實(shí)現LED路燈網(wǎng)絡(luò )的智能監控

　　城市道路照明越來(lái)越多采用LED照明技術(shù)代替傳統的照明技術(shù)，其目的是為了降低對電能的消耗。由于LED使用低壓直流電源，便于附加檢測與控制電路，這對路燈網(wǎng)絡(luò )的智能化管理，進(jìn)一步節能降耗帶來(lái)了方便。對于路燈網(wǎng)絡(luò )的管理與控制，既可以采用電力載波通信技術(shù)，也可技術(shù)的快速發(fā)展，使得短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在應用成本、可靠性與通信速率等方面均已優(yōu)于電力載波通信技術(shù)，例如Zigbee短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。本文提出一種解決方案，采用短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)構建LED路燈無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，能對LED路燈網(wǎng)絡(luò )任意單盞燈或多盞燈或全網(wǎng)絡(luò )所有燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)、調光等控制，進(jìn)行發(fā)光亮度、電流參數等檢測，從而實(shí)現對LED路燈網(wǎng)絡(luò )的智能化管理。作為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，其體系結構應該包含四個(gè)基本層次：物理層和數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層以及應用層。LED路燈無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )采用IEEE 802.15.4標準作為其物理層和數據鏈路層的技術(shù)標準，網(wǎng)絡(luò )層與應用層集成在一起，采用單跳、雙跳以及變跳3種接力通信模式作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的基礎。本文圍繞LED無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的體系結構，以網(wǎng)絡(luò )拓撲及通信節點(diǎn)的組成為基礎，論述了網(wǎng)絡(luò )層的協(xié)議包格式、路由工作原理，以及節點(diǎn)通信的設計流程。

　　1網(wǎng)絡(luò )體系

　　LED無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )體系是網(wǎng)絡(luò )層實(shí)現路由的基礎，包括節點(diǎn)組成及網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。

　　1.1 LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的組成

　　LED路燈網(wǎng)絡(luò )由間隔均勻的若干盞路燈組成，每一盞LED路燈均為網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)通信節點(diǎn)，用來(lái)構建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。圖1所示，為構建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )LED路燈節點(diǎn)的組成，除了照明部分的電路外，還附加了對LED電流的采樣、LED發(fā)光亮度的檢測、以及對LED發(fā)光亮度的PWM控制等電路。每一盞LED路燈既是傳感器節點(diǎn)也是網(wǎng)絡(luò )路由節點(diǎn);每一個(gè)節點(diǎn)包含一個(gè)微控制器(MCU，如cc2530)，都具有射頻通信功能，既能發(fā)送信號也能接收信號;每一個(gè)節點(diǎn)具有32bit(位)的唯一ID號。通過(guò)在物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議標準，結合網(wǎng)絡(luò )層與應用層的協(xié)議，所有這些節點(diǎn)有機地組合在一起，便構成了LED路燈無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。由于現有的一些網(wǎng)絡(luò )層與應用層協(xié)議如Zigbee、RF4CE等并不是很適合LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )應用，因此，需要重新設計網(wǎng)絡(luò )層與應用層協(xié)議。

　　圖1 LED路燈節點(diǎn)的組成

　　1.2網(wǎng)絡(luò )拓撲

　　根據LED路燈的分布規律，每盞LED路燈作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)構成無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，其拓撲結構如圖2所示，(a)是信號逐點(diǎn)(單跳)接力傳送拓撲結構圖，(b)是信號隔點(diǎn)(雙跳)接力傳送拓撲結構圖。為便于下文網(wǎng)絡(luò )應用協(xié)議的設計與討論，作出如下定義：

　　(1)所有節點(diǎn)可分為2類(lèi)，即LED路燈節點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)LED節點(diǎn)，如a1 a2…an ， b1 b2…bn)和路燈控制器節點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)控制節點(diǎn)，如a，b);

　　(2)相鄰節點(diǎn)之間的距離均為L(cháng)，每個(gè)節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)信號覆蓋半徑大于等于2L;

　　(3)根據節點(diǎn)的相對位置，節點(diǎn)可分為前驅節點(diǎn)與后繼節點(diǎn)，離控制器近的是前趨節點(diǎn)，離控制器遠的是后繼節點(diǎn)。例如a1是a2前驅節點(diǎn)，a3是a2后繼節點(diǎn);同理b2是b4前驅節點(diǎn)，b6是b4后繼節點(diǎn)，以此類(lèi)推。

　　圖2網(wǎng)絡(luò )拓撲結構示意圖

　　(4)控制節點(diǎn)與LED節點(diǎn)之間，LED節點(diǎn)相互之間，只要無(wú)線(xiàn)信號可以覆蓋到，都可以相互通信，不需要設基站或專(zhuān)門(mén)的路由協(xié)調裝置。

　　(5)每個(gè)節點(diǎn)的32bit唯一ID號由兩部分組成，分別為網(wǎng)絡(luò )ID和節點(diǎn)地址(編號)，均為16bit.同一路燈網(wǎng)絡(luò )所有節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )ID相同;從控制節點(diǎn)開(kāi)始，節點(diǎn)地址由小到大順序編排。

　　2網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

　　LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )協(xié)議包括協(xié)議包的定義與路由協(xié)議的定義，其設計目標是簡(jiǎn)單、實(shí)用，易實(shí)現。

　　2.1網(wǎng)絡(luò )協(xié)議包格式

　　LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò )協(xié)議傳輸的信息包共有3種類(lèi)型，分別為命令包、參數包以及應答確認包。

　　圖3網(wǎng)絡(luò )協(xié)議包格式

　　(1)命令包

　　圖3(a)所示，為控制器節點(diǎn)對LED路燈節點(diǎn)下發(fā)的命令包格式。命令有三種類(lèi)型：針對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )所有LED節點(diǎn)的廣播命令、針對部分LED節點(diǎn)的群組命令以及針對單個(gè)LED節點(diǎn)的單點(diǎn)命令。

　　命令包各字段定義如下：

　　包類(lèi)型：為1;

　　目的地址：為指定LED節點(diǎn)的地址;

　　包序列號：為向指定節點(diǎn)發(fā)送的包編號;

　　接力模式：為1時(shí)，表示單跳模式;為2時(shí)，表示雙跳模式偶鏈;為3時(shí)，表示雙跳模式奇鏈;

　　命令字段的定義方法見(jiàn)表1，表1只列出了部分命令，實(shí)際中可以根據需要增加命令;

　　表1命令包命令字段定義

　　命令參數字段：用來(lái)表示調光的亮度，數值越小LED發(fā)光亮度越低，耗電越少，數值為0時(shí)表示關(guān)燈;

　　跳數：命令傳送到目的地址所需經(jīng)過(guò)的節點(diǎn)數，最大值為路燈網(wǎng)絡(luò )所有LED節點(diǎn)的數量。傳送命令包時(shí)，每經(jīng)轉發(fā)一次則跳數減1，當跳數值為0時(shí)，命令包不再被轉發(fā)。