CN101883455B - 一种基于无线传感器网络的照明节电测控系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的照明节电测控系统，包括传感器节点，用于采集数据并发送，还用于根据接收的配置数据配置本传感器节点和/或所对应的照明节电设备的参数；中继节点，用于收集本楼层内、处于本中继节点信号覆盖范围内的各传感器节点发送的数据；或用于中继传输来自其他中继节点的数据，直接或多跳发送给网关；还用于将来自网关的配置数据发送给对应的传感器节点；网关，用于汇集整个网络的数据，并通过串口发送给上位机；还用于接收来自上位机的配置数据，直接或通过相应的中继节点多跳传输给相应的传感器节点；上位机，用于接收网关上传的数据并保存进数据库，以及通过串口将配置数据发送给网关，并指示该配置数据对应的传感器节点。

Description

一种基于无线传感器网络的照明节电测控系统

技术领域

本发明涉照明节电领域，尤其提供一种基于无线传感器网络的照明节电测控系统。

背景技术

根据大量实验统计结果表明，电源电压每降低10％，常规灯具如荧光灯照度约降低7％，而人眼对光线的感觉与照度成对数关系，即当光线照度减小10％时，理论上人的视觉感觉亮度只减小1％，因此适当减少灯具输入功率所产生的照度微弱变化，不会影响正常使用，但灯具寿命却可以延长70％。全世界20％的电力消耗在照明上，我国照明用电量平均每年以15％左右的速度递增，2007年达到3900亿千瓦时，占全国电力消费总量的比重已经超过12％。所以通过适当的降压来节能，也能产生巨大的经济和社会效益。

照明节电设备的投入，主要的方面是对现有照明设施的改造。无论是市政照明，还是办公照明，这些照明工程和弱电线路多数都是已经完工的庞大系统，所以推广照明节电设备必须着眼于改造。同时照明用电的输入端，总是被安置在不易接触人群的位置，在这些位置安装照明节电设备，或者安装好后进行参数设置都是不易的，这就要求照明节电设备的安装方式简单、可靠，而且通过无线方式进行参数设置。

众多的实践表明，照明节能是一个系统工程，针对单一的设备进行节能改造，往往收效不大，若能将照明网络的各个对象集中控制起来，分区域，分季节，分时段，针对不同的照明光源，针对不同的负载容量，采用不同的配置方案才能收到良好的效果。

无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。使用无线传感器网络能够将独立的设备有效的组织起来，从而获得一个智能的感知组织，从系统的层面去管理各个对象。

照明节电设备的主回路通过降低照明回路的输入电压来实现节能。其原理如图1所示，图1中控制电路要周期性地采集照明电网输入电压、照明节电设备输出电压和负载电流，以及核心温度。控制电路通过这些负反馈，控制继电器的开路和闭合，来控制照明节电设备的接入(串入照明电网)和断开(旁路出照明电网)。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于无线传感器网络的照明节电测控系统，整个系统不需要铺设专用数据传输线路，周期性地采集数据，通过无线方式，低成本和低复杂度地实现对照明节电设备的集中监控。

为了解决上述问题，本发明提供了一种照明节电测控系统，其特征在于，包括：

若干个传感器节点，与照明节电设备一一对应；若干个中继节点、网关和上位机；

各所述传感器节点分别用于采集所对应的照明节电设备主回路的核心温度、照明电网输入电压、照明节电设备输出电压和负载电流，发送所采集的数据；还用于接收配置数据，并根据该配置数据配置本传感器节点和/或所对应的照明节电设备的参数；

各所述中继节点用于收集本楼层内、处于本中继节点信号覆盖范围内的各传感器节点发送的数据；或者用于中继传输来自于其他中继节点的数据，直接或多跳发送给所述网关；还用于将来自网关的配置数据发送给对应的传感器节点；

所述网关用于汇集整个网络的数据，并通过串口发送给上位机；还用于接收来自上位机的配置数据，直接或通过相应的中继节点多跳传输给相应的传感器节点；

所述上位机用于接收网关上传的监测数据并保存进数据库，还用于通过串口将配置数据发送给所述网关，并指示该配置数据对应的传感器节点。

进一步地，所述的系统还包括：

各所述传感器节点发送所采集的数据时还发送本节点的节点标识，以及本传感器节点同父节点之间的接收信号强度指示RSSI信息；

所述上位机通过在所述配置数据中携带该配置数据所对应的传感器节点的节点标识，来指示该配置数据对应的传感器节点。

进一步地，各所述传感器节点周期性工作；

各所述中继节点还用于缓存来自于网关的、发送给本中继节点信号覆盖范围内的传感器节点的配置数据，探询该配置数据对应的传感器节点的状态，在所述对应的传感器节点醒来后，将所述配置数据发送给该对应的传感器节点。

