實現LED路燈網絡的智能監控

　　城市道路照明越來越多采用LED照明技術代替傳統的照明技術，其目的是為了降低對電能的消耗。由于LED使用低壓直流電源，便于附加檢測與控制電路，這對路燈網絡的智能化管理，進一步節能降耗帶來了方便。對于路燈網絡的管理與控制，既可以采用電力載波通信技術，也可技術的快速發展，使得短距離無線通信技術在應用成本、可靠性與通信速率等方面均已優于電力載波通信技術，例如Zigbee短距離無線通信技術。本文提出一種解決方案，采用短距離無線通信技術構建LED路燈無線傳感網絡，能對LED路燈網絡任意單盞燈或多盞燈或全網絡所有燈進行開關、調光等控制，進行發光亮度、電流參數等檢測，從而實現對LED路燈網絡的智能化管理。作為無線傳感網絡，其體系結構應該包含四個基本層次：物理層和數據鏈路層、網絡層以及應用層。LED路燈無線傳感網絡采用IEEE 802.15.4標準作為其物理層和數據鏈路層的技術標準，網絡層與應用層集成在一起，采用單跳、雙跳以及變跳3種接力通信模式作為網絡協議的基礎。本文圍繞LED無線傳感網絡的體系結構，以網絡拓撲及通信節點的組成為基礎，論述了網絡層的協議包格式、路由工作原理，以及節點通信的設計流程。

　　1網絡體系

　　LED無線傳感網絡的網絡體系是網絡層實現路由的基礎，包括節點組成及網絡拓撲結構。

　　1.1 LED路燈傳感網絡節點的組成

　　LED路燈網絡由間隔均勻的若干盞路燈組成，每一盞LED路燈均為網絡的一個通信節點，用來構建無線傳感網絡。圖1所示，為構建無線傳感網絡LED路燈節點的組成，除了照明部分的電路外，還附加了對LED電流的采樣、LED發光亮度的檢測、以及對LED發光亮度的PWM控制等電路。每一盞LED路燈既是傳感器節點也是網絡路由節點;每一個節點包含一個微控制器(MCU，如cc2530)，都具有射頻通信功能，既能發送信號也能接收信號;每一個節點具有32bit(位)的唯一ID號。通過在物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協議標準，結合網絡層與應用層的協議，所有這些節點有機地組合在一起，便構成了LED路燈無線傳感網絡。由于現有的一些網絡層與應用層協議如Zigbee、RF4CE等并不是很適合LED路燈傳感網絡應用，因此，需要重新設計網絡層與應用層協議。

　　圖1 LED路燈節點的組成

　　1.2網絡拓撲

　　根據LED路燈的分布規律，每盞LED路燈作為網絡節點構成無線通信網絡，其拓撲結構如圖2所示，(a)是信號逐點(單跳)接力傳送拓撲結構圖，(b)是信號隔點(雙跳)接力傳送拓撲結構圖。為便于下文網絡應用協議的設計與討論，作出如下定義：

　　(1)所有節點可分為2類，即LED路燈節點(簡稱LED節點，如a1 a2…an ， b1 b2…bn)和路燈控制器節點(簡稱控制節點，如a，b);

　　(2)相鄰節點之間的距離均為L，每個節點的無線信號覆蓋半徑大于等于2L;

　　(3)根據節點的相對位置，節點可分為前驅節點與后繼節點，離控制器近的是前趨節點，離控制器遠的是后繼節點。例如a1是a2前驅節點，a3是a2后繼節點;同理b2是b4前驅節點，b6是b4后繼節點，以此類推。

　　圖2網絡拓撲結構示意圖

　　(4)控制節點與LED節點之間，LED節點相互之間，只要無線信號可以覆蓋到，都可以相互通信，不需要設基站或專門的路由協調裝置。

　　(5)每個節點的32bit唯一ID號由兩部分組成，分別為網絡ID和節點地址(編號)，均為16bit.同一路燈網絡所有節點的網絡ID相同;從控制節點開始，節點地址由小到大順序編排。

　　2網絡協議

　　LED路燈傳感網絡協議包括協議包的定義與路由協議的定義，其設計目標是簡單、實用，易實現。

　　2.1網絡協議包格式

　　LED路燈傳感網絡協議傳輸的信息包共有3種類型，分別為命令包、參數包以及應答確認包。

　　圖3網絡協議包格式

　　(1)命令包

　　圖3(a)所示，為控制器節點對LED路燈節點下發的命令包格式。命令有三種類型：針對整個網絡所有LED節點的廣播命令、針對部分LED節點的群組命令以及針對單個LED節點的單點命令。

　　命令包各字段定義如下：

　　包類型：為1;

　　目的地址：為指定LED節點的地址;

　　包序列號：為向指定節點發送的包編號;

　　接力模式：為1時，表示單跳模式;為2時，表示雙跳模式偶鏈;為3時，表示雙跳模式奇鏈;

　　命令字段的定義方法見表1，表1只列出了部分命令，實際中可以根據需要增加命令;

　　表1命令包命令字段定義

　　命令參數字段：用來表示調光的亮度，數值越小LED發光亮度越低，耗電越少，數值為0時表示關燈;

　　跳數：命令傳送到目的地址所需經過的節點數，最大值為路燈網絡所有LED節點的數量。傳送命令包時，每經轉發一次則跳數減1，當跳數值為0時，命令包不再被轉發。