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(多图)实现LED路灯网络的智能监控

谭海燕?? 崔如春?? 陈国杰?? 张友红?? 2015年03月25日 ?? 收藏1
城市道路照明越来越多采用LED照明技术代替传统的照明技术,其目的是为了降低对电能的消耗。由于LED使用低压直流电源,便于附加检测与控制电路,这对路灯网络的智能化管理,进一步节能降耗带来了方便。对于路灯网络的管理与控制,既可以采用电力载波通信技术,也可技术的快速发展,使得短距离无线通信技术在应用成本、可靠性与通信速率等方面均已优于电力载波通信技术,例如Zigbee短距离无线通信技术。本文提出一种解决方案,采用短距离无线通信技术构建LED路灯无线传感网络,能对LED路灯网络任意单盏灯或多盏灯或全网络所有灯进行开关、调光等控制,进行发光亮度、电流参数等检测,从而实现对LED路灯网络的智能化管理。作为无线传感网络,其体系结构应该包含四个基本层次:物理层和数据链路层、网络层以及应用层。LED路灯无线传感网络采用IEEE 802.15.4标准作为其物理层和数据链路层的技术标准,网络层与应用层集成在一起,采用单跳、双跳以及变跳3种接力通信模式作为网络协议的基础。本文围绕LED无线传感网络的体系结构,以网络拓扑及通信节点的组成为基础,论述了网络层的协议包格式、路由工作原理,以及节点通信的设计流程。

1 网络体系

LED无线传感网络的网络体系是网络层实现路由的基础,包括节点组成及网络拓扑结构。

1.1 LED路灯传感网络节点的组成

LED路灯网络由间隔均匀的若干盏路灯组成,每一盏LED路灯均为网络的一个通信节点,用来构建无线传感网络。图1所示,为构建无线传感网络LED路灯节点的组成,除了照明部分的电路外,还附加了对LED电流的采样、LED发光亮度的检测、以及对LED发光亮度的PWM控制等电路。每一盏LED路灯既是传感器节点也是网络路由节点;每一个节点包含一个微控制器(MCU,如cc2530),都具有射频通信功能,既能发送信号也能接收信号;每一个节点具有32bit(位)的唯一ID号。通过在物理层和MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准,结合网络层与应用层的协议,所有这些节点有机地组合在一起,便构成了LED路灯无线传感网络。由于现有的一些网络层与应用层协议如Zigbee、RF4CE等并不是很适合LED路灯传感网络应用,因此,需要重新设计网络层与应用层协议。

图1 LED路灯节点的组成
图1 LED路灯节点的组成

1.2 网络拓扑

根据LED路灯的分布规律,每盏LED路灯作为网络节点构成无线通信网络,其拓扑结构如图2所示,(a)是信号逐点(单跳)接力传送拓扑结构图,(b)是信号隔点(双跳)接力传送拓扑结构图。为便于下文网络应用协议的设计与讨论,作出如下定义:

(1)所有节点可分为2类,即LED路灯节点(简称LED节点,如a1 a2 … an , b1 b2 … bn)和路灯控制器节点(简称控制节点,如a,b);

(2)相邻节点之间的距离均为L,每个节点的无线信号覆盖半径大于等于2L;

(3)根据节点的相对位置,节点可分为前驱节点与后继节点,离控制器近的是前趋节点,离控制器远的是后继节点。例如a1是a2前驱节点,a3是a2后继节点;同理b2是b4前驱节点,b6是b4后继节点,以此类推。

图2 网络拓扑结构示意图
图2 网络拓扑结构示意图

(4)控制节点与LED节点之间,LED节点相互之间,只要无线信号可以覆盖到,都可以相互通信,不需要设基站或专门的路由协调装置。

(5)每个节点的32bit唯一ID号由两部分组成,分别为网络ID和节点地址(编号),均为16bit。同一路灯网络所有节点的网络ID相同;从控制节点开始,节点地址由小到大顺序编排。

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无线传感网? LED? 网络协议? 路灯?

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