CN109945139A - 基于5g通信的多功能智慧灯杆系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，包括：总控系统，用于控制路灯所形成的网络区域；路灯主体，在城市中分布形成路灯网络结构，且每一个所述路灯主体的第一距离内至少存在另一个所述路灯主体；通信模块，位于每个所述路灯主体上，用于路灯主体之间的通讯，灯杆与监控中心的通讯，5G信号覆盖；自检监控系统，与单个路灯内部的电路连接，用于监测电路的实时状态；地下管廊，位于地下，通过有线方式将路灯主体连接供电设备并通过有线方式将路灯系统的信息与总控制台交互；其中，所述第一距离为路灯的照明范围半径值。本发明所达到的有益效果：提供一种智能化灯杆，实现城市化建设的需要。

Description

基于5G通信的多功能智慧灯杆系统

技术领域

本发明涉及一种基于5G通信的多功能智慧灯杆系统。

背景技术

随着国家对智能化城市建设的大力推进，智慧城市、智慧社区、建设加快，智慧灯杆越来越普遍，在未来出行扮演着重要角色。

目前的灯杆就是采用最基本的功能来实现所需要的照明功能，对于智能化的城市建设来说需要通过多功能化的技术来实现智能化的特点。

发明内容

为解决前述问题，本发明提供了一种基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，包括：

总控系统，用于控制路灯所形成的网络区域；

路灯主体，在城市中分布形成路灯网络结构，且每一个路灯主体的第一距离内至少存在另一个路灯主体；

通信模块，位于每个路灯主体上，用于路灯主体内置的5G应用模块之间的通讯、路灯主体与总控系统之间的通讯、5G信号覆盖；

自检监控系统，与单个路灯内部的电路连接，用于监测电路的实时状态；

地下管廊，位于地下，通过有线方式将路灯主体连接供电设备并通过有线方式将路灯系统的信息与总控制台交互；

其中，第一距离为路灯的照明范围半径值。

进一步地，基于5G通信的多功能智慧灯杆系统还包括：

监控模块，与通信模块相连接，对路灯主体所处的第二距离内的路况以及环境进行监控；

其中，第二距离为通信模块的通讯距离。

进一步地，通信模块包括：

5G基站或光纤或NB-IOT模块或Zigbee模块或Wifi模块。

进一步地，监控模块还包括：

环境监测单元，位于路灯主体上，通过传感器对环境数据进行监测，并通过通信模块将数据传递给总控系统。

进一步地，通信模块中内嵌有RFID标签。

进一步地，RFID标签具备唯一性。

进一步地，RFID标签只读。

进一步地，基于5G通信的多功能智慧灯杆系统还包括：

信息发布系统，用于实现信息和后台信息的播报；信息发布系统以城市为区域，通过光纤和5G无线的方式将每一个信息发布系统的硬件与城市中的总控系统相连接。

进一步地，路灯主体包括：

底板、屏幕清洁机构、防护机构、固定安装在底板顶部表面的灯杆本体以及固定安装在灯杆本体顶部的固定柱，

固定柱的顶端固定安装有气象站，固定柱的一侧固定安装有照明灯，照明灯的底部设置有摄像头；

摄像头通过连接条固接有固定板，固定板与固定柱的侧壁固接，固定柱的一侧固定安装有广告屏，且广告屏的顶部设置有无线连接器，无线连接器与固定柱的侧壁固接。

进一步地，屏幕清洁机构包括电动推杆以及清洁刷筒，电动推杆的外壳通过固定座与固定柱的正面固定连接，电动推杆的输出轴末端转动连接有短轴，且短轴的末端与清洁刷筒的一端固定套接，清洁刷筒位于广告屏的顶部。

本发明所达到的有益效果：提供一种智能化灯杆，实现城市化建设的需要。

附图说明

图1是智能灯杆的分布图；

图2是智能灯杆的内部系统图；

图3是智能灯杆的结构示意图。

图中附图标记的含义：

1-底板，2-充电桩本体，3-操作界面，4-橡胶软板，5-子魔术贴，6-第一磁性密封条，7-不干胶层，8-干燥剂包，9-第二磁性密封条，10-母魔术贴，11-固定孔，12-固定柱，13-广告屏，14-清洁刷筒，15-电动推杆，16-固定座，17-气象站，18-无线连接器，19-照明灯，20-固定板，21-摄像头，22-连接条，23-加强筋板，24-短轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本方案作为基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，通过在城市中以一定的分布方式形成分布网络，覆盖整个城市所在的区域，以对城市中的信息进行实时的监控以及收集，通过智慧路灯的形式进行分布，不仅有利于市政形象，也可以优化整个系统介入的成本，能够使得这一系列的智能化实现起来难度更低。