进一步地，所述中继节点包括骨干中继节点和普通中继节点；在每一个楼层间各安装一个骨干中继节点，来将本楼层的传感器节点和普通中继节点发送的数据汇集传输给网关，并将离网关较远的骨干中继节点发送的数据转发给网关或离网关较近的骨干中继节点。

进一步地，所述上位机保存各传感器节点的节点标识、楼层号和安装位置信息；还用于通过节点标识确定传感器节点的具体安装位置。

进一步地，所述传感器节点具体包括：

温度传感器，用于采集所对应的照明节电设备主回路的核心温度；

电流采集模块，用于采集负载电流；

电压采集模块，用于采集照明电网电压，照明节电设备输出电压；

数据交互模块，用于发送所述温度传感器、电流采集模块和电压采集模块采集的数据给父节点；以及接收来自于父节点的配置数据；

控制器，用于根据配置数据配置本传感器节点和/或所对应的照明节电设备的参数；

所述温度传感器、电流采集模块、电压采集模块和数据交互模块平时可处于休眠状态；所述控制器还用于定时唤醒所述温度传感器、电流采集模块、电压采集模块和数据交互模块；所述温度传感器、电流采集模块和电压采集模块被唤醒后采集数据，然后再次进入休眠状态；所述数据交互模块被唤醒后发送所采集的数据，如果有配置数据则接收，完成后再次进入休眠状态。

进一步地，所述的系统还包括：

存储模块，用于保存一工作区间参数；

控制器还用于定时根据实时时钟信号判断当前时间是否属于工作区间，如果属于则将照明节能主回路串联到照明回路；否则将照明节能主回路切换到旁路状态。

进一步地，所述的系统还包括：

存储模块，用于保存电压阈值、负载阈值和温度阈值；；

控制器还用于当发生下列情况中的一种或几种时，传感器节点将照明节能主回路切换到旁路状态：

采集到的所对应的照明节电设备主回路的核心温度大于所述温度阈值；

采集到的照明电网输入电压小于所述电压阈值；

采集到的负载电流大于所述负载阈值。

进一步地，所述的系统还包括：

存储模块，用于保存本传感器节点的节点ID，以及本传感器节点与父节点之间的RSSI信息；

所述数据交互模块发送所采集的数据时，在其中携带本传感器节点的节点标识、本传感器节点同父节点之间的RSSI信息。

进一步地，所述的系统还包括：

所述控制器还用于定期指示所述数据交互模块确定网络状态；

所述数据交互模块收到该指示后被唤醒，发送所述广播包以确定当前的父节点，以及RSSI信息，并保存在所述存储模块中。

本发明将无线传感器网络技术用于照明节电系统的管理，克服了传统有线数据采集方式安装和维护成本高、恶劣环境下难以采集数据的困难，利用无线通信技术和嵌入式技术，实现了一种维护成本低，安装方便，操作方面，适应环境广泛的无线集中控制方式。

附图说明

图1为照明节电设备的原理示意图；

图2为实施例一中的照明节电测控系统的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

实施例一，一种照明节电测控系统，如图2所示，包括：

若干个传感器节点，与照明节电设备一一对应；若干个中继节点、网关和上位机；图2中，共有3个楼层，分别是楼层A、B、C；其中楼层A为网关所在楼层，包括三个传感器节点和一中继节点，其中一个传感器节点直接和网关无线连接，另外两个传感器节点和中继节点无线连接；楼层B中有两个无线连接的中继节点，其中一个中继节点与网关相连，另外还有两个传感器节点，两个传感器节点中的一个与该中继节点无线连接，另一个与楼层B中另一中继节点无线连接；楼层C中有一个中继节点，与楼层B中与网关相连的中继节点无线连接，还有两个传感器节点，均与该楼层C中的中继节点无线连接。图2仅为一应用例，实际应用时，可根据需求布局。

各所述传感器节点分别用于采集所对应的照明节电设备主回路的核心温度、照明电网输入电压、照明节电设备输出电压和负载电流，将所采集的数据和本传感器节点的节点ID，以及本传感器节点同父节点之间的RSSI(Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示)信息一起发送；还用于接收配置数据，并根据该配置数据配置本传感器节点和/或所对应的照明节电设备的参数。

