智慧灯杆光学测量模块的设计论述

1、 智慧灯杆光学测量模块的设计陈忠军(盐城市丰登电子仪器有限公司，江苏 盐城 224002）摘要：本文根据江苏省城市照明智慧灯杆建设指南的要求设计了智慧灯杆的光学测量模块，利用该模块可以对路灯照明质量进行实时监控，圈子包括路灯的现场路面亮度，光源的显示指数和色温进行实时测量，同时增设了对突发性自然灾害所引起的太阳光照明所产生的照度骤降提供实时远程报警与及时控制，以提高路灯自身的照明水平和抵御灾害性天气的抗风险能力。关键词：智慧灯杆、光学测量、亮度测量、色温测量、显色指数测量、照度测量及报警Design of optical measurement module for smart lamp po

2、stAbstract: According to the requirements of the guide to the construction of smart lighting poles in Jiangsu Province, this paper designs the optical measurement module of smart lighting poles. Using this module, the lighting quality of street lamps can be monitored in real time, including the on-s

3、ite road brightness of street lamps, the display index and color temperature of light sources, At the same time, it is added to provide real-time remote alarm and timely control for the sudden drop of illumination caused by solar lighting caused by sudden natural disasters, so as to improve the ligh

4、ting level of street lamps and the anti risk ability to resist disastrous weather.Key words: smart lamp pole, optical measurement, brightness measurement, color temperature measurement, color rendering index measurement, illumination measurement and alarm引言随着人工智能、大数据、5G等新技术的不断发展，智慧城市的不断建设，为城市照明的灯杆资源

5、的充分利用提供了方向，“一杆多用”的提出为智慧灯杆奠定了基础。根据江苏省城市照明智慧灯杆建设指南的指导要求，由于路灯灯杆的覆盖面广，分布规律为公共服务设施提供了良好的基础支撑。我市积极推动路灯灯杆的综合利用，努力打造智慧灯杆示范区，深入规范和科学指导智慧灯杆的建设、发展、运行及维护，美化了城市环境，优化了空间结构，促进城市高质量发展。为了提高对路灯照明质量的实时监控，从实时管控灾害性天气的角度出发，有必要在多功能灯杆上增设对路灯的现场路面亮度，对光源的显示指数和色温，对灾害性天气日光照明所产生的照度骤降提供实时远程控制，以提高路灯自身的照明水平和对突出灾害性天气的路灯管理能力。1一、系统的设计

6、思想和主要结构及通讯模式1.设计思想为了便于实时的对道路照明质量的监控，及时发现突发性的灾害天气，并实时的得到现场数据，在智慧灯杆的基础上增加了光学测量模块，本模块采用了瞄点式亮度计、光谱传感器以及照度传感器，配合自主研发的软件并且加装了防雨防尘装置，保证了测量的准确性、可重复性及稳定性。该测量模块的测量数据将接入智慧城市管理平台，或者直接传送的相关管理人员的电脑及手机终端。2.模块组成部分说明（1）路面亮度测量单元：使用瞄点式亮度计，对指定路面亮度进行实时检测，并上传数据。瞄点式亮度计是利用透镜成像原理，如图1所示。通过望远光学系统，能够在非接触状态下测定光源或物体的亮度。通过人眼直接目视瞄

7、准目标物、调节焦距、变换视角等方法对目标物进行测量，减少测量过程中的人为或外界误差。该系统中不包含任何模拟部分，克服了现有亮度计难以避免的零点漂移问题，具有数字系统的强抗干扰能力和高转换精度，同时仪器采用了大动态范围的数字传感器，消除了传统亮度计的量程切换误差。仪器内含RS232接口，可经过计算机软件定标，同时可用于计算机远程在线监控应用，系统稳定性高，可实时数据采集。2图1 瞄点式亮度计成像原理图Fig. 1Imaging principle diagram of aiming point luminance meter（2）色温、显色指数测量单元：使用光谱传感器，对灯杆上方路灯进行检测，实

