基于CC1101无线自组网的路灯监控及节能系统.pdf

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1、文章编号：1 0 0 1 9 9 4 4(2 0 l1)0 2-0 0 2 0-拱基于C C11O1 无线自组网的路灯监控及节能系统丁欣，胥布工(华南理工大学基于网络和现场总线实时控制实验室，广州5 1 0 6 4 1)摘要：为提高路灯监控系统的管理效率和节能效果，对所采用的协议设计一种自组形式网络有着重要的意义。文中在路灯监控管理系统模型的基础上介绍了无线自组网络特点，提出由单灯实时控制和检测的系统方案。并实现系统的G I S 功能。研究路灯监控系统的硬件设计、软件设计I P 地址分配机制，并在C h i p c o n 公司的C C l l 0 1 芯片上进行测试。在实际工程中成功应用了所

2、提出的方案实现了路灯监控系统的智能化、信息化、高可靠性、低成本的目标，起到了明显的节能效果关键词：C C l l 0 1 芯片：无线自组网；路灯监控系统；节能中图分类号：T P 2 7 7文献标志码：BS t r e e tL i g h tM o n i t o r i n ga n dE n e r g y-s a v i n gS y s t e mB a s e dO nC C I1 0 1W i r e l e s sA dH O CN e t w o r kD I N GX i n，X UB u g o n g(L a b o r a t o r yo fR e a l“m eC

3、o n t r o lT h r o u g hI n t e r n e ta n dF i e l d b u s，S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，G u a n g z h o u51 0 6 4 1，C h i n a)A b s t r a c t：I no r d e rt oi m p r o v et h em a n a g e m e n te f f i c i e n c ya n de n e r g ys a v i n ge f f e c to fs t r e e tl i

4、 g h tc o n t r o ls y s t e m，i t Sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g nas e E-g r o u pn e t w o r k W i t ht h em o d e lo fs t r e e tl i g h tm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sA dH o en e t w o r k sa n dt h ea p p l i c

5、a t i o nd e v e l o p m e n tm e t h o df o r t h ee n e r g y-s a v i n gs t r e e tl i g h tc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e d T h es y s t e mp r o g r a m m ec o n s i s t i n go fG I Sn e t w o r ka n dr e a l q i m ec o n t r o li sp r o p o s e d T h ed e s i g no fs t r e e tl i g

6、 h tc o n t r o ls y s t e mi sg i v e ni n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g n，s o f t w a r ed e s i g n。a p p l i c a t i o np r o f i l e，I Pa d d r e s sa l l o c a t i o nm e c h a n i s m T h es y s t e mp r o g r a m m ei st e s t e do nt h ep l a t f o r mo fC h i p c o nC C I1 0 1 T h

7、ep r o p o s e ds y s t e mi ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oa e t u a l p r o j e e lT h es t r e e tl i g h t e n e r g y-s a v i n gc o n t r o ls y s t e mh a sc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e l l e c-t u a l i z a t i o n，i n f o r m a t i o n i z a t i o n，h i g hr e l i a b i l

8、 i t y，l o wc o s to b j e c t i v e s e t c T h eo b v i o u se n e r g ys a v i n gc o n t r o lr e s u l ti so b t a i n e d K e yw o r d s：C C I1 0 1c h i p；w i r e l e s sA dH o eN e t w o r k；s t r e e tl i g h tm o n i t o r i n gs y s t e m；e n e r g y-s a v i n g路灯照明是城市基础设施中不可缺少的组成部分在城市的交通安

9、全、社会治安、人民生活和市容风貌中处于举足轻莺的地位发挥着不可替代的作用。因此，保证路灯正常开关及照明质量对市政建设来说是一个重大的研究课题。目前国内的道路照明系统大部分没有采用网络化监控管理只能以区域为单位对照明设备进行简单的开关灯控制这些分组节能控制方法欠缺人性化不能实现信息融合以及远程集中监控，对照明设备的维护相当困难，存在对照明设备防盗、线路防盗收稿日期：2 0 1 0-0 7 1 9；修订日期：2 0 1 0-0 8-0 2基金项目：N S F C 一广东联合基金重点项目(U 0 7 3 5 0 0 3)作者简介：丁欣(1 9 8 4-)，女在读硕士研究生，研究方向为无线传感器网络；

