CN116017826A - 一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备，包括控制中心、LTE公共电信网和若干个ZigBee无线局域网；所述ZigBee无线局域网包括一个网关和若干个单灯控制器；所述网关北向通过LTE公共电信网与控制中心进行数据通信，网关南向通过ZigBee网络与单灯控制器进行数据通信；所述单灯控制器加入网关创建的ZigBee局域网进行数据通信，对路灯进行远程开灯或关灯、调光控制、工况监测和故障报警。本发明解决了传统ZigBee单灯控制系统响应时间长和通信盲点的问题，再结合一定内相邻网关不分配相同频点和错峰应答的机制，提高了ZigBee单灯控制器的通信效率和实用性。

Description

一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备及方法

技术领域

本发明涉及城市照明智能化技术领域，尤其涉及采用ZigBee和LTE通信的单灯控制系统。

背景技术

目前基于ZigBee通信的城市照明单灯控制系统，大多是采用系统平台、集中控制器和单灯控制器的三层架构，在控制中心或云平台部署平台软件，在路灯配电柜安装集中控制器，在路灯灯杆安装单灯控制器，单灯控制器须经过集中控制器中转才能实现与平台间的通信。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗无线局域网协议，有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本等特点，但受ZigBee芯片片上资源的限制，ZigBee户外实际应用的组网能力要远小于它的理论值。通常一个路灯配电柜供电和管控的路灯数可达几百个，最大供电半径可达1公里，而ZigBee通信在户外环境下点到点的有效通信距离为300～500米，因此每个配电柜设置集中控制器的ZigBee单灯控制系统需要采用多级中继，才能使所有路灯的单灯控制器加入网络实现有效通信。如遇到建筑等遮挡物导致的ZigBee通信盲点，也需要增加中继才能实现有效通信。

因此，传统的、依托配电柜设置集中控制器的ZigBee单灯控制系统响应时间长且有通信盲点，亟待发明新的技术方法，提高ZigBee单灯通信的有效性和实用性。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备及方法，本发明解决了传统ZigBee单灯控制系统响应时间长和通信盲点的问题，大大提高了ZigBee单灯控制器的通信效率和实用性。

技术方案：

一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备，包括控制中心、LTE公共电信网和若干个ZigBee无线局域网；所述ZigBee无线局域网包括一个网关和若干个单灯控制器；所述网关北向通过LTE公共电信网与控制中心进行数据通信，网关南向通过ZigBee网络与单灯控制器进行数据通信；所述单灯控制器加入网关创建的ZigBee局域网进行数据通信，对路灯进行远程开灯或关灯、调光控制、工况监测和故障报警等。

进一步地，所述控制中心可以替换为云平台。

进一步地，所述网关包括第一电源模块、第一处理单元、第一ZigBee通信模块、LTE通信模块、第一监测单元、第一输出控制单元、第一天线、第二天线和第一外壳；其中，第一ZigBee通信模块与第一处理单元的第一串口连接，LTE通信模块与第一处理单元的第二串口连接，监测单元与第一处理单元的SPI接口连接，输出控制单元与第一处理单元通过普通I/O口连接，第一天线与ZigBee通信模块连接，第二天线与LTE通信模块连接，第一电源模块对第一处理单元、第一ZigBee通信模块、LTE通信模块、第一监测单元和第一输出控制单元进行供电；所述单灯控制器包括第二电源模块、第二处理单元、第二ZigBee通信模块、第二监测单元、第二输出控制单元、第三天线和第二外壳；其中，第二ZigBee通信模块与第二处理单元的串口连接，第二监测单元与第二处理单元的SPI接口连接，第二输出控制单元与第二处理单元的普通I/O口连接，第三天线连接到第二ZigBee通信模块上，第二电源模块给第二处理单元、第二ZigBee通信模块、第二监测单元和第二输出控制单元供电。

进一步地，所述网关和单灯控制器可安装在灯头上或者安装在灯杆检修口内。

进一步地，在每个ZigBee无线局域网中，平台根据户外环境下ZigBee的有效通信距离和ZigBee局域网的有效节点数对路灯进行分组；ZigBee户外有效通信距离为ZigBee点对点或通过一级中继可达到的最远通信距离，实测结果表明户外有效通信距离约为400米；有效节点数为ZigBee局域网中子节点的数量，当超过该数量容易导致网络堵塞，实测结果表明有效节点数约为40个；网关部署在本ZigBee局域网所有路灯地理空间的中心位置。

