CN101404845B - 基于ZigBee技术的道路照明监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee技术的道路照明监控系统，该系统工作于多中心热备份工作模式，系统包括监控中心、多个照明系统及连接监控中心与照明系统之间的ZigBee网络，该ZigBee网络包括网络管理功能模块及多个协调器，该网络管理功能模块包括用于检测ZigBee网络中协调器PAN ID的检测模块、用于存储该ZigBee网络中各个协调器地址的地址存储模块及判断协调器是否属于该ZigBee网络的地址判断模块。本发明利用网络管理功能模块来解决多个协调器的PAN ID的冲突，有效解决了ZigBee网络只能允许一个协调器存在的问题，实现在ZigBee网络中设置多个协调器，使ZigBee网络工作于多中心热备份工作模式，从而大大增强网络的稳定性。

Description

基于ZigBee技术的道路照明监控系统

技术领域

本发明涉及一种基于ZigBee技术的道路照明监控系统。

背景技术

传统的路灯控制一般采用有线的方式，控制系统存在布线混乱、线路老化等问题。且无法做到无人监测，无法及时获知路灯即时工作参数、损毁情况。

现有的几种无线控制的技术，比如蓝牙技术、IEEE802.11标准的无线局域网技术，都存在着一定的缺陷，如蓝牙技术存在的缺陷是传输距离短、功耗高、网络容量小，无线局域网技术的缺点是成本高，功耗高。

ZigBee技术是2004年发展起来的一项新兴的无线通信技术，具有数据传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、时延短、网络的自组织、自愈能力强、通信可靠的特点。ZigBee协议还规定了网络拓扑结构和数据传输策略，是部署无线传感器网络的最好用的技术。在ZigBee技术中，PHY层和MAC层采用IEEE802.15.4协议标准，网络层和安全层则由ZigBee联盟定义。ZigBee的应用范围非常广泛，ZigBee联盟预测ZigBee将会适用于家庭安全和家庭自动化系统、仓库和物流管理系统、医院监护、工业控制等领域。

相比于蓝牙技术和无线局域网技术，ZigBee技术有如下的特点：

低功耗，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可以使用6个月到2年。

低成本，普通的8051单片机和无线模块就能组成无线节点，大大降低了成本。

网络容量大，ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，一个主节点最多可管理255个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

安全性高，ZigBee提供了数据完整性和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各种应用可以灵活确定其安全属性。

现有的ZigBee网络技术中，单个节点的损坏不会对网络造成大的影响，但网络协调器的损坏则会造成网络的瘫痪。

根据ZigBee协议规范，每一个ZigBee网络只允许有一个协调器存在，并保有唯一独立的PAN ID。若另一个ZigBee网络使用了一个已被使用的PAN ID，原来的ZigBee网络会自动识别出来，并自动转换至一个新的未被使用的PAN ID。这本是防止不同ZigBee网络间相互干扰的一个策略。但若协调器损坏，则整个ZigBee网络就会瘫痪。我们发现在某些实际应用中，如道路照明应用，各节点，包括协调器均安装在室外，可能会遭受意外损坏，需要及时更换，又因为节点安装位置较高(8～12米，需申请高空作业)，节点更换、网络维护成本都很大。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是实现一种基于ZigBee技术的道路照明监控系统。该系统能有效解决ZigBee网络的PAN ID冲突问题，在同一ZigBee网络能允许设置多个协调器，实现多中心热备份工作模式。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于ZigBee技术的道路照明监控系统，包括监控中心、多个照明系统及连接监控中心与照明系统之间的ZigBee网络，该ZigBee网络包括网络管理功能模块及多个协调器和路由器，该网络管理功能模块包括用于存储该ZigBee网络中各个协调器地址的地址存储模块、用于检测ZigBee网络协调器PAN ID的检测模块及用于及判断协调器是否属于该ZigBee网络的地址判断模块。

该网络管理功能模块还包括选择任一协调器作为主协调器的主协调器转换模块。

该ZigBee网络还包括多个由协调器、路由器连接成网状结构的数据采集节点，各个照明系统与每个数据采集节点对应连接。

每个数据采集节点均通过路由的方式与其他数据采集节点连接。

该ZigBee网络还包括若干冗余节点，冗余节点设于阻碍数据采集点之间通信的障碍物上。

该照明系统包括蓄电池、市电供电电路、电压比较电路、切换电路及路灯驱动电路，电压比较电路通过比较蓄电池的电压和市电供电的电压(24V)比较，当蓄电池电压大于市电电压时，则路灯通过切换电路连接至蓄电池供电，否则路灯通过切换电路连接至市电供电。

