CN104684215A - 一种智能路灯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能路灯控制系统。该装置包括：远程监控中心，路灯控制器，接受远程监控中心的控制指令或者按照预先设定的控制程序发送至所在路段的各个路灯节点；分布在路段中的ZigBee无线通讯模块，包括ZigBee协调器与多个设置在路灯节点的ZigBee终端组建成ZigBee无线Mesh网络，ZigBee协调器通过串口接受路灯控制器的指令控制ZigBee终端，ZigBee协调器上电后自动选择一个信道以及网络号来建立网络，ZigBee终端加入建立好的网络，负责根据ZigBee协调器的指令控制驱动路灯开关；运动状态传感器，测量通过的行人和车辆运动状态，并通过数据总线形式与路灯控制器通信。本发明解决了路灯控制系统的无线自动控制、环境参数采集、故障路灯自愈及上报等问题，提高了控制系统的可靠性和节能性。

Description

一种智能路灯控制系统

技术领域

本发明属于城市路灯照明系统领域，尤其涉及一种具有环境监测、自动控制等功能的智能路灯控制系统。

背景技术

路灯照明系统在带来方便和美观的同时，也遇到了诸多问题：1.由于环境的破坏，经常出现阴暗、雾霾等天气且路灯无法智能开启，导致城市照明不足；2.在凌晨阶段，由于通过马路上的行人、车辆较少，夜晚持续照明会大量浪费电能，同时由于夜晚城市用电量减弱，导致路灯两端电压变高，这样会降低了路灯的使用寿命；3.一旦某一路灯出现故障，可能会影响其他路灯工作、甚至会导致某一路段路灯失效，降低了工作效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种智能路灯控制系统，旨在解决无线自动控制、环境参数的采集、故障路灯自愈及上报等问题。

本发明是这样实现的，一种智能路灯控制系统，该装置包括：

远程监控中心，对路灯控制系统进行统一管理，包括选择工作模式；

分布在路段中的路灯控制器，接受远程监控中心的控制指令或者按照预先设定的控制程序发送至所在路段的各个路灯节点；

分布在路段中的ZigBee无线通讯模块，包括ZigBee协调器与多个设置在路灯节点的ZigBee终端组建成ZigBee无线Mesh网络，所述ZigBee协调器通过串口接受路灯控制器的指令控制ZigBee终端，ZigBee协调器上电后自动选择一个信道以及网络号来建立网络，ZigBee终端加入建立好的网络，负责根据ZigBee协调器的指令控制驱动路灯开关；

运动状态传感器，设置路段中每个路灯节点上，测量通过的行人和车辆运动状态，并通过数据总线形式与路灯控制器通信，根据路灯控制器根据设定的程序通过ZigBee无线Mesh网络控制路灯状态。

进一步地，远程监控中心通过设置GPRS单元与路灯控制器建立数据连接，实时访问Internet数据，通过GPRS网络实现路灯控制器与远程监控中心之间通讯。

进一步地，在街道口的路灯节点设置数据采集单元采集区域范围内的温度、湿度、光照以及雾霾数据，通过数据总线与路灯控制器通信。

进一步地，远程监控中心设置为自动控制模式和实时控制模式，选择自动控制模式，路灯控制器按照预先设定好的控制程序控制路灯节点，选择自动控制模式，路灯控制器按照远程监控中心指令控制路灯节点，远程监控中心根据光照、雾霾、温度与湿度的数据发出指令控制路灯的状态。

进一步地，路灯控制器根据采集的数据分析发送控制指令，过程为：控制路灯进入关闭状态，此时判断时间是否进入黑夜，若为白天，则判断采集光强是否充足，充足则保持路灯关闭，如果光强不足，则开启路灯；若为黑夜，判断时间如果不是0点至4点则路灯开启，如果为凌晨且有人、车通过，则开启路灯否则保持路灯关闭状态。

进一步地，GPRS单元基于TCP/IP网络协议通过AT指令控制GPRS网络连接，采用透明传输方式，用TCP协议实现路灯控制器到远程监控中心连接，通过心跳包判断数据传输链接是否正常，GPRS单元主动发出心跳包给远程监控中心对数据链接进行判断，以保证对关键数据数据传输实时性、完整性和优先级的控制。

进一步地，路灯节点采用ZigBee路由器节点按照路由算法接入网络，ZigBee路由器节点，接收到路灯控制器发送的数据包时首先判断是否为广播包，如果为广播包则继续广播数据包，否则选择ZigBee协调器进行数据包传输，最后判断该ZigBee路由器节点是否有路由功能，如果不具备路由功能则按照AOVDjr路由算法进行最快路径路由发现。