10、胥布工(1 9 5 6-)男，教授，博士生导师，研究方向为鲁棒控制与网络化控制系统、无线传感器网络。田万方数据总线与网细无能为力等弊端r 2】。寻找一种在社会效益、经济效益上均显著的管理监控系统是城市道路照明发展的必然方向1 3 。从路灯节能控制系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑。采用基于C C l l 0 1 芯片的无线组网技术无疑可以实现路灯控制系统的智能化、信息化、可靠性高、低成本的目标。本文将Z i g b e e l 4 j 自组网思想与G D 6 0 协议相结合，采用I P 地址终端发起网络算法通过满足系统对于性能指标的要求来实现路灯系统的低成本、节能化。1无线自组网技

11、术无线自组网是一种特殊的无线移动通信网络。其中每个节点的地位平等无需设置任何中心控制节点网络中的节点兼具主机和路由器2 个角色。作为主机节点需要提供面向用户的服务：作为路由器节点需要运行相应的路由协议并根据路由策略参与分组转发和路由维护。在没有网络基础设施的情况下这个特点仍可提供通信支撑环境。A dh o c 网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等。即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点享竺塾堡竺罂r I 页丽剥I 丝塑生竖兰堡!发送数掘t 接收数据j 日l 控制命令tj!l l 场信息远程监控图1监控中心整体设计围F i g 1S t r u c t u r eo fm

12、 o n i t o r i n gc e n t e r监控中心图2 系统总体结构组网围F i g 2P i c t u r eo fs y s t e ma r c h i t e c t u r eN e t w o r k的故障不会影响整个网络的运行具有很强的抗毁性。在该路灯监控系统中，每个路灯节点的地位是平等的既能响应数据包，又能够转发数据包。在接收和转发的过程中并不会影响改变数据包的内容。2 路灯监控系统的结构设计对于路灯监控系统而盲如图l 所示。其中监控中心软件主要负责采集从站数、发布控制命令、传送实时数据给服务器、显示实时数据以及提供声光报警等功能同时还要进行各种复杂的后台计算

13、，维护数据库数据的完整性等【6】。整个路灯系统由监控中心、远程监控终端(R T U)、远程终端设备和路灯组成。路灯监控系统的整体组网结构如图2 所示。矗动亿s 仪囊2 0 1 1(2)本系统采用无线自组网技术和有线网络两层网络。路由节点安装在路灯灯杆上起着控制路灯节能和为其他节点无线转发的中继作用。在该系统中每个路灯终端节点都起着路由节点的作用。针对道路照明系统特殊的“长链状”网络拓扑结构以及考虑到系统的健壮性和可靠性本系统采用树状拓扑结构。这样系统就包含有内置冗余保证如果网络中有节点发生故障、脱离了网络无法正常工作，节点数据将自动路由到一个替换节点以保证系统的可靠、稳定。3 路灯控制器节点设

14、计节点作为控制系统的基本单元多个路灯节点相互协调T 作就构成无线控制网络。因此，节点的设计是本路灯系统的关键和难点。路灯控制节点的田万方数据醇线与网络功能包括执行控制功能和无线通信功能节点包括硬件设计和软件设计。3 1硬件设计本路灯控制器是基于C C l1 0 1 设计的。无线收发芯片C C I1 0 1 是一种低成本、低功耗、无需申请频点、传输可靠、支持无线传感器网络技术的单片可编程U H F 收发芯片。其工作频段灵活，可以设定在3 1 5 M H z、4 3 3 M H z、8 6 8 M H z 和9 1 5 M H z 的l S M 和S R D 频段。其可编程数据传输速率可达5 0

15、0 k B a u d，提供数据包处理、数据缓冲的硬件支持。C C l1 0 1 具有数字接口部分、模拟部分。数字接口部分作为下载程序的模块主要T 作参数通过S P I 接口编程改变：模拟部分负责信号的选频、放大、滤波、混频处理等等。该系统选择射频频率4 3 3 M H z 该频段无需申请频段许可由于发射功率足够高并且采用全向天线作为发射和接收天线在实验环境内发射无死区。C C l1 0 1 原理图如图3 所示。图4 节点的体系结构图F i g 4S t r u c t u r ed r a w i n g so fn o d e s用于采集电路中的电力参数。功率自动控制模块是个执行器通过控制

