CN103617712B - 基于ZigBee网络LED路灯控制系统数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
基于ZigBee网络LED路灯控制系统数据传输方法，该方法包括下列步骤：（1）在每个LED路灯上安装以MSP430低功耗CPU为基础的路灯工作状态控制器集成和ZigBee数据传送终端，完成检测路灯电源、环境情况，根据远程控制指令调整路灯工作状态；（2）汇聚节点实时接收控制中心数据采集要求，并区分实时要求传送、定时传送和信息拥塞三种情况，计算ZigBee网络数据链路负荷情况，自动选择信息传送方式；汇聚节点与信息传送链路的路灯终端控制器，依据路灯控制中心对路灯工作状态数据传送实时性的要求，自适应地选ZigBee网络的数据传送方式。本发明低能耗、自组网、安全、不易受干扰、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及电子、照明技术领域，特别是涉及基于ZigBee网络的LED路灯控制系统数据传输方法。
背景技术
路灯分布在城市的各个角落，是城市形象的标志和窗口，是城市最基础的公共设施之一。城市路灯的建设水平、控制管理水平与市民利益相关，并显示出城市的发展水平。城市与郊区的主、辅道路，单条道路多是笔直路面，路灯多为双侧安装，有规律地排列在道路两侧，间距一般为30～40米左右，路灯安装与排列规则相对比较固定。LED路灯是近几年出现的新的路灯照明技术，LED独特的半导体特性、发光原理以及应用方式，使得对此种路灯更易于实现远程的单灯控制、状态查询等管理。为提高LED路灯的应用效果，基于网络通信技术和智能调度方法建立LED路灯网络控制系统，实现LED路灯系统管理过程的智能化、网络化、自组织性和远程控制，建立基于路况和单灯工作状态的路灯亮度控制系统。目前，我国的路灯管理与控制方式比较落后，最常应用的仍然是人工控制方式、定时控制。人工与定时方式，只能在指定时间保证路灯的开关，功能单一，难以实现减少能源消耗、节能减排的目的。无线控制与通信方式的发展，为解决路灯远程控制与管理提供了新的途径。GSM或者GPRS的方式，依赖于电信运营商的通信网络，需要购置专门的SIM卡，存在费用过高的问题，很难大规模使用。近些年，ZigBee技术获得了迅速发展，其低能耗、自组网、安全、不易受干扰、价格较低等特征为其应用于照明控制提供了基本条件。但是，ZigBee无线传感器网络技术最初适合使用在短距离、低吞吐量的数据传输环境，一般zigbee间数据传送距离<100m，在智能家居、遥测遥控、农业与环境感知等领域有较多的应用。ZigBee技术固有的短距离、低速率、低吞吐量的特点，使得简单的直接应用该技术，难以实现LED路灯的远程控制、远程监视、远程报警等功能。路灯工作状态数据传送到控制中心，控制中心的控制命令实时地传送到终端路灯，是基于ZigBee网络的路灯控制系统要解决的重要问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种低能耗、自组网、安全、不易受干扰、成本低，能够实现LED路灯的远程控制、远程监视、远程报警，实时路灯工作状态数据传送到控制中心，控制中心的控制命令实时地传送到终端路灯的基于ZigBee网络的LED路灯控制系统数据传输方法。
采用的技术方案是：
基于ZigBee网络的LED路灯控制系统数据传输方法，该方法包括下列步骤：
(1)在每个LED路灯上安装以MSP430低功耗CPU为基础的路灯工作状态控制器和ZigBee数据传送终端，完成检测路灯电源工作情况、工作环境情况，并根据远程控制指令调整路灯工作状态；
(2)汇聚节点实时接收控制中心数据采集要求，并区分实时要求传送、定时传送和信息拥塞三种情况，计算ZigBee网络数据链路负荷情况，自动选择信息传送方式；汇聚节点与信息传送链路的路灯终端控制器，利用网络负荷的动态测算方法，计算网络传输负荷强度，并依据路灯控制中心对路灯工作状态数据传送实时性的要求，自适应地选择ZigBee网络的数据传送方式；
a、针对高实时性信息传送
高实时性信息包括：控制中心查看路灯工作状态时，指定路灯传向控制中心的数据；控制中心向指定路灯传送的控制命令；路灯终端故障信息，此类信息，要求能够瞬间到达控制中心和路灯终端。
b、针对常规控制命令
由控制中心向路灯节点发送的控制命令，除a步骤中所述的控制命令外，一般都归结为常规控制命令，包括路灯的定时控制、亮度控制、工作状态控制；此类信息要求传递到每个路灯终端，采用逐级跳传方式。
C、常规路灯状态信息传送
