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基于WSN技术的路灯控制系统的设计与实现_图文

第31卷第1期
2011年2月

东北电力大学学报 Journal Of Northeast Dianli University

V01.31.No.1

Feb.,2011

文章编号:1005—2992(2011)Ol-0084一04

基于WSN技术的路灯控制系统的设计与实现
张艳,赵衍娟,杨




(东北电力大学信息-r程学院,吉林吉林132012)

要:在分析比较现有路灯系统的基础上,结合当今社会对路灯控制管理的要求,借助于无线传

感器技术,设计能够对单灯进行实时控制和检测的路灯控制系统。分析嵌入式路灯控制系统的框架构 思,设计系统软件模块,完成系统功能,实现控制中心与路灯之间实时信息交互的智能化控制、调度和管 理。设计路灯节点模块,借助于无线传感器网络技术,实现对路灯系统的实时单点控制和检测。 关键词:无线传感器网络,路灯控制系统,嵌入式系统 中图分类号:TP 399 文献标识码:A



问题描述
国内大多数城市路灯的开/关灯控制由每台变压器(配电箱)分散控制、统一性差、故障率高。由于

不能按照室外自然光照度自动控制,不仅实时性差,而且每年还要多支付大量的电费开支…。路灯分
布在城市的每条道路,深入到城市的各个角落,自然损坏和人为破坏的情况时常发生,因其分布广,损坏

率高的特点,给路灯的管理、维护工作带来了很大困难。路灯管理部门多采用上路巡查的办法来发现故 障,排除故障,不仅反应迟缓,且费时费力费钱,很难满足高“亮灯率”的管理要求,也远远落后于现代化
道路照明的需要。

随着城市现代化的发展,老式的路灯控制方式己经不适合需求,需要新的监控系统对整个城市的路 灯进行统一的控制、管理。当前国内路灯控制系统存在缺点是:使用有线的通信方式,花费较高。常用 的路灯系统的通信方式主要有:公共数据网、光纤通信、专用路灯控制线等,可以看到这几种通信方式投 资巨大,运行起来费用较高而且维护也不方便。 智能路灯监控系统是现代计算机技术运用于城市市政建设中有效的、必然的产物,实现了城市路灯 系统的计算机集中控制、监测与管理¨1。

2系统的总体设计
在路灯控制系统进行总体设计中,分为系统框图和功能设计。把整个控制系统分为路灯控制中心 和无线传感器网络两部分,并分别完成这两个部分的总体设计H1。路灯控制中心主要是由服务器,数 据库和平台构成,而无线传感器网络是由基站和节点构成。 在路灯控制系统中,我们在每条线路上(如;长春路)都会设置基站,作为网络的汇聚中心节点,直 接与基站相连接的是路灯终端节点。在每个路灯杆上都安置一个传感器节点,传感器节点将控制命令 发送给路灯控制器,从而控制路灯的开、关。在基站启动组建网络后,新加入的节点会发送申请数据包
收稿日期:2010一ll一22

作者简介:张艳(1983一),女。东北电力大学信息工程学院在读研究生,主要研究方向为嵌入式应用系统研究与设计.

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第1期

张艳等:基于WSN技术的路灯控制系统的设计与实现

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给邻近的已经加入到网络的节点,邻近节点会把申请经过多跳路由节点传送给基站,再到控制中心,经 过操作员许可后对它进行设置和分配网络地址,表明节点加人网络成功可以正常运行。以此顺延直到 线路上的所有路灯节点都加入到网络中,表明路灯节点组成的无线传感器网络建立成功。路灯终端节 点把采集到的数据经过多次路由节点,按照Zigbee2007无线通信协议通过无线传感器网络传送到基 站。最后,再通过GPRS等长距离传输网络实现与控制中心的通信。