进一步地，AOVDjr路由算法具体为：步骤1)当ZigBee协调器需要发起路由时，广播一个RREQ命令，内容包括目标节点地址、以及目标节点的上一级节点地址的分组，当目标节点收到该分组RREQ命令包括这两个地址后，采用广播的方式转发该RREQ命令给周围的相邻节点，任意节点收到RREQ命令后判断该节点路由表里是否有目标节点的信息，如果有，则丢弃，如果没有，则使用RREQ命令所包含的信息建立一个表选项，准备建立反向路径；

步骤2)当目标节点收到RREQ命令时,只响应第一个到达的RREQ命令，为其建立反向路径，然后目标节点将RREP命令沿着该RREQ命令经过的节点进行回复，ZigBee协调器收到目标节点发送的RREP命令后建立正向通讯通道，确定最快路径，对ZigBee网络进行自愈。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明解决了路灯控制系统的无线自动控制、环境参数采集、故障路灯自愈及上报等问题，能参考环境参数自动调节路灯开通和关断，提高了控制系统的可靠性和节能性，采用ZigBee通讯技术使系统应用范围更大，温湿度及雾霾度参数既可在路灯的液晶屏上实时显示，更可通过监测中心发送至气象台作为参考信息。

附图说明

图1为本发明的的整体框图；

图2为数据采集单元的示意图；

图3为运动状态传感器的应用示例示意图；

图4为路灯控制器运行流程图；

图5为GPRS单元数据传输流程图；

图6为ZigBee无线Mesh网络数据传输流程图；

图7为AOVDjr路由算法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示,该智能路灯控制系统由远程监测中心(即服务器)、GPRS单元、路灯控制器、数据采集单元、ZigBee无线通讯模块、以及若干组路灯节点组成。远程监控中心对整个路灯控制系统进行统一管理，包括选择工作模式，收集、监测环境参数。数据采集单元负责采集周围环境参数，包括温度、湿度、光照、雾霾等参数。远程监测中心通过公网GPRS与路灯控制器进行双向通信，包括远程监测中心的控制指令传输以及采集到的环境参数的传输，各个路灯节点之间通过ZigBee无线Mesh网络自组网。

分布在路段中的路灯控制器，接受远程监控中心的控制指令或者按照预先设定的控制程序发送至所在路段的各个路灯节点；

分布在路段中的ZigBee无线通讯模块，包括ZigBee协调器与多个设置在路灯节点的ZigBee终端组建成ZigBee无线Mesh网络，ZigBee协调器通过串口接受路灯控制器的指令控制ZigBee终端，ZigBee协调器上电后自动选择一个信道以及网络号来建立网络，ZigBee终端加入建立好的网络，负责根据ZigBee协调器的指令控制驱动路灯开关；

运动状态传感器，设置路段中每个路灯节点上，测量通过的行人和车辆运动状态，并通过数据中线形式与路灯控制器通信，根据路灯控制器根据设定的程序通过ZigBee无线Mesh网络控制路灯状态。

图2为数据采集单元，主要负责采集所在街道周围环境参数、实时显示以及将参数传输至远程监控中心。单元设备放置在街道口便于监测该路段环境参数，包括温度采集模块、湿度采集模块、光照采集模块、雾霾采集模块，该数据采集单元是一个模块化装置，并以总线形式与路灯控制器通信，非常便于管理及扩展。数据采集单元通过温传感器、湿度传感器采集街道附近的温湿度数据，光照传感器采集光照强度，雾霾采集模块采用DSM501作为采集传感器，采集输出波形占空比经过计算可得到雾霾值。路灯控制器将采集到的数据通过LCD实时显示，过往行人可查看温度和雾霾，如果系统选择自动控制模式，系统会根据采集到光照强度参数判断是否开启路灯。

运动状态传感器目的是通过测量路口通过的行人和车辆运动状态，从而控制路灯状态，最终达到节约能源的目的。如图3所示在一条路口两端放置运动传感器模块，在凌晨开始工作，一旦检测到有行人或车辆通过则开启路灯，当另一端接收到采集的信号则关闭路灯。运动状态传感器放置在一个恰当的位置，防止小动物误触发同时能够感应儿童通过。图3为一个运动状态传感器块摆放的示例，也可以在每个路灯都有这样一个运动状态传感器，或可以根据路灯的距离进行摆放。