所述父节点为传感器节点与所述网关之间的传输路径上，一般是最靠近传感器节点的节点，也就是和传感器节点直接通讯的节点；有可能是一中继节点，也可能是所述网关。

本实施例中，传感器节点上传给网关的数据包都包含RSSI信息，这个信息表征的是传感器节点与其父节点之间的数据传输质量，如果RSSI信息显示该传感器节点和父节点间的通讯较弱，则用户可以考虑在适当的位置增加中继节点。在这个新增的中继节点上电工作后，传感器节点会自行侦测到它的存在，并在原父节点上注销自己的路由关系，然后登录到新的中继节点上。为了完成这个功能，在传感器节点上设计了周期性侦测信号质量的机制。每隔10分钟，传感器节点会发送一个广播包来侦测周围的中继节点或网关，收到这个信息的中继节点或网关会向该传感器节点回复信息。传感器节点总是优先保存最快回复的节点(中继节点或网关)为父节点，并保存与该父节点之间的RSSI信息。

为了节电，可设置各所述传感器节点周期性工作，即：一般处于休眠状态，定期醒来采集和发送数据；如果接收到配置数据则进行相应配置，然后再次进入休眠状态。

各所述中继节点用于收集本楼层内、处于本中继节点信号覆盖范围内的各传感器节点发送的数据；或者用于中继传输来自于其他中继节点的数据，直接或多跳发送给所述网关；中继节点还用于缓存来自于网关的、发送给本中继节点信号覆盖范围内的传感器节点(子节点)的配置数据，探询该配置数据对应的传感器节点的状态，在所述对应的传感器节点醒来后，将所述配置数据发送给该对应的传感器节点(子节点)。

各所述中继节点需要外部供电，没有休眠的模式，它能够维护网络的拓扑关系，为下属的传感器节点创建子节点拓扑列表。

所述中继节点包括骨干中继节点和普通中继节点；本实施例中，考虑到楼层与楼层间的屏蔽比较显著，所以在每一个楼层间各安装一个骨干中继节点，来将本楼层的传感器节点和普通中继节点发送的数据汇集传输给网关，并将离网关较远的骨干中继节点发送的数据转发给网关或离网关较近的骨干中继节点。这样层层链接就构成了一个数据汇集和传输的骨干通道。网关所在楼层不需要特别增加骨干中继节点设备来汇集数据。

所述网关用于汇集整个网络的数据，并通过串口发送给上位机；还用于接收来自上位机的配置数据，传输给对应的传感器节点；可以通过相应的中继节点多跳传输，也可以直接传输给传感器节点。

汇集到网关的数据分为两种，一种是通过骨干中继节点传输来的数据，另一种是直接由传感器节点传输来的数据。

所述上位机用于保存各传感器节点的节点ID(标识)、楼层号和安装位置信息；接收网关上传的监测数据并保存进数据库；还用于通过串口将配置数据发送给所述网关，并指示该配置数据对应的传感器节点，比如在配置数据中携带该配置数据所对应的传感器节点的节点ID，网关和中继节点可依此判别配置数据要发送给哪个传感器节点。可以默认当不携带节点ID时，配置数据为发送给所有传感器节点的；另外还可以在配置数据中设置版本号，传感器节点接收到配置信息后可以先和本地保存的配置数据的版本进行比对，发现接收的配置数据比本地的新时，用接收的配置数据更新本地保存的配置数据。

本实施例中，当安装各传感器节点时，就将各传感器节点的节点ID、楼层号和安装位置信息保存在上位机中；所述上位机可以但不限于为一监控中心服务器。

本实施例中，所述上位机可以根据所保存的各传感器节点的节点ID、楼层号和安装位置信息，通过节点ID确定传感器节点的具体安装位置，从而能对应到楼内的具体物理位置，从而使监控人员能根据上位机中的相关信息，对各个照明节电设备进行控制和查询运行状态。

本实施例中，传感器节点工作过程中，需要周期性地比较当前时间和所保存的工作区间参数，如果当前时间属于工作区间，则启动节能模式，将照明节能主回路串联到照明回路。否则，传感器节点将照明节能主回路切换到旁路状态，由照明电网直接供电，对应灯具工作在全压状态下。

本实施例中，照明节电设备分区域工作，在日照条件较好的办公区域，照明灯具工作时间较短，相应的照明节电设备工作的时间就较短。照明节电设备分时段工作，在上班的工作时段，人员繁忙，照明节电设备不工作。照明节电分季节工作，一般的，夏季日照时间长，照明节电设备工作的时间就比较短。

