基于物联网路灯管理控制

基于物联网路灯管理控制基于物联网路灯管理控制 摘要: 本文介绍了一个基于物联网的路灯管理控制方案，采用 ZigBee 作为内部设 备通信协议建立无线传感控制网络，结合 GSM 远程控制，实现对城市路灯的自动化、智 能化管理控制。 关键词: 物联网；ZingBee；GSM; 1.ZigBee 技术技术 1.1ZigBee 技术简介 ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双 向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中， 同时支持地理定位功能。相对于现在的各种无线通信技术，ZigBee 技术是最低 功耗和最低成本的技术，同时由于 ZigBee 技术的低数据速率和通信范围较小 的特点，也决定了 ZigBee 技术适合于承载数据流量较小的业务。ZigBee 主要 技术指标如表 1-1 所示。 表 1-1 ZigBee 主要技术指标 特性 取值 数据速率868MHz、20kbps；915MHz、40kbps；2.4GHz、250kbps 通信范围1075m 通信时延15-30ms 信道数868/915MHz、11：2.4GHz、16 频段868/915MHz 和 2.4GHz 寻址方式64 比特 IEEE 地址，8 比特网络地址 信道接入CSMA/CA 和时隙化的 CSMA/CA 温度-4085 1.2 ZigBee 技术的特点 ZigBee 技术具有一些非常适合用于无线传感网络的特点，其优点有： (1)低功耗。在低耗电待机模式下，2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 624 个月，甚至更长，这是 ZigBee 的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi 可工作数小时。 (2)低速率。ZigBee 工作在 20250kb/s 的较低速率，分别提供 250kbps(2.4GHz)、 40kbps(915MHz)、20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的 应用需求。 (3)近距离。传输范围一般介于 10100m 之间，在增加 RF 发射功率后，亦可 增加到 13km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接 力，传输距离将可以更远。 (4)短时延。ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需 15ms，节 点连接进入网络只需 30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要 310s、WiFi 需要 3s。 (5)高容量。ZigBee 可采用星型、树型和网型网络结构，由一个主节点管理若 干 子节点，最多一个主节点可管理 254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络 节点管理，最多可组成 65000 个节点的大网。 (6)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz(全球)、 915MHz(美国)和 868MHz(欧洲)。 1.3 ZigBee 的网络拓扑结构 ZigBee 的网络拓扑结构有三种：星型网络、树簇型网络、网型网络。如下 图： 2. 硬件设备部署 2.1 传感器网络布建 目前正在 LED 路灯的铺设，LED 路灯对亮度的可控性较一般的强，所以可以通过传 感器对路灯实现亮度的调控。路灯损毁的概率是比较低的，而两个路灯同时损坏的概率更 低，因此将传感器节点功率调制与之相邻最远的一个路灯即可（根据目前道路宽度，在不 增加发射功率的前提下可做到）。并对相应的路灯进行编号。如下图： 001 002 。 。 。 。 。 。 0nn 101 102 。 。 。 。 。 。 1nn 根节点 2.2 整体布建： 以区域划分，根节点通过 GSM 模块远程服务器相连接。服务器可以被终端设备手机 /PAD 远程控制。此外，将气象部门相关气象信息接入，能应对特殊天气需要路灯的情况； 将交通部门的信息接入，在道路车流较少的路况采用间隔点亮路灯或者全部关闭。 根节点 A根节点 C 根节点 B 001 002 。 。 。 。 。 。 nnn 001 002 。 。 。 。 。 。 nnn 001 002 。 。 。 。 。 。 nnn 气象局交管部门 2.3 传感器节点设计及传感网络构建 略 3. 软件设备 制作相应的软件设备，功能：路灯正常的定时开、关；根据特殊情况只能开关；人工手动 控制；节假日自动开关并支持远程终端控制（远程可使用相应的 APP 软件，或者，通过短 信发送指令识别，在安全性上，个人感觉 app 内部网络，用户秘钥认证可控性已经安全性 会更高一点。） 4.流程设计 4.1 主流程设计 如下图，整个流程展示了运行流程。服务器，周期检测是否有控制信号，根据控制信 号的类型发出相应的指令。在无控制信号的状态下，系统按设定自行运行，及定时点亮路 灯，定时关闭路灯。 如图中所示，系统共有四种控制类型，优先级分别是：人工控制、气象控制（根据气 象数据，对特殊天气对路灯控制）、报修控制（传感节点反馈的各种损坏状况）和车流控 制（根据道路持续是简单流量，对路灯实现选择性关闭、开启）。 4.2 人工控制模块流程设计 当服务器判定信号为人工控制信号时，系统进入人工控制模式，系统根据操作人员所 发出的指令做出相应的变换。 如图中所示，在操作过程中，系统各部分部件也有可能发生故障，如：某一个路灯损 坏，在应答机制中，该路灯没有给出应答，则把信息反馈。 4.3 气象控制模块流程设计 与人工控制相似，服务器接受气象信息，根据气象信息变化，判断是否为特殊天气， 然后决定是否发出控制信息（在非打开时间段打开路灯，在打开时间段调节路灯亮度）。 4.4 报修模块流程设计 与上述两个模块相似。触发信息为各部件反馈。 4.5 车流控制模块流程设计 服务器根据某时间段，车流量的变化，选择间隔开关路灯。 4.6 故障检查模块流程设计 相邻节点周期检测其周边节点个数，如有减少发送报修信号，个传感节点周期检测， 灯具的情况，如有损坏，发送报修信号。 总总 结结 无线传感器网络技术融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术,是现代信息技术 中一个新的发展领域。传