CN102256414A - 基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点。本终端节点包括微控制器，该微控制器连接电压调整模块、无线射频收发模块、电能计量模块、串行存储模块、电源模块、指示灯和继电器，电能计量模块通过测量路灯线路中的电流与电压值，对路灯中的电能进行计量，将计量的结果通过SPI接口发送至微控制器；微控制器通过存储模块进行数据的存储；微控制器通过无线射频收发模块与另一个终端节点之间进行通信；电源模块与微控制器相连，提供了工作电压；电压调整模块实现不同工作电压之间的转换；继电器控制路灯的开关状态。本发明用于构成的智能路灯控制系统具有低成本、低功耗、高可靠性和扩展性好的优势，在诸如路灯控制系统需要低功耗的领域是很好的解决方案。

Description

基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点。

背景技术

现代信息技术有三大基础，分别是传感器技术、通信技术和计算机技术，他们分别负责信息的采集、传输和处理。而传感器网络将这三种技术结合在一起，实现了对信息的采集、传输和处理的一体化。真正有无线传感器网络的概念是在1998年，当时美国在国防高级研究计划局（DARPA）的一个项目中首次提出了无线自组织传感器网络的概念。到了21世纪，无线传感器网络得到了进一步的发展，我国也于2001年开始了无线传感器网络的研究。传感器网络最初是由军事的需求而发展起来的，随着传感器网络技术的发展，其应用的范围也越来越广泛，现在已经涉及到了社会的各个领域。传感器网络技术在军事防御、环境监测、医疗卫生、反恐抗灾、工业制造等领域都起着很重要的作用。

在路灯控制方面，我国在很长的一段时间内都采用的是人工控制的方式，这需要专门的人员定时地停送电，消耗了大量的人力成本，而且还有不准确的缺点；后来有采用定时器进行控制的方法，但是各个季节黑夜的起始时间是不一样的，这就需要根据季节的天黑时间来调节定时器，这就不是很方便；也有采用一个接触器控制所有的路灯或者是一排的路灯的方法，这种方法的缺点是不能够实时改变路灯的亮度，有时还会在深夜的时候会造成过度照明的情况，从而无形之中浪费了大量的能源；现在也有使用单片机控制路灯的方法，这种方法虽然控制方便，但当在路灯系统中加入一盏路灯时，这就需要整个系统在软件和硬件上进行相应的调整，这是比较麻烦的一点。

发明内容

    本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点，用于对路灯的智能控制，以实现对各个路灯状况的实时监控。该智能路灯控制系统具有低成本，高可靠性以及可扩展性等特点。

    智能路灯控制系统包括终端节点、转接点和汇聚节点（见图1），终端节点进行数据测量，将测得的数据发送给转接点，转接点接收数据后通过GPRS网络将数据传输给汇聚节点，最后汇聚节点通过USB接口与控制中心之间建立通信。本发明提供了智能路灯控制系统的关键部分——该系统的终端节点，具体构思如下：

首先，选择采用MSP430F2274微控制器来实现数据处理、控制外设、温度检测（单片机内部检测温度）、AD采样湿度信息以及控制路灯开关与亮度等功能。MSP430是由电源管理系统、单片机、时钟复位电路等组成的单片机最小系统，MSP430系列单片机为16位增强型单片机，拥有硬件乘法器和丰富的片内外设，同时具有很好的计算处理能力和控制能力；加上其低功耗的特点，使得MSP430单片机很适合在此系统中应用。  

其次，无线射频收发电路是通过2.4GHz的无线收发器CC2500实现的，由MSP430控制其收发数据及组网结构, 通过外置天线来增大其收发功率，实现与邻居节点之间的无线通信。

最后，通过电能计量模块ADE7753采样交流电压和电流，并通过SPI接口传送数据给MSP430。此外，存储模块EEPROM在系统中可存放相关的信息，防止断电时信息丢失，保证了系统的稳定性。

    根据上述的发明构思，本发明采用下述的技术方案：

    一种基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点包括一个微控制器，其特征在于所述微控制器连接一个电压调整模块、一个无线射频收发模块、一个电能计量模块、一个串行存储模块、一个电源模块和一个指示灯。所述的电能计量模块对路灯中的电能进行计量，将计量的结果通过SPI接口发送至微控制器；所述微控制器通过存储模块进行数据的存储；所述微控制器通过无线射频收发模块与另一个终端节点控制系统之间进行通信；所述电源模块与微控制器相连，提供了工作电压；所述的电压调整模块实现不同工作电压之间的转换；所述的指示灯实现了智能控制系统的实时状态的显示。