常规路灯状态信息，依据网络吞吐能力，采用隔3跳或者逐级跳方式，当信息出现拥塞时，也可采用借路跳传；
d、根据网络负荷自动选择
由于ZigBee网络数据传送吞吐能力的制约，信息传递过程中，汇聚节点与各路灯终端节点的控制器对信息的传递过程进行实时监控；利用动态吞吐量测量方法，动态选择信息传送方式，以保证信息可以正确、顺利地传到指定位置。
上述的路灯ZigBee链路数据负荷计算方法，依ZigBee网络呈直线分布，与网状分布的ZigBee网络不同，信息传送过程只能按直线路径传送，由于路灯的实际安装多为道路两侧安装，对于按路灯分布特点形成的ZigBee网络，信息传送在必要的时候，可以借用道路对面安装的ZigBee终端。本发明中，计算网络路由数据吞吐量，利用当前吞吐量与网络吞吐能力对比，自适应地决定数据跳传方式。
设定系统吞吐量指数λ，单位bps：＝LS
其中，n表示信息向汇聚节点传送过程所跨跃节点数，d表示节点待传送的数据量，L表示节点间平均距离，S表示终端节点传输数据的平均速度。
设w1、w2分别表示网络平均吞吐能力的上、下限。
E＝{隔3跳传/借路跳传≥1自由跳传2≤<1逐级跳传<2(1)
式(1)所述，在网络信息传递过程中，实时测试网络节点信息传送能力与待传送信息量，按照式(1)的规则调整信息传送方式。
上述的控制器集成LED路灯电压、电流检测电路，并能实现LED路灯亮度的分级或者线性调节；为发挥控制器的智能控制能力，利用大容量Flash建立控制方式表、路灯终端地址表，实现自动完成定时间、定日期亮度调整以及电压与电流异常检测、信息上传等功能，并且，对于控制器的控制方式，可以实现远程在线升级；根据道路分布特点对路灯控制系统的ZigBee网络进行分组，并对每组指定汇聚节点；汇聚节点根据控制中心、组网要求等决定组内路灯状态信息传送方式，同时，各终端节点控制器兼有路由调整功能，当出现部分网络拥塞时，部分调整信息传送路径，ZigBee分组终端呈现直线、或者交叉直线分布。
本发明低能耗、自组网、安全、不易受干扰、成本低，能够实现LED路灯的远程控制、远程监视。
附图说明
图1是本发明的信息传送路径示意图。
图2是路灯状态控制器工作方式示意图。
图3是数据传送方式选择流程图。
具体实施方式
基于ZigBee网络的LED路灯控制系统数据传输方法，该方法包括下列步骤：
(1)在每个LED路灯上安装以MSP430低功耗CPU为基础的路灯工作状态控制器和ZigBee数据传送终端，完成检测路灯电源工作情况、工作环境情况，并根据远程控制指令调整路灯工作状态，如图2所示。控制器集成LED路灯电压、电流检测电路，并能实现LED路灯亮度的分级或者线性调节。为发挥控制器的智能控制能力，利用大容量Flash建立控制方式表、路灯终端地址表，实现自动完成定时间、定日期亮度调整以及电压与电流异常检测、信息上传等功能，并且，对于控制器的控制方式，可以实现远程在线升级。根据道路分布特点对路灯控制系统的ZigBee网络进行分组，并对每组指定汇聚节点。汇聚节点根据控制中心、组网要求等决定组内路灯状态信息传送方式，同时，各终端节点控制器兼有路由调整功能，当出现部分网络拥塞时，部分调整信息传送路径。ZigBee分组终端呈现直线、或者交叉直线分布。
ZigBee模块向数据传送方式控制模块C2发送数据传送命令R1，C2查询控制器Flash中的路灯地址表T1、节点距离表T2和传送方式表T3，然后，C2接收网络待传数据量信息d1、本灯工作状态信息d2和本机路由预存信息d3，C2根据数据类别、网络状态，计算路灯数据传送方式E，选择数据传送方式，并将数据传送方式命令R2发送到ZigBee模块。
工作状态控制模块C1接收到C2的数据传送方式命令R2，采集本地路灯状态信息d2，并依据控制方式，形成本地路灯状态信息d4，发送到ZigBee模块。
(2)汇聚节点实时接收控制中心数据采集要求，并区分实时要求传送、定时传送和信息拥塞三种情况，计算ZigBee网络数据链路负荷情况，自动选择信息传送方式；汇聚节点与信息传送链路的路灯终端控制器，利用网络负荷的动态测算方法，计算网络传输负荷强度，并依据路灯控制中心对路灯工作状态数据传送实时性的要求，自适应地选择ZigBee网络的数据传送方式；
a、针对高实时性信息传送
高实时性信息包括：控制中心查看路灯工作状态时，指定路灯传向控制中心的数据；控制中心向指定路灯传送的控制命令；路灯终端故障信息，此类信息，要求能够瞬间到达控制中心和路灯终端。控制中心查看路灯数据的操作人员基本感受不到传输滞后。对此类情况，在保证信息正常传送的基础上，最大发挥ZigBee技术的性能，采用隔3跳方式，即图1中方式1。ZigBee标准型一般传输距离<100m，增强型可以实现>1000m，但是，目前的ZigBee模块一般可以实100m-200m距离的数据传送，基于此，本方式采用隔3跳方式，即，按照国家路灯施工标准，采用接近100m的传送距离。
