近年來隨著社會(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(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題并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，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(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，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)可以作為無線節(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)送過來的控制命令通過協(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(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(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)無縫連接[6]。CC2591 與CC2430相配合可以極大地增加無線信號(hào)的傳播距離。CC2430通信電路原理圖如圖2所示。

2.2 路燈開關(guān)電路
    系統(tǒng)通過控制終端節(jié)點(diǎn)I/O口的高低電平來對(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無線網(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(diǎn)通過串口相連接。
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(cè)到有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口發(fā)送過來數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)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(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(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傳輸過來的命令，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)有無從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(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)控有無從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的命令，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)采用無線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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