一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的方法，包括如下步骤：

步骤1、控制中心或云平台对路灯进行分组，建立以网关为中心的ZigBee无线局域网，网关通过LTE公网与控制中心或云平台进行数据通信；

步骤2、控制中心或云平台分配网关的通信频点；

步骤3、控制中心或云平台将已分好组的单灯控制器的全球唯一ID关联至所属的网关中；

步骤4、网关与单灯控制器间的下行数据通信采用广播方式发送，上行数据通信采用分时方式发送。

进一步地，步骤1具体为：控制中心或云平台根据ZigBee的有效通信距离和ZigBee局域网的有效节点数将发布在城市街道、广场和园区等处的路灯进行分组，每组部署一个网关和若干个单灯控制器，组成一个局域网，网关通过LTE公共电信网与平台进行数据通信。

进一步地，步骤2具体为：所述控制中心或云平台根据网关在地图上的地理位置，按照2千米内相邻网关不分配相同频点的原则，分配各个网关的ZigBee无线通信频点，ZigBee无线通信具有16个不同的工作频点，16个频点的值是11-26。

进一步地，步骤3具体为，每个单灯控制器及网关出厂时都写入了一个全球唯一ID，控制中心或云平台将每组单灯控制器的ID通过LTE公共电信网下发至所属的网关中，网关将这些ID设置为白名单，每个单灯控制器只能加入到其关联网关所创建的ZigBee无线局域网中。

进一步地，步骤4包括如下步骤：

步骤4.1，控制中心或云平台以组为单位根据实际操作进行下行数据组帧，包括开或关灯控制、调光控制、工况查询、参数设置和查询、故障查询等指令，并将本组内需要操作的单灯控制器ID添加到数据帧中；

步骤4.2，将组好的数据帧通过LTE公网发送给网关；

步骤4.3，网关采用广播方式将接收到的数据帧发送至本组的所有单灯控制器，平台软件可对单个或多个单灯控制器同时进行操作；

步骤4.4，单灯控制器接收到数据帧后，将本地存储的ID与数据帧中所有被点名的单灯控制器ID进行逐一比对，如果本地存储的ID在被点名的单灯控制器ID队列中，则执行操作命令；否则不执行；如需要应答，单灯控制器则根据本地存储的ID在数据帧中单灯控制器ID队列中的排序进行分时错峰应答，如：控制中心或云平台下发的工况查询命令中，单灯控制器ID队列的顺序如下所示：

ID1 ID2 ID3 ID4 ID5 ID6...IDn

而错峰时间间隔为t毫秒，50＜t＜1000，则第n个单灯控制器接收工况查询命令后，n≤40，等待n*t毫秒后发送应答帧，可以有效防止数据冲撞导致的应答失败，其中错峰时间间隔t可通过平台软件进行设置。

有益效果：针对基于ZigBee通信的单灯控制系统，本发明提供了一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的方法及设备，依据ZigBee户外环境有效通信距离(400米)和有效节点数(40个)部署网关和单灯控制器，将路灯按地理位置部署成形成多个局域网。在局域网内的采用ZigBee通信，而局域网与平台之间的通信采用LTE公网。网关北向通过LTE公网与控制中心或云平台进行数据通信；南向通过ZigBee网络与单灯控制器进行数据通信，下行命令采用广播方式发送，而上行数据采用分时方式发送，这样既能保证执行开或关灯指令的同步性和及时性，也能防止单灯控制器同时上传数据而导致的网络堵塞。平台软件根据网关的地理分布情况，按照相邻网关不分配相同频点的原则，合理分配每个网关的无线通信频点，避免同频干扰。与传统的ZigBee单灯控制系统在每个配电柜设置一个集中控制器的系统架构相比，减少了ZigBee通信的中继深度和通信盲点，再结合2千米内相邻网关不分配相同频点和错峰应答的机制，大大提高了ZigBee单灯控制器的通信效率和实用性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备，包括控制中心、LTE公共电信网和若干个ZigBee无线局域网；所述ZigBee无线局域网包括一个网关和若干个单灯控制器；所述网关北向通过LTE公共电信网与控制中心进行数据通信，网关南向通过ZigBee网络与单灯控制器进行数据通信；所述单灯控制器加入网关创建的ZigBee局域网进行数据通信，对路灯进行远程开灯或关灯、调光控制、工况监测和故障报警等。所述控制中心可以替换为云平台。所述网关包括第一电源模块、第一处理单元、第一ZigBee通信模块、LTE通信模块、第一监测单元、第一输出控制单元、第一天线、第二天线和第一外壳；其中，第一ZigBee通信模块与第一处理单元的第一串口连接，LTE通信模块与第一处理单元的第二串口连接，监测单元与第一处理单元的SPI接口连接，第一输出控制单元与第一处理单元通过普通I/O口连接，第一天线与ZigBee通信模块连接，第二天线与LTE通信模块连接，第一电源模块对第一处理单元、第一ZigBee通信模块、LTE通信模块、第一监测单元和第一输出控制单元进行供电，网关可实现ZigBee局域网的创建以及所在灯杆路灯的远程开或关灯及调光控制、工况监测(如电压、电流、功率、能耗等)和故障报警等功能；所述单灯控制器包括第二电源模块、第二处理单元、第二ZigBee通信模块、第二监测单元、第二输出控制单元、第三天线和第二外壳；其中，第二ZigBee通信模块与第二处理单元的串口连接，第二监测单元与第二处理单元的SPI接口连接，第二输出控制单元与第二处理单元的普通I/O口连接，第三天线连接到第二ZigBee通信模块上，第二电源模块给第二处理单元、第二ZigBee通信模块、第二监测单元和第二输出控制单元供电，单灯控制器实现该灯杆路灯的远程开或关灯及调光控制、工况监测(如电压、电流、功率、能耗等)和故障报警等功能。所述网关和单灯控制器可安装在灯头上或者安装在灯杆检修口内，网关第一输出控制单元与其所在灯杆上的灯进行连接，单灯控制器第二输出控制单元与其所在灯杆上的灯进行连接；ZigBee天线在灯杆的3～5米处外置。在每个ZigBee无线局域网中，平台根据户外环境下ZigBee的有效通信距离和ZigBee局域网的有效节点数对路灯进行分组；ZigBee户外有效通信距离为ZigBee点对点或通过一级中继可达到的最远通信距离，实测结果表明户外有效通信距离约为400米；有效节点数为ZigBee局域网中子节点的数量，当超过该数量容易导致网络堵塞，实测结果表明有效节点数约为40个；网关部署在本ZigBee局域网所有路灯地理空间的中心位置。