在整体的技术方案中，基于5G通信的多功能智慧灯杆系统中有路灯作为主体的网络分布考虑两个因素，第一是路灯本身所需要的密集程度，第二是路灯之间信息交互所需要的距离，必须在路灯分布密集度比较合理的条件下，再优化路灯之间的距离，确保在每一个路灯的有效信息交互范围内至少有一个其他路灯。

如图1所示，每个路灯在本实施例中的负责区域为一个六边形，将整个城市区域划分成若干个紧密相连的块，每个路灯位于块的中心区域中。

每一个智慧路灯的主体包含有一个总系统和若干个子系统，子系统中至少设置有：

智慧照明系统，包括有照明灯(采用现有的灯体)、控制器。其中控制器中内嵌有唯一的RFID标签，控制器与信息交互系统连接，可以实现对于照明灯亮度的调节，在控制器与信息交互系统的数据交互中，包含有RFID标签。

作为一个具体的实施例，可以将一片区域的照明灯通过一集中控制器的设备同一控制，这样的好处在于便于管理，如果所有的都是单独操作的话，对于总控台方的操作是极其繁琐的。

本方案中的集中管理器是照明控制系统中的一个重要组成部分，其核心芯片采用5G通信模块，配合专业的硬件和软件设计，使产品具有功能强大，易实施、免布线、工作可靠、易于维护等优点，是专门为智能路灯照明而研发出来的高性能路灯节能产品。

集中管理器内部包含一个三相电流与三相电压计量电路，可以实时采集三相电的负载工作及用电情况，通过采集每个回路的功率，来统计路灯的亮灯率，大大减少路灯管理部门的工作压力，提高工作效率，从而显著提高社会节能效益。

信息交互系统，包括有5G模块、wifi模块或者NB-IOT模块中的至少一个，以便于实现交互过程中的稳定性，信息交互系统与其他所有的子模块均连接，同时，信息交互系统与总系统连接，可以通过在地下利用管廊的形式进行连接。

作为一个备用方案，采用NB-IOT模块，NB-IOT具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IOT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑连接的能力，NB-IOT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IOT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，单个接连模块不超过5美元。因此在本方案中采用NB-IOT模块，能够实现成本的降低，以及功能化的提升，对于城建来说，是非常有益的。此外，NB-IOT模块具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IOT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存，可以在实际的使用中，通过NB-IOT模块搭载现有的wifi模块的形式，以实现更加有效地信息交互。

当使用NB-IOT模块时，除了将NB-IOT模块作为信息交互的模块之外，NB-IOT模块也可以作为路灯控制系统中的一个重要组成部分，当NB-IoT无线通信网络故障时可以使用ZIGBEE进行控制。将NB-IOT模块作为单灯的控制器，具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点，可实现一点对多点及多点对多点之间的设备间数据的透明传，可组成星型网、网状网等MESH网络结构。

本方案中NB-IOT模块使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。

自检监控系统，包括有多个保护电路模块，嵌入在路灯的电路中，同时每个保护电路模块均与同一个报警模块相连接，报警模块与信息交互系统连接，一旦自检监控系统中的任意一个保护电路模块启动，则触发报警模块并将信息通过信息交互系统传送至总系统中。

作为一个具体的实施例，保护电路模块包括有过载保护电路、短路保护电路以及漏电保护电路，均采用现有的电路模块。

对于以上三个最基本的系统，通过RFID标签的设置，使得在进行信息交互的过程中能够，都带有唯一的RFID标签信息，首先能够在总系统的界面图中对于城市中的灯杆实现一个记录，在所有的子系统与总系统的数据交互过程中，必定夹带着RFID标签以使得能够非常迅速地知道发生异常或者监控到异常的灯杆位置，从而实现讯速得维护，这也是符合智能化城建的理念要求。