因此，对应于不同照明节电设备的传感器节点中的工作区间参数不同，根据照明节电设备所在区域的情况设置。

本实施例中，照明节电设备工作过程中，会出现3类故障：欠压、过载和超温。欠压是因为照明节电设备的输入电压过低，电网电压已经不能满足照明灯具的需要，此时降压节能没有意义；过载是因为照明回路异常而造成回路中出现大电流；超温是因为照明节电主回路超载或散热条件降低造成的。针对这几种故障，解决方式都是强制照明节能主回路旁路出照明电网，由电网直接给灯具供电。

所述传感器节点中保存有电压阈值、负载阈值和温度阈值，当发生下列情况中的一种或几种时，传感器节点将照明节能主回路切换到旁路状态：

采集到的所对应的照明节电设备主回路的核心温度大于所述温度阈值；

采集到的照明电网输入电压小于所述电压阈值；

采集到的负载电流大于所述负载阈值。

本实施例中，传感器节点保存对应照明节电设备的工作参数，上电后节点自行控制照明节电主回路投入节能或者旁路。即使在没有网络的情况下，传感器节点也能指示照明节电设备正常工作。

本实施例中，传感器节点ID可以但不限于为64位，照明节电设备被安装在各个楼层的不同角落，每个照明节电设备都拥有一个唯一的ID号，各传感器节点的节点ID可以和对应的照明节电设备一致；由于传感器节点与照明节电设备是一一对应的，因此有多少个照明节电设备，就需要安装多少个传感器节点。

本实施例中，所述传感器节点具体可以包括：

温度传感器，用于采集所对应的照明节电设备主回路的核心温度；

电流采集模块，用于采集负载电流；

电压采集模块，用于采集照明电网电压，照明节电设备输出电压；

数据交互模块，用于发送所述温度传感器、电流采集模块和电压采集模块采集的数据给父节点，在其中携带本传感器节点的节点ID、本传感器节点同父节点之间的RSSI信息；以及接收来自于父节点的配置数据；以及发送一广播包，并将最快回复的节点(中继节点或网关)确定为父节点，并保存与该父节点之间的RSSI信息；

存储器，用于保存本传感器节点的节点ID、本传感器节点与父节点之间的RSSI信息、工作区间参数、电压阈值、负载阈值和温度阈值；

控制器，用于根据配置数据配置本传感器节点和/或所对应的照明节电设备的参数；以及用于定时根据实时时钟信号判断当前时间是否属于工作区间，如果属于则将照明节能主回路串联到照明回路；否则将照明节能主回路切换到旁路状态；以及根据所述温度传感器、电流采集模块和电压采集模块采集的数据、以及电压阈值、负载阈值和温度阈值来判断将照明节能主回路切换到旁路或串联的照明回路。所述实时时钟信号由上位机软件来校准。

所述温度传感器、电流采集模块、电压采集模块和数据交互模块平时可处于休眠状态；所述控制器还用于定时唤醒所述温度传感器、电流采集模块、电压采集模块和数据交互模块；所述温度传感器、电流采集模块和电压采集模块被唤醒后采集数据，然后再次进入休眠状态；所述数据交互模块被唤醒后发送所采集的数据，如果有配置数据则接收，完成后再次进入休眠状态；从而可使传感器节点达到省电效果。

所述控制器还用于定期指示所述数据交互模块确定网络状态；

所述数据交互模块收到该指示后被唤醒，发送所述广播包以确定当前的父节点，以及RSSI信息，并保存在所述存储模块中。

本实施例中，所述控制器每隔60秒唤醒一次所述温度传感器、电流采集模块、电压采集模块和数据交互模块，每10分钟指示数据交互模块确定网络状态一次；实际应用时可以根据需要调整这些时间的长度。

本实施例中，传感器节点发送的数据中包括照明节电设备的输入电压，输出电压，负载电流，核心温度。这些数据周期性地被上传给网关，并由上位机软件写入数据库。通过实时数据查询，用户可以监测照明节电设备当前的工作情况。通过历史数据查询，用户能获得照明节电设备的长期工作情况。根据这些信息，如照明节电设备的负载情况，发热情况，用户可以科学地调整照明节电设备的工作参数。同时监测电压的历史数据，也能对照明电路存在的隐患提供预警。

本实施例中，每个所述传感器节点需要外部供电，上电后处于网络搜索状态；每个中继节点也需要外部供电，没有休眠状态，上电后也处于网络搜索状态。本实施例中，网关所建立的网络可以但不限于为2.4G、全Mesh自组织网络。

