CN109660983A - 一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方法 - Google Patents

一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方法，属于通信技术领域，包括建立由协调器、路由器和终端设备构成的ZigBee无线传感网络，由协调器、路由器和终端设备均作为FFD节点进行入网，OSAL操作系统的轮转查询功能，查询是否有任务事件发生，路由器根据ZBR动态路由算法转发协调器或终端设备的数据，解决了通过ZigBee网络快速效率的控制照明系统的技术问题，本发明实现智能控制，本发明实现上位机实时监控与信息反馈，降低照明系统维护成本，本发明采用优化改进后的动态路由算法，解决了传统路由算法的分组洪泛、路由开销大、能量非均衡等难题，本发明采用操作系统的思维与摘要任务轮转查询机制完成多任务调度，避免紊乱。

Description

一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于ZigBee无线传感 网络的智能照明控制方法。
背景技术
照明系统的应用环境与功能需求日益复杂，仅靠传统照明的开关 控制已经无法满足用户的品质需求。因此，市场化需求促使智能照明 控制系统逐渐从舞台灯光控制向智能建筑、家庭自动化和工业控制等 领域衍生，开始涉足民用与工业照明，控制范围也从单一区域扩展到 多区域，甚至是若干幢别墅大厦。
当前，由于改造费用昂贵仍有大量老式建筑沿用传统照明控制方 式，少数智能大厦虽采用楼宇自控(系统来监控照明，但仅仅实现简 单区域照明和定时开关功能),无法实现照明现场的环境釆集、智能 调光调色温、灯光情景模式、分组群控等复杂功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明 控制方法，解决了通过ZigBee网络快速效率的控制照明系统的技术 问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方法，包括如下步 骤：
步骤1：建立由协调器、路由器和终端设备构成的ZigBee无线传 感网络，协调器上电后作为ZigBee无线传感网络的控制中心进行组 网，协调器、路由器和终端设备均作为FFD节点进行入网，其步骤如 下：
步骤A1：协调器上电后进行网络参数配置，设置网络ID和地址 分配，建立ZigBee网络，协调器将自身作为FFD节点加入ZigBee网 络；
步骤A2：协调器、路由器或终端设备检查自身是否是FFD节点： 是，则执行步骤A3，否，则执行步骤A1；
步骤A3：协调器、路由器或终端设备主动扫描ZigBee网络中的信 道，判断是否搜到信标帧：是，则为路由器或终端设备，执行步骤 A4；否，则为协调器，则执行步骤A9；
步骤A4：路由器或终端设备任意选择一个FFD节点N作为父节点， 并向父节点申请入网，
步骤A5：父节点判断自身的短地址是否充足：是，则执行步骤A6； 否，则执行步骤A7；
步骤A6：路由器或终端设备指定FFD节点N为父节点，完成ZigBee 网络的入网；
步骤A7：判断是否还有剩余的FFD节点：是，则在剩余的FFD节 点中选择一个FFD节点作为父节点，并根据步骤A5和步骤A6的方 法完成ZigBee网络的入网；否，则执行步骤A8；
步骤A8：重复执行步骤A7，直到没有任何剩余的FFD节点，标 记路由器或终端设备入网失败；
步骤A9：按照步骤A1的方法建立ZigBee网络，等待其他节点入 网；
步骤2：在协调器中加载OSAL操作系统，执行OSAL操作系统的 轮转查询功能，查询是否有任务事件发生，并根据预设的优先级调用 任务事件的处理函数；
步骤3：路由器根据ZBR动态路由算法转发协调器或终端设备的 数据，其步骤如下：
步骤B1：路由器引进邻居节点和邻居表，所述邻居节点为某一个 FFD节点的相邻节点，所述邻居表为所有FFD节点的相邻节点列表；
步骤B2：设定当协调器通过路由器向终端设备发送指令时，协调 器为源节点A，路由器为中间节点B，终端设备为目的节点C；
步骤B3：中间节点B选择一个FFD节点D进行数据交互，判断该 FFD节点D是否是目的节点C，是，则发回RREP包，完成最优路由 的建立；否，则执行步骤B4；
步骤B4：判断FFD节点D的信号的强度是否大于预设强度，并同 时判断R>2lm否：是，则执行步骤B5；否，则丢弃与FFD节点D通 讯时的RREQ包；
步骤B5：根据邻居表，中间节点B判断FFD节点D是否是自身的 邻居节点：是，则直接转发数据，否，则执行步骤B6；