16、继电器的开关，改变接入电路中节能电感量。实现功率的闭环调节。3 2 软件设计软件设计是在公司的现有G D 6 0 规约基础上融人Z i g b e e 的自组网。无线自组网思想 9 设计出来的一种基于C C l1 0 1 芯片的新型自组网络。现有的G D 6 0 规约的基本思路是：每个节点的地位平等。可响应和转发数据帧。I P 地址事先分配好，数据帧图3C C”0 1 原理图F i g 3P r i n c i p l eg r a p ho fC C l10 1c h i p路灯控制器节点由电流电压测量模块、保护模块、电源模块、功率自动调节模块、C C l l 0 1 模块组成。节点的体系结

17、构如图4 所示。过温和过电流保护模块保证了控制器节点的安全保护模块能自动检测到跳闸、供电故障和控制异常等突发事件并及时将报警数据上传到控制中心。电流电压测量模块由电压电流互感器组成。囝中包括了目的节点的地址和转发的路由、个数。该规约目前遇到的瓶颈是不能够自动绕过故障节点错误冗余度较差。不便于维修节能效果不明显新型自组网意在解决这些问题下面是有关新型自组网的概念、思路互相可见且通信质量好的节点可作为信任节点在包转发时优先考虑信任节点。在路灯系统通电后每个节点都在向周围发送信息，信息内容如下：1)U n i t l D 出厂时给每一个路灯节点配置的设备地址2)网络地址，建立网络后被分配的网络地址，

18、即通过此也知道了其所在的支路。3)中心距离，即节点与中心节点的最短跳数。4)信任节点的个数和网络地址即节点已经建立的信任节点有几个都是谁。5)确认信息，即节点能收到谁发送的信息，从而发送一个确认信息“我收到了”。要是没有收到。则不u童暑c一1_兽口万方数据总线与网细做回应。6)计数器，当收到对方的回应时，计数器就加1 从而确定最后共有几个信任节点。7)询问语句。即问其他节点认识那个节点吗。或者问其他节点信任节点中有谁吗。这样可以用于指定哪个节点开关。该网络中所有节点的I P 地址都是由中心节点分配的。采用的是终端发起网络法。分支节点应该有数个它们的逻辑地位是相同的故途中用一个节点来表示。确定分

19、支节点采用的方法是：从终端节点发起，利用I P 地址计算替代法。方法具体如下：1)每条支路的路灯数是知道的。2)每条支路的终端节点I P 地址是确定的，各个终端节点向中心节点发送信息都会途经分支节点分支节点记录下经过其终端节点地址。3)中心节点收到各个节点上发来的信息进行分析发现含有2 个及其以上终端I P 地址的节点。即认为它是分支节点。并开始分配地址。4)具体分配地址如图5 所示。图5 树状路灯监控系统图F i g 5S t r u c t u r eo fT r e eU g l a t i n g有6 个终端节点分别用数字1 6 来标记途中有3 个分支节点分别标记为分支节点l。3。在理

20、想的情况系下中心节点通过分析会知道：经过分支节点1 的终端节点有l，2，3，4，5，6；经过分支节点2 的终端节点有4。5，6；经过分支节点3 的终端节点有2。3。分析后因为分支节点2。分支节点3 分别包括喜动化与仪表2 0 1 1(2)3 个和2 个终端节点分支节点l 包括所有的终端节点。中心节点根据分析结果开始分配分支节点地址及支路号。现在来确定每个节点的I P 地址：1)由上面支路的支路号。2)根据分支节点确定其下行节点的位置由中心节点进行分配地址。如图6 所示现在指示第3 条支路的第5 0 个节点进行开关。找到所经过的分支节点。对指定节点重新分配地址，然后进行相应的控制。图6 指定节点

21、I P 地址确定图F i g 6D e t e r m i n et h eI Pa d d r e s so ft h es p e c i f i e dn o d e4 测试及应用效果2在该路灯监控系统设计的基础上利用C h i p c o n 公司的协议分析仪对C C I1 0 1 控制器进行组网、通信、互操作性测试。其中组网流程如图7 所示。圈7 组网流程圈F i g 7F l o wc h a r to fN e t w o r k(下转第4 9 页)田万方数据采用了B D 调制的P W M 算法和反馈回路噪声分析的方法通过模糊自整定P I 进行有效控制。实验结果表明该动态匀场放大

22、器具有响应速度快和稳态精度高的特点，能满足高场应用的基本要求。参考文献：1 P v a nG e l d e r e ne ta 1 R e a l-t i m es h i m m i n gt oc o m p e n s a t ef o rr e s p i r a t i o n i n d u c e dB 0f l u c t u a t i o n s J M a g n e t i cR e s o n a n c ei nM e d i c i n e 2 0 0 7。5 7：3 6 2-3 6 8 2 Y a n gB o o nQ u e k C l a s s-DL