本实施例中，有且仅有一个网关，网关接通上位机后，即会建立一个网络，当网络建立以后，各个中继节点会找到该网络并加入该网络，构成自组织的网络，而各个传感器节点则在退出休眠状态后发现该网络，并通过就近的中继节点加入该网络。此时即完成了所述照明节电测控系统的自组织网络的建立。这样就完成了以传感器节点，中继节点和网关生产数据采集簇的过程；以网关为簇头，簇内节点向簇头进行无碰撞数据传输的过程；簇头向簇内节点进行一对一的数据传输的过程；网络建立后，依靠少量的中继节点和网关维系网络拓扑关系，传感器节点间歇性休眠的机制。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种照明节电测控系统，其特征在于，包括：

若干个传感器节点，与照明节电设备一一对应；若干个中继节点、网关和上位机；网关接通上位机后即建立一个网络，当网络建立以后，各个中继节点找到该网络并加入，构成自组织的网络；

各所述传感器节点分别用于采集所对应的照明节电设备主回路的核心温度、照明电网输入电压、照明节电设备输出电压和负载电流，发送所采集的数据；还用于接收配置数据，并根据该配置数据配置本传感器节点和/或所对应的照明节电设备的参数；各所述传感器节点发送所采集的数据时还发送本节点的节点标识，以及本传感器节点同父节点之间的接收信号强度指示RSSI信息；

各所述中继节点用于收集本楼层内、处于本中继节点信号覆盖范围内的各传感器节点发送的数据；或者用于中继传输来自于其他中继节点的数据，直接或多跳发送给所述网关；还用于将来自网关的配置数据发送给对应的传感器节点；

所述网关用于汇集整个网络的数据，并通过串口发送给上位机；还用于接收来自上位机的配置数据，直接或通过相应的中继节点多跳传输给相应的传感器节点；

所述上位机用于接收网关上传的监测数据并保存进数据库，还用于通过串口将配置数据发送给所述网关，并指示该配置数据对应的传感器节点；所述上位机通过在所述配置数据中携带该配置数据所对应的传感器节点的节点标识，来指示该配置数据对应的传感器节点。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

各所述传感器节点周期性工作；

各所述中继节点还用于缓存来自于网关的、发送给本中继节点信号覆盖范围内的传感器节点的配置数据，探询该配置数据对应的传感器节点的状态，在所述对应的传感器节点醒来后，将所述配置数据发送给该对应的传感器节点。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述中继节点包括骨干中继节点和普通中继节点；在每一个楼层间各安装一个骨干中继节点，来将本楼层的传感器节点和普通中继节点发送的数据汇集传输给网关，并将离网关较远的骨干中继节点发送的数据转发给网关或离网关较近的骨干中继节点。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述上位机保存各传感器节点的节点标识、楼层号和安装位置信息；还用于通过节点标识确定传感器节点的具体安装位置。

5.如权利要求1到4中任一项所述的系统，其特征在于，所述传感器节点具体包括：

温度传感器，用于采集所对应的照明节电设备主回路的核心温度；

电流采集模块，用于采集负载电流；

电压采集模块，用于采集照明电网电压，照明节电设备输出电压；

数据交互模块，用于发送所述温度传感器、电流采集模块和电压采集模块采集的数据给父节点；以及接收来自于父节点的配置数据；

控制器，用于根据配置数据配置本传感器节点和/或所对应的照明节电设备的参数；

所述温度传感器、电流采集模块、电压采集模块和数据交互模块平时可处于休眠状态；所述控制器还用于定时唤醒所述温度传感器、电流采集模块、电压采集模块和数据交互模块；所述温度传感器、电流采集模块和电压采集模块被唤醒后采集数据，然后再次进入休眠状态；所述数据交互模块被唤醒后发送所采集的数据，如果有配置数据则接收，完成后再次进入休眠状态。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：

存储模块，用于保存一工作区间参数；

控制器还用于定时根据实时时钟信号判断当前时间是否属于工作区间，如果属于则将照明节能主回路串联到照明回路；否则将照明节能主回路切换到旁路状态。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：

存储模块，用于保存电压阈值、负载阈值和温度阈值；

控制器还用于当发生下列情况中的一种或几种时，传感器节点将照明节能主回路切换到旁路状态：

采集到的所对应的照明节电设备主回路的核心温度大于所述温度阈值；

采集到的照明电网输入电压小于所述电压阈值；

采集到的负载电流大于所述负载阈值。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：

存储模块，用于保存本传感器节点的节点ID，以及本传感器节点与父节点之间的RSSI信息；

所述数据交互模块发送所采集的数据时，在其中携带本传感器节点的节点标识、本传感器节点同父节点之间的RSSI信息。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：

所述控制器还用于定期指示所述数据交互模块确定网络状态；

所述数据交互模块收到该指示后被唤醒，发送广播包以确定当前的父节点，以及RSSI信息，并保存在所述存储模块中。