LED路燈無線傳感網(wǎng)絡的智能監(jiān)控設計※＊

譚海燕，崔如春，陳國杰，張友紅

（佛山科學技術學院，佛山528000）

引 言

城市道路照明越來越多采用LED照明技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照明技術[1]，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，這給路燈網(wǎng)絡的智能化管理，進一步節(jié)能降耗帶來了方便。對于路燈網(wǎng)絡的管理與控制，既可以采用電力載波通信技術，也可以采用短距離無線通信技術。近年來無線通信技術的快速發(fā)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(yōu)于電力載波通信技術，例如ZigBee短距離無線通信技術[2]。本文提出一種解決方案，采用短距離無線通信技術構(gòu)建LED路燈無線傳感網(wǎng)絡，能對LED路燈網(wǎng)絡任意單盞燈或多盞燈或全網(wǎng)絡所有燈進行開關、調(diào)光等控制，進行發(fā)光亮度、電流參數(shù)等檢測，從而實現(xiàn)對LED路燈網(wǎng)絡的智能化管理。作為無線傳感網(wǎng)絡[3，4]，其體系結(jié)構(gòu)應該包含4個基本層次：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層以及應用層。LED路燈無線傳感網(wǎng)絡采用IEEE 802.15.4標準[5]作為其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的技術標準，網(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議的基礎。

1 網(wǎng)絡體系

LED無線傳感網(wǎng)絡的網(wǎng)絡體系是網(wǎng)絡層實現(xiàn)路由的基礎，包括節(jié)點組成及網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

1.1 LED路燈傳感網(wǎng)絡節(jié)點的組成

LED路燈網(wǎng)絡由間隔均勻的若干盞路燈組成，每一盞LED路燈均為網(wǎng)絡的一個通信節(jié)點，用來構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡。圖1所示為構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡LED路燈節(jié)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(fā)光亮度的檢測以及對LED發(fā)光亮度的PWM控制等電路。每一盞LED路燈既是傳感器節(jié)點，也是網(wǎng)絡路由節(jié)點；每一個節(jié)點包含一個微控制器（MCU，如CC2530），都具有射頻通信功能，既能發(fā)送信號也能接收信號[6]；每一個節(jié)點具有32 bit（位）的唯一ID號。通過在物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議標準，結(jié)合網(wǎng)絡層與應用層的協(xié)議，所有這些節(jié)點有機地組合在一起，便構(gòu)成了LED路燈無線傳感網(wǎng)絡。由于現(xiàn)有的一些網(wǎng)絡層與應用層協(xié)議如ZigBee、RF4CE[7]等并不是很適合LED路燈傳感網(wǎng)絡應用，因此，需要重新設計網(wǎng)絡層與應用層協(xié)議。

圖1 LED路燈節(jié)點的組成

1.2 網(wǎng)絡拓撲

根據(jù)LED路燈的分布規(guī)律，每盞LED路燈作為網(wǎng)絡節(jié)點構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中圖（a）是信號逐點（單跳）接力傳送拓撲結(jié)構(gòu)圖，圖（b）是信號隔點（雙跳）接力傳送拓撲結(jié)構(gòu)圖。為便于網(wǎng)絡應用協(xié)議的設計與討論，作出如下定義：

①所有節(jié)點可分為2類，即LED路燈節(jié)點（簡稱LED節(jié)點，如a1a2…an，b1b2…bn）和路燈控制器節(jié)點（簡稱控制節(jié)點，如a，b）。

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

③根據(jù)節(jié)點的相對位置，節(jié)點可分為前驅(qū)節(jié)點與后繼節(jié)點，離控制器近的是前驅(qū)節(jié)點。離控制器遠的是后繼節(jié)點。例如，a1是a2的前驅(qū)節(jié)點，a3是a2的后繼節(jié)點；同理b2是b4的前驅(qū)節(jié)點，b6是b4的后繼節(jié)點。以此類推。

圖2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

④控制節(jié)點與LED節(jié)點之間，LED節(jié)點相互之間，只要無線信號能覆蓋到，就都可以相互通信，不需要設基站或?qū)ｉT的路由協(xié)調(diào)裝置。

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

2 網(wǎng)絡協(xié)議

LED路燈傳感網(wǎng)絡協(xié)議包括協(xié)議包的定義與路由協(xié)議的定義。其設計目標是，簡單、實用，易實現(xiàn)。

2.1 網(wǎng)絡協(xié)議包格式

LED路燈傳感網(wǎng)絡協(xié)議傳輸?shù)男畔灿?種類型，分別為命令包、參數(shù)包以及應答確認包，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡協(xié)議包格式