步骤B6：中间节点B判断FFD节点D与自身是否有共同的邻居节 点，是，则中间节点B将数据转发给该邻居节点，该邻居节点将数据 转发给目的节点C；否，则执行步骤B7：
步骤B7：根据以下公式做出判断：A<C<A+Cskip(d-1)，其中A 为该路由器节点的网络地址；C为路由器节点要转发数据包到目的节 点的网络地址；Cskip(d-1)为网络深度为d-1的父节点为其子节点 分配的地址之间的偏移量；
如果公式结果成立，则执行步骤B8；如果公式结果不成立，则执 行步骤B11；
步骤B8：此时目的节点C为源节点A的子节点；
步骤B9：中间节点B判断自身是否是目的节点C的父节点：是， 则丢弃RREQ包，结束；否，则执行步骤B10；
步骤B10：中间节点B继续判断目的节点C是否是自身的子节点： 是，则中间节点B向目的节点C转发RREQ包，结束；否，则中间节 点B向其他的FFD节点转发RREQ包，标记中间节点B，并且禁止中 间节点B的子节点转发数据，结束；
步骤B11：此时目的节点C不是源节点A的子节点；
步骤B12：判断中间节点B是否是源节点A的子节点：是，则丢 弃RREQ包，结束；否，则执行步骤B13；
步骤B13：判断目的节点C是否是中间节点B的子节点：是，则 中间节点B向目的节点C转发RREQ包，结束；否，则B向其他的FFD 节点转发RREQ包，标记中间节点B，并且禁止中间节点B的子节点 转发数据，结束。
优选的，所述协调器作为作为ZigBee无线传感网络的控制中心， 默认为父节点；所述路由器选择的父节点为协调器，所述终端设备选 择的父节点为路由器。
优选的，所述终端设备包括灯具控制器和环境传感器。
优选的，所述所述灯具控制器的型号为DC12V-24；所述环境传感 器的型号为LXD/GB5-A1DPZ。
本发明所述的一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方 法，解决了通过ZigBee网络快速效率的控制照明系统的技术问题， 本发明实现智能控制，改善照明舒适性，提高照明质量，满足多功能 照明效果与人们多元化的用户体验，本发明提高照明系统的集中控制 和平台化管理水平，实现上位机实时监控与信息反馈，降低照明系统 维护成本，本发明采用优化改进后的动态路由算法，引进了邻居节点 与邻居表，并对的传播半径与方向进行限制，预设节点最小剩余能量， 解决了传统路由算法的分组洪泛、路由开销大、能量非均衡等难题， 本发明采用操作系统的思维与摘要任务轮转查询机制完成多任务调度，避免紊乱，满足超低功耗标准。
附图说明
图1为本发明的组网流程；
图2是本发明的操作系统任务调度流程图；
图3是本发明的ZBR动态路由算法的流程图。
具体实施方式
由图1-图3所示的一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控 制方法，包括如下步骤：
步骤1：建立由协调器、路由器和终端设备构成的ZigBee无线传 感网络，协调器上电后作为ZigBee无线传感网络的控制中心进行组 网，本发明ZigBee无线传感网络主要由协调器、路由器和终端设备 三类节点组网构成。
协调器作为ZigBee无线传感网络的控制中心，主要负责整个系统 的上电启动，网络的建立与维护，并与上位机建立串口的双向通信， 保证下位机的信息数据实时上传，上位机的控制命令及时下传；路由 器主要负责路由发现与选择、路由建立与维护，并允许其他设备节点 的入网或离网，可作为远距离通信的数据中转站，实现网络的多跳路 由数据透传；终端设备的大部分作为灯具节点，接收ZigBee无线传 感网络的开关、调光等照明控制命令，保证照明现场的光照度基本不 变；另一部分节点作为传感器釆集节点，负责实时采集照明现场的光 照度、温度、移动目标、工作状态等环境参数，并将数据广播至整个ZigBee无线传感网络。
本发明的ZigBee无线传感网络中，路由器和终端设备均为多个设 备。
协调器、路由器和终端设备均作为FFD节点进行入网，其步骤如 下：
步骤A1：协调器上电后进行网络参数配置，设置网络ID和地址 分配，建立ZigBee网络，协调器将自身作为FFD节点加入ZigBee网 络；
FFD节点可以当作一个网络协调器或者一个普通的传感器节点， 它可以和任何其他的设备通讯，传递由RFD发来的数据到其他设备， 即充当了路由的功能；
步骤A2：协调器、路由器或终端设备检查自身是否是FFD节点： 是，则执行步骤A3，否，则执行步骤A1；
步骤A3：协调器、路由器或终端设备主动扫描ZigBee网络中的信 道，判断是否搜到信标帧：是，则为路由器或终端设备，执行步骤 A4；否，则为协调器，则执行步骤A9；