该照明系统包括具有唯一物理地址的ZigBee定位模块。

该照明系统还包括防盗装置，该防盗装置主要是针对太阳能蓄电池和路灯控制器以及电缆而设计的，该防盗装置包括安装于蓄电池门上的磁簧开关、接收磁簧开关信号的单片机及接收单片机控制指令的防盗电路。单片机通过检测磁簧开关的状态来判断蓄电池是否被盗，若门被打开出现盗窃情况，报警信号马上通过ZigBee节点和GPRS网络发送到监控中心，监控中心可以通过监控界面观察到哪盏路灯处出现盗窃现象，并及时进行处理，这样可以最小限度地减少损失。

该照明系统还包括求助报警装置，该报警装置包括报警按钮及接收报警按钮信号的报警电路，该报警电路通过ZigBee网络连接至监控中心。若在道路上发生意外，行人只要按下求助报警按钮，报警电路就会接收到报警信号，再通过ZigBee网络和GPRS网络传送到监控中心，监控中心通过监控界面就可以看到具体哪一盏路灯处出现事故，随后可以及时处理事故，这样就做到了事故报警并定位。

该照明系统包括功率控制模块，其中功率控制电路包括PWM发生电路、驱动电路、检测电路及路灯，ZigBee节点通过接收由控制中心发送的控制信息，并用此信息控制PWM发生电路，PWM发生电路通过输出PWM波形控制驱动电路改变输出电压，检测电路将输出电压反馈回PWM发生电路，PWM发生电路通过反馈电压与一标称值比较来改变PWM波形的占空比。不同的占空比可以让驱动电路输出不同的电流值，从而可以改变路灯的亮度，实现功率控制。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果体现在：

(1)本发明通过利用网络管理功能模块来解决多个协调器的PAN ID的冲突，有效解决了ZigBee网络只能允许一个协调器存在的问题，实现在ZigBee网络中设置多个协调器，使ZigBee网络工作于多中心热备份工作模式，从而大大增强网络的稳定性。

(2)所述照明系统功能包括监测、控制和防盗、报警、定位的功能，具体为：

其中，监测功能为对路灯状态的监测，路灯状态包括：路灯的开关情况，功率档位，路灯是否损坏，灯头温度，亮灯时的光照度，电池的充放电电压、电流。

控制功能为对路灯的控制，包括对系统内全部或部分路灯的开、关控制，功率控制。

防盗、报警、定位功能具体为：通过在照明系统每盏路灯上设置具有唯一物理地址的ZigBee模块，与路灯一对一的关系可以实现事故发生地点的定位；可以根据路灯的异常电流、电压、震动、磁簧开关等反馈信号检测出路灯设施是否有被盗窃；在路灯上可以设置一个报警按钮，若在道路上发生意外，行人只要按下按钮，就可以与监控中心进行事故报警、求救。

(3)ZigBee网络为网状结构，具有自组织自愈能力，每一节点都具有路由自动路由及数据转发功能，任意节点之间可以在传输范围内互传数据。所以当任意节点的缺失，网络数据传输可以避开损坏的节点，进行网络的自修复，并不会影响整个网络的数据传输。

(4)本发明采用了冗余节点，它不必具有数据采集的功能。主要用于中距离传输或传输节点之间有障碍等网络传输环境恶劣的情况，这时可以通过加入冗余节点，使数据可以通过冗余节点进行传输接力。冗余节点的加入或撤消不必对原有网络进行重新设置。

附图说明

图1是本发明系统的组成框图；

图2是多协调器ZigBee网络管理功能流程图；

图3是照明系统ZigBee节点为路由器的原理图；

图4是照明系统ZigBee节点为协调器的原理图；

图5是协调器的工作流程图；

图6是路由器的工作流程图；

图7是电源切换原理框图；

图8是路灯功率控制的原理框图；

图9是防盗报警电路的原理框图；

图10是求助报警电路的原理框图。

具体实施方式

本发明提供一种基于ZigBee技术的道路照明监控系统，该系统工作于多中心热备份工作模式，包括监控中心、多个照明系统及连接监控中心与照明系统之间的ZigBee网络，该ZigBee网络包括网络管理功能模块及多个协调器，该网络管理功能模块包括用于存储该ZigBee网络中各个协调器地址的地址存储模块、用于检测ZigBee网络协调器PAN ID的检测模块及判断协调器是否属于该ZigBee网络的地址判断模块。

当系统需工作于多中心热备份工作模式时，可指定某些数据采集节点作为协调器，其中只有一个是主协调器，其余的为冗余协调器。网络初始化时设置PANID，并将各协调器的macCoordShortAddress和macCoordExtendedAddress保存至地址存储模块中。同时PAN ID检测模块开始工作，当检测到有PAN ID冲突时，获取冲突方协调器的macCoordShortAddress和macCoordExtendedAddress，并将其与之前地址存储模块中的各macCoordShortAddress和macCoordExtendedAddress比较，若相同，则认为是允许的冲突，允许加入网络；若不相同，应视为其他外来系统(如非道路照明系统)的Zigee网络，不允许与本网络共存，则重新扫描，选用新的PAN ID。

