（CS36 湖州一众通信科技有限公司）

1.概述

物联网、云计算、智慧城市！通信和信息技术的高速发展，正不断改变着城市运行和管理的方式，且影响和提高城市居民的日常生活。我们在憧憬于智慧城市所能带来的美好愿景的同时，不禁要思考：各项智慧的应用，如何才能从概念到落地，从愿景变为现实，使得每个城市居民都可以切实感受到新信息时代更美好的城市生活。

我们认为，无线网络技术的根本革新，才是实现智慧城市各项应用愿景的技术引擎。传统蜂窝移动无线网络（手机网），经过数次技术演进革新（2G、3G到4G），始终无法突破无线带宽成本的瓶颈。无线局域网（WiFi）由于网络扩展性和覆盖率受到根本限制，尽可以作为小范围无线上网的手段，但无法满足新一代网络的需要。并且手机网与WiFi的工作功耗都过高，如果使用电池供电（比如物联网传感网络），则受到供电的根本制约。最近五六年内发展起来的ZigBee无线网络技术，主要针对低功耗的需求设计（功耗大约为WiFi、手机设备的1/10），可惜其技术本身受到带宽成本和网络覆盖的双重制约。

由湖州一众通信科技有限公司自主知识产权的OPM（Opportunistic Mesh）技术，作为国际无线组网技术最前沿“认知无线网络”的代表，正是为了新一代信息产业革命对网络技术的要求应运而生。我们已推出的OPM15组网芯片、模块产品和美国的ZigBee产品相比：提供10倍左右的无线多跳应用带宽，及更低功耗，在免授权频段的抗干扰测试中可展现10倍以上的传输性能！

基于OPM无线网络专利技术，我们提供了一整套城市智能路灯控制的无线解决方案，通过在每根灯柱上，布设OPM单灯控制器，在路灯间搭建出一个稳定、专属的OPM无线传感网路，从而可实现远程对每盏路灯的管理与监控。一座城市在路灯上所消耗电能及维护费用，每年就高达上亿元，通过该系统，预计至少可以为整座城市节约25％的电能，在缓解城市用电压力的同时，可对路灯的状况进行24h巡检，有效降低路灯的维护费用。

智能灯控网络搭建成功以后，OPM无线网络将伴随着路灯，覆盖到整座城市，在城市上空搭建出智慧无线网络，通过该网络还可用作智慧交通，只要给行驶车配一个终端，系统就能知道车辆的位置行驶速度等信息，当这些信息汇总起来，就是城市交通的统计信息；同时系统还可以根据车主的要求、车辆位置和情况，提供服务信息，这些和相关商家（比如加油站、饭店等）联系起来就形成了一个庞大的智能交通信息网络，从而实现智慧城市的各方应用，使概念、愿景，到真正的落地。

OPM使城市以一种更智慧的方式运行，创造更美好的城市生活。

2.系统组成

图1所示为OPM路灯无线控制系统的结构框架图。采用这样的系统，能够为城市路灯管理机构或路灯维护公司带来节能和节省成本的效果。该系统由以下三部分组成：

图1 系统的结构框架图

1）OPM单灯监控器

①OPM单灯监控器内嵌OPM15和智能芯片，可以集成在灯具内，也可以安装在灯具外面或安装在灯杆上，从而实现对网内任意一盏路灯的开关、亮度调节（适用于LED灯、高压钠灯、金卤灯等灯具）、电流电压采集等功能，并预留了温度采集、灯杆倾斜检测等功能，实现对路灯各种情况进行24h的监测。

②工作于AC 220V市电交流线路，继电器触点容量达AC 30A/250V，提供1路或者2路继电器输出，具有TTL、232、485通信接口；无线频点为2.4G ISM全球免费频段。

2）OPM网络协调器

①协调器内嵌OPM、GPRS和智能芯片，一般安装在路灯控制箱内，是单灯监控器和计算机监控中心的通信桥梁。它负责将监控网内每一盏的路灯信息发送给管理中心，并将管理中心的指令下达给每一盏路灯。

②一般情况下一个OPM网络协调器可以管理500～1000个OPM单灯监控器。

3）远程管理中心

中心具有管理OPM网络协调器、OPM单灯监控器的功能，并对收集上来的数据进行分析处理和反馈报警，可以及时进行管理、调度和评估。

采用OPM无线组网技术，实现了单个路灯的管理及监控。系统通过OPM和GPRS的无线网络技术，使得用户在计算机上，可以对任意一盏灯，实现单灯的开、关及亮度调节功能，并可以自动获得每一盏路灯的各种参数状态，实现了自动巡检，可以判别出路灯的故障状况、老化程度、亮灯状况等。受控路灯示意图如图2所示。