       上述的微控制器采用TI公司生产的16位微控制器MSP430F2274，这是一种超低功耗的混合信号控制器。微处理器将从传感器的收集到的数据和电能计量模块得到的数据进行处理、存储，根据采集到的数据与程序中预设的初值比较，然后进行相应的操作，达到智能控制每一个路灯的开关状态以及亮度的目的。此外，微控制器通过SPI接口对无线射频收发模块进行控制，实现终端节点控制系统间的通信。本发明采用将MSP430与电能计量模块结合的方法，通过对路灯线路中的电压、电流的测量，计算出电路中的电能，数据发送至微控制器中进行处理，处理后的数据可以通过无线射频收发模块，发送给其他节点。路灯终端节点的主要任务是采集数据和执行PC机发出的命令，控制每个路灯的状态。

       上述的无线射频收发模块采用的是TI公司生产的CC2500无线收发器。

       上述的电能计量模块使用的ADI生产的ADE7753芯片。

       上述的串口电路模块采用的是TI公司生产的Max3243芯片。

       上述的串行存储器模块采用的是Microchip公司生产的24LC02B芯片。

       上述的电压调整模块采用的是Advanced Monolithic Systems公司生产的AMS1117-3.3芯片。

       本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点： 首先，本发明用于构成的智能路灯控制系统所要控制的对象是与人们生活息息相关的路灯，这就涉及到能源的合理、有效的使用问题，虽然每一盏路灯所消耗的能源十分有限，但当路灯数量增加时，节能的问题就成了主要矛盾。本发明基于无线传感器网络的智能路灯控制系统对路灯进行智能控制，不必进行人工的干预，降低了人力成本并且大大地减少了无效照明时间以及过度照明所带来的能源的浪费；其次基于无线传感器网络的智能路灯控制系统的另一个好处是当某一盏路灯发生故障时，通过PC机可以很容易地进行定位，不必采用传统的逐一查看的方式，即省时又方便；此外所采用的16位超低功耗微控制器功能强大，可以方便地对终端节点控制系统进行控制，能够满足本发明的基本要求。

附图说明

图1是智能路灯控制系统的框架结构图。

图2是智能路灯控制系统终端节点的硬件结构图。

图3是微控制器接口电路原理图。

    图4是无线射频收发电路原理图。

    图5是电能计量电路原理图。

图6是串行存储器电路原理图。

图7是电压调整模块电路原理图。

    图8是程序流程图。

具体实施方式

    本发明一个优选实施例结合附图说明如下：图1是路灯控制系统的框架结构图，包括终端节点、转接点和汇聚节点。终端节点进行数据的测量，将测得的数据通过无线射频模块发送给转接点，转接点接收数据后，通过GPRS网络将数据传输给汇聚节点，最后汇聚节点通过USB接口与控制中心之间建立通信。本实施例提供的基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点包括下述硬件和软件。

本基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点的结构

    如图2所示，本终端节点主要包括微控制器1，控制器电源模块3，无线射频收发模块4、电能计量模块5、串行存储模块2、电压调整模块6、指示灯7和继电器8。所述微控制器1的输出控制信号连接至无线射频收发模块4和电能计量模块5，从而对无线射频收发模块4和电能计量模块5进行控制；所述存储模块2连接至微控制器1，提供存储空间；所述终端节点电源模块3与微控制器1相连，提供工作电压；所述微控制器1通过无线射频收发模块4连接至邻居节点；所述电压调整模块6实现不同工作电压之间的转换；所述指示灯7实现了控制器的实时状态的显示；所述的继电器8接收微控制器1的指令，执行开关路灯的操作。其中，微控制器MSP430F2274是整个终端节点的核心，它通过无线射频收发模块4与邻居节点进行通讯，获取控制信息以及上传路灯信息。