路灯控制器负责控制各个单元、分析处理各项环境参数，同时将数据存储到内部FLASH内。

GPRS单元可利用移动网络来实时访问Internet数据。数据采集单元测量的实时信息通过GRPS网络发送到远程监测中心，并可由远程监测中心将温湿度、雾霾信息发送到气象站进行整理参与预测天气工作。

ZigBee无线通讯模块组建ZigBee无线Mesh网络。ZigBee技术采用ZigBee协调器自组网络，网络拓扑机构、ZigBee终端(设置在路灯节点)可以随意变换。这一特点对实现路灯智能监控系统的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用。路灯控制器通过串口向ZigBee协调器发送指令，ZigBee协调器上电后自动选择一个信道以及网络号来建立网络，并处理接收到路灯控制器的指令从而统一控制管理终端；ZigBee终端是的负责加入已经建立好的网络，并负责控制驱动路灯开关。

远程监测中心选择系统工作模式，包括自动控制模式和实时控制模式，然后通过GPRS网络发送指令至路灯控制器，路灯控制器通过分析收到远程监测中心的指令，将控制指令通过ZigBee无线通讯模块将发送给各个路灯节点，从而达成对路灯的控制。

如果选择实时控制模式，则路灯控制器完全按照远程监测中心指令控制路灯节点，实现远程监测中心对路灯节点的实时控制。如果选择自动控制模式，路灯控制器按照预先设定好的控制方法控制路灯节点。如图4所示，路灯控制器发送控制指令，控制路灯进入关闭状态，此时判断时间是否进入黑夜，若为白天，则判断数据采集模块采集光强是否充足，充足则保持路灯关闭，如果光强不足，则开启路灯。若为黑夜，判断时间如果不是凌晨(0-4点)则路灯开启，如果为凌晨且有人、车通过，则开启路灯否则保持路灯关闭状态。路灯控制器通过ZigBee协调器发送信号，各个下属的路灯ZigBee终端接收到信号后将开启或关断的信号传至本路灯的驱动模块，实现路灯的开关。

采用GPRS和ZigBee传输数据无线传输。路灯控制系统的关键数据，路灯控制器的指令以及数据采集单元的数据通过GPRS网络实时传输；对于某一路段，路段控制器是一个东西通过ZigBee组网，无线控制此路段路灯开闭。数据传输策略如下所述：

GPRS单元基于TCP/IP网络协议通过AT指令控制GPRS网络连接，如图5所示，采用透明传输方式，用TCP协议实现控制器到服务器可靠连接。通过心跳包判断数据传输链接是否正常，由于通信模块在城市内工作，难免会有电磁干扰导致数据链接出现短暂中断，GPRS单元主动发出心跳包供远程监测中心服务器对数据链接进行判断，以保证对关键数据数据传输实时性、完整性和优先级的控制。

路灯系统网络所有节点为路由器，每个路灯都有一个ZigBee模块，选择Mesh网络作为组网网络。对于ZigBee应用层，ZigBee协调器为最主要的路由节点，它相当于ZigBee网络的头领，一般是放置在街道口的主控单元连接的ZigBee模块作为ZigBee协调器，兼具环境采集功能选择特定的PANID建立网络，然后为自己分配一个0x0000的局域网短地址，其他路由器节点地址是由ZigBee协调器分配的，路由器节点按照相应的路由算法接入网络，过程如图6。

参见图6，ZigBee路由算法是在网络层定义的，对于路由节点，当接收到数据包时首先判断是否为广播包，如果为广播包则继续广播数据包，否则选择ZigBee协调器进行数据包传输，最后判断该路由是否有路由功能，如果不具备路由功能则按照AOVDjr路由算法进行最快路径路由发现。AOVDjr是一种路径路由发现算法其中协议包括路由请求(RREQ)、路由应答分组(RREP)。

1.当ZigBee协调器需要发起路由时，广播一个RREQ命令，内容包括目标节点(未入网的路灯节点)地址、上一级节点(未接入网的路灯节点上一级传输的路灯节点)地址，当节点收到该分组后就采用广播的方式转发该RREQ指令给周围的相邻节点。任意节点收到RREQ指令后判断该节点路由表里是否有目标节点的信息，如果有，则丢弃。如果没有，则使用RREQ指令所包含的信息建立一个表选项，准备建立反向路径。例如图7中(1)所示为a节点发起路由，其他节点进行响应，g节点没有目标节点的信息。

