謝磊　鄒鵬舉

【摘 要】本文介紹了一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與移動(dòng)4G無(wú)線網(wǎng)關(guān)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，每盞路燈對(duì)應(yīng)一個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，用于采集風(fēng)光互補(bǔ)路燈各部分的運(yùn)行參數(shù)及控制其運(yùn)行狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)搭配4G移動(dòng)通信模塊與ZigBee射頻模塊，實(shí)現(xiàn)底層節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的通信。采用二叉樹(shù)形式的網(wǎng)狀網(wǎng)，每個(gè)父節(jié)點(diǎn)都有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，解決了ZigBee通信距離短、路燈監(jiān)控節(jié)點(diǎn)分布散矛盾，實(shí)現(xiàn)低成本、遠(yuǎn)距離、高效率監(jiān)控風(fēng)光互補(bǔ)路燈的目的。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；4G；無(wú)線網(wǎng)關(guān)；二叉樹(shù)

【Abstract】This paper introduces a kind of remote monitoring system about wind and solar complementary street lamp based on ZigBee wireless sensor network communication protocol and mobile 4G wireless gateway， every street lamp corresponding to a monitoring nodes， for collecting the street lamps operating parameters and control the running status of each part. Gateway equipped with 4G mobile communication module and ZigBee RF module to realize the communications between underlying nodes and the upper computer. Using binary tree in the form of a mesh network， each parent node has routing forwarding function， then the contradictions about the ZigBee communication distance is short and street lamp monitoring nodes distribution was solved， achieved the aim of low cost， long distance and high efficiency monitoring wind and solar complementary street lamp.

【Key words】ZigBee； 4G； Wireless gateway； Binary tree

0 引言

路燈是我們生活中最常見(jiàn)的基礎(chǔ)設(shè)施，它點(diǎn)亮了漆黑的夜間道路，保證了行人的安全。但路燈耗電大、長(zhǎng)距離的輸電線路建設(shè)成本高，這導(dǎo)致了我國(guó)許多市郊特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)的公路和高速公路沒(méi)有安裝路燈。

風(fēng)光互補(bǔ)路燈利用太陽(yáng)能與風(fēng)能天然的互補(bǔ)性，不間斷地發(fā)電并存儲(chǔ)在蓄電池中，供路燈使用。一次安裝永久使用，無(wú)需外界供電，免去了傳統(tǒng)路燈的布線成本和使用過(guò)程中的電能消耗。風(fēng)光互補(bǔ)控制器實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池板與風(fēng)機(jī)發(fā)電的最大功率追蹤、發(fā)電過(guò)多卸荷、蓄電池智能充放電等功能。然而，由于路燈的工作工作環(huán)境較惡劣，如遇上連續(xù)無(wú)風(fēng)的陰天蓄電池的電量入不敷出，正常的路燈開(kāi)啟可能導(dǎo)致蓄電池的極大損壞。且風(fēng)光互補(bǔ)路燈的各組成部分可能出現(xiàn)隨機(jī)的故障，必須對(duì)路燈運(yùn)行過(guò)程中的各部分參數(shù)監(jiān)管，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題[1]。

無(wú)線傳感網(wǎng)是多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一種網(wǎng)絡(luò)，用于采集和處理該網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的感知對(duì)象的信息，并上傳給觀察者，觀察者再根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的策略。每盞路燈配置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用于采集風(fēng)機(jī)、太陽(yáng)能電池板、蓄電池的電壓電流、當(dāng)前光照強(qiáng)度等參數(shù)，并可上位機(jī)控制路燈的開(kāi)關(guān)、蓄電池的充放電。

節(jié)點(diǎn)間通過(guò)ZigBee協(xié)議棧組成網(wǎng)狀網(wǎng)，并通過(guò)移動(dòng)4G無(wú)線網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)建立通信。監(jiān)控中心采取有效地監(jiān)管機(jī)制，如惡劣天氣時(shí)單號(hào)天時(shí)只開(kāi)單號(hào)路燈、縮短照明時(shí)間、調(diào)整路燈亮度燈方式，能保證風(fēng)光互補(bǔ)路燈連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

