CN102355750A - 无线照度测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线照度测量系统，其特征在于所述无线测量系统包含：若干个ZigBee照度测量终端、ZigBee-GPRS网关、GPRS服务器以及若干个客户端。所述ZigBee照度测量终端利用照度传感器采集照度，然后利用ZigBee技术将照度数据无线发送至远端的ZigBee-GPRS网关；所述网关通过GPRS技术再将照度数据远距离无线传送给GPRS服务器，从而实现了照度数据的高性能远距离传输。若干个客户端可以通过Internet网络查看所有ZigBee照度测量终端所采集的照度数据。

Description

无线照度测量系统及其方法

技术领域

本发明属于照度测量和无线通讯技术领域，具体涉及一种利用传感器技术、ZigBee和GPRS无线通讯技术对照度进行采集和无线传输的系统及其方法。 

背景技术

传统的现场总线在道路照明控制中也有应用，但是大多存在着通讯接口协议复杂，而且需要铺设专用线缆，存在着成本高、维护不方便等问题；窄带电力线载波直接利用电力线进行数据通信，省去了专用电缆的安装，构建灵活，具有性价比高、升级方便、维护简单等特色，但存在电力线干扰大、传输速率慢的缺点，大规模应用的可靠性还有待验证。随着通信和自动化技术的发展，无线网络因其组网方便，布局容易，维护简单的优点，开始逐步应用工业生产领域中。在道路照明测量中，目前成熟的应用大多采用常规工业频段或利用GSM短信息或GPRS/CDMA等公众网。采用数传电台不但需要申请工业频段，天线架设麻烦，而且设备价格较高；GSM短消息通信实现简单，不过实时性和信息量得不到保证，而GPRS/CDMA按流量计费，在照明灯具节点数量较多时，系统成本会急剧上升。 

ZigBee无线通信技术具有低成本、低功耗、对等通信的重要特征和优点。终端间的直通能力即实现对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于长距离无线通信技术，对等通信无需网络基础设施进行中转，接口设计和高层协议相对比较简单，更适合于城市道路照明测量系统的规模化节点通信，国内外已有不少机构和公司开始关注和研究基于无线通信技术的网络化道路照明测量系统。 

发明内容

本发明目的在于提供一种无线照度测量系统及其方法，解决了现有技术中对道路照度测量成本高、准确性差、效率低、数据记录复杂等问题。 

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是： 

一种无线照度测量系统，其特征在于所述系统所述无线测量系统包含： 若干个ZigBee照度测量终端、ZigBee-GPRS网关、GPRS服务器以及若干个客户端。所述ZigBee照度测量终端利用照度传感器采集照度，然后利用ZigBee技术将照度数据无线发送至远端的ZigBee-GPRS网关；所述网关通过GPRS技术将照度数据远距离无线传送给GPRS服务器；若干个客户端可以通过Internet网络查看所有ZigBee照度测量终端所采集的照度数据。 

优选的，ZigBee照度测量终端包含照度传感器、电流-电压转换电路、模数转换器以及ZigBee无线数传模块。照度传感器测量照度范围0至200lx的光信号，对应输出4至20mA的电流信号；通过电流-电压转换电路，将电流信号转换为0V至5V的电压信号；紧接着通过分压电路得到0V至3.3V的电压信号；最后由模数转换器得到对应的数字信号，并传送给微处理器进行数据处理。ZigBee无线数传模块主要负责加入ZigBee网络，并无线发送所采集到的照度数据。 

优选的，所述ZigBee-GPRS网关包含ZigBee无线数传模块和GPRS无线数传模块。该ZigBee无线数传模块主要负责建立ZigBee网络，并接收各个测量终端上传的照度数据；该GPRS无线数传模块主要与GPRS网络建立连接，并对所有的照度数据和对应测量终端的信息进行处理，最终上传至GPRS服务器。 