8、时得到色温、显色指数数据，并上传数据。光谱传感器可将不同的路灯光源进行光分解，通过对光信息的采集和分析，从而得到不同的光学参数。仪器通过光电倍增管等光探测器测量光谱线不同波长位置的强度。其基本构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上进行强度测定，如图2所示。配套专业的测试分析软件可查看光谱曲线图以及相应的光学参数指标。图2 光谱传感器的简单结构Fig. 2 Simple structure of spectral sensor日光照度测量单元：对天空环境照度进行实时检测，当照度小于一定数值

9、时，及时发出报警信号，并自动点亮路灯。 照度传感器主要是通过硒光电池是将光能直接转换成电能的光电元件。当光线射到硒光电池表面时，入射光透过金属薄膜4到达半导体硒层2和金属薄膜4的分界面上，在界面上产生光电效应。其产生电位差的大小与光电池受光表面上的照度有一定的比例关系。同时接上外接电路，产生电流，电流值从以勒克斯（lux）为刻度的微安表上指示出来。光电流的大小取决于入射光的强弱和回路中的电阻。通过变档的调节，可测量不同的照度值。如图3所示。图3 照度传感器原理图Fig. 3 Schematic diagram of illuminance sensor3.通信模式（1）光学测量模块加入物联网，

10、使用NB-IoT（基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）网络，定时向服务器发送数据。（2）光学测量模块使用RS232或RS485线，直接按双方设置好的通讯协议把数据发送给智慧灯杆，然后智慧灯杆再向控制中心服务器发送数据。二、光学模块介绍1.设计效果图图4 设计效果图Fig. 4 Design effect2.系统图图5系统图Fig. 5 System diagram3.设计主要技术参数（1）路面亮度测量单元：亮度测量范围：0-10cd/m2亮度测量精度：5%（2）色温、显色指数测量单元：色温测量范围：1500-25000 K显色指数

11、测量范围：0-100测量精度：5%（3）日光照度测量单元：照度测量范围：0-200000 Lx照度测量精度：5%三、软件设计1.设计思想及要求为了更够实现智慧灯杆的集中统一管理，软件将会采用Jave EE体系和物联网，形成一个成熟、扩展性强的基础架构，建立一个集数据测量、数据分析、实时监控、定时传输以及及时报警等多功能的软件平台。支持Windows操作系统、并且支持SQL Server、MySQL等主流的数据库系统。并且提供应用和数据接口给使用部门和管理部门。设计时考虑到要与现有的相关城市照明智能化系统（如集中控制系统、单灯控制系统）的对接，最大程度地保护已建资源；同时考虑今后的软件升级与无缝

12、扩展。软件不仅支持运维单位的私有安装部署，还支持云端安装部署，并且提供相应的手机APP。软件满足以下要求: （1） 采用统一的账号和权限管理机制； （2）支持弹性扩展； （3）支持新增特性的快速上线、发布； （4）支持在线升级、回退和扩容。32.软件界面设计（1）照度、亮度测量界面图 6照度、亮度测量界面Fig.6 Illumination and brightness measurement interface（2）色温、显色指数测量界面图 7色温、显色指数测量界面Fig.7 Measurement interface of color temperature and color rende

13、ring index通过软件可以实时的对现场的照度、亮度、色温、显色指数进行实时测量，并通过无线网络定时向服务器发送数据。软件曲线图也可以看出不同时段数据的变化情况。实现灾害性天气日光照明所产生的照度骤降提供实时远程控制，以提高路灯自身的照明水平和对突出灾害性天气的路灯管理能力。四、运行与维护（1）每季度定期对系统进行一次全面的功能性检查，并及时提交系统运维报告。（2）由于户外灰尘较多，需定期对瞄点式亮度计、光谱传感器、照度传感器进行清理，保证测量的准确性。（3）如遇极端天气或重大节假日、重大活动前，应加强对系统的检查、维护工作。（4）检测时主要查看传感器的防护、固定以及供电和通信情况，然后对后台采集的数据进行验证，并定期校验传感器。五、结束语随着城市建设的规范化、科学化的不断进步。智慧灯杆的运用将更加的广泛，光学测量模块的增加将有