路燈則對(duì)提高道路通行效率意義重大。ABI Research的預(yù)測(cè)顯示，全球?qū)Α爸悄軣魲U”和“智能街道照明”技術(shù)的投資，將從2022年的108億美元增長(zhǎng)至2030年的1,320億美元以上。
透過(guò)數(shù)據(jù)我們可以看到，智慧城市對(duì)于智慧路燈應(yīng)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?cè)肴詣?dòng)駕駛時(shí)代
智慧路燈是指在傳統(tǒng)的路燈系統(tǒng)上進(jìn)行升級(jí)改造，通過(guò)感知、計(jì)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(shè)施集成，形成智慧交通系統(tǒng)，從而達(dá)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(jī)模塊，智慧路燈能夠?qū)Τ鞘械缆分械能?chē)、人、物等元素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，預(yù)測(cè)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(jù)交通流量變化，自主調(diào)整燈光亮度和時(shí)間，為司機(jī)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(duì)應(yīng)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(duì)于一些緊急事件響應(yīng)也會(huì)更為迅速，例如路面坍塌、道路積水和道路結(jié)冰等。智慧路燈可以及時(shí)向城市管理部門(mén)發(fā)出警報(bào)并提供一線(xiàn)道路狀況，為緊急事件的處理和應(yīng)對(duì)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(cè)停車(chē)位占用情況，將這些信息發(fā)送到中央控制系統(tǒng)。基于這些數(shù)據(jù)，中央控制系統(tǒng)可以快速識(shí)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(zhǔn)確的停車(chē)指引。
例如
當(dāng)一輛汽車(chē)進(jìn)入某個(gè)區(qū)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(jī)或車(chē)載設(shè)備發(fā)送停車(chē)位信息，并為其提供導(dǎo)航指引，從而避免了在路上尋找停車(chē)位的煩惱。在美國(guó)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(dǎo)司機(jī)前往空置停車(chē)位，還能提醒交通執(zhí)法人員注意非法停放的汽車(chē)。
圖2：智慧路燈的引導(dǎo)泊車(chē)系統(tǒng)
（圖源：DOI:10.3390/app10031079）
上面所描述的僅是對(duì)于目前城市交通狀況的改善，讓我們把目光放得更長(zhǎng)遠(yuǎn)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(jié)中必不可少的路側(cè)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(kuò)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(tái)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(jì)算和連接
作為自動(dòng)駕駛新時(shí)代的重要基建設(shè)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(jù)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(yīng)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(qū)動(dòng)器；不同類(lèi)型驅(qū)動(dòng)器可以用數(shù)字、模擬和PWM等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的亮度和色溫等參數(shù)的調(diào)節(jié)。
從感知層面來(lái)看
智慧路燈上包含了多種傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)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(cè)結(jié)果的準(zhǔn)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(cè)環(huán)境聲音。
從計(jì)算層面來(lái)看
智慧路燈需要MCU等計(jì)算單元的參與。根據(jù)其本地計(jì)算需求，設(shè)計(jì)者可以選擇不同資源的MCU型號(hào)。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(tái)進(jìn)行連接；而與附近智能設(shè)備的連接，則可以選擇像Wi-Fi和藍(lán)牙等短距離的連接技術(shù)。
在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，需要考慮到路燈高功率的供電需求，選擇支持高壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換和儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)。
圖3：智慧路燈框圖
（圖源：DOI:10.1109/COBEP.2009.5347642）
要將智慧路燈構(gòu)成城市的智慧感知網(wǎng)絡(luò)，只有最底層燈桿上的端側(cè)感知計(jì)算連接技術(shù)是不夠的，還需要中間層的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和最頂層的云平臺(tái)參與。