优选的，所述ZigBee无线数传模块包含微处理器、射频阻抗匹配电路和2.4GHz天线。微处理器用于运行ZigBee无线传输协议栈程序，以及对收发数据包进行分析、处理。射频阻抗匹配电路负责连接微处理器的射频端与天线，并达到50欧姆阻抗匹配的效果。2.4GHz天线可以采用塑胶棒天线、陶瓷天线或者PCB天线。 

优选的，所述ZigBee-GPRS网关中ZigBee无线数传模块和GPRS无线数传模块是通过串口进行连接。ZigBee无线数传模块通过串口发送AT指令控制GPRS无线数传模块；GPRS无线数传模块通过串口反馈信息给ZigBee无线数传模块。 

优选的，所述GPRS无线数传模块包含SIM卡、启动和复位按键、网络指示灯、900MHz天线。ZigBee-GPRS网关建ZigBee网络之后，通过手动启动GPRS无线数传模块，建立与GPRS网络的连接，网络指示灯表明当前网络状态。 

优选的，所述ZigBee无线数传模块根据所传输距离的要求，可以包含功率放大器，最大输出功率可以达到17dBm。 

作为优选的，所述的GPRS服务器具有公网IP地址，并且运行遵循TCP/IP协议的GPRS服务器软件。服务器必须拥有公网IP地址，才可以与GPRS网络建立连接。服务器存储所采集到的照度数据，记录网关信息和所有ZigBee照度测量终端信息，并且对这些信息进行分类和处理。 

优选的，所述客户端运行遵循TCP/IP协议的无线照度测量客户端软件，用户可以通过访问客户端查看所有ZigBee照度测量终端所采集的照度数据。 

本发明的另一目的在于提供一种无线照度测量方法，其特征在于所述方法包括以下步骤： 

(1)ZigBee-GPRS网关上电后进行软硬件初始化，紧接着建立ZigBee网络，等待ZigBee照度测量终端加入； 

(2)手动启动ZigBee-GPRS网关的GPRS无线数传模块，与GPRS网络建立连接，点亮GPRS网络连接指示灯； 

(3)ZigBee照度测量终端上电后进行软硬件初始化，紧接着自动加入ZigBee网络； 

(4)ZigBee照度测量终端周期性测量照度，并将照度数据无线发送至ZigBee-GPRS网关； 

(5)ZigBee-GPRS网关对接收到的照度数据和相应的ZigBee照度测量终端信息进行处理，然后通过GPRS网络上传至服务器； 

(6)GPRS服务器存储所采集到的照度数据，记录网关信息和所有ZigBee照度测量终端信息，并且对这些信息进行分类和处理。 

(7)客户端运行无线照度测量客户端软件，用户可以通过访问客户端查看所有ZigBee照度测量终端所采集的照度数据。 

优选的，所述无线照度测量方法可以按照如下步骤进行： 

首先，ZigBee-GPRS网关上电启动，其电源指示灯同时开启，紧接着建立ZigBee网络，等待ZigBee照度测量终端加入。然后，手动启动ZigBee-GPRS网关的GPRS无线数传模块，与GPRS网络建立连接，点亮GPRS网络连接指示灯，并在服务器显示界面上显示当前ZigBee-GPRS网关状态。 

接着，上电启动若干个ZigBee照度测量终端，当成功加入ZigBee网络之后，周期性测量照度，并将照度数据无线发送至ZigBee-GPRS网关。由于各个终端均是采用电池供电，因此在非测量周期内，为达省电目的，采取休眠处理。 

最后，ZigBee-GPRS网关对接收到的照度数据和相应的ZigBee照度测量终端信息进行处理，然后通过GPRS网络上传至服务器；GPRS服务器存储所采集到的照度数据，记录网关信息和所有ZigBee照度测量终端信息，并且对这些信息进行分类和处理。 

另外，客户端运行无线照度测量客户端软件，用户可以通过访问客户端查看所有ZigBee照度测量终端所采集的照度数据。 

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：低成本、低功耗、对等通信，接口设计和高层协议相对比较简单，更适合于城市道路照明测量系统的规模化。 