此外，本系统下还可以搭载更多的系统以提高城建的智能化深度：

信息发布系统，在硬件上显示屏或广播装置中的至少一个，以实现信息的播报，对于信息的发布，由于存在地域性，可能需要发布实时的路况等地方性信息，因此，以城市为区域，通过地下管廊的方式将每一个信息发布系统的硬件与城市中的总控系统相连接，以实现区域性的信息发布或者播报。

考虑到信息发布的重要性，在对于信息的筛选播报过程中采用如下调度方法：

1)采集建立模型所需要的数据，包括城市，多媒体内容以及每个城市内用户所下载的多媒体内容的热度计数，形成数据集合：

整个网络模型下所覆盖的区域记为C，所有MBSFN区域的集合记为A，LTE协议中限制了集合内最大的元素数目为256，所有多媒体内容的集合记为S；

对于其中的一个城市c，一个MBSFN区域a，一个多媒体内容m，城市c的相邻城市与其本身构成了集合N^c；内容m在城市c内的热度记为在城市c内传输内容m最少需要的网络资源记为城市c所属MBSFN区域的集合记为A^c，城市c中广播的多媒体内容的集合记为M^c；

2)设置控制变量以及控制变量所需要满足的条件：

a)二进制变量表示城市c是否被分配在MBSFN区域a中，若是则为1，若否则为0；

b)离散变量μ_a表示在MBSFN区域a中被广播的多媒体内容；

c)整型变量x_a表示给MBSFN区域a分配的RB(Radio block)数目；

上述控制变量需要满足的条件有：

i)

ii)式中γ表示一个时间帧中最多的可以用做LTE广播的RB数目；

iii)式中c′表示城市c的相邻城市，求和是针对城市c的相邻城市以及城市c本身所归属的所有MBSFN区域而言；

3)根据步骤1-2)形成的网络拓扑结构计算用户满足度，用来刻画基于此网络模型的网络性能，用户满足度被定义为其中，R表示在一个时间帧内所能分配的RB总数，μ表示用于单播传输的内容，表示LTE广播所能满足的用户数，右半部分表示剩余无线电资源块被用于单播多媒体内容所能满足的平均用户数，β表示接收单播信号的用户群体的满足度与接收广播信号的用户群体满足度的系数比例；

4)基于固定的MBSFN区域设置，决定在各个区域中所需广播的多媒体内容，具体步骤如下：

步骤401)根据步骤1)所得到的整体网络模型所覆盖的区域C，所有MBSFN区域的集合A，以及二进制变量集合按各MBSFN区域内点播信息的用户数对A中的元素进行分类排序；

步骤402)按照集合A中分类好的元素顺序，依次选出一个MBSFN区域，再从内容集合M中选择满足条件iii)的元素组成集合viable_content_set；

步骤403)对集合viable_content_set进行判定：

若viable_content_set为空集，则回到步骤402)，选择下一个集合A中的元素；

若viable_content_set不为空集，从viable_content_set中选择可以最大化V^c的元素μ_a作为在MBSFN区域中的广播内容；

5)决定如何配置MBSFN区域，具体步骤为：

步骤501)选择其中的每一个城市c，均令c构成了一个MBSFN区域a，根据步骤4)计算出最大化V^c的值V₀ ^c；

步骤502)对任意MBSFN区域a₁的任意相邻区域a₂，计算如果合并a₁和a₂为同一个MBSFN区域后，经过步骤4)所计算出的V^c值。

步骤503)选取步骤502)中能获取的最大V^c值，若该值大于V₀ ^c的值，则对应的相邻区域与MBSFN区域a₁合并，并将V₀ ^c的值更新为此最大值；

步骤504)遍历所有相邻MBSFN区域，对每个相邻区域，重复步骤502)，如果无法获得更大的V₀ ^c值，或者所有MBSFN区域的数目小于256，结束此算法；

步骤505)根据算法结束时的MBSFN区域配置方式以及区域内广播内容的设置，得到实时的网络调度方案。

通过上述的调度方法，能够不断地播报当下区域中比较有热度的消息，也包括实时信息。

视频监控系统，与现有的灯杆上的监控系统类似，将现有的信息通过硬件端的设备进行监控，视屏监控系统中内部设置有数据存储单元，作为物理数据读取的依据，同时，视屏监控系统与信息交互系统相连接，用于将实时监控信息传送至总控台。