ZigBee與移動(dòng)4G的風(fēng)光互補(bǔ)路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要由風(fēng)光互補(bǔ)路燈、ZigBee無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、4G網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程終端等組成。監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

每盞路燈配置一個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，由N盞路燈監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。本網(wǎng)絡(luò)采用二叉樹(shù)形式的網(wǎng)狀網(wǎng)，編號(hào)為單號(hào)的節(jié)點(diǎn)均為父節(jié)并具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。其中，1號(hào)節(jié)點(diǎn)為最上層節(jié)點(diǎn)，直接與網(wǎng)關(guān)通信，并負(fù)責(zé)與2、3號(hào)節(jié)點(diǎn)通信，為其父節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，3號(hào)節(jié)點(diǎn)為4、5號(hào)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。5號(hào)節(jié)點(diǎn)為6、7號(hào)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)……。當(dāng)n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)需要上傳數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點(diǎn)，編號(hào)為n，n號(hào)節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其父節(jié)點(diǎn)n-1。層層上傳，數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)4G基站到達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。同理，監(jiān)控終端下發(fā)的控制命令由1號(hào)節(jié)點(diǎn)，層層往下轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)關(guān)是ZigBee傳感網(wǎng)與Internet連接的橋梁。外置：ZigBee無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)，與底層無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信；移動(dòng)4G通信模塊，以4G基站為樞紐接入Internet，從而實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的通信。

系統(tǒng)以1號(hào)節(jié)點(diǎn)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)，組成二叉樹(shù)形式的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通過(guò)父節(jié)點(diǎn)層層轉(zhuǎn)發(fā)，僅用一臺(tái)網(wǎng)關(guān)便能實(shí)現(xiàn)幾公里甚至幾十公里范圍內(nèi)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈的監(jiān)控。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)路燈無(wú)線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)需采集路燈的各部分工作參數(shù)，包括太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池電流電壓、光照強(qiáng)度等，并可控制路燈的開(kāi)關(guān)。所有的參數(shù)信息和控制信息均通過(guò)一個(gè)CC2530射頻芯片無(wú)線發(fā)送和接收。節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)以Atmega8為處理器，配置各種功能外圍電路。該處理器內(nèi)部集成較大容量的存儲(chǔ)器和硬件接口電路、3個(gè)PWM通道、6路10位A/D轉(zhuǎn)換、2個(gè)8位定時(shí)器和1個(gè)I2C串行接口，2.7-5.5V寬工作電壓，完全能滿足功能需求。節(jié)點(diǎn)采集光照強(qiáng)度供參考，決策路燈開(kāi)關(guān)。當(dāng)蓄電池電壓過(guò)低時(shí)，將決策禁止開(kāi)啟路燈，直至蓄電量恢復(fù)。其他參數(shù)異常如太陽(yáng)能電池板輸出電壓時(shí)，則可直接指導(dǎo)維修人員定點(diǎn)定部位地檢修，方便快捷效率高。

2.2 4G網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)起著橋接的功能，連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)兩異構(gòu)網(wǎng)間的數(shù)據(jù)。通過(guò)一個(gè)ZigBee無(wú)線通信模塊與底層無(wú)線傳感網(wǎng)通信，一個(gè)移動(dòng)4G模塊通過(guò)4G基站間接與遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)通信。其硬件架構(gòu)如圖3所示[2]。