中間層包括交換機(jī)、路由器、服務(wù)器等設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)從終端設(shè)備收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，同時(shí)也可以向終端設(shè)備下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈和其他設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和控制。云平臺(tái)則是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總、存儲(chǔ)和分析。云平臺(tái)提供了數(shù)據(jù)可視化和預(yù)警功能，通過(guò)大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)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(zhǔn)確的決策。
圖4：華為智慧路燈拓?fù)?/p>
（圖源：華為官網(wǎng)）
高效可靠的智慧路燈驅(qū)動(dòng)方案分享
回到照明本身，要實(shí)現(xiàn)一切智能化的前提，是將傳統(tǒng)高壓鈉燈更新為L(zhǎng)ED照明方案，這樣才能提高能效，并使其具備更為豐富的調(diào)光功能。智慧路燈的設(shè)計(jì)者們需要設(shè)計(jì)出高能效且可靠的LED驅(qū)動(dòng)方案，這遠(yuǎn)比普通的低壓LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，要在驅(qū)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)兼顧穩(wěn)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(qū)動(dòng)方案，在貿(mào)澤電子的具體料號(hào)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(qū)動(dòng)器方案，電氣規(guī)格適用于高功率街道照明應(yīng)用。該方案的空載功耗小于0.5W，滿(mǎn)負(fù)載效率高于90%，能夠顯著提高能效。此外該方案還提供了模擬、電阻和PWM三種調(diào)光方式，以及豐富的LED電路保護(hù)功能。
圖5：集成STCMB1的LED路燈驅(qū)動(dòng)方案
（圖源：STMicroelectronics）
要實(shí)現(xiàn)智能化，互連必不可少。選擇STEVAL-LLL006V1這一款具備低功耗遠(yuǎn)距離連接功能的智能LED驅(qū)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(qū)動(dòng)器的智能電源轉(zhuǎn)換級(jí)、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(xiàn)6LoWPAN Mesh網(wǎng)絡(luò)，接收遠(yuǎn)程開(kāi)、關(guān)和調(diào)光命令。
STMicroelectronics還為此方案提供了配套的移動(dòng)應(yīng)用，支持在6LoWPAN網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中收集評(píng)估板上由微控制器和射頻模塊表示的照明節(jié)點(diǎn)。通過(guò)貿(mào)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(shè)交通強(qiáng)國(guó)，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(dāng)前我國(guó)的智慧燈桿滲透率較低，僅1%左右，但近年來(lái)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)較好。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2021年我國(guó)城市道路照明燈數(shù)量超過(guò)3,200萬(wàn)盞；截止到2022年12月29日，我國(guó)智慧燈桿合計(jì)建設(shè)39.2萬(wàn)盞。
圖7：中國(guó)智慧燈桿產(chǎn)業(yè)鏈
（圖源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）
國(guó)務(wù)院也已經(jīng)頒發(fā)了《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，目標(biāo)在2035年基本建成交通強(qiáng)國(guó)。智慧燈桿是我們建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的必要新基建，各省市已經(jīng)投資數(shù)億元用于智慧路燈網(wǎng)的鋪設(shè)。
北京亦莊計(jì)劃斥資約15億，將60平方公里范圍內(nèi)的傳統(tǒng)路燈全部升級(jí)為智慧路燈。深圳出臺(tái)了《深圳市推進(jìn)新型信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃（2022-2025年）》，計(jì)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(jì)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目將建設(shè)智慧燈桿數(shù)量約1.2萬(wàn)套，總投資估算為11億元。
圖8：中國(guó)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(lán)海市場(chǎng)已經(jīng)吸引了來(lái)自運(yùn)營(yíng)商、互聯(lián)網(wǎng)巨頭、傳統(tǒng)LED燈廠(chǎng)、AI安防領(lǐng)軍企業(yè)和數(shù)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(jìng)逐中，各家都獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。雖然歐美廠(chǎng)商在底層技術(shù)沉淀上更具優(yōu)勢(shì)，但本土廠(chǎng)商對(duì)于中國(guó)的應(yīng)用特色更為了解；運(yùn)營(yíng)商在連接網(wǎng)絡(luò)搭建上具備天然優(yōu)勢(shì)，而LED方案商在端側(cè)系統(tǒng)集成能力更強(qiáng)。未來(lái)勝負(fù)尚未可知，但可以預(yù)見(jiàn)的是，在城市亮化、交通強(qiáng)國(guó)和新基建等多種利好疊加下，中國(guó)的智慧路燈市場(chǎng)前景廣闊。
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