环境监控系统，通过在灯杆的合适位置设置有小型化的传感器，以实现多种环境数据的测量，本实施例中可以直接采用集成的环境监测传感器以实现多种环境数据的检测。

作为一个具体的实施例，单独的灯杆结构包括底板1、屏幕清洁机构、防护机构、固定安装在底板1顶部表面的灯杆本体2以及固定安装在灯杆本体2顶部的固定柱12，固定柱12的顶端固定安装有气象站17，气象站17可以对环境温度、湿度、气压、风速、风向、PM2.5、噪声进行实时监测、预警分析以及环境数据采集并通过信息交互系统上传到云服务器，把环境信息实时显示出来，固定柱12的一侧固定安装有照明灯19，照明灯19的底部设置有摄像头21，摄像头21通过连接条22固接有固定板20，固定板20与固定柱12的侧壁固接，固定柱12的一侧固定安装有广告屏13，且广告屏13的顶部设置有无线连接器18，广告屏13为LCD显示器，可进行显示，无线连接器18与固定柱12的侧壁固接，无线连接器18为无线接入点，内置全向天线，空旷通信距离半径200米，可进行通信。

屏幕清洁机构包括电动推杆15以及清洁刷筒14，电动推杆15的外壳通过固定座16与固定柱12的正面固定连接，电动推杆15的输出轴末端转动连接有短轴24，且短轴24的末端与清洁刷筒14的一端固定套接，清洁刷筒14位于广告屏13的顶部，清洁刷筒14可沿广告屏13表面进行滚动，进行清洁。

灯杆本体2的正面设置有操作界面3，防护机构包括橡胶软板4、子魔术贴5、母魔术贴10、第一磁性密封条6、第二磁性密封条9以及不干胶层7，橡胶软板4的一侧与灯杆本体2的正面粘合连接，子魔术贴5、第一磁性密封条6和不干胶层7均粘合连接在橡胶软板4的表面，且橡胶软板4的表面粘合连接有若干个干燥剂包8，母魔术贴10和第二磁性密封条9分别粘合连接在灯杆本体2的正面，橡胶软板4对操作界面3进行覆盖，进行防护。

底板1为方型结构，且底板1的表面开有四个呈矩形阵列分布的固定孔11，通过固定孔11进行底板1和地面进行连接；操作界面3设置有充电接口，且充电接口与灯杆本体2正面嵌合安装，充电接口可进行充电连接；连接条22与固定板20的连接处固定安装有加强筋板23，且加强筋板23为直角三角形结构，加强筋板23为连接条22与固定板20的连接提供加强；固定座16的数目为两个，且固定座16与电动推杆15之间固定嵌合连接，固定座16为电动推杆15的提供安装；短轴24与电动推杆15之间垂直设置，且短轴24为圆柱型结构，电动推杆15用于带动短轴24进行移动；短轴24远离清洁刷筒14的一端固定套接有轴承，且轴承与电动推杆15的输出轴固定嵌合连接，轴承实现短轴24与电动推杆15的转动连接；子魔术贴5、母魔术贴10、第一磁性密封条6以及不干胶层7均为C字型结构，且第一磁性密封条6位于子魔术贴5和不干胶层7之间，实现橡胶软板4对灯杆本体2进行覆盖，进行连接；第一磁性密封条6和第二磁性密封条9几何尺寸相同，第一磁性密封条6和第二磁性密封条9通过磁力，进行吸附连接；连接条22为J型结构，且连接条22一端与固定板20垂直设置，连接条22用于摄像头21的安装。

本申请中出现的电器元件在使用时均外接连通电源和控制开关，底板1通过固定孔11安装在地面上，在进行充电时，通过手动进行橡胶软板4的揭开，子魔术贴5和母魔术贴10分离，第一磁性密封条6与第二磁性密封条9分离，不干胶层7不粘在灯杆本体2表面，充电接口暴露在外界，可进行充电，通过摄像头21实现监控摄像，在夜间时，通过照明灯19可为人们提供照明，通过广告屏13进行广告的展示，在不使用时，将橡胶软板4覆盖在操作界面3上，子魔术贴5和母魔术贴10粘合在一起，第一磁性密封条6和第二磁性密封条9吸附在一起，不干胶层7与灯杆本体2的表面粘合在一起，为操作界面3提供一个较为封闭的环境，提供防尘防潮，同时配合干燥剂包8的干燥效果，避免潮气进入充电接口中，起到防护的作用；