图1是本发明实施例提供的一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的系统架构图。示例的道路长1560米，道路两侧每隔40米安装有一根路灯灯杆，共安装了80根灯杆。

根据ZigBee户外环境的有效通信距离(400米)和ZigBee局域网的有效节点数(40个)，将道路两侧的路灯分为2组，每组40根灯杆，安装39个单灯控制器和1个网关，网关部署在地理空间中心位置的灯杆处。现场安装人员将所有灯杆的位置信息、单灯控制器及网关的ID号通过平台软件录入，控制中心或云平台根据网关在地图上的地理位置，按照2千米内相邻网关不分配相同频点的原则，自动分配各个网关的工作频点，ZigBee无线通信具有16个不同的工作频点，16个频点的值是11-26。控制中心或云平台将已分好组的单灯控制器的全球唯一ID关联至所属的网关中。网关通过LTE公网与平台进行数据通信，通过ZigBee网络与单灯控制器进行通信，从而实现平台与每个单灯控制器之间的数据通信。控制中心或云平台发送给网关或单灯控制器的命令分为有应答和无应答两种，有应答的指令有工况查询、参数查询、报警查询等；无应答的指令有开或关灯控制、调光控制、参数设置等。控制中心或云平台将下行命令通过LTE公网发送给网关，网关采用广播方式将命令发送至本组的所有单灯控制器，因此平台软件可对单个或多个单灯控制器同时进行命令操作。单灯控制器通过将本地存储的ID与数据帧中所有被点名的单灯控制器ID进行逐一比对，如果本地存储的ID在被点名的单灯控制器ID队列中则执行操作命令；否则不执行。如需要应答，单灯控制器根据本地存储的ID在数据帧中单灯控制器ID队列中的排序进行分时错峰应答。例如：控制中心或云平台下发的工况查询命令中，单灯控制器ID队列的顺序如下所示：

ID1 ID2 ID3 ID4 ID5 ID6...IDn

而错峰时间间隔为t毫秒，则第n个单灯控制器接收到工况查询命令后，等待n术t毫秒后发送应答帧，这样可以有效防止数据冲撞导致的应答失败，其中错峰时间间隔t可通过平台软件进行设置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备，其特征在于：包括控制中心、LTE公共电信网和若干个ZigBee无线局域网；所述ZigBee无线局域网包括一个网关和若干个单灯控制器；所述网关北向通过LTE公共电信网与控制中心进行数据通信，网关南向通过ZigBee网络与单灯控制器进行数据通信；所述单灯控制器加入网关创建的ZigBee局域网进行数据通信，对路灯进行远程开灯或关灯、调光控制、工况监测和故障报警。

2.根据权利要求1所述的一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备，其特征在于：所述控制中心可以替换为云平台。

