基于ZigBee與移動4G的風光互補路燈監(jiān)控系統(tǒng)

謝磊　鄒鵬舉

【摘 要】本文介紹了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡通信協(xié)議與移動4G無線網(wǎng)關(guān)的風光互補路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)，每盞路燈對應一個監(jiān)控節(jié)點，用于采集風光互補路燈各部分的運行參數(shù)及控制其運行狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)搭配4G移動通信模塊與ZigBee射頻模塊，實現(xiàn)底層節(jié)點與上位機的通信。采用二叉樹形式的網(wǎng)狀網(wǎng)，每個父節(jié)點都有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，解決了ZigBee通信距離短、路燈監(jiān)控節(jié)點分布散矛盾，實現(xiàn)低成本、遠距離、高效率監(jiān)控風光互補路燈的目的。

【關(guān)鍵詞】ZigBee；4G；無線網(wǎng)關(guān)；二叉樹

【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的基礎(chǔ)設施，它點亮了漆黑的夜間道路，保證了行人的安全。但路燈耗電大、長距離的輸電線路建設成本高，這導致了我國許多市郊特別是偏遠地區(qū)的公路和高速公路沒有安裝路燈。

風光互補路燈利用太陽能與風能天然的互補性，不間斷地發(fā)電并存儲在蓄電池中，供路燈使用。一次安裝永久使用，無需外界供電，免去了傳統(tǒng)路燈的布線成本和使用過程中的電能消耗。風光互補控制器實現(xiàn)了太陽能電池板與風機發(fā)電的最大功率追蹤、發(fā)電過多卸荷、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)無風的陰天蓄電池的電量入不敷出，正常的路燈開啟可能導致蓄電池的極大損壞。且風光互補路燈的各組成部分可能出現(xiàn)隨機的故障，必須對路燈運行過程中的各部分參數(shù)監(jiān)管，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題[1]。

無線傳感網(wǎng)是多個傳感器節(jié)點組成的一種網(wǎng)絡，用于采集和處理該網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的感知對象的信息，并上傳給觀察者，觀察者再根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)做出相應的策略。每盞路燈配置一個節(jié)點，用于采集風機、太陽能電池板、蓄電池的電壓電流、當前光照強度等參數(shù)，并可上位機控制路燈的開關(guān)、蓄電池的充放電。

節(jié)點間通過ZigBee協(xié)議棧組成網(wǎng)狀網(wǎng)，并通過移動4G無線網(wǎng)關(guān)與上位機建立通信。監(jiān)控中心采取有效地監(jiān)管機制，如惡劣天氣時單號天時只開單號路燈、縮短照明時間、調(diào)整路燈亮度燈方式，能保證風光互補路燈連續(xù)穩(wěn)定的運行。

1 系統(tǒng)總體設計方案

ZigBee與移動4G的風光互補路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要由風光互補路燈、ZigBee無線監(jiān)控節(jié)點、4G網(wǎng)關(guān)和遠程終端等組成。監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

每盞路燈配置一個監(jiān)控節(jié)點，由N盞路燈監(jiān)控節(jié)點組成ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡。本網(wǎng)絡采用二叉樹形式的網(wǎng)狀網(wǎng)，編號為單號的節(jié)點均為父節(jié)并具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。其中，1號節(jié)點為最上層節(jié)點，直接與網(wǎng)關(guān)通信，并負責與2、3號節(jié)點通信，為其父節(jié)點；同時，3號節(jié)點為4、5號節(jié)點的父節(jié)點。5號節(jié)點為6、7號節(jié)點的父節(jié)點……。當n+1個節(jié)點需要上傳數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點，編號為n，n號節(jié)點再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其父節(jié)點n-1。層層上傳，數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)，并通過4G基站到達遠程監(jiān)控終端。同理，監(jiān)控終端下發(fā)的控制命令由1號節(jié)點，層層往下轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達目的節(jié)點。

網(wǎng)關(guān)是ZigBee傳感網(wǎng)與Internet連接的橋梁。外置：ZigBee無線通信節(jié)點，與底層無線監(jiān)控網(wǎng)絡通信；移動4G通信模塊，以4G基站為樞紐接入Internet，從而實現(xiàn)與遠程監(jiān)控主機的通信。

系統(tǒng)以1號節(jié)點為ZigBee網(wǎng)絡匯聚節(jié)點，組成二叉樹形式的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)通過父節(jié)點層層轉(zhuǎn)發(fā)，僅用一臺網(wǎng)關(guān)便能實現(xiàn)幾公里甚至幾十公里范圍內(nèi)的風光互補路燈的監(jiān)控。