广告屏13表面附着灰尘，通过电动推杆15的伸缩，可带动清洁刷筒14进行移动，清洁刷筒14沿广告屏13表面进行移动，进行清扫，避免人工手动进行清扫，劳动强度较低。此外广告屏13作为信息发布系统的载体，可以根据上述的信息调度方法以实现热点消息以及实时消息的显示。

气象站17采用的是气象站(FONDA-QXZ007)，可以对环境温度、湿度、气压、风速、风向、PM2.5、噪声进行实时监测、预警分析以及环境数据采集并上传到云服务器，把环境信息实时显示出来。

无线连接器18采用的是无线接入点AP(FONDA-WIFI)，内置全向天线，空旷通信距离半径200米，接收外部控制信号。

摄像头21采用的是摄像头(FONDA-HD Camera)。

涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，其特征在于：

所述多功能智慧灯杆系统包括：

总控系统，用于控制路灯所形成的网络区域；

路灯主体，在城市中分布形成路灯网络结构，且每一个所述路灯主体的第一距离内至少存在另一个所述路灯主体；

通信模块，位于每个所述路灯主体上，用于路灯主体内置的5G应用模块之间的通讯、路灯主体与总控系统之间的通讯、5G信号覆盖；

自检监控系统，与单个路灯内部的电路连接，用于监测电路的实时状态；

地下管廊，位于地下，通过有线方式将路灯主体连接供电设备并通过有线方式将路灯系统的信息与总控制台交互；

其中，所述第一距离为路灯的照明范围半径值。

2.根据权利要求1所述的基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，其特征在于：

所述基于5G通信的多功能智慧灯杆系统还包括：

监控模块，与所述通信模块相连接，对路灯主体所处的第二距离内的路况以及环境进行监控；

其中，所述第二距离为通信模块的通讯距离。

3.根据权利要求2所述的基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，其特征在于：

所述通信模块包括：

5G基站或光纤或NB-IOT或Zigbee或Wifi模块。

4.根据权利要求2所述的基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，其特征在于：

所述监控模块还包括：

环境监测单元，位于所述路灯主体上，通过传感器对环境数据进行监测，并通过通信模块将数据传递给总控系统。

5.根据权利要求1所述的基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，其特征在于：

所述通信模块中内嵌有RFID标签。

6.根据权利要求5所述的基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，其特征在于：

所述RFID标签具备唯一性。

7.根据权利要求6所述的基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，其特征在于：

所述RFID标签只读。

8.根据权利要求1所述的基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，其特征在于：

所述基于5G通信的多功能智慧灯杆系统还包括：

信息发布系统，用于实现信息和后台信息的播报；所述信息发布系统以城市为区域，通过光纤和5G无线的方式将每一个信息发布系统的硬件与城市中的总控系统相连接。

9.根据权利要求1所述的基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，其特征在于：

所述路灯主体包括：

底板、屏幕清洁机构、防护机构、固定安装在底板顶部表面的灯杆本体以及固定安装在灯杆本体顶部的固定柱，

所述固定柱的顶端固定安装有气象站，所述固定柱的一侧固定安装有照明灯，所述照明灯的底部设置有摄像头；

所述摄像头通过连接条固接有固定板，所述固定板与固定柱的侧壁固接，所述固定柱的一侧固定安装有广告屏，且广告屏的顶部设置有无线连接器，所述无线连接器与固定柱的侧壁固接。

10.根据权利要求9所述的基于5G通信的多功能智慧灯杆系统，其特征在于：

所述屏幕清洁机构包括电动推杆以及清洁刷筒，所述电动推杆的外壳通过固定座与固定柱的正面固定连接，所述电动推杆的输出轴末端转动连接有短轴，且短轴的末端与清洁刷筒的一端固定套接，所述清洁刷筒位于广告屏的顶部。