步骤A4：路由器或终端设备任意选择一个FFD节点N作为父节点， 并向父节点申请入网，
步骤A5：父节点判断自身的短地址是否充足：是，则执行步骤A6； 否，则执行步骤A7；
步骤A6：路由器或终端设备指定FFD节点N为父节点，完成ZigBee 网络的入网；
步骤A7：判断是否还有剩余的FFD节点：是，则在剩余的FFD节 点中选择一个FFD节点作为父节点，并根据步骤A5和步骤A6的方 法完成ZigBee网络的入网；否，则执行步骤A8；
步骤A8：重复执行步骤A7，直到没有任何剩余的FFD节点，标 记路由器或终端设备入网失败；
步骤A9：按照步骤A1的方法建立ZigBee网络，等待其他节点入 网；
步骤2：在协调器中加载OSAL操作系统，执行OSAL操作系统的 轮转查询功能，查询是否有任务事件发生，并根据预设的优先级调用 任务事件的处理函数；
任务事件包括灯具控制器对灯具进行调光控制和环境传感器发送 环境变化的数据。
所述处理函数为预设的解决任务事件的子程序，该子程序可以由 用户自行设定和编辑。
步骤3：路由器根据ZBR动态路由算法转发协调器或终端设备的 数据，其步骤如下：
步骤B1：路由器引进邻居节点和邻居表，所述邻居节点为某一个 FFD节点的相邻节点，所述邻居表为所有FFD节点的相邻节点列表；
步骤B2：设定当协调器通过路由器向终端设备发送指令时，协调 器为源节点A，路由器为中间节点B，终端设备为目的节点C；
步骤B3：中间节点B选择一个FFD节点D进行数据交互，判断该 FFD节点D是否是目的节点C，是，则发回RREP包，完成最优路由 的建立；否，则执行步骤B4；
步骤B4：判断FFD节点D的信号的强度是否大于预设强度，并同 时判断R>2lm否：是，则执行步骤B5；否，则丢弃与FFD节点D通 讯时的RREQ包；
步骤B5：根据邻居表，中间节点B判断FFD节点D是否是自身的 邻居节点：是，则直接转发数据，否，则执行步骤B6；
步骤B6：中间节点B判断FFD节点D与自身是否有共同的邻居节 点，是，则中间节点B将数据转发给该邻居节点，该邻居节点将数据 转发给目的节点C；否，则执行步骤B7：
步骤B7根据以下公式做出判断：A<C<A+Cskip(d-1)，其中A为 该路由器节点的网络地址；C为路由器节点要转发数据包到目的节点 的网络地址；Cskip(d-1)为网络深度为d-1的父节点为其子节点分 配的地址之间的偏移量；
如果公式结果成立，则执行步骤B8；如果公式结果不成立，则执 行步骤B11；
步骤B8：此时目的节点C为源节点A的子节点；
步骤B9：中间节点B判断自身是否是目的节点C的父节点：是， 则丢弃RREQ包，结束；否，则执行步骤B10；
步骤B10：中间节点B继续判断目的节点C是否是自身的子节点： 是，则中间节点B向目的节点C转发RREQ包，结束；否，则中间节 点B向其他的FFD节点转发RREQ包，标记中间节点B，并且禁止中 间节点B的子节点转发数据，结束；
步骤B11：此时目的节点C不是源节点A的子节点；
步骤B12：判断中间节点B是否是源节点A的子节点：是，则丢 弃RREQ包，结束；否，则执行步骤B13；
步骤B13：判断目的节点C是否是中间节点B的子节点：是，则 中间节点B向目的节点C转发RREQ包，结束；否，则B向其他的FFD 节点转发RREQ包，标记中间节点B，并且禁止中间节点B的子节点 转发数据，结束。
优选的，所述协调器作为作为ZigBee无线传感网络的控制中心， 默认为父节点；所述路由器选择的父节点为协调器，所述终端设备选 择的父节点为路由器。
优选的，所述终端设备包括灯具控制器和环境传感器。
所述所述灯具控制器的型号为DC12V-24；所述环境传感器的型号 为LXD/GB5-A1DPZ。
本发明所述的一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方 法，解决了通过ZigBee网络快速效率的控制照明系统的技术问题， 本发明实现智能控制，改善照明舒适性，提高照明质量，满足多功能 照明效果与人们多元化的用户体验，本发明提高照明系统的集中控制 和平台化管理水平，实现上位机实时监控与信息反馈，降低照明系统 维护成本，本发明采用优化改进后的动态路由算法，引进了邻居节点 与邻居表，并对的传播半径与方向进行限制，预设节点最小剩余能量， 解决了传统路由算法的分组洪泛、路由开销大、能量非均衡等难题， 本发明采用操作系统的思维与摘要任务轮转查询机制完成多任务调度，避免紊乱，满足超低功耗标准。

Claims (4)