本终端节点有如下特点：

      1、 采用无线传感器网络技术，即满足了设计的要求，又具有结构简单、低功耗、寿命长、可扩展性好、灵活性强、准确度高等其他控制方法所无法比拟的优点；

     2、 路灯正常工作时可以根据周围的环境及时地调整路灯的工作状态以及亮度；路灯出现异常时，能精确快速地了解到这一路灯的状况并且第一时间通知维修人员进行维修工作，因此，降低了人力成本并且大大地减少了无效照明时间以及过度照明所带来的能源的浪费，也提高了整个路灯系统的可靠性。

  

 下面将对终端节点各组成部分进行详细介绍。

<一>、微控制器1

       本终端节点采用TI公司生产的MSP430F2274微控制器作为主控制器。MSP430 单片机是一种超低功耗的混合信号控制器。参见图3，在MSP430中，P1.4接测试时钟，P1.5进行测试模块选择，P1.6进行测试数据输入，P1.7进行测试数据输出，P2.0接MEMORY的时钟接口，P2.1接MEMORY的数据接口；P2.6、P2.7、P3.0-P3.3是CC2500的控制接口，其中P2.6、P2.7分别接CC2500的输入接口和输出接口，P3.0接片选信号，P3.1为从入主出模式，P3.2为从出主入模式，P3.3接时钟信号；P2.2、P4.0-P4.3是ADE7753控制接口，P2.2接脉冲输出信号，P4.0和P4.1是数据的输入、输出接口，P4.2接时钟信号，P4.3是片选信号；P4.4、P4.5用于控制指示灯。

MSP430F2274的工作电源电压为1.8-3.6 V。该微控制器可以使用电池进行供电，由于它的超低功耗，使得其使用时间超长。在工作模式下，2.2V电压以及工作频率为1MHz情况下，电流为250μA；在待机模式下，工作电流为0.7μA；而在掉电模式下，其电流仅为0.1μA。该微控制器从待机模式唤醒所需要的时间少于1μs。它是16位的精简指令系统，其指令周期是62.5ns。它具有一个强大的16位RISC处理器，一个200ksps的10 位SAR 型模数转换器，两个内置的运算放大器，两个带有三个捕获、比较寄存器的16 位定时器（Timer_A、Timer_B）。USCI 模块支持UART/LIN、SPI总线、I2C总线以及IrDA等低功耗模式。MSP430单片机内还集成有A/D 转换器、硬件乘法器、定时器、比较器等模块。MSP430微控制器在电路中实现了对无线射频无线收发器以及对电流电压和路灯开关的控制。

<二>、无线射频收发模块4

       所述无线射频收发电路4采用的是TI公司生产的CC2500无线收发器，参见图4，它是基于0.18微米的CMOS晶体的Chipcon的SmartRF 04技术的一种低成本的2.4GHz无线收发器。其电路设定为2400-2483.5MHz的ISM（Industrial，Scientific and Medical）和SRD（Short Range Device）频段。CC2500内部还集成了一个数据传输率可以达到500kbps的高度可配置的调制解调器。该收发器还能为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输等提供很好的硬件支持。此外CC2500还具有体积非常小，具有很高的灵敏度，功耗十分的小，高效的SPI接口等特点。在该收发器电路的左下方是这个收发器的外接天线电路，它使得无线射频无线收发电路在路灯终端节点控制系统中能够起到与邻居节点通信的作用。

<三>、电能计量模块5

    参见图5，接口4、5以差模的方式输入电流信号，接口7输入电压信号，接口19、20则与MSP430进行数据交流，从而将计算出的值发送给单片机进行处理。

ADE7753是ADI生产的一款功能先进的数字电度表电路，它是一种带串行接口和脉冲输出的高精度有功和视在能量计量的集成电路，它能对电压、电流的有效值进行计算，对有功和无功能量进行测量。ADE7753包含一个能保持一段时间满负载累积功率的有功电能寄存器、视在电能寄存器和电压、电流有效值，可通过串行口读出ADE7753的数据。它同时提供一个与有功能量成比例的脉冲输出（CF）。除了有效值计算、有功和视在能量的信息外，ADE7753 提供一个有符号的无功能量信息和各种各样的系统校准特点，比如通道偏置校准、相位校准和能量校准。它还集成了一个检测线电压高低跌落的检测电路，可提前发出掉电和过压预警。ADE7753 具有可选正的累积模式，这样，当检测到正能量时才进行能量的累积。当空载时，内部空载门限确保ADE7753没有输出。过零输出产生与线电压过零同步的输出信号，ZX信号可用来测量线电压周期，它还用于电路内部有功能量和视在能量的周期校准模式。这就能更快、更精确地校准能量计算结果。该信号也可以用于与线电压过零同步来切换继电器，防止拉弧。

