《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第3期
白成林1, 馬 珺2
(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024)
摘要: 針對(duì)傳統(tǒng)的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)鋪設(shè)成本高、施工復(fù)雜、智能化程度低等問(wèn)題,提出了一套基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法對(duì)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)成本低廉,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,可靠性強(qiáng),智能化程度高,是一套理想的智能路燈控制方案。
中圖分類(lèi)號(hào): TP273
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2014)03-0082-04
Intelligent street lamp monitoring system based on Internet of Things
Bai Chenglin1, Ma Jun2
The Ministry of Education Key Laboratory of Advanced Sensors and Intelligent Control, Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China
Abstract: Aiming at the problems of traditional street lamp control system of the high cost of deployment and complex construction and low degree of intelligence, an intelligent street lamp control system based on ZigBee wireless network and GPRS is introduced. This system combine ZigBee wireless network and GPRS network to monitor and control street lamps. It turns out that the system is low-cost, practical, reliable and intelligent, which is an ideal street lamp control plan.
Key words : Internet of Things; street lamp; monitoring; ZigBee; GPRS

    近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)城市路燈的管理也越來(lái)越重視。城市路燈的控制是城市管理中一項(xiàng)重要的工作,據(jù)統(tǒng)計(jì)城市照明用電占整個(gè)城市耗電的15%左右,因此如何最大限度地提高城市路燈的管理水平成為一個(gè)當(dāng)前研究的熱點(diǎn)課題。目前我國(guó)城市采用的路燈控制系統(tǒng)普遍存在智能化程度低、成本高、能源利用率低等問(wèn)題。路燈大多采用人工控制的方法,這種方式不僅智能化程度低,而且還易受人為因素的影響[1-4]。特別是控制系統(tǒng)多采用有線(xiàn)控制的方式,鋪設(shè)線(xiàn)纜成本高,施工繁瑣,難于維護(hù)。于是人們開(kāi)始尋求價(jià)格低廉、智能化程度高的控制系統(tǒng)。
    物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù),廣義上的物聯(lián)網(wǎng)是信息空間與物理空間的融合,將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化,實(shí)現(xiàn)高效信息交互方式,是信息化在人類(lèi)社會(huì)綜合運(yùn)用達(dá)到的更高境界[5],物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正悄悄應(yīng)用到人們生活的方方面面。
    針對(duì)目前路燈控制中遇到的問(wèn)題并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn),提出了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)控制的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線(xiàn)控制,擺脫了線(xiàn)纜的束縛,不僅施工簡(jiǎn)單,成本低廉,而且還極大地提升了系統(tǒng)的性能。
1 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理
    智能路燈控制系統(tǒng)主要由控制路燈工作的ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊兩部分組成。
    控制路燈工作的ZigBee節(jié)點(diǎn)包括以下三類(lèi),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)只有一個(gè),路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)都有若干個(gè)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)并與GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。路由器節(jié)點(diǎn)可以作為無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的中繼控制器,同時(shí)也可以作為一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)路燈進(jìn)行控制。終端節(jié)點(diǎn)只能接收控制信號(hào)并對(duì)路燈進(jìn)行相應(yīng)的控制。
    GPRS模塊與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口相連接。GPRS模塊可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)收集的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制終端,同時(shí)也可以將遠(yuǎn)程控制終端發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò)。
    系統(tǒng)工作原理:遠(yuǎn)程控制終端將控制命令通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到GPRS模塊,GPRS模塊再通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將命令發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的控制。同時(shí)終端節(jié)點(diǎn)也可以將自身的狀態(tài)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制終端,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件電路主要由三部分組成:CC2430通信電路、路燈開(kāi)關(guān)電路和GPRS模塊與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的連接電路。
2.1通信電路
    選用TI公司的CC2430芯片來(lái)構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。CC2430的性能十分優(yōu)異,單片的價(jià)格僅為幾美分,這使得它可以以很低的費(fèi)用構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò),結(jié)合TI公司業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧,使得它具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。另外CC2430還具有多種運(yùn)行模式 ,這使得它十分適合搭建低功耗的系統(tǒng)。
 由于ZigBee形成的是一種短距離的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),覆蓋的距離有限,因此當(dāng)路燈之間的距離較遠(yuǎn)時(shí),ZigBee控制節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就很有可能不穩(wěn)定。為了提高ZigBee節(jié)點(diǎn)信號(hào)的傳播距離,增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,有必要提高各節(jié)點(diǎn)的輸出功率。為此選用TI公司的CC2591芯片。CC2591是一款性能優(yōu)異的射頻前端,可提供22 dBm的輸出功率,而且可以與CC2430實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接[6]。CC2591 與CC2430相配合可以極大地增加無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳播距離。CC2430通信電路原理圖如圖2所示。