2.当目标节点收到RREQ指令时,只响应第一个到达的RREQ指令，为其建立反向路径，然后目标节点将RREP指令沿着该RREQ指令经过的节点(路灯路由器)进行回复。ZigBee协调器收到目标节点发送的RREP指令后建立正向通讯通道，确定最快路径，进而对ZigBee网络进行自愈。如图7中(2)所示，g节点经由d节点向a节点建立反向路径进行回复。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能路灯控制系统，其特征在于，该装置包括：

远程监控中心，对路灯控制系统进行统一管理，包括选择工作模式；

分布在路段中的路灯控制器，接受远程监控中心的控制指令或者按照预先设定的控制程序发送至所在路段的各个路灯节点；

分布在路段中的ZigBee无线通讯模块，包括ZigBee协调器与多个设置在路灯节点的ZigBee终端组建成ZigBee无线Mesh网络，所述ZigBee协调器通过串口接受路灯控制器的指令控制ZigBee终端，ZigBee协调器上电后自动选择一个信道以及网络号来建立网络，ZigBee终端加入建立好的网络，负责根据ZigBee协调器的指令控制驱动路灯开关；

运动状态传感器，设置路段中每个路灯节点上，测量通过的行人和车辆运动状态，并通过数据总线形式与路灯控制器通信，根据路灯控制器根据设定的程序通过ZigBee无线Mesh网络控制路灯状态。

2.按照权利要求1所述的智能路灯控制系统，其特征在于，远程监控中心通过设置GPRS单元与路灯控制器建立数据连接，实时访问Internet数据，通过GPRS网络实现路灯控制器与远程监控中心之间通讯。

3.按照权利要求1所述的智能路灯控制系统，其特征在于，在街道口的路灯节点设置数据采集单元采集区域范围内的温度、湿度、光照以及雾霾数据，通过数据总线与路灯控制器通信。

4.按照权利要求1所述的智能路灯控制系统，其特征在于，远程监控中心设置为自动控制模式和实时控制模式，选择自动控制模式，路灯控制器按照预先设定好的控制程序控制路灯节点，选择自动控制模式，路灯控制器按照远程监控中心指令控制路灯节点，远程监控中心根据光照、雾霾、温度与湿度的数据发出指令控制路灯的状态。

5.按照权利要求1所述的智能路灯控制系统，其特征在于，路灯控制器根据采集的数据分析发送控制指令，过程为：控制路灯进入关闭状态，此时判断时间是否进入黑夜，若为白天，则判断采集光强是否充足，充足则保持路灯关闭，如果光强不足，则开启路灯；若为黑夜，判断时间如果不是0点至4点则路灯开启，如果为凌晨且有人、车通过，则开启路灯否则保持路灯关闭状态。

6.按照权利要求1所述的智能路灯控制系统，其特征在于，GPRS单元基于TCP/IP网络协议通过AT指令控制GPRS网络连接，采用透明传输方式，用TCP协议实现路灯控制器到远程监控中心连接，通过心跳包判断数据传输链接是否正常，GPRS单元主动发出心跳包给远程监控中心对数据链接进行判断，以保证对关键数据数据传输实时性、完整性和优先级的控制。

7.按照权利要求1所述的智能路灯控制系统，其特征在于，路灯节点采用ZigBee路由器节点按照路由算法接入网络，ZigBee路由器节点，接收到路灯控制器发送的数据包时首先判断是否为广播包，如果为广播包则继续广播数据包，否则选择ZigBee协调器进行数据包传输，最后判断该ZigBee路由器节点是否有路由功能，如果不具备路由功能则按照AOVDjr路由算法进行最快路径路由发现。

8.按照权利要求7所述的智能路灯控制系统，其特征在于，AOVDjr路由算法具体为：步骤1)当ZigBee协调器需要发起路由时，广播一个RREQ命令，内容包括目标节点地址、以及目标节点的上一级节点地址的分组，当目标节点收到该分组RREQ命令包括这两个地址后，采用广播的方式转发该RREQ命令给周围的相邻节点，任意节点收到RREQ命令后判断该节点路由表里是否有目标节点的信息，如果有，则丢弃，如果没有，则使用RREQ命令所包含的信息建立一个表选项，准备建立反向路径；

步骤2)当目标节点收到RREQ命令时,只响应第一个到达的RREQ命令，为其建立反向路径，然后目标节点将RREP命令沿着该RREQ命令经过的节点进行回复，ZigBee协调器收到目标节点发送的RREP命令后建立正向通讯通道，确定最快路径，对ZigBee网络进行自愈。