这一机制可实现一个ZigBee网络中有两个或以上的协调器，同时又能与其他ZigBee网络区分。各协调器在网络中的地位是相等的，它们具有相同的PANID，但具有各自不同的地址，即具有不同的macCoordShortAddress和macCoordExtendedAddress。各协调器可以获知网络中其他协调器的macCoordShortAddress和macCoordExtendedAddress。

在本发明的道路照明系统中，各协调器的地位是相等的，它们传送的数据都是整个道路照明系统的数据，监控中心只需选择其中一个协调器作为主协调器实现数据的收发，而其他协调器作为冗余协调器。因此，该网络管理功能模块还包括选择任一协调器作为主协调器的主协调器转换模块。当所选用的主协调器发生意外，其他冗余协调器仍然工作，只需通过监控中心向转换模块发送指令，选择某一冗余协调器作为新的主协调器，即可简单完成网络协调器的转换，继续收发数据，而不必去到现场进行网络维护。实际应用中，作为一种保险机制，并不需要过多地设置冗余协调器，通常设置1～2个已经足够。

如图1所示，上述监控中心与ZigBee网络可通过GPRS或因特网实现连接，GPRS网络通过GPRS模块与ZigBee网络连接。

上述监控中心可实现对每盏路灯状态的监测、控制、记录、数据库生成及管理。各个路灯照明系统与各个ZigBee数据采集点一对一连接，数据采集节点可以是协调器1或路由器2，它们构成网状结构的ZigBee网络3。其中每个数据采集点均通过无线路由的方式与其他数据采集点连接。该ZigBee网络还包括若干冗余节点，冗余节点设于阻碍数据采集点之间通信的障碍物上。另外，每个冗余节点均设为路由器。

本实施例中，每个ZigBee网络最多可包含255个数据采集节点，考虑到需要冗余节点并预留部分网络容量，我们设计约200个照明系统组成一个ZigBee网络。

如图2所示，为多协调器的ZigBee网络管理功能流程图，首先进行初始化设置，确定主协调器和冗余协调器节点，设置其PAN ID。然后将各协调器的地址存储在地址存储模块寄存器中，再进行PANID检测，检测是否有PAN ID冲突，如果没有冲突则组网完成；如果有则判断此协调器的地址是否与先前存在寄存器中的地址相同，相同则允许PAN ID冲突，组网完成，如果不同则需要重新扫描网络，选用新的PAN ID，组网完成。

如图3所示，为照明系统与ZigBee数据采集节点(路由器)的连接原理图，每一个路灯的驱动电路上都安装一个ZigBee节点，此节点作为路由器使用，主要负责将采集到的数据发送给协调器并接收协调器发送的控制命令。

如图4所示，为照明系统与ZigBee数据采集节点(协调器)的连接原理图，与路由器节点不同的是，协调器作为数据采集节点的同时，还负责收集路由器发送过来的数据，并且通过串口连接GPRS模块将收集到的数据发送到远程监控中心，或接收远程监控中心的控制命令发送至各路由器。

如图5所示，协调器工作流程如下：

(1)初始化网络

(2)组建ZigBee网络

(3)判断中断的方式

(4)如果为发送中断，则将控制命令或数据发送到路由器

(5)如果为接收中断，则协调器接收路由器发送过来的数据，并将数据发送到GPRS模块

如图6所示，路由器工作流程如下：

(1)初始化

(2)加入到ZigBee网络之中

(3)判断是否收到控制命令

(4)如果收到控制命令，则按照控制命令进行相应的动作，如开关灯和功率切换，并返回相应状态信息

(5)如果未收到控制命令，则定时将状态信息发送给协调器

如图7所示，为电源切换电路原理图，该照明系统包括蓄电池、市电供电电路、电压比较电路、蓄电池/市电电源切换电路及路灯驱动电路，电压比较电路通过比较蓄电池的电压和市电供电电压，其中市电供电电压为24V，而蓄电池的电压在23-26V之间，当蓄电池电压大于市电供电电压时，则路灯通过切换电路连接至蓄电池供电，否则路灯通过切换电路连接至市电供电。

如图8所示，为功率控制原理图，该照明系统包括ZigBee节点、PWM发生电路、驱动电路、检测电路及灯具，ZigBee节点通过接收由控制中心发送的控制信息，并用此信息控制PWM发生电路，PWM发生电路通过输出PWM波形控制驱动电路改变输出电压，检测电路将输出电压反馈回PWM发生电路，PWM发生电路通过反馈电压与一标称值比较来改变PWM波形的占空比。不同的占空比可以让驱动电路输出不同的电压值，从而可以改变路灯的亮度，实现功率控制。