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 

图1是本发明的实施例中无线照度测量系统示意图； 

图2为本发明的实施例中ZigBee-GPRS网关结构示意图； 

图3为本发明的实施例中ZigBee照度测量终端结构示意图； 

图4为本发明的实施例中电流-电压转换电路和分压电路结构示意图； 

图5是本发明的实施例中ZigBee-GPRS网关的工作流程图； 

图6为本发明的实施例中ZigBee照度测量终端的工作流程图； 

图7是本发明的实施例中GPRS服务器软件的工作流程图； 

图8为本发明的实施例中客户端软件的工作流程图； 

图9是本发明的客户端软件流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。 

实施例某地区无线照度测量系统 

如图1，本实施例的无线照度测量系统采用如图1所示的网络通信系统结构，其中包含：若干个ZigBee照度测量终端、ZigBee-GPRS网关、GPRS服务器以及若干个客户端。所述ZigBee照度测量终端利用照度传感器采集道路照度，然后利用ZigBee技术将照度数据无线发送至远端的ZigBee-GPRS网关；所述网关通过GPRS技术再将照度数据远距离无线传送给GPRS服务器；若干个客户端可以通过Internet网络查看所有ZigBee照度测量终端所采集的照度数据。 

道路无线照度测量的方法包括以下步骤： 

首先，ZigBee-GPRS网关上电启动，其电源指示灯同时开启，紧接着建立ZigBee网络，等待ZigBee照度测量终端加入。然后，手动启动ZigBee-GPRS网关的GPRS无线数传模块，与GPRS网络建立连接，点亮GPRS网络连接指示灯，并在服务器显示界面上显示当前ZigBee-GPRS网关状态。 

接着，上电启动若干个ZigBee照度测量终端，当成功加入ZigBee网络之后，周期性测量照度，并将照度数据无线发送至ZigBee-GPRS网关。由于各个终端均是采用电池供电，因此在非测量周期内，为达省电目的，采取休眠处理。 

最后，ZigBee-GPRS网关对接收到的照度数据和相应的ZigBee照度测量终端信息进行处理，然后通过GPRS网络上传至服务器；GPRS服务器存储所采集到的照度数据，记录网关信息和所有ZigBee照度测量终端信息，并且对这些信息进行分类和处理。 

另外，客户端运行无线照度测量客户端软件，用户可以通过访问客户端查看所有ZigBee照度测量终端所采集的照度数据。 

以下对无线照度测量系统各个部分进行详细描述： 

本实施例采用的ZigBee-GPRS网关包含ZigBee无线数传模块和GPRS无线数传模块。该ZigBee无线数传模块主要负责建立ZigBee网络，并接收各个测量终端上传的照度数据；该GPRS无线数传模块主要与GPRS网络建立连接，并对所有的照度数据和对应测量终端的信息进行处理，最终上传至GPRS服务器。其具体电路连接方式如图2所示。 

所述ZigBee-GPRS网关中ZigBee无线数传模块和GPRS无线数传模块是通过串口进行连接。 

所述ZigBee无线数传模块包含微处理器、射频阻抗匹配电路和2.4GHz天线。微处理器用于运行ZigBee无线传输协议栈程序，以及对收发数据包进行分析、处理。射频阻抗匹配电路负责连接微处理器的射频端与天线，并达到50欧姆阻抗匹配的效果。2.4GHz天线可以采用塑胶棒天线、陶瓷天线或者PCB天线。 

所述GPRS无线数传模块包含SIM卡、启动和复位按键、网络指示灯、900MHz天线。ZigBee-GPRS网关建立ZigBee网络之后，通过手动启动GPRS无线数传模块，建立与GPRS网络的连接，网络指示灯表明当前网络状态。 