b、针对常规控制命令
由控制中心向路灯节点发送的控制命令，除a步骤中所述的控制命令外，一般都归结为常规控制命令，包括路灯的定时控制、亮度控制、工作状态控制；此类信息要求传递到每个路灯终端，采用逐级跳传方式，即图1中的方式2。
C、常规路灯状态信息传送
常规路灯状态信息，依据网络吞吐能力，采用隔3跳或者逐级跳方式，当信息出现拥塞时，也可采用借路跳传，即除可以采用图1中的方式1和方式2以外，根据情况可以采用图1中的方式3。
d、根据网络负荷自动选择。
由于ZigBee网络数据传送吞吐能力的制约，信息传递过程，汇聚节点与各路灯终端节点的控制器对信息的传递过程进行实时监控；利用动态吞吐量测量方法，动态选择信息传送方式，以保证信息可以正确、顺利地传到指定位置。
所述路灯ZigBee链路数据负荷计算方法，依ZigBee网络呈直线分布，与网状分布的ZigBee网络不同，信息传送过程只能按直线路径传送，由于路灯的实际安装多为道路两侧安装，对于按路灯分布特点形成的ZigBee网络，信息传送在必要的时候，可以借用道路对面安装的ZigBee终端。本发明中，计算网络路由数据吞吐量，利用当前吞吐量与网络吞吐能力对比，自适应地决定数据跳传方式。
设定系统吞吐量指数λ，单位bps：＝LS
其中，n表示信息向汇聚节点传送过程所跨跃节点数，d表示节点待传送的数据量，L表示节点间平均距离，S表示终端节点传输数据的平均速度。
设w1、w2分别表示网络平均吞吐能力的上、下限。
E＝{隔3跳传/借路跳传≥1自由跳传2≤<1逐级跳传<2(1)
式(1)所述，在网络信息传递过程中，实时测试网络节点信息传送能力与待传送信息量，按照式(1)的规则调整信息传送方式。所述为基于ZigBee网络的LED路灯控制系统数据传输方法。
Claims (2)
1.基于ZigBee网络LED路灯控制系统数据传输方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)在每个LED路灯上安装以MSP430低功耗CPU为基础的路灯工作状态控制器和ZigBee数据传送终端，完成检测路灯电源工作情况、工作环境情况，并根据远程控制指令调整路灯工作状态；
(2)汇聚节点实时接收控制中心数据采集要求，并区分实时要求传送、定时传送和信息拥塞三种情况，计算ZigBee网络数据链路负荷情况，自动选择信息传送方式；汇聚节点与信息传送链路的路灯终端控制器，利用网络负荷的动态测算方法，计算网络传输负荷强度，并依据路灯控制中心对路灯工作状态数据传送实时性的要求，自适应地选择ZigBee网络的数据传送方式；
a、针对高实时性信息传送
高实时性信息包括：控制中心查看路灯工作状态时，指定路灯传向控制中心的数据；控制中心向指定路灯传送的控制命令；路灯终端故障信息，此类信息，要求能够瞬间到达控制中心和路灯终端；
b、针对常规控制命令
由控制中心向路灯节点发送的控制命令，除a步骤中所述的控制命令外，归结为常规控制命令，包括路灯的定时控制、亮度控制、工作状态控制；此类信息要求传递到每个路灯终端，采用逐级跳传方式；
C、常规路灯状态信息传送
常规路灯状态信息，依据网络吞吐能力，采用隔3跳或者逐级跳方式，当信息出现拥塞时，就采用借路跳传；
d、根据网络负荷自动选择
由于ZigBee网络数据传送吞吐能力的制约，信息传递过程中，汇聚节点与各路灯终端节点的控制器对信息的传递过程进行实时监控；利用动态吞吐量测量方法，动态选择信息传送方式，以保证信息正确、顺利地传到指定位置。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络LED路灯控制系统数据传输方法，其特征在于所述的控制器集成LED路灯电压、电流检测电路，并能实现LED路灯亮度的分级或者线性调节；为发挥控制器的智能控制能力，利用大容量Flash建立控制方式表、路灯终端地址表，实现自动完成定时间、定日期亮度调整以及电压与电流异常检测、信息上传功能，并且，对于控制器的控制方式，实现远程在线升级；根据道路分布特点对路灯控制系统的ZigBee网络进行分组，并对每组指定汇聚节点；汇聚节点根据控制中心、组网要求决定组内路灯状态信息传送方式，同时，各终端节点控制器兼有路由调整功能，当出现部分网络拥塞时，部分调整信息传送路径，ZigBee分组终端呈现直线、或者交叉直线分布。
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