（1）命令包

圖3（a），為控制器節(jié)點對LED路燈節(jié)點下發(fā)的命令包格式。命令有3種類型：針對整個網(wǎng)絡所有LED節(jié)點的廣播命令、針對部分LED節(jié)點的群組命令以及針對單個LED節(jié)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(jié)點的地址。

包序列號：為向指定節(jié)點發(fā)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：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(jù)需要增加命令。

表1 命令包命令字段定義

命令參數(shù)：用來表示調(diào)光的亮度，數(shù)值越小LED發(fā)光亮度越低，耗電越少，數(shù)值為0時表示關燈。

跳數(shù)：命令傳送到目的地址所需經(jīng)過的節(jié)點數(shù)，最大值為路燈網(wǎng)絡所有LED節(jié)點的數(shù)量。傳送命令包時，每經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)一次則跳數(shù)減1，當跳數(shù)值為0時，命令包不再被轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）參數(shù)包

圖3（b）所示，為LED路燈網(wǎng)絡節(jié)點上傳的參數(shù)包格式?？刂乒?jié)點可采用定時輪詢或即時查詢方式獲取網(wǎng)絡內(nèi)各LED節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)，如電流值、發(fā)光亮度值等，各LED節(jié)點只有在接到讀取參數(shù)的命令后才會向控制節(jié)點發(fā)送參數(shù)包。參數(shù)包各字段定義如下：

包類型：為2。

源地址：為上傳參數(shù)LED節(jié)點的地址。

包序列號：為上傳參數(shù)LED節(jié)點發(fā)出的參數(shù)包編號。

接力模式：為由于只有在節(jié)點收到讀取狀態(tài)參數(shù)命令后才會發(fā)送參數(shù)包，因此，參數(shù)包的接力模式由命令包的接力模式確定。

狀態(tài)標志：為0，表示對應LED節(jié)點無故障；為1，表示對應節(jié)點有故障；為2，表示對應節(jié)點及后繼節(jié)點有故障。

狀態(tài)參數(shù)1～3：LED節(jié)點的有關參數(shù)，如電流值、電壓值以及LED的發(fā)光亮度值等。

（3）應答確認包

圖3（c）所示，為應答確認包格式。為了實現(xiàn)可靠傳輸，每個節(jié)點在收到命令包或參數(shù)包后需要發(fā)送應答確認信息包。如果信息包的發(fā)送（轉(zhuǎn)發(fā)）方在設定的時間內(nèi)沒有收到應答確認包，則會啟動對該信息包的重新發(fā)送。應答確認包各字段的數(shù)值定義如下：

包類型：為3。

節(jié)點地址：為發(fā)出確認應答包節(jié)點的地址。

確認類型：為收到信息包的包類型。

確認號：為節(jié)點收到信息包的包序列號。

2.2 網(wǎng)絡路由協(xié)議

LED路燈傳感網(wǎng)絡路由協(xié)議的核心是各節(jié)點對信息包的轉(zhuǎn)發(fā)機制。由于每一個節(jié)點的信號覆蓋范圍有限，其信息只能向鄰近的節(jié)點發(fā)送，如要將信息送往遠處節(jié)點，則只能依賴中間節(jié)點的多次轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)1.2節(jié)定義的條件，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息包可以分為3種模式，即單跳接力模式、雙跳接力模式和變跳接力模式，各LED節(jié)點將根據(jù)信息包中接力模式字段的定義進行選擇。

2.2.1 單跳接力模式

圖2（a），為單跳接力模式的拓撲結(jié)構(gòu)圖。它是一個比較簡單的轉(zhuǎn)發(fā)模式，要求每個節(jié)點無線信號覆蓋的半徑范圍大于節(jié)點間距L，信息包只需往鄰近的前驅(qū)節(jié)點或后繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。在這種模式下，節(jié)點處理收到信息包的方法如下：

①如圖3（a）所示，節(jié)點接收一個命令包后，向前驅(qū)節(jié)點發(fā)送接收確認應答包；將命令包中的跳數(shù)減1；比較節(jié)點自身地址（NA）與命令包中目標地址的大小，相等則執(zhí)行包中的命令且無須轉(zhuǎn)發(fā)命令包，不等則向后繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該包；如果是廣播命令（目標地址值為0xffff），既在本節(jié)點執(zhí)行該命令同時也向后繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該命令包。轉(zhuǎn)發(fā)時的路由地址為NA＋1。當命令包傳送到網(wǎng)絡中的最后一個LED節(jié)點時，跳數(shù)減1后為0，包將不再被轉(zhuǎn)發(fā)。