1.一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立由协调器、路由器和终端设备构成的ZigBee无线传感网络，协调器上电后作为ZigBee无线传感网络的控制中心进行组网，协调器、路由器和终端设备均作为FFD节点进行入网，其步骤如下：
步骤A1：协调器上电后进行网络参数配置，设置网络ID和地址分配，建立ZigBee网络，协调器将自身作为FFD节点加入ZigBee网络；
步骤A2：协调器、路由器或终端设备检查自身是否是FFD节点：是，则执行步骤A3，否，则执行步骤A1；
步骤A3：协调器、路由器或终端设备主动扫描ZigBee网络中的信道，判断是否搜到信标帧：是，则为路由器或终端设备，执行步骤A4；否，则为协调器，则执行步骤A9；
步骤A4：路由器或终端设备任意选择一个FFD节点N作为父节点，并向父节点申请入网，
步骤A5：父节点判断自身的短地址是否充足：是，则执行步骤A6；否，则执行步骤A7；
步骤A6：路由器或终端设备指定FFD节点N为父节点，完成ZigBee网络的入网；
步骤A7：判断是否还有剩余的FFD节点：是，则在剩余的FFD节点中选择一个FFD节点作为父节点，并根据步骤A5和步骤A6的方法完成ZigBee网络的入网；否，则执行步骤A8；
步骤A8：重复执行步骤A7，直到没有任何剩余的FFD节点，标记路由器或终端设备入网失败；
步骤A9：按照步骤A1的方法建立ZigBee网络，等待其他节点入网；
步骤2：在协调器中加载OSAL操作系统，执行OSAL操作系统的轮转查询功能，查询是否有任务事件发生，并根据预设的优先级调用任务事件的处理函数；
步骤3：路由器根据ZBR动态路由算法转发协调器或终端设备的数据，其步骤如下：
步骤B1：路由器引进邻居节点和邻居表，所述邻居节点为某一个FFD节点的相邻节点，所述邻居表为所有FFD节点的相邻节点列表；
步骤B2：设定当协调器通过路由器向终端设备发送指令时，协调器为源节点A，路由器为中间节点B，终端设备为目的节点C；
步骤B3：中间节点B选择一个FFD节点D进行数据交互，判断该FFD节点D是否是目的节点C，是，则发回RREP包，完成最优路由的建立；否，则执行步骤B4；
步骤B4：判断FFD节点D的信号的强度是否大于预设强度，并同时判断R>2lm否：是，则执行步骤B5；否，则丢弃与FFD节点D通讯时的RREQ包；
步骤B5：根据邻居表，中间节点B判断FFD节点D是否是自身的邻居节点：是，则直接转发数据，否，则执行步骤B6；
步骤B6：中间节点B判断FFD节点D与自身是否有共同的邻居节点，是，则中间节点B将数据转发给该邻居节点，该邻居节点将数据转发给目的节点C；否，则执行步骤B7：
步骤B7：根据以下公式做出判断：A<C<A+Cskip(d-1)，其中A为该路由器节点的网络地址；C为路由器节点要转发数据包到目的节点的网络地址；Cskip(d-1)为网络深度为d-1的父节点为其子节点分配的地址之间的偏移量；
如果公式结果成立，则执行步骤B8；如果公式结果不成立，则执行步骤B11；
步骤B8：此时目的节点C为源节点A的子节点；
步骤B9：中间节点B判断自身是否是目的节点C的父节点：是，则丢弃RREQ包，结束；否，则执行步骤B10；
步骤B10：中间节点B继续判断目的节点C是否是自身的子节点：是，则中间节点B向目的节点C转发RREQ包，结束；否，则中间节点B向其他的FFD节点转发RREQ包，标记中间节点B，并且禁止中间节点B的子节点转发数据，结束；
步骤B11：此时目的节点C不是源节点A的子节点；
步骤B12：判断中间节点B是否是源节点A的子节点：是，则丢弃RREQ包，结束；否，则执行步骤B13；
步骤B13：判断目的节点C是否是中间节点B的子节点：是，则中间节点B向目的节点C转发RREQ包，结束；否，则B向其他的FFD节点转发RREQ包，标记中间节点B，并且禁止中间节点B的子节点转发数据，结束。
2.如权利要求1所述的一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方法，其特征在于：所述协调器作为作为ZigBee无线传感网络的控制中心，默认为父节点；所述路由器选择的父节点为协调器，所述终端设备选择的父节点为路由器。
3.如权利要求1所述的一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方法，其特征在于：所述终端设备包括灯具控制器和环境传感器。
4.如权利要求3所述的一种基于ZigBee无线传感网络的智能照明控制方法，其特征在于：所述灯具控制器的型号为DC12V-24；所述环境传感器的型号为LXD/GB5-A1DPZ。
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