3系统的硬件设计
由多个基站,及其所管辖的路灯节点组成了整个无线传感器网络,无线传感器网络部分与控制中心 通信使用的是GPRS。这样可以解决基站与控制中心距离太远的问题,系统简单,安装方便,成本低。 在无线传感器网络设计中主要分为基站和节点设计。 (1)基站硬件设计 基站主要负责组建路灯节点的无线网络,同时负责管理控制路灯节点,以及与上层控制中心的数据通 信。基站转发后台服务器之间控制命令给路灯节点,通过配置文件中的变量实现控制节点的功能。并且 基站采集路灯节点的数据信息,上传给控制中心,实现系统的监测的目的。由于基站需要很强的数据处理 能力和通信能力,因此,基站硬件平台选择1fI公司CC2430。CC2430芯片的具有高性能、低功耗的8051微 控制器内核、适应2.4GHzIEEE 802.15.4的RF收发器、极高的接收灵敏度和抗干扰性能等特点。 基站的主要功能包括:采集各路灯的工作状态;汇总所控节点信息通过GPRS把相关数据上传至监 控中心;接收和处理由控制中心下发的控制指令;负责整个无线网络的建立和维护;基站负责管理所有 该线路上的所有节点的内部资源和数据。当节点已经加入到网络后,基站把节点所有的配置文件汇总 保存并转发给控制中心。每个节点和基站都有唯一的标识ID号,因此节点只要在系统的网络中,就可 以在远程控制中心控制它。 基站配置工作是整个系统中的重要一环,基站配置是通过设计好的自动生成配置文件的程序配置 处理,然后将配置完好的配置文件下载到基站中,启动运行基站之后,基站软件首先读取配置文件,形成 实时信息数据库,然后启动实时信息数据库模型映射到MMS协议数据模型功能模块实现与间隔总线上

lED设备的数据通信,同时也启动实时信息数据库与IEC 60870—5—104协议映射模块.实现与远方调
度中心的数据交换。 (2)节点硬件设计 在路灯控制系统中,我们选择,11公司的CC2430作为路灯的控制节点,主要分为四部分模块设计: 路灯控制模块、无线接收模块、数据采集模块和节点配置模块。 在这里我们主要阐述节点控制模块。无线控制LED路

灯与传统的高压钠灯、荧光灯不同,其亮度控制简单有效,可
以在灯亮度的0%一100%之间进行快速调节,而不会影响 LED灯寿命。根据路灯照明的需求,改变其亮度,能够实现 节能。目前城市路灯已经都采用LED路灯,因此可以极大的 将LED灯的亮度调节和功耗调节的优势发挥出来。本系统
图l节点模块设计图 将LED路灯模块和无线通信模块相结合控制LED灯具亮 度。在路灯模块增加CC2430无线通信模块,可以将所有的LED灯具组成—个无线控制网络,每个LED灯

都是网络中的—个节点,都有唯一的网络ID。一方面路灯模块可以通过CC2430无线模块接收调光控制

命令,结合DC—DC模块,调节电压或电流输出,从而实现对LED路灯的调光控制;另一方面可以将路灯的
状态信息,如功耗、工作情况、执行指令情况发送到通信网络上,上传至监控计算机。

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第30卷

4系统的软件设计
(1)控制中心软件设计 在本系统设计中,根据系统功能设计的需求,设计了系统的层次图,如图2,将本系统分为用户管理 模块、查询管理模块、控制模块、检测模块、路灯设备管理模块、以及报警管理模块。

用户管理模块主要用来维护和管理系统用户信息。查询管理模块主要负责操作员对系统运行情况
和操作记录的相关查询,包括路灯运行记录、线路运行记录、系统日志、故障记录和路灯基本信息的查 询。在查询管理模块中支持多种条件查询的功能,使系统实现更具有直观性。 路灯控制模块主要用来完成对路灯状态的控制,是本文完成的重点模块。通过把控制中心的控制

命令传输给路灯节点,实现节点对路灯的控制操作。根据实际需要,路灯控制模块分为自动控制模块和
手动控制模块。在自动开关控制模块中,系统设定好时间自动向节点发送控制命令或者给节点设置定 时操作,就可以在没有操作员的情况下,完成对路灯的自动控制;手动控制模块主要为了满足操作员对 路灯临时操作的需要,即管理员可以根据当前的需要,进行各种路灯控制操作。 检测模块主要为了实现对远程路灯工作状态的检测。检测模块分为自动检测路灯的工作状态和实 时检测路灯的运行情况两个子模块。在自动检测模块中,节点每隔一段时间就自动检测路灯当前工作 状态,并上传输给控制中心。
路灯控制系统