②如圖3（b）所示，節(jié)點接收到參數(shù)包后，只需向后繼節(jié)點發(fā)送接收確認包并向前驅(qū)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)包的路由地址為NA-1。

③如圖3（c）所示，節(jié)點收到命令包或參數(shù)包后，必須發(fā)送接收確認包。當收到命令包時，確認類型值為1，發(fā)送應答確認包的路由地址為NA-1；當收到參數(shù)包時，確認類型值為2，發(fā)送應答確認包的路由地址為NA＋1。

2.2.2 雙跳接力模式

圖2（b）所示是雙跳接力模式的拓撲結(jié)構(gòu)圖。這種模式要求每一個節(jié)點的無線信號覆蓋半徑范圍≥2L。從圖2可知，雙跳接力模式每次跨越兩個節(jié)點，傳送信息包到指定節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)比單跳接力模式要少一半，因此其傳送時延也要小。在雙跳接力模式下，將整個網(wǎng)絡所有LED節(jié)點按照其地址值的奇偶性分成2個接力鏈，即奇地址節(jié)點鏈和偶地址節(jié)點鏈。控制節(jié)點發(fā)送廣播命令時，需要針對奇地址節(jié)點鏈和偶地址節(jié)點鏈分別發(fā)送，命令信息包分別在奇地址節(jié)點鏈和偶地址節(jié)點鏈上同時傳播。在雙跳接力模式下，節(jié)點處理收到信息包的方法如下：

①節(jié)點接收到命令包后的處理方法與單跳接力模式基本相同，但包轉(zhuǎn)發(fā)時的路由地址變?yōu)镹A＋2。

②同樣，節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后的處理方法也與單跳接力模式基本相同，只是在包轉(zhuǎn)發(fā)時的路由地址變?yōu)镹A-2。

③節(jié)點收到命令包或參數(shù)包后，必須發(fā)送接收確認包。當收到命令包時，確認類型值為1，發(fā)送應答確認包的路由地址為NA-2；當收到參數(shù)包時，確認類型值為2，發(fā)送應答確認包的路由地址為NA＋2。

無論是單跳接力模式還是雙跳接力模式，節(jié)點發(fā)送命令信息包或參數(shù)信息包后，若在規(guī)定的時間內(nèi)未收到確認信息包，則需要重發(fā)。重發(fā)次數(shù)一般不超過3次。

2.2.3 變跳接力模式

變跳接力模式實際上是單跳接力模式和雙跳接力模式的一種補充，主要用于下一跳節(jié)點出現(xiàn)通信故障時。在單跳接力模式或雙跳接力模式工作時，如果在多次重發(fā)后仍收不到下一跳節(jié)點的應答確認信息包，說明下一跳節(jié)點出現(xiàn)了通信故障。這時通過改變接力模式，由單跳變雙跳或者由雙跳變單跳可以繞開下一跳有通信故障的節(jié)點，繼續(xù)信息包的接力傳送；同時，將故障節(jié)點的相關信息反饋到控制節(jié)點。變跳接力模式要求每一個節(jié)點的無線信號覆蓋半徑范圍≥2L。變跳接力模式分為兩種情況。

（1）初始傳送為單跳接力模式

設LED節(jié)點i的地址為NAi，當LED節(jié)點i以單跳模式轉(zhuǎn)發(fā)命令包（或參數(shù)包）時，即使重發(fā)，仍然收不到LED節(jié)點i＋1（或i-1）的確認包，于是斷定下一跳節(jié)點出現(xiàn)故障。這時如果傳送的是命令包，則從①開始執(zhí)行；如果傳送的是參數(shù)包，則執(zhí)行②。因為故障節(jié)點在傳命令包時已遇上，所以傳送參數(shù)包時遇故障節(jié)點無須重復報告故障信息。

①LED節(jié)點i向控制節(jié)點報告故障節(jié)點信息。此時，節(jié)點i向控制節(jié)點發(fā)送參數(shù)包，包的狀態(tài)參數(shù)置為1，源地址為故障節(jié)點的地址，即NAi＋1，發(fā)送參數(shù)包的路由地址為NAi-1。

②改變接力模式為雙跳模式，將信息包轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點i＋2（或i-2），以繞開故障節(jié)點，路由地址為NAi＋2（或NAi-2）。若能收到應答確認包，則本節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完成；否則，說明遇上了兩個或兩個以上的連續(xù)故障節(jié)點，需繼續(xù)執(zhí)行③。