本实施例中所选用的GPRS模块为SIMCOM公司出品的SIM900A。SIM900A是紧凑型、高可靠性的无线模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求。SIM900GSM/GPRS使用工业标准界面，使得具备GSM/GPRS 900/1800MHz功能的SIM900A以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。SIM900A能满足M2M几乎所有应用要求，尤其是小巧、紧凑型的设计。其物理尺寸为：24mm x 24mm x 3mm。基于成熟可靠的技术平台，以及提供从产品定义到设计和生产的服务支持。 

SIM900A工作电压是3.1V至4.8V，本实施例中电源模块提供4.2V电源电压。SIM900A与SIM卡采用标准的SIM卡接口电路：“VSM”为SIM900A输出的1.8V SIM卡工作电压；“SIM_Data”、“SIM_CLK”和“SIM_RST”分别为“SIM卡数据”、“SIM卡时钟”和“SIM卡复位”。 

SIM900A外部还接有“启动按键”和“复位按键”，这2个按键均是低电平有效；启动SIM900A时，需要常按启动按键1S时间以上；“网络指示灯”可以表示当前的网络状态，同样也是低电平有效。 

ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真正的片上系统解决方案，支持IEEE 802.15.4标准/ZigBee/ZigBee RF4CE和能源的应用。拥有庞大的快闪记忆体多达256个字节，CC2530是理想ZigBee专业应用。CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8kB的RAM，32/64/128/256KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设，CC2530F256表 示其内部闪存为256KB。CC2530具有强大无线前端，其内部集成了2.4GHzIEEE 802.15.4标准射频收发器。可编程输出功率为+4.5dBm，总体无线连接102dBm。 

SIM900A是通过串口与ZigBee无线数传模块的微处理器CC2530进行连接，“TXD”和“RXD”分别为串口接口的数据发送和数据接收引脚，“GND”为公共接地端。CC2530通过发送一些列AT指令，控制SIM900A，例如：与远端服务器建立TCP连接，发送数据包等都是通过发送AT指令来完成的。 

使用TCP向远端的服务器传输数据，首先要建立一个TCP连接。SIM900A作为CLIENT向远程的SERVER发起一个TCP连接，要成功建立连接需要SERVER端的IP地址是公网的IP地址(可以用拨号的方式获得，如在PC局域网内部则无法建立连接)，然后该服务器运行我们的SERVER软件，这时就可以在用AT指令控制SIM900A与SERVER建立TCP连接(AT+CIPSTART＝“TCP”，“SERVER的IP地址”，“SERVER的端口号”)，连接成功后会返回CONNECT OK。然后就可以用AT+CIPSEND发送数据到SERVER，若SERVER有数据，模块自动通过串口接收。要关闭TCP连接可用AT+CIPCLOSE命令。 

CC2530用AT+CIPSEND命令启动发送数据命令，返回“＞”后输入发送的数据，ctrl+z(0x1a)启动发送。发送完成之后返回SEND OK。此时处于命令态，若有数据发送再重复以上的步骤就可以了。每次发送的数据长度应小于1024bytes。接收数据为自动接收，若有远端数据则自动接收。可以用AT+CIPHEAD＝1在接收的数据前面自动加上标识。 

本实施例采用的ZigBee照度测量终端包含：照度传感器、电流-电压转换电路、分压电路、模数转换器以及ZigBee无线数传模块。其具体电路连接方式如图3所示。 

图4为照度传感器原理图，其中C为余弦校正器，F为V(λ)滤光片，D为光辐射探测器。当D接受通过C和F的光辐射时，所产生的光电信号，经运算放大电路A放大及变换后，输出4-20mA标准电流信号，其中4mA表示照度为0，20mA表示信号的满刻度，对应的照度为200lx。由照度传感 器的输出电流计算出照度值E＝(I-4)×12.5(单位：lx)，其中I为传感器的输出电流值(4～20mA)。 