实际上，在MSP430微控制器上本身就存在这A/D模块，那为什么不利用它上面的A/D模块，反而要重新再加上一块芯片呢？这主要是由于在MSP430中，我们能得到电流以及电压的值，但我们真正关心的是功率的状况，所以如果采用已有的A/D模块，那我们就需要再增加一个乘法器来实现功率的输出，当然这只是其中的一方面。ADE7753具有精度高、误差小、可以检测电压浪涌阈值和线电压跌落、稳定性高、功耗低等因素也是选用它的原因。

<四>、串行存储模块2

该模块采用Microchip公司生产的24LC02B芯片，它具有低功耗、采用单电源供电、I2C总线接口、写保护功能、保存寿命长等特性。

参见图6，24LC02B的WP管脚，即写保护管脚接地，是该芯片始终处于可以进行读/写的状态，不处于写保护状态。24LC02B的A0、A1、A2都接地，表示了该器件的地址为000。由于I2C是总线的工作方式，该总线上可以挂许多的器件，所以总线上的每个器件都有其相应的地址，这样才能实现寻址操作。24LC02B的SCL和SDA分别于MSP430F2274的P2.0和P2.1管脚相连，连接方式是I2C总线方式。这里分别将SCL和SDA通过一个5.1KΩ的电阻将其电位拉高，以满足I2C的工作方式的条件。此外，为了减少电源的干扰，在24LC02B芯片的电源输入管脚加一个100nF电容来实现滤波的功能，从而减少了输入端受到的干扰。

<五>、电压调整模块6

       该模块采用了Advanced Monolithic Systems公司生产的AMS1117-3.3芯片，实现了5V电压与3.3V电压之间的转换。在系统中，各个芯片的工作电压是不相同的，所以就会用到电压调整模块来进行协调。

参见图7，输入的电压为5V，通过AMS1117-3.3芯片的调整后，输出的电压变为3.3V，为其他模块提供了工作电压。

本基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点的软件：

       本智能路灯控制系统是在windows XP操作系统下，使用IAR Embedded Workbench嵌入式工作台以及调试器C-SPY，语言主要采用C语言。

其程序流程图如图8所示。首先，对系统中的各个节点进行初始化，初始化的工作主要是对每个节点进行动态的编号，根据建立连接的先后顺序依次对各个节点进行编号处理，从而为后续的操作提供保证。其次，系统中的每个节点都在不断地检测路灯中的控制量，当控制中心要求获得系统中某个节点的数据时，就对该点发送一个数据包，对于该节点来说就是接收一个命令数据包。然后，节点会对得到数据进行分析，分析后得到所对应的数据量会打包发送给控制中心。当节点的数据出现超标时，不需要接收控制中心的命令数据包，自己会主动的上传数据。

整个程序逻辑清晰，任务明确，确保了基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点能够稳定有效地运行。

Claims (4)

1.一种基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点，包括一个微控制器（1），其特征在于所述微控制器（1）连接一个串行存储模块（2），一个电源模块（3），一个无线射频收发模块（4）、一个电能计量模块（5）、一个电压调整模块（6）、一个指示灯（7）和一个继电器（8）；所述电能计量模块（5）通过测量路灯线路中的电流与电压值，对路灯中的电能进行计量，将计量的结果通过SPI接口发送至微控制器（1）；所述微控制器（1）通过串行存储模块（2）进行数据的存储；所述微控制器（1）通过所述无线射频收发模块（4）与另一个路灯终端节点智能控制系统之间进行通信；所述电源模块（3）与微控制器（1）相连，提供了工作电压；所述电压调整模块（6）实现不同工作电压之间的转换；所述指示灯（7）实现微控制器（1）的实时状态的显示；所述继电器（8）实现对路灯开关状态的控制。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点，其特征在于所述微控制器（1）采用TI公司生产的16位微控制器MSP430F2274。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点，其特征在于所述串行存储模块（2）采用Microchip公司生产的24LC02B芯片。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的智能路灯控制系统终端节点，其特征在于所述电能计量模块（5）采用ADI生产的ADE7753芯片。

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