图2 受控路灯示意图

3.系统特点

1）通过路灯上安装的OPM单灯监控器，将在路灯间组建出一个稳定、专属的无线多跳网络，每一个OPM单灯监控器既是监控终端，也是中继，并且由于OPM无线组网具备布点越多网络越稳定的特性，适合全城大面积的路灯布设。

2）任意两个OPM单灯监控器的单跳通信距离可达400m。如果当网络中发现有的单灯监控器出现问题，其他单灯监控器可以无缝跳过该故障路灯，整个监控系统的正常工作不受影响；并可实时定位故障路灯。

3）面对充斥着各种电磁波信号的复杂城市环境，OPM路灯无线控制系统依靠其卓越的抗干扰性，在电磁波强干扰的环境中，也可稳定工作。

4）对任意一盏路灯，进行自动通、断电操作，灵活制定工作日、节假日不同时间的自动通、断电；可对用电设备进行分区、分线路管理。根据每条路段的不同情况，制定有针对性的亮灯方案，科学有效地节省电能。例如可以在凌晨12点以后，在车稀人少时的地段，降低路灯照明的照度或者调节灯源开关状态（实行“半夜灯”，隔一盏亮灯或隔二盏亮灯等）。

5）根据天气情况和实际光的照度，自动监控灯具的开/关和灯具的亮度，如在不好的天气时可及时打开路灯，对于安装在桥下或隧道的路灯，根据实测光强，来自动以最佳的亮度打开路灯，提高公众满意度。

6）24h监控每盏路灯的电流、电压数据和灯具的使用情况，在远端的管理中心即可掌握路灯的各项监控数据；路灯所有运行参数（自动通断电时间，区域划分）也可在管理终端随时设置，随时启用，管理方便，并且通过管理中心的设置，可防止非授权人操作。

7）根据采集数据情况，可判断终端设备运行状态情况，提升巡检工作的效率，节省巡检费用。

8）安装施工简易快捷，无需铺设专线，模块化安装，系统可以自动检测生成故障报表。不用改变既有的电力线架设和配电监控网络，一方面节省了人力物力；一方面自动组网的OPM模块不受天气和地形的影响，也保证了通信的可靠性。

9）当依托路灯无线网络，可以在OPM网络中延展智慧交通等其他城市应用，比如在车上搭载OPM终端，可以实现城市道路交通信息的实时采集、车辆定位，以及车辆实时服务信息（如路况、餐饮）网络。

表1 产品规格及功能

注：可根据实际需要定制。

4.关键设备描述

1）OPM单灯监控器

实现单灯照明控制。

① OPM动态多频自组网，平行动态网络拓扑优化网络成本；

② 极强的网络可靠性和扩展性（是ZigBee的10倍以上）；

③ 无线多跳中继传输不受跳转数及距离限制（单跳可达400m）；

④ 无线频段为2.4G ISM全球免费频段；

⑤ 单网容量为4128768个节点；

⑥ 安装简便，无需布线，供电即可使用，实现模块化安装；

⑦ 输入电源为AC 220V 50Hz（两相三线制）或DC12V-75V；

⑧ 可选用太阳能电池作为输入电源或者使用备用充电电池；

⑨ 具有电流、电压、温度、有功功率、无功功率检测功能；

（10） 可选配光照度传感器、雨雪传感器辅助参考；

（11） 具有多路开关和PWM、0～10V、电阻调光信号输出的功能；(www.daowen.com)

（12） 可选TTL、RS232、485通信接口；

（13） 具有过电流保护、灯具状况检测、默认亮灯等功能；

（14） 适用于LED灯、高压钠灯、金卤灯等灯具的开关和调光使用；

（15） 基于安全的过载保护设计；

（16） 工业级工作温度范围为-40～+85℃。

2）OPM网络协调器

接收解析远端管理中心指令，发送控制指令给单灯控制器；接收单灯控制器数据，回传给远端管理中心。

① OPM动态多频自组网，平行动态网络拓扑优化网络成本；

② 极强的网络可靠性和扩展性（是ZigBee的10倍以上）；

③ 结合GPRS网关，随时随地远程控制；

④ 无线多跳中继传输不受跳转数及距离限制（单跳可达400m）；

⑤ 单网容量为4128768个节点；

⑥ 安装简便，无需布线，供电即可使用，实现模块化安装；

⑦ 输入电源为AC 220V 50Hz（两相三线制）或DC 12～75V；

⑧ 实现对路灯单灯控制，具有定时、分控、故障检测、防盗报警等功能；

⑨ 单灯控制与策略控制结合，能够实现一隔一、一隔二等各种亮灯方式；

（10） 调光控制与隔盏亮灯结合，满足不同路段的亮灯需求；

（11） 可拓展雨雪传感器、光照度传感器，综合判断亮灯需求；

（12） 监控中心与移动设备结合控制，方便工作人员现场调试；

（13） 系统自动检测生成故障报表，实现订单式为序；

（14） 工业级工作温度范围为-40～+85℃。

3）远程管理中心控制软件

与OPM网络协调器之间建立通信，可发送命令设置灯控模式，并接收回传数据写入数据库。

① 对于新建的工程项目，用户首先要做的是把工程中用到的各种设备基础的信息录入到数据库，这些基础数据包括变压器类型、控制箱类型、回路类型、灯杆类型、路灯类型等。这些数据的录入在主菜单的“基本信息管理”中。