③如果此時傳送的是命令包，則LED節(jié)點i需向控制節(jié)點報告故障節(jié)點狀態(tài)信息。狀態(tài)參數(shù)包的狀態(tài)標志置為2，源地址為故障節(jié)點的地址，即NAi＋2，發(fā)送參數(shù)包的路由地址為NAi-1。隨后，轉(zhuǎn)發(fā)中止。

（2）初始傳送為雙跳接力模式

當LED節(jié)點i（地址為NAi）欲以雙跳接力模式轉(zhuǎn)發(fā)命令包（或參數(shù)包）時，必須對包進行分析。根據(jù)接力模式字段的值為2或3，可以判定當前為偶地址鏈或奇地址鏈接力模式。當NAi的值為奇數(shù)，跳變模式為奇鏈，或者NAi的值為偶數(shù)，跳變模式為偶鏈時，執(zhí)行如下步驟①；當NAi的值為奇數(shù)，跳變模式為偶鏈，或者NAi的值為偶數(shù)，跳變模式為奇鏈時，執(zhí)行如下步驟②。

①節(jié)點i以雙跳接力模式轉(zhuǎn)發(fā)命令包（或參數(shù)包），路由地址為NAi＋2（或NAi-2），如果收不到應答確認，則下一跳節(jié)點出現(xiàn)故障。如果這時轉(zhuǎn)發(fā)的是命令包，則需向控制節(jié)點報告故障，往其前驅(qū)節(jié)點i-2發(fā)送故障信息參數(shù)包，路由地址為NAi-2，故障信息參數(shù)包的源地址（即故障節(jié)點的地址）為NAi＋2，狀態(tài)標志為1。同時，改用單跳接力模式將信息包轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點i＋1（或i-1），以繞開故障節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)的路由地址為NAi＋1（或NAi-1）；若能收到確認包，則本節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完成，否則執(zhí)行③。

②節(jié)點i改為單跳接力模式轉(zhuǎn)發(fā)命令包（或參數(shù)包），路由地址為NAi＋1（或NAi-1）。若能收到確認包，則本節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完成；否則，再改用雙跳接力模式轉(zhuǎn)發(fā)，將信息包轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點i＋2（或i-2），以繞開故障節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)的路由地址為NAi＋2（或NAi-2）；若能收到確認包，則本節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)完成，否則執(zhí)行③。

③說明遇上了兩個或兩個以上連續(xù)故障節(jié)點，LED節(jié)點i需向控制節(jié)點報告故障節(jié)點信息。此時，節(jié)點i向控制節(jié)點發(fā)送故障參數(shù)包的狀態(tài)標志為2，源地址為故障節(jié)點的地址，即NAi＋1，發(fā)送參數(shù)包，路由地址為NAi-1。隨后轉(zhuǎn)發(fā)中止。

上述變跳接力模式能解決分散的單個通信故障節(jié)點接力傳送問題。但當網(wǎng)絡中出現(xiàn)連續(xù)2個或2個以上通信故障節(jié)點時，則只能報告故障節(jié)點位置而不能再繼續(xù)接力傳送。若要解決連續(xù)多故障節(jié)點的問題，既需要改變接力算法，也需要各節(jié)點的無線信號覆蓋半徑范圍更大。

3 網(wǎng)絡節(jié)點工作流程與協(xié)議實現(xiàn)

LED路燈傳感網(wǎng)絡上的每一個節(jié)點，既是命令執(zhí)行與狀態(tài)參數(shù)采集的終端節(jié)點，也是路由協(xié)調(diào)工作節(jié)點。各節(jié)點除了接收到信息包進入處理流程外，其余時間幾乎都處在監(jiān)聽查詢狀態(tài)，檢查是否收到信息包。LED路燈傳感網(wǎng)絡節(jié)點的工作流程略——編者注。

結(jié) 語

LED路燈無線傳感網(wǎng)絡構(gòu)建的基礎是點到點的通信技術，命令信息要覆蓋全網(wǎng)絡，需要點到點的通信技術來完成。良好的網(wǎng)絡協(xié)議是組建傳感網(wǎng)絡的關鍵所在，簡易可行的網(wǎng)絡協(xié)議是實用化的前提。實際應用表明，上述方法構(gòu)建的LED路燈無線傳感網(wǎng)絡具有良好的實時性，能穩(wěn)定、可靠地工作，能滿足對LED路燈網(wǎng)絡的智能化管理要求。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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[5]LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society.IEEE Std 802.15.4-2006[S].New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，2006.

[6]Texas Instruments.CC2530 Data Sheet[OL].[2013-10].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[7]ZigBee Alliance.ZigBee RF4CE Specification V1.0，Inc，2009.