为了精确测量照度，V(λ)的匹配误差≤5.5％，余弦特性误差≤4％，非线性误差±1.0％，传感器示值误差为±4.0％。 

由于ZigBee照度测量终端内部微处理器CC2530具有8至14位精度的电压型模数转换器，因此可以不需外接模数转换器。但由于CC2530的供电电压为3.3V，而且内部模数转换器为电压型，因此需要将4至20mA电流信号转换为0至3.3V的电压信号。本实施例是通过电流-电压转换电路和分压电路实现的，其具体电路连接方式如图5所示。 

取R1＝25Ω，4mA时，其压降＝0.1V，把OP07的同相端输入电压配置为负的0.1V，这样，输入信号的0.1V与这个I/V配置的负0.1V恰好互相抵消，OP07输出将是零电压。随着输入电流的增大，如果输入电流是5mA，I/V转换电压将是0.125V......如果输入电流是20mA，I/V取样电压就是500mV。这样，我们可以把这个电压放大10倍得到5V满度输出。通过此变换电路我们可以得到0至5V的输出电压Vout5，再经过分压电路，就得到最终的0至3.3V的电压信号Vout3.3。 

本实施例中ZigBee-GPRS网关的执行流程如图6所示。ZigBee-GPRS网关上电后首先对硬件电路和ZigBee协议栈进行初始化。然后建立网络，并等待ZigBee照度测量终端加入ZigBee网络。然后手动启动SIM900A，与GPRS网络建立连接，其网络指示灯开启，表示建立连接成功。ZigBee-GPRS网关不断监测加入的ZigBee照度测量终端数量，并判断是否达到网络容量的最大值。当有ZigBee照度测量终端申请加入ZigBee网络时，ZigBee-GPRS网关为新加入的终端分配ZigBee网络地址。 

然后与加入网络的ZigBee照度测量终端建立ZigBee网络连接，轮询侦听空气中已建立连接终端发送来的照度数据包。如果照度数据包合格，则CC2530将通过串口接口将数据发送至SIM900A。SIM900A对接收到的数据包进行判断，将反馈信息通过串口接口发送至CC2530。 

为提高无线传输的质量，本系统还可以增加跳频功能，当信号链路质量较低时，通过更换无线传输信道，达到较高抗干扰的能力。如果信道质量满 足要求，则无需更换信道，继续侦听空气中的数据包。 

本实施例中ZigBee照度测量终端的执行流程如图7所示。ZigBee照度测量终端，首先对硬件电路、模数转换器和ZigBee协议栈进行初始化，然后向ZigBee-GPRS网关发送加入网络请求消息，并等待ZigBee-GPRS网关分配网络地址。加入ZigBee网络后，网络指示灯开启，表明已经成功加入，与ZigBee-GPRS网关建立连接。 

紧接着，各个ZigBee照度测量终端将基本信息发送给ZigBee-GPRS网关，再由ZigBee-GPRS网关将这些基本信息上传至GPRS服务器。其中，这些基本信息包含：设备ID号、版本号、64位IEEE地址、16位ZigBee网络地址、个域网ID号、当前状态。 

然后就可以周期性从模数转换器中读取当前采集到的照度。如果系统采用了跳频功能，则需要查询当前的信道，然后将照度数据包无线发送至远端的ZigBee-GPRS网关。在非采集周期期间，ZigBee照度测量终端处于休眠状态。照度数据包不仅包含当前采集到的照度值，还包含：设备ID号、帧标识、应用端点号、当前电量、链路质量、信号强度、帧序列号、时间戳。 

本实施例中GPRS服务器软件和GPRS服务器软件均使用NI公司的Labview软件进行编写。 

GPRS服务器软件主要使用的API函数有“TCP侦听”、“写入TCP数据”、“读取TCP数据”和“关闭TCP连接”，GPRS服务器软件流程图如图8所示。服务器开始时等待ZigBee-GPRS网关进行GPRS网络连接，若未收到连接请求，则继续等待。若收到连接请求，则建立TCP连接。若服务器收到其他客户端发来的询问信息，会对询问信息作出响应。在正常情况下没有异常发生时，服务器直接读取ZigBee-GPRS网关上传的数据，并对数据包进行存储、分析和处理。若有异常发生，或长时间未收到数据包，将询问ZigBee-GPRS网关响应，并等待响应；若收到响应则接着读取上传数据，若仍未收到响应，则继续询问ZigBee-GPRS网关响应状态。 