用户管理

查询管理

||

控制

lJ

检测

f|路灯设备管理||

报警管理

曩8霎fl墨8重ff蓁8蓁l霎f 霎l{霎|{蠢{【毳l l曩l}囊{ l茎l蓁l蓁l{蓁li耄Il垂
图2系统层次结构设计图

(2)传感器节点软件设计
在本路灯控制系统中,把节点接收的控

制命令主要划分为两类:控制路灯的命令和 检测路灯工作状态的命令。当节点接收到 数据包命令后,首先要进行报文解析,判断
命令的类型,再调用相应的处理模块进行相




蹩竺竺竺哆 兰土
模拟量选通,^/D转换 查询开关量输入信息
____-’●_●_-●_-__--____-____-●___-●_●-_●---●一

应的处理。其处理流程如图3所示。
为了实现在同一系统中对所有路灯控 制,控制中心和路灯终端节点传输的数据 包,主要根据节点的配置文件的内容而生 成的。根据节点变量的操作和变量值的设 置实现对路灯节点的各种操作。 节点的配置文件主要包括两部分:节 点的自身配置描述和智能路灯设备功能描 述。配置文件主要是通过程序生成的,节 点的自身配置描述的主要内容有:节点ID
将控制参敦转换成路灯控制
端口中.变现zf路灯的挖

...........,...........:I[................一
将采集好的数据储存
到SP,AM缓冲区

捌,井将当前路f『的状态慑
存判扶杏寄存器中.

————1——一

竺罕叫鬯掣l羲簸爨
图3命令处理流程

砻赢嘉谴

号,节点名称,加密,密钥,PANID,频率和自身地址等。其中“加密”是数据包在发送过程中的对数据进

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张艳等:基于WSN技术的路灯控制系统的设计与实现

行的加密处理,“密钥”是对节点进行设置是需要输入的密码。路灯设备的功能描述的内容主要有:项 目名,版本信息(协议),变量名,变量类型,初始化的变量值,变量操作等。 路灯设备的功能描述的内容主要有:项目名,版本信息(协议),变量名,变量类型,初始化的变量 值,变量操作等。配置文件的主要内容如下图4所示:
节点ID号。加密,密钥,PANID,频率(信道),自身地址, 项丹名称:智能路灯, 版本号:11. 是否有电池功能, 逻辑路灯总数. 逻辑路灯1号。

I逻辑路灯1的变量个数, J变量名,变贯类型,初值。变蕈描述(Get,Sel,Get+Set),密码, I变量名,变量类型,初值,变鬣描述(Get,Set,Get+Set),密码, 【……
逻辑路灯2号,

l逻辑路灯2的变最个数, ?变量名,变量类型,初值,变量描述(Get,Set,Get+Set),密码, I变量名.变量类型,初值,变量描述(Get,Set,Get+Set),街码, I……
图4系统所用的配置文件

路灯节点的变量具有三种操作:Get,Set和Get+Set。Get是对路灯变量信息的获取;Set是对路灯 变量值的设置,即是命令控制字的设置;Get+Set即是该变量具有获取状态也可以设置变量值的操作

5结



基于无线传感器网络的路灯控制系统,是由无数个路灯节点,多个路由器和基站,还有服务器组成。 各个部分通过通信介质传达控制命令,实现远程控制路灯…。本系统不仅可以定时或者实时的开关控 制节点和采集节点的工作状态信息,还可以使不同型号、规格的路灯在同一个系统下工作。能够实现对 单灯进行检测和控制的路灯控制系统,对路灯进行遥测、遥控、遥信,并对整个系统进行统一的调度和管 理,实现安全经济运行。 参考文献
[1】胡开明,李跃忠,卢伟华.智能路灯节能控制器的设计与实现[J].现代电子技术,2009,32(9):143—145. e2】冯志芬.基于无线通信的城市路灯监控系统[j].长沙航空职业技术学院学报,2008,8(2):45—47. [3】黎洪生,刘苏敏,胡冰,张卓敏.基于无线通信网络的智能路灯节能系统[J】.计算机工程,2009,35(14):190—191 [4]宋成艳.李扬,梅运华.基于无线通信的城市路灯监控管理系统[J].微计算机信息.2007,23(2—1):19—20.

Design and Implementation of street light control system based on WSN technology ZHANG Yan,ZHAO Yan-juan.YANG Mei (School ofIMormation F,n西neefing,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012)
Abstract:Based 0n the analysis and comparisons of the existing street system.and with demands of control and management of today’s society street light,in this paper。we designed to conduct street light system,which is a- ehieved t}Ie real—time control and detection of a single lamp by means of wireless sensor technology.We ana— lyzed tlle framework of embedded hghts control system design.and designed system software modules to complete the system function。and t}Ien achieved real—dme infom'mtion exchange。intelligent e_舱ntrol。scheduling and m卸一 agement between the control center and lights.Using the technology of wireless sensor network,we designed street light node module.and realized tlle real—time control and detection of the single light in this system. Key words:Wireless
sensor

networks;Video

transmission:Embedded

linux;The embedded system

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