实现LED路灯网络的智能监控 LED照明, LED路灯, 直流电源, 通信技术, 可靠性

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关键字：无线传感网   LED   网络协议   路灯  



城市道路照明越来越多采用LED照明技术代替传统的照明技术，其目的是为了降低对电能的消耗。由于LED使用低压直流电源，便于附加检测与控制电路，这对路灯网络的智能化管理，进一步节能降耗带来了方便。对于路灯网络的管理与控制，既可以采用电力载波通信技术，也可技术的快速发展，使得短距离无线通信技术在应用成本、可靠性与通信速率等方面均已优于电力载波通信技术，例如Zigbee短距离无线通信技术。本文提出一种解决方案，采用短距离无线通信技术构建LED路灯无线传感网络，能对LED路灯网络任意单盏灯或多盏灯或全网络所有灯进行开关、调光等控制，进行发光亮度、电流参数等检测，从而实现对LED路灯网络的智能化管理。作为无线传感网络，其体系结构应该包含四个基本层次：物理层和数据链路层、网络层以及应用层。LED路灯无线传感网络采用IEEE 802.15.4标准作为其物理层和数据链路层的技术标准，网络层与应用层集成在一起，采用单跳、双跳以及变跳3种接力通信模式作为网络协议的基础。本文围绕LED无线传感网络的体系结构，以网络拓扑及通信节点的组成为基础，论述了网络层的协议包格式、路由工作原理，以及节点通信的设计流程。
1 网络体系

LED无线传感网络的网络体系是网络层实现路由的基础，包括节点组成及网络拓扑结构。

1.1 LED路灯传感网络节点的组成

LED路灯网络由间隔均匀的若干盏路灯组成，每一盏LED路灯均为网络的一个通信节点，用来构建无线传感网络。图1所示，为构建无线传感网络LED路灯节点的组成，除了照明部分的电路外，还附加了对LED电流的采样、LED发光亮度的检测、以及对LED发光亮度的PWM控制等电路。每一盏LED路灯既是传感器节点也是网络路由节点；每一个节点包含一个微控制器（MCU，如cc2530），都具有射频通信功能，既能发送信号也能接收信号；每一个节点具有32bit（位）的唯一ID号。通过在物理层和MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准，结合网络层与应用层的协议，所有这些节点有机地组合在一起，便构成了LED路灯无线传感网络。由于现有的一些网络层与应用层协议如Zigbee、RF4CE等并不是很适合LED路灯传感网络应用，因此，需要重新设计网络层与应用层协议。



图1 LED路灯节点的组成



1.2 网络拓扑

根据LED路灯的分布规律，每盏LED路灯作为网络节点构成无线通信网络，其拓扑结构如图2所示，（a）是信号逐点（单跳）接力传送拓扑结构图，（b）是信号隔点（双跳）接力传送拓扑结构图。为便于下文网络应用协议的设计与讨论，作出如下定义：

（1）所有节点可分为2类，即LED路灯节点(简称LED节点，如a1 a2 … an , b1 b2 … bn)和路灯控制器节点(简称控制节点,如a,b)；

（2）相邻节点之间的距离均为L，每个节点的无线信号覆盖半径大于等于2L；

（3）根据节点的相对位置，节点可分为前驱节点与后继节点，离控制器近的是前趋节点，离控制器远的是后继节点。例如a1是a2前驱节点，a3是a2后继节点；同理b2是b4前驱节点，b6是b4后继节点，以此类推。



图2 网络拓扑结构示意图



（4）控制节点与LED节点之间，LED节点相互之间，只要无线信号可以覆盖到,都可以相互通信，不需要设基站或专门的路由协调装置。

（5）每个节点的32bit唯一ID号由两部分组成，分别为网络ID和节点地址（编号），均为16bit。同一路灯网络所有节点的网络ID相同；从控制节点开始，节点地址由小到大顺序编排。2 网络协议

LED路灯传感网络协议包括协议包的定义与路由协议的定义，其设计目标是简单、实用，易实现。

2.1 网络协议包格式

LED路灯传感网络协议传输的信息包共有3种类型，分别为命令包、参数包以及应答确认包。



图3 网络协议包格式



（1）命令包

图3(a)所示，为控制器节点对LED路灯节点下发的命令包格式。命令有三种类型：针对整个网络所有LED节点的广播命令、针对部分LED节点的群组命令以及针对单个LED节点的单点命令。

命令包各字段定义如下：

包类型：为1；
目的地址：为指定LED节点的地址；
包序列号：为向指定节点发送的包编号；
接力模式：为1时，表示单跳模式；为2时，表示双跳模式偶链；为3时，表示双跳模式奇链；
命令字段的定义方法见表1，表1只列出了部分命令，实际中可以根据需要增加命令；

表1 命令包命令字段定义



命令参数字段：用来表示调光的亮度，数值越小LED发光亮度越低，耗电越少，数值为 0时表示关灯；

跳数：命令传送到目的地址所需经过的节点数，最大值为路灯网络所有LED节点的数量。传送命令包时，每经转发一次则跳数减1，当跳数值为0时，命令包不再被转发。

（2）参数包

图3(b)所示，为LED路灯网络节点上传的参数包格式。控制节点可采用定时轮询或即时查询方式获取网络内各LED节点的状态参数，如电流值、发光亮度值等，各LED节点只有在接到读取参数的命令后才会向控制节点发送参数包。参数包各字段定义如下：

包类型：为2；
源地址：为上传参数LED节点的地址；
包序列号：为上传参数LED节点发出的参数包编号；
接力模式：由于只有在节点收到读取状态参数命令后才会发送参数包，因此，参数包的接力模式由命令包的接力模式确定；
状态标志：为0，表示对应LED节点无故障；为1，表示对应节点有故障；为2，表示对应节点及后继节点有故障；
状态参数1－3：为LED节点的有关参数，如电流值、电压值以及LED的发光亮度值等。

（3）应答确认包

图3(c)所示，为应答确认包格式。为了实现可靠传输，每个节点在收到命令包或参数包后需要发送应答确认信息包。如果信息包的发送（转发）方在设定的时间内没有收到应答确认包，则会启动对该信息包的重新发送。应答确认包各字段的数值定义如下：

包类型：为3；
节点地址：发出确认应答包节点的地址。
确认类型：收到信息包的包类型；
确认号：为节点收到信息包的包序列号；