2 硬件設計

2.1 監(jiān)控節(jié)點硬件設計

風光互補路燈無線監(jiān)控節(jié)點需采集路燈的各部分工作參數(shù)，包括太陽能電池板、風力發(fā)電機、蓄電池電流電壓、光照強度等，并可控制路燈的開關(guān)。所有的參數(shù)信息和控制信息均通過一個CC2530射頻芯片無線發(fā)送和接收。節(jié)點的硬件設計框架如圖2所示。

監(jiān)控節(jié)點以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器和硬件接口電路、3個PWM通道、6路10位A/D轉(zhuǎn)換、2個8位定時器和1個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)點采集光照強度供參考，決策路燈開關(guān)。當蓄電池電壓過低時，將決策禁止開啟路燈，直至蓄電量恢復。其他參數(shù)異常如太陽能電池板輸出電壓時，則可直接指導維修人員定點定部位地檢修，方便快捷效率高。

2.2 4G網(wǎng)關(guān)硬件設計

網(wǎng)關(guān)起著橋接的功能，連接ZigBee網(wǎng)絡與因特網(wǎng)，負責轉(zhuǎn)發(fā)兩異構(gòu)網(wǎng)間的數(shù)據(jù)。通過一個ZigBee無線通信模塊與底層無線傳感網(wǎng)通信，一個移動4G模塊通過4G基站間接與遠程監(jiān)控主機通信。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，外圍擴展RAM、FLASH、復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，也通過串口連接處理器。S3C6410是一個16/32位RISC微處理器，負責轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和驅(qū)動4G模塊。CC2530是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，有高達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標準的方案，是本設計方案的首選。方格SLM630B是一款LTE“七模十八頻”無線通信模塊，采用通用工業(yè)標準接口，支持語音、短信、數(shù)據(jù)及GPS定位，支持電信、移動、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)境下的不同運營商。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee無線節(jié)點軟件設計

本系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡設計為二叉樹形網(wǎng)狀網(wǎng)，編號為單的節(jié)點均為父節(jié)點（尾節(jié)點除外），均具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。當上位機下發(fā)控制命令時，先由1號匯聚節(jié)點接收，判斷目的節(jié)點是否為己，若是則不再往下轉(zhuǎn)發(fā)；若不是，則轉(zhuǎn)發(fā)給其兩個子節(jié)點。編號為單的子節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，判斷目的節(jié)點是否為它那一層的節(jié)點，是則不再轉(zhuǎn)發(fā)，不是則繼續(xù)往下轉(zhuǎn)發(fā)。同理，節(jié)點上傳數(shù)據(jù)時，都將數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)發(fā)至其上一層的父節(jié)點，再由其父節(jié)點經(jīng)過層層轉(zhuǎn)發(fā)，最終送至協(xié)調(diào)器。數(shù)據(jù)上行過程較為簡單不再闡述，下行過程見圖4。

雙號節(jié)點不具數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，當收到控制命令時，判斷是否自己為目的節(jié)點，是則接收、解析并執(zhí)行控制命令，不是則丟棄。并由其同層的單號節(jié)點通過判斷目的節(jié)點是否在本層決定數(shù)據(jù)是否繼續(xù)往下轉(zhuǎn)發(fā)。通過這種的二叉樹組網(wǎng)方式，每個節(jié)點均只與相鄰層節(jié)點通信，成功地解決了ZigBee通信距離短，而路燈間距遠的矛盾。實現(xiàn)了低成本、遠距離、高效率監(jiān)控風光互補路燈的目的。

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件設計

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

4 結(jié)語

本文結(jié)合目前最流行的ZigBee傳感網(wǎng)無線通信技術(shù)和較前沿的移動4G通信技術(shù)，提出了基于二者的風光互補路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需外界供電，獨立運行。除路燈自身器件損耗外，系統(tǒng)運行的唯一資費為4G模塊的流量費。本方案效率高，成本低，對于未來風光互補路燈的發(fā)展及其監(jiān)控方式提供了一種良好的設計參考方案。

【參考文獻】

[1]林閩，張艷紅，修強，等.風光互補路燈控制系統(tǒng)的設計[J].可再生能源，2011（6）：146-149.

[2]賀政，趙小龍.基于Linux系統(tǒng)的4G-WSN無線網(wǎng)關(guān)的設計[J].科技視界，2015（12）：5-6.

[3]王志超，劉波，花於峰.基于移動4G與ZigBee無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設計[J].計算機測量與控制，2014，22（3）：863-878.

[責任編輯：湯靜]