近年來隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對城市路燈的管理也越來越重視。城市路燈的控制是城市管理中一項重要的工作，據(jù)統(tǒng)計城市照明用電占整個城市耗電的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當(dāng)前研究的熱點課題。目前我國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)多采用有線控制的方式，鋪設(shè)線纜成本高，施工繁瑣，難于維護(hù)。于是人們開始尋求價格低廉、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，實現(xiàn)高效信息交互方式，是信息化在人類社會綜合運(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。
    針對目前路燈控制中遇到的問題并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點，提出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線控制的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線控制，擺脫了線纜的束縛，不僅施工簡單，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)點包括以下三類，協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點。其中協(xié)調(diào)器節(jié)點只有一個，路由器節(jié)點和終端節(jié)點都有若干個。協(xié)調(diào)器節(jié)點負(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)點可以作為無線節(jié)點的中繼控制器，同時也可以作為一個終端節(jié)點對路燈進(jìn)行控制。終端節(jié)點只能接收控制信號并對路燈進(jìn)行相應(yīng)的控制。
    GPRS模塊與協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口相連接。GPRS模塊可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)收集的各節(jié)點數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制終端，同時也可以將遠(yuǎn)程控制終端發(fā)送過來的控制命令通過協(xié)調(diào)器節(jié)點傳遞給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GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到GPRS模塊，GPRS模塊再通過協(xié)調(diào)器節(jié)點將命令發(fā)送到終端節(jié)點，從而實現(xiàn)對路燈的控制。同時終端節(jié)點也可以將自身的狀態(tài)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制終端，從而實現(xiàn)對路燈的遠(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
    系統(tǒng)的硬件電路主要由三部分組成：CC2430通信電路、路燈開關(guān)電路和GPRS模塊與協(xié)調(diào)器節(jié)點的連接電路。
2.1通信電路
    選用TI公司的CC2430芯片來構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。CC2430的性能十分優(yōu)異，單片的價格僅為幾美分，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)的市場競爭力。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線網(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，ZigBee控制節(jié)點之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就很有可能不穩(wěn)定。為了提高ZigBee節(jié)點信號的傳播距離，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，有必要提高各節(jié)點的輸出功率。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實現(xiàn)無縫連接[6]。CC2591 與CC2430相配合可以極大地增加無線信號的傳播距離。CC2430通信電路原理圖如圖2所示。

2.2 路燈開關(guān)電路
    系統(tǒng)通過控制終端節(jié)點I/O口的高低電平來對繼電器的通斷進(jìn)行控制，進(jìn)而控制路燈。由于CC2430芯片的各個I/O引腳的驅(qū)動能力有限，不能直接驅(qū)動繼電器，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)要求對路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，然而ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的一個特點就是近距離，為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)搭配了一個GPRS模塊，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可以通過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模塊是西門子公司的MC35i，該模塊的體積小、功耗低，能夠提供數(shù)據(jù)、語音、短信等功能，完全滿足系統(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)點通過串口相連接。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩部分：GPRS模塊子程序和ZigBee節(jié)點子程序。其中ZigBee節(jié)點子程序又包括協(xié)調(diào)器節(jié)點程序、路由器節(jié)點程序和終端節(jié)點子程序三部分[6]。
3.1 GPRS模塊程序
    GPRS模塊是ZigBee無線網(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模塊檢測到有協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口發(fā)送過來數(shù)據(jù)時，則將數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。同時如果GPRS模塊接收到遠(yuǎn)程控制終端發(fā)送過來的命令，則將命令通過串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，并最終傳遞到各個終端節(jié)點。GPRS模塊的程序流程圖如圖4所示。

3.2 ZigBee節(jié)點程序
3.2.1協(xié)調(diào)器節(jié)點程序
    協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要作用是建立無線網(wǎng)絡(luò)并與GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后會主動建立一個網(wǎng)絡(luò)，然后等待路由器節(jié)點和終端節(jié)點的加入，并最終將所有的ZigBee節(jié)點組成一個網(wǎng)絡(luò)。同時協(xié)調(diào)器節(jié)點還要接收由GPRS傳輸過來的命令，并將命令發(fā)送到其他ZigBee節(jié)點。如果其他終端節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點還負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到GPRS模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點的主程序流程如圖5所示。

3.2.2 路由器節(jié)點程序
    路由器節(jié)點上電后會申請加入由協(xié)調(diào)器節(jié)點建立的網(wǎng)絡(luò)，一旦加入網(wǎng)絡(luò)路由器節(jié)點就進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。一方面監(jiān)測有無其他路由器節(jié)點或終端節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)情況做出相應(yīng)反應(yīng)；另一方面監(jiān)測有無從協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送過來的命令，如果有則根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。路由器節(jié)點的主程序流程如圖6所示。
3.2.3 終端節(jié)點程序
    終端節(jié)點的主要作用是監(jiān)控有無從協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送過來的命令，如果有則根據(jù)命令對路燈進(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。終端節(jié)點與路由器節(jié)點不同，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。終端節(jié)點的主程序流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)測試
4.1點對點數(shù)據(jù)傳輸測試
    根據(jù)設(shè)計需要，對系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸測試[8]。選用兩個節(jié)點進(jìn)行點對點通信測試，兩個節(jié)點分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點。遠(yuǎn)程控制終端發(fā)送測試數(shù)據(jù)到GPRS模塊，GPRS模塊通過串口再將測試數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點將測試數(shù)據(jù)直接傳遞到終端節(jié)點；終端節(jié)點收到測試數(shù)據(jù)后將其直接傳遞回協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點再將數(shù)據(jù)通過串口傳遞到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)程控制終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。點對點測試數(shù)據(jù)如表1所示。

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

    由表2可知，當(dāng)發(fā)送間隔相同時，丟包率與跳數(shù)成正相關(guān)；當(dāng)跳數(shù)一定時，發(fā)送間隔增加，丟包率降低；當(dāng)發(fā)送間隔增大時，丟包率隨跳數(shù)的變化的趨勢變慢；當(dāng)發(fā)送間隔為20 s時，丟包率幾乎為零。對于本系統(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)計方案，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟硬件。對系統(tǒng)的一部分功能進(jìn)行搭建，取得了良好的預(yù)期效果。整個系統(tǒng)采用無線的方式傳遞控制信號,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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