② 完成路灯管理所信息、变压器信息、控制箱信息、回路信息、灯杆信息的数据录入，这些数据是用户在管理项中与实际情况对应的，这些数据录入是否完整，对以后信息管理有一定影响，包括快速查询和有效故障定位。这些数据的录入在主菜单“基本信息管理”中。

③ 所有控制模块安装好以后，运行服务器程序。服务器程序将自动查询工作中的路灯控制模块，并把模块编号写入路灯信息表和控制模块信息表中。

④ 用户把路灯信息表中的相关数据补充填写完整。

⑤ 开关灯控制，默认情况下，系统自动按照当地的日出日落时间进行关开灯。如果用户要用自己的开关灯时间控制路灯，则要进行开关灯策略控制。可进行划区控制、街道控制、单灯控制等。其控制软件示意图如图3所示。

图3 控制软件示意图

5.通信架构及采用的通信协议

1）物理层、网络层通信协议

OPM单灯控制器、OPM网络协调器之间的组网采用OPM15通信模块。OPM15模块使用IEEE802.15.4标准射频实现OPM动态多频自组网协议栈。OPM通过机会选频和机会路由的方式实现无线网络资源的最大利用率。传统无线网络组网过程中依赖于准静态的无线链路频率分配和路由路径，在实际传输过程中由于无线频率干扰和网络拥塞的存在，网络路由路径上的每一条链路和每一个节点都会产生瓶颈，这样瓶颈效应叠加的结果是传统无线网络（如ZigBee、WiFi等）在干扰环境中（如免授权频段的大量外网干扰）以及无线多跳情况下，有性能极不稳定、带宽急剧下降、经常掉线等主要缺点。

在OPM网络中，每个数据包的每次网络跳转所使用的信道和中继节点都由当前网络的情况动态产生，而无需固定的频率和路由分配，这样就避免了传统网络传输过程中产生的瓶颈。OPM动态地建立无线网络，并不需要固定的网络路由路径、拓扑结构和无线链路频道分配，大大方便了布网。在大规模无线网络中建立稳定可靠的（多跳）无线通信，在布网环境发生突然变化的情况下，无线网络工作不受影响，且网络性能随网络规模的增加而提高。例如，OPM15通信模块与同一射频标准的ZigBee模块相比，在目标环境下（多跳、外网干扰）可展现10倍以上的传输性能。

图4 OPM组网原理图

图5 网络路由选择

a）传统无线网络路由选择 b）OPM网络路由选择

2）应用层通信协议

应用层协议在网络层以上，为每个路灯定义一个64bit的唯一标识。控制命令和回传数据采用固定格式和确认机制确保送达。流数据则无应用层确认机制，以保证传输的实时性。

6.适用范围

OPM15路灯无线监控系统，不仅适用于新建的路灯系统，更适用于原有路灯系统的改造。除了对城市的道路路灯的整体控制外，也可以针对厂区、校园等区域性道路环境，建立专属的路灯控制系统，科学合理地规划电能的使用，在满足照明需求的同时，达到节能环保的目的。并且该系统可对多种类型的路灯进行调光及开关控制，如LED灯、高压钠灯、金卤灯等。

图6 抗干扰测试

图7 多跳通信测试

7.实际应用情况

OPM15路灯无线监控系统，是基于本公司网络应用产品采用的核心OPM技术，该技术是由公司主要创始人宋梁博士，在多伦多大学无线多媒体实验室（加拿大安大略省尖端科技产业中心）经历6年的研发成果，是自主知识产权技术且获得多项国内外专利。

由于OPM技术卓越的组网能力和抗干扰能力，在多个领域的应用都得了广泛认可。现针对城市道路节能应用，开发了OPM15路灯无线监控系统，该系统已经完成了前期的开发及测试工作，后续将与湖州市吴兴区合作，先进行初期的示范应用，然后向整个湖州市做推广。

随着物联网相关技术的发展，城市现代化建设的日趋完善，对智慧城市应用的需求越来越迫切，在这样的环境下，城市道路照明自动化控制和智能化管理，如果可以作为智慧城市建设的试点工程，将会拥有非常好的应用前景。