2.2 路燈開(kāi)關(guān)電路
    系統(tǒng)通過(guò)控制終端節(jié)點(diǎn)I/O口的高低電平來(lái)對(duì)繼電器的通斷進(jìn)行控制,進(jìn)而控制路燈。由于CC2430芯片的各個(gè)I/O引腳的驅(qū)動(dòng)能力有限,不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器,于是選用TI公司的SN74HC04D作為輸出緩沖,它與其他元器件配合間接控制繼電器,進(jìn)而控制路燈。路燈開(kāi)關(guān)電路如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳電路
    系統(tǒng)要求對(duì)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,然而ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特點(diǎn)就是近距離,為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,系統(tǒng)搭配了一個(gè)GPRS模塊,ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程控制終端進(jìn)行聯(lián)系[7]。本系統(tǒng)采用的GPRS模塊是西門(mén)子公司的MC35i,該模塊的體積小、功耗低,能夠提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短信等功能,完全滿(mǎn)足系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的要求。MC35i與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口相連接。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分:GPRS模塊子程序和ZigBee節(jié)點(diǎn)子程序。其中ZigBee節(jié)點(diǎn)子程序又包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序、路由器節(jié)點(diǎn)程序和終端節(jié)點(diǎn)子程序三部分[6]。
3.1 GPRS模塊程序
    GPRS模塊是ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的橋梁。當(dāng)GPRS模塊檢測(cè)到有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口發(fā)送過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)時(shí),則將數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩存區(qū),然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。同時(shí)如果GPRS模塊接收到遠(yuǎn)程控制終端發(fā)送過(guò)來(lái)的命令,則將命令通過(guò)串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),并最終傳遞到各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。GPRS模塊的程序流程圖如圖4所示。

 

 

3.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)程序
3.2.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序

    協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要作用是建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并與GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后會(huì)主動(dòng)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò),然后等待路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的加入,并最終將所有的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還要接收由GPRS傳輸過(guò)來(lái)的命令,并將命令發(fā)送到其他ZigBee節(jié)點(diǎn)。如果其他終端節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到GPRS模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主程序流程如圖5所示。

3.2.2 路由器節(jié)點(diǎn)程序
    路由器節(jié)點(diǎn)上電后會(huì)申請(qǐng)加入由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立的網(wǎng)絡(luò),一旦加入網(wǎng)絡(luò)路由器節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。一方面監(jiān)測(cè)有無(wú)其他路由器節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò),并根據(jù)情況做出相應(yīng)反應(yīng);另一方面監(jiān)測(cè)有無(wú)從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令,如果有則根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的讀寫(xiě)操作。路由器節(jié)點(diǎn)的主程序流程如圖6所示。
3.2.3 終端節(jié)點(diǎn)程序
    終端節(jié)點(diǎn)的主要作用是監(jiān)控有無(wú)從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令,如果有則根據(jù)命令對(duì)路燈進(jìn)行控制。如果要讀取自身狀態(tài),則根據(jù)命令將讀取到的狀態(tài)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)不同,它只能接受控制命令并發(fā)送數(shù)據(jù),而不能加入其他節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試
4.1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

    根據(jù)設(shè)計(jì)需要,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試[8]。選用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信測(cè)試,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)程控制終端發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)到GPRS模塊,GPRS模塊通過(guò)串口再將測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將測(cè)試數(shù)據(jù)直接傳遞到終端節(jié)點(diǎn);終端節(jié)點(diǎn)收到測(cè)試數(shù)據(jù)后將其直接傳遞回協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳遞到GPRS模塊,最后再由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)程控制終端,在遠(yuǎn)程控制終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

    由表1可知,當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的距離一定且節(jié)點(diǎn)之間無(wú)遮擋物時(shí)的丟包率要小于有遮擋物時(shí);當(dāng)距離增加時(shí),丟包率也會(huì)隨之增加;在實(shí)際中路燈之間可能會(huì)有樹(shù)木等遮擋物,要根據(jù)情況合理選擇各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)之間的距離,本系統(tǒng)最遠(yuǎn)的有效覆蓋距離為50 m。
4.2 組網(wǎng)測(cè)試
    遠(yuǎn)程控制終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給所有終端節(jié)點(diǎn);終端節(jié)點(diǎn)收到測(cè)試數(shù)據(jù)后再通過(guò)多跳網(wǎng)絡(luò)將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),最終由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制終端,在遠(yuǎn)程控制終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。組網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

    由表2可知,當(dāng)發(fā)送間隔相同時(shí),丟包率與跳數(shù)成正相關(guān);當(dāng)跳數(shù)一定時(shí),發(fā)送間隔增加,丟包率降低;當(dāng)發(fā)送間隔增大時(shí),丟包率隨跳數(shù)的變化的趨勢(shì)變慢;當(dāng)發(fā)送間隔為20 s時(shí),丟包率幾乎為零。對(duì)于本系統(tǒng)而言,如果發(fā)送間隔達(dá)到20 s,加上系統(tǒng)具有重發(fā)機(jī)制,就可以達(dá)到系統(tǒng)要求。
    本文提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟硬件。對(duì)系統(tǒng)的一部分功能進(jìn)行搭建,取得了良好的預(yù)期效果。整個(gè)系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)的方式傳遞控制信號(hào),鋪設(shè)系統(tǒng)的成本低,方便靈活;系統(tǒng)的智能化程度高,可以根據(jù)情況對(duì)路燈進(jìn)行控制,不僅節(jié)約了人力成本,還提高了能源利用率;本系統(tǒng)能夠有效地對(duì)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。
  系統(tǒng)仍有不夠完善的地方,如操作界面智能化程度低等。在我國(guó)智能路燈尚處于起步階段,相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展,智能路燈系統(tǒng)必將得到廣泛的應(yīng)用。
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