智慧路灯解决方案
方案概述
智慧路灯是智慧城市最典型的 NB-IoT 应用场景，通过为路灯加装智能控制器，实现远程监控、按需调光、故障预警，可节省电费 30-50%。
系统组成
智慧路灯系统：
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ 路灯控制器（单灯控制器） │
│ NB-IoT 模组（BC660K）+ MCU + 电量计 + 调光模块 │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
↓ NB-IoT 网络
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ 集中器（可选） │
│ 多个单灯控制器 → 集中器 → 4G 上传 │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
↓ 4G/NB-IoT 网络
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ 路灯管理平台 │
│ GIS 地图 / 单灯控制 / 能耗统计 / 故障管理 / 报表 │
└─────────────────────────────────────────────────────┘单灯控制器设计
硬件设计
单灯控制器组成：
供电：220V AC → 开关电源 → 12V DC → LDO → 3.3V
主控：STM32L4（低功耗 MCU）
通信：BC660K-GL（NB-IoT）
- 天线：内置 FPC 天线（安装在灯杆内）
- SIM：运营商物联网 SIM 卡
调光：TRIAC 调光电路（0-100% 调光）
- 适用：LED 驱动器（支持 0-10V 或 PWM 调光）
计量：CS5460A 电量计芯片
- 测量：电压、电流、功率、电量
- 接口：SPI
传感器：
- 光照传感器（BH1750）：检测环境光，自动开关灯
- 温度传感器（DS18B20）：监控灯具温度
存储：W25Q32（4MB Flash）：本地数据缓存调光控制
c
// TRIAC 调光控制（过零检测 + 相位控制）
#include "stm32l4xx_hal.h"
#define ZERO_CROSS_PIN GPIO_PIN_0
#define TRIAC_GATE_PIN GPIO_PIN_1
volatile uint8_t brightness = 100; // 0-100%
volatile uint8_t zero_cross_flag = 0;
// 过零检测中断
void EXTI0_IRQHandler(void) {
if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(ZERO_CROSS_PIN)) {
zero_cross_flag = 1;
__HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(ZERO_CROSS_PIN);
}
}
// 调光任务
void dimming_task(void) {
while (1) {
if (zero_cross_flag) {
zero_cross_flag = 0;
if (brightness == 0) {
// 关灯
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, TRIAC_GATE_PIN, GPIO_PIN_RESET);
} else if (brightness == 100) {
// 全亮
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, TRIAC_GATE_PIN, GPIO_PIN_SET);
} else {
// 相位控制：延迟时间越长，亮度越低
// 50Hz 交流电，半周期 10ms
uint32_t delay_us = (100 - brightness) * 100; // 0-10000μs
HAL_Delay_us(delay_us);
// 触发 TRIAC
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, TRIAC_GATE_PIN, GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay_us(100); // 触发脉冲宽度
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, TRIAC_GATE_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}
}
}
}时控策略
时间表配置
json
// 路灯时控策略（下发到控制器）
{
"schedule_id": "SCH_001",
"name": "标准时控策略",
"rules": [
{
"time": "18:00",
"action": "on",
"brightness": 100,
"description": "日落开灯，全亮"
},
{
"time": "22:00",
"action": "dim",
"brightness": 70,
"description": "22点后降低亮度"
},
{
"time": "00:00",
"action": "dim",
"brightness": 50,
"description": "深夜进一步降低"
},
{
"time": "05:00",
"action": "dim",
"brightness": 100,
"description": "早高峰前恢复全亮"
},
{
"time": "07:00",
"action": "off",
"brightness": 0,
"description": "日出关灯"
}
],
"light_sensor": {
"enabled": true,
"on_threshold": 50, // 光照 < 50 lux 开灯
"off_threshold": 200 // 光照 > 200 lux 关灯
}
}故障检测与告警
故障类型
故障类型：
1. 灯具故障（灯不亮）
检测：发送开灯命令后，电流为0
2. 驱动器故障
检测：电压正常但电流异常
3. 通信故障
检测：超过设定时间无心跳
4. 过温告警
检测：灯具温度 > 85°C
5. 漏电告警
检测：漏电电流 > 30mA故障处理流程
故障检测 → 本地记录 → NB-IoT 上报 → 平台告警
↓
平台接收告警
↓
自动派单（工单系统）
↓
维修人员接单（手机 App）
↓
现场维修
↓
维修完成确认
↓
工单关闭能耗分析
节能效果计算
python
def calculate_energy_saving(lamps_count, hours_per_day,
original_power, smart_power,
electricity_price):
"""
计算智慧路灯节能效果
参数：
lamps_count: 路灯数量
hours_per_day: 每天开灯时间（小时）
original_power: 原始功率（W）
smart_power: 智慧路灯平均功率（W，考虑调光）
electricity_price: 电价（元/kWh）
"""
# 年用电量（kWh）
original_energy = lamps_count * hours_per_day * 365 * original_power / 1000
smart_energy = lamps_count * hours_per_day * 365 * smart_power / 1000
# 节省电量
saved_energy = original_energy - smart_energy
# 节省费用
saved_cost = saved_energy * electricity_price
# 节能率
saving_rate = (saved_energy / original_energy) * 100
return {
"original_energy_kwh": round(original_energy, 0),
"smart_energy_kwh": round(smart_energy, 0),
"saved_energy_kwh": round(saved_energy, 0),
"saved_cost_yuan": round(saved_cost, 0),
"saving_rate_percent": round(saving_rate, 1)
}
# 示例：1000盏路灯，每天12小时，原功率250W，智慧后平均150W
result = calculate_energy_saving(
lamps_count=1000,
hours_per_day=12,
original_power=250,
smart_power=150,
electricity_price=0.8
)
print(f"年节省电量：{result['saved_energy_kwh']:,} kWh")
print(f"年节省费用：{result['saved_cost_yuan']:,} 元")
print(f"节能率：{result['saving_rate_percent']}%")
# 输出：
# 年节省电量：438,000 kWh
# 年节省费用：350,400 元
# 节能率：40.0%