23、CF i l t e rD e s i g n Z T IA p p l i c a t i o nR e p o r t。2 0 0 8(3 G e o r g eE l l i s。控制系统设计指南 M 刘君华，等译北京：电子-T 业出版社。2 0 0 6：1 7 2 1 4 R o nM a n c i n i O pA m p sF o rE v e r y o n e Z T IA p p l i c a t i o nN o t e s，2 0 0 2 5 A r tK a y A n a l y s i sa n dM e a s u r e m e n to f I n t r

24、 i n s i cN o i s ei nO PA m pC i r c u i t s P a r tI I：I n t r o d u c t i o nt OO PA m pN o i s e Z T IA p p l i c a t i o nN o t e s 2 0 0 7 一出尔!；带!；帝!钎；!锯；!锯；!；幂!；零!缔；女!铂；出卵出乖出帘延锯沾乖出牢2 带砖缔越钢趟铂姑乖出尔蝗旎趟铂趟钥d 纫趟锯淄铂趟纫趟钥d 钥d 锯趟钥浏镅浏锄肆带窖乔楚钥浏锯测锯洲铂谜铂浏钥谜纫$乔(上接第2 3 页)在该测试实验中，用一个中，系统的节能高达3 0 以上，并能提高路灯使用C C l

25、1 0 1 控制器对路灯进行控制所使用的测试软件寿命3 5 倍。是G D 6 B S B 如图8 所示。5 结语本文介绍的基于无线自组网的路灯监控系统大大提高了系统的稳定性和维护管理水平。降低了人力维修的难度。新型自组网络的自组性、自修复功能让路灯监控系统有着很高的可靠性。测试结果表明节点转发信息时延短可对系统进行实时控制。提高了实时性，采用C C l l 0 1 低成本芯片，结合有效的节能控制算法实现了系统的节能效果。此外，本文采用的新型自组网络不仅具有成本低、可靠性高、稳定性好、节能效果好等特点，而且移植性强。因此可推广到其他领域中去。图8G D 6 B S B 测试界面F i g 8G

26、D 6 B S BT e s tI n t e r f a c e连接好串口。把程序下载到C C l l 0 1 控制器上，利用测试软件下达灯控命令。发现路灯节点做出了正确的反应。测试现场及结果如图9 所示。圈9 测试现场及结果F i g 9T e s ts i t ea n dr e s u l t s通过测试保证了产品的硬件设计、软件设计的可靠性。特别是解决了以往无线控制器网络通信不稳定不能规避故障节点的问题，提高了系统的错误冗余度和稳定性。并且通信的延时较短。软硬件的设计基本满足了系统的要求。在实际工程项目自动化与仪囊2 0 1 1(2 l参考文献：1 郑力明。扬木文基于W S N 的路

27、灯监控管理系统 J 传感器与仪器仪表，2 0 0 9 2 5(5-1)：1 4 7 1 4 9 2 关耀宗胥布工基于Z i g B e e 网络的道路照明监控及节能系统 J 自动化与信息丁程2 0 0 7 2 8(4)：3 8 4 1 3】林方键。胥布1：基于Z i g b e e 网络的路灯节能控制系统【J 控制T 程2 0 0 9 1 6(3)：3 2 4 3 2 6 4 瞿雷，刘盛德，胡咸斌Z i g B e e 技术及应用 M 一E 京：北京航空航天大学 l 版社2 0 0 7 5 郑相全无线自组网技术实用教程 M 北京：清华大学H 版社，2 0 0 4 6 陆凌云基于A dH o c

28、 的分布式路灯监控系统的设计与实现 J 绿色照明2 0 0 9(7)：9 5 9 7 7 李娟，唐小超，葛豇峰基于C C l l 0 1 射频技术的室内超声定位系统 J 自动化与仪表2 0 0 9，2 4(6)：l-4 8】T e x a sI n s t r u m e n t sI n c Z-S t a c ka p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r-f a c e Z】T e x a s，U S A：T Il n c 2 0 0 6【9 H a e n I g i M P u c c i n e l l i D R o u t i n gi n A d H o cn e t w o r k s：Ac a f o rl o n gh o p s J I E E EC o m m u n i c a t i o n sM a g a z i n e 2 0 0 5，4 3(1 0)：9 3-1 0 1 四万方数据