3.根据权利要求1或2所述的一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备，其特征在于：所述网关包括第一电源模块、第一处理单元、第一ZigBee通信模块、LTE通信模块、第一监测单元、第一输出控制单元、第一天线、第二天线和第一外壳；其中，第一ZigBee通信模块与第一处理单元的第一串口连接，LTE通信模块与第一处理单元的第二串口连接，监测单元与第一处理单元的SPI接口连接，输出控制单元与第一处理单元通过普通I/O口连接，第一天线与ZigBee通信模块连接，第二天线与LTE通信模块连接，第一电源模块对第一处理单元、第一ZigBee通信模块、LTE通信模块、第一监测单元和第一输出控制单元进行供电；所述单灯控制器包括第二电源模块、第二处理单元、第二ZigBee通信模块、第二监测单元、第二输出控制单元、第三天线和第二外壳；其中，第二ZigBee通信模块与第二处理单元的串口连接，第二监测单元与第二处理单元的SPI接口连接，第二输出控制单元与第二处理单元的普通I/O口连接，第三天线连接到第二ZigBee通信模块上，第二电源模块给第二处理单元、第二ZigBee通信模块、第二监测单元和第二输出控制单元供电。

4.根据权利要求1或2所述的一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备，其特征在于：所述网关和单灯控制器可安装在灯头上或者安装在灯杆检修口内。

5.根据权利要求1或2所述的一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的设备，其特征在于：在每个ZigBee无线局域网中，平台根据户外环境下ZigBee的有效通信距离和ZigBee局域网的有效节点数对路灯进行分组；ZigBee户外有效通信距离为ZigBee点对点或通过一级中继可达到的最远通信距离，有效节点数为ZigBee局域网中子节点的数量，当超过该数量容易导致网络堵塞，网关部署在本ZigBee局域网所有路灯地理空间的中心位置。

6.一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、控制中心或云平台对路灯进行分组，建立以网关为中心的ZigBee无线局域网，网关通过LTE公网与控制中心或云平台进行数据通信；

步骤2、控制中心或云平台分配网关的通信频点；

步骤3、控制中心或云平台将已分好组的单灯控制器的全球唯一ID关联至所属的网关中；

步骤4、网关与单灯控制器间的下行数据通信采用广播方式发送，上行数据通信采用分时方式发送。

7.根据权利要求6所述的一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的方法，其特征在于，步骤1具体为：控制中心或云平台根据ZigBee的有效通信距离和ZigBee局域网的有效节点数对路灯进行分组，每组部署一个网关和若干个单灯控制器，组成一个局域网，网关通过LTE公共电信网与平台进行数据通信。

8.根据权利要求6所述的一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的方法，其特征在于，步骤2具体为：所述控制中心或云平台根据网关在地图上的地理位置，按照2千米内相邻网关不分配相同频点的原则，分配各个网关的通信频点，ZigBee无线通信具有16个不同的工作频点。

9.根据权利要求6所述的一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的方法，其特征在于，步骤3具体为，每个单灯控制器及网关出厂时都写入了一个全球唯一ID，控制中心或云平台将每组单灯控制器的ID通过LTE公共电信网下发至所属的网关中，网关将这些ID设置为白名单，每个单灯控制器只能加入到其关联网关所创建的ZigBee无线局域网中。

10.根据权利要求6所述的一种提高ZigBee单灯控制器通信效率的方法，其特征在于，步骤4包括如下步骤：

步骤4.1，控制中心或云平台以组为单位根据实际操作进行下行数据组帧，包括开或关灯控制、调光控制、工况查询、参数设置和查询、故障查询等指令，并将本组内需要操作的单灯控制器ID添加到数据帧中；

步骤4.2，将组好的数据帧通过LTE公网发送给网关；

步骤4.3，网关采用广播方式将接收到的数据帧发送至本组的所有单灯控制器；

步骤4.4，单灯控制器接收到数据帧后，将本地存储的ID与数据帧中所有被点名的单灯控制器ID进行逐一比对，如果本地存储的ID在被点名的单灯控制器ID队列中，则执行操作命令；否则不执行；如需要应答，单灯控制器则根据本地存储的ID在数据帧中单灯控制器ID队列中的排序进行分时错峰应答，如：控制中心或云平台下发的工况查询命令中，单灯控制器ID队列的顺序如下所示：

ID1 ID2 ID3 ID4 ID5 ID6...IDn

而错峰时间间隔为t毫秒，50＜t＜1000，则第n个单灯控制器接收工况查询命令后，n≤40，等待n*t毫秒后发送应答帧，可以有效防止数据冲撞导致的应答失败，其中错峰时间间隔t可通过控制中心或云平台进行设置。

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