客户端软件主要使用的API函数有“打开TCP连接”、“写入TCP数据”、“读取TCP数据”和“关闭TCP连接”，客户端软件流程图如图9所示。客户端开始时打开与服务器的TCP连接，若在等待时间内建立连接，则读取服务器中信息；否则，超时退出。客户端会对读取的信息进行分析处 理，并绘制成曲线图。若有异常发生，或长时间未收到数据包，将询问服务器响应，并等待响应；若收到响应则接着读取数据，若仍未收到响应，则继续询问服务器响应状态。 

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种无线照度测量系统，其特征在于所述无线测量系统包含：若干个ZigBee照度测量终端、ZigBee-GPRS网关、GPRS服务器以及若干个客户端。所述ZigBee照度测量终端利用照度传感器采集照度，然后利用ZigBee技术将照度数据无线发送至远端的ZigBee-GPRS网关；所述网关通过GPRS技术再将照度数据远距离无线传送给GPRS服务器；若干个客户端可以通过Internet网络查看所有ZigBee照度测量终端所采集的照度数据。

2.根据权利要求1所述的无线照度测量系统，其特征在于ZigBee照度测量终端包含照度传感器、电流-电压转换电路、分压电路、模数转换器以及ZigBee无线数传模块。

3.根据权利要求2所述的ZigBee照度测量终端，其特征在于照度传感器输出4至20mA电流信号对应于0至200lx照度。

4.根据权利要求1所述的无线照度测量系统，其特征在于所述ZigBee-GPRS网关包含ZigBee无线数传模块和GPRS无线数传模块。

5.根据权利要求2和4所述的ZigBee照度测量终端和ZigBee-GPRS网关，其特征在于ZigBee无线数传模块包含微处理器、射频阻抗匹配电路和2.4GHz天线。

6.根据权利要求4所述的ZigBee-GPRS网关，其特征在于GPRS无线数传模块包含SIM卡、启动和复位按键、网络指示灯、900MHz天线。

7.根据权利要求4所述的ZigBee-GPRS网关，其特征在于ZigBee无线数传模块与GPRS无线数传模块通过串口接口进行连接。

8.根据权利要求1所述的无线照度测量系统，其特征在于所述GPRS服务器具有公网IP地址，并且运行遵循TCP/IP协议的GPRS服务器软件。

9.根据权利要求1所述的无线照度测量系统，其特征在于所述客户端运行遵循TCP/IP协议的无线照度测量客户端软件。

10.一种利用权利要求1所述的系统进行无线照度测量的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)ZigBee-GPRS网关上电后进行软硬件初始化，紧接着建立ZigBee网络，等待ZigBee照度测量终端加入；

(2)手动启动ZigBee-GPRS网关的GPRS无线数传模块，与GPRS网络建立连接，点亮GPRS网络连接指示灯；

(3)ZigBee照度测量终端上电后进行软硬件初始化，紧接着自动加入ZigBee网络；

(4)ZigBee照度测量终端周期性测量照度，并将照度数据无线发送至ZigBee-GPRS网关；

(5)ZigBee-GPRS网关对接收到的照度数据和相应的ZigBee照度测量终端信息进行处理，然后通过GPRS网络上传至服务器；

(6)GPRS服务器存储所采集到的照度数据，记录网关信息和所有ZigBee照度测量终端信息，并且对这些信息进行分类和处理。

(7)客户端运行无线照度测量客户端软件，用户可以通过访问客户端查看所有ZigBee照度测量终端所采集的照度数据。

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