4G網(wǎng)關(guān)以一款三星的ARM11處理器S3C6410為核心，外圍擴(kuò)展RAM、FLASH、復(fù)位電路等基本功能單元；射頻選擇TI公司的CC2530低功耗芯片，串口連接處理器；4G模塊選擇方格SLM630B，也通過(guò)串口連接處理器。S3C6410是一個(gè)16/32位RISC微處理器，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)4G模塊。CC2530是專門針對(duì)IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案，有高達(dá)256KB的閃存和20KB的擦除周期，支持ZigBee、6LoWPAN、WirelessHART及其他所有基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的方案，是本設(shè)計(jì)方案的首選。方格SLM630B是一款LTE“七模十八頻”無(wú)線通信模塊，采用通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，支持語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)及GPS定位，支持電信、移動(dòng)、聯(lián)通三4G，并向下兼容3G和2G，使得4G網(wǎng)關(guān)可適用于不同環(huán)境下的不同運(yùn)營(yíng)商。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無(wú)線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為二叉樹(shù)形網(wǎng)狀網(wǎng)，編號(hào)為單的節(jié)點(diǎn)均為父節(jié)點(diǎn)（尾節(jié)點(diǎn)除外），均具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。當(dāng)上位機(jī)下發(fā)控制命令時(shí)，先由1號(hào)匯聚節(jié)點(diǎn)接收，判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為己，若是則不再往下轉(zhuǎn)發(fā)；若不是，則轉(zhuǎn)發(fā)給其兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)。編號(hào)為單的子節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為它那一層的節(jié)點(diǎn)，是則不再轉(zhuǎn)發(fā)，不是則繼續(xù)往下轉(zhuǎn)發(fā)。同理，節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)時(shí)，都將數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)發(fā)至其上一層的父節(jié)點(diǎn)，再由其父節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)層層轉(zhuǎn)發(fā)，最終送至協(xié)調(diào)器。數(shù)據(jù)上行過(guò)程較為簡(jiǎn)單不再闡述，下行過(guò)程見(jiàn)圖4。

雙號(hào)節(jié)點(diǎn)不具數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，當(dāng)收到控制命令時(shí)，判斷是否自己為目的節(jié)點(diǎn)，是則接收、解析并執(zhí)行控制命令，不是則丟棄。并由其同層的單號(hào)節(jié)點(diǎn)通過(guò)判斷目的節(jié)點(diǎn)是否在本層決定數(shù)據(jù)是否繼續(xù)往下轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)這種的二叉樹(shù)組網(wǎng)方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均只與相鄰層節(jié)點(diǎn)通信，成功地解決了ZigBee通信距離短，而路燈間距遠(yuǎn)的矛盾。實(shí)現(xiàn)了低成本、遠(yuǎn)距離、高效率監(jiān)控風(fēng)光互補(bǔ)路燈的目的。

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞部分，網(wǎng)關(guān)軟件的實(shí)現(xiàn)與靈活性也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的關(guān)鍵部分。上行傳輸時(shí)，處理器將ZigBee幀格式轉(zhuǎn)換為TD-LTE幀格式，并通過(guò)SLM630B模塊將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送至指定的服務(wù)器端口；下行傳輸時(shí)，SLM630B模塊將TD-LTE幀格式轉(zhuǎn)換成ZigBee幀格式，并通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)內(nèi)的指定節(jié)點(diǎn)。4G模塊通過(guò)發(fā)送多種“AT指令”與指定服務(wù)器的端口建立連接。數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程如圖5所示，分為上行和下行兩種模式[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合目前最流行的ZigBee傳感網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)和較前沿的移動(dòng)4G通信技術(shù)，提出了基于二者的風(fēng)光互補(bǔ)路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)需外界供電，獨(dú)立運(yùn)行。除路燈自身器件損耗外，系統(tǒng)運(yùn)行的唯一資費(fèi)為4G模塊的流量費(fèi)。本方案效率高，成本低，對(duì)于未來(lái)風(fēng)光互補(bǔ)路燈的發(fā)展及其監(jiān)控方式提供了一種良好的設(shè)計(jì)參考方案。

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[責(zé)任編輯：湯靜]