如图9所示，为防盗报警原理图，该照明系统还包括防盗装置，该防盗装置主要是针对防止太阳能蓄电池和路灯控制器、电缆而设计的，该防盗装置包括安装于蓄电池门和路灯杆底部的控制器安装门上的磁簧开关、接收磁簧开关信号的单片机及接收单片机控制指令的防盗报警信号产生电路。单片机通过检测磁簧开关的状态来判断蓄电池或控制器、电缆是否被盗，如磁簧开关处于常闭状态，正常情况下单片机检测到为高电平，若门被打开出现盗窃情况，单片机则检测到低电平，报警信号马上通过ZigBee节点和GPRS网络发送到监控中心，此时监控中心会有声音及动画提示，由于系统有定位功能，监控中心可以通过监控界面观察到哪盏路灯处出现盗窃现象，并及时进行处理，这样可以最小限度地减少损失。

如图10所示，为求助报警原理图，该照明系统还包括求助报警装置，该求助报警装置包括报警按钮及接收报警按钮信号的报警电路，该报警电路通过ZigBee网络连接至监控中心。若在道路上发生意外，行人只要按下报警按钮，报警电路就会接收到报警信号，再通过ZigBee网络和GPRS网络传送到监控中心，此时在监控中心会有声音及动画提示，监控中心通过监控界面就可以看到具体哪一盏路灯处发生意外，并及时处理。

Claims (10)

1.一种基于ZigBee技术的道路照明监控系统，包括监控中心、多个照明系统及连接监控中心与照明系统之间的ZigBee网络，其特征在于：该ZigBee网络实现多中心热备份工作模式，包括网络管理功能模块及多个协调器，该网络管理功能模块包括用于检测ZigBee网络中协调器PAN ID的检测模块、用于存储该ZigBee网络中各个协调器地址的地址存储模块及判断协调器是否属于该ZigBee网络的地址判断模块。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的道路照明监控系统，其特征在于：该网络管理功能模块还包括选择任一协调器作为主协调器的主协调器转换模块。

3.根据权利要求2所述的基于ZigBee技术的道路照明监控系统，其特征在于：该ZigBee网络还包括多个与协调器连接成网状结构的数据采集点，各个照明系统与每个数据采集点对应连接。

4.根据权利要求3所述的基于ZigBee技术的道路照明监控系统，其特征在于：每个数据采集点均通过路由的方式与其他数据采集点连接。

5.根据权利要求4所述的基于ZigBee技术的道路照明监控系统，其特征在于：该ZigBee网络还包括若干冗余节点，冗余节点设于阻碍数据采集点之间通信的障碍物上。

6.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的道路照明监控系统，其特征在于：该照明系统包括蓄电池、电压比较电路、蓄电池/市电电源切换电路及LED路灯，路灯系统采用蓄电池、市电供电，电压比较电路对蓄电池电压和市电的电压进行比较，当蓄电池电压大于市电电压时，则路灯通过切换电路连接至蓄电池供电，否则路灯通过切换电路连接至市电供电。

7.根据权利要求6所述的基于ZigBee技术的道路照明监控系统，其特征在于：该照明系统包括具有唯一物理地址的ZigBee数据采集模块，通过其唯一物理地址与各照明点一一对应，实现定位功能。

8.根据权利要求7所述的基于ZigBee技术的道路照明监控系统，其特征在于：该照明系统还包括防盗报警及定位装置，该防盗报警及定位装置包括安装于蓄电池和路灯控制器安装门上的磁簧开关、防盗报警及定位信号产生电路、防盗报警及定位信号发送电路，防盗报警及定位装置将其所产生的磁簧开关的信号及定位信号通过ZigBee网络及GPRS网络连接至监控中心。

9.根据权利要求8所述的基于ZigBee技术的道路照明监控系统，其特征在于：该照明系统还包括路人求助报警及定位装置，该求助报警及定位装置包括求助报警按钮及求助报警及定位信号产生电路、求助报警及定位信号发送电路，求助报警及定位装置将其所产生的求助报警及定位信号通过ZigBee网络连接至监控中心。

10.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的道路照明监控系统，其特征在于：该照明系统包括ZigBee数据采集节点、PWM发生电路、驱动电路、检测电路及路灯，ZigBee数据采集节点负责接收来自协调器的功率控制命令和向协调器发送路灯节点的功率状态信息，PWM发生电路通过输出PWM波形控制驱动电路改变输出电流从而改变输出功率，检测电路将输出电流反馈回PWM发生电路，通过调整PWM占空比来保持输出功率稳定在设定值。

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