基于WSN的智能可寻址LED路灯控制系统

廖惜春，杨志高，任敬哲，李阳

（1．五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020；2．五邑大学 应用物理与材料学院，广东 江门 529020）

基于WSN的智能可寻址LED路灯控制系统

廖惜春1，杨志高1，任敬哲1，李阳2

（1．五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020；2．五邑大学 应用物理与材料学院，广东 江门 529020）

通过在LED灯具中加入控制芯片，以传感器采集环境信息，利用脉宽调制技术，实现对LED灯阵无级调光；采用无线传感器网络对路灯节点进行分簇控制和管理，将路灯节点编号，实现路灯节点无线通信、损坏路灯准确定位、路灯信息查询控制等功能. 改进后的智能可寻址LED路灯控制系统，为数字化城市管理提供支持.

路灯控制；无线传感器网络；分簇路由协议；可寻址技术；脉宽调制

随着我国社会、经济和城市现代化的迅速发展，人们对路灯照明质量的要求不断提高，同时为了响应我国建设节约型社会、智慧数字化城市、走可持续发展道路的目标，LED路灯照明和管理的升级已迫在眉睫.

LED路灯主要通过AC-DC稳压电源给LED路灯供电，由路灯管理中心实施统一和定时开关等控制. 但这种控制方式无法根据环境实现路灯的亮暗操作，比如阴雨天需要提前开灯，而后半夜常采用全开或者全关的状态，容易造成能源的浪费或者潜在交通事故等问题. 另外传统LED路灯功率较大且无法实现亮度调节，导致LED灯具光衰加快，使用寿命降低等问题. 此外，路灯分布范围广，自然损坏及人为破坏的情况屡见不鲜，常常给路灯的巡查、维护工作带来极大不便. 目前路灯故障检修的工作主要采取人员上路巡查的方法，不仅浪费人力财力物力，且反应迟缓，很难满足“无坏灯”的要求[1]. 随着无线通信技术、射频技术的不断成熟，以及城市智能化的普及，老式LED路灯控制方式即将淘汰，更节能更智慧的路灯控制系统应运而生.

1 系统总体描述

本文所述的路灯智能控制系统，可分为路灯智能控制中心以及无线传感网络（Wireless Sensor Network，WSN）[2]，如图1所示. 路灯智能控制中心由服务器、显示屏等组成. 而WSN是由汇聚节点(Sink)、簇头节点、普通节点等组成，每个节点都嵌在一盏路灯上. 其中，普通节点可无线接收来自Sink节点或簇头节点发出的控制或查询指令，实现控制中心对路灯的无线控制. 同时各节点可采集路灯工作状态或者电路工作状态并封装为消息，无线发送回控制中心[3].

图1 智能路灯控制系统架构

智能LED灯具的主要功能：

1）采用WSN中的分层路由算法，实现对路灯的分组管理，同时每盏路灯节点都有唯一的ID号，可以在故障检测时通过ID号实现路灯节点的定位功能；

2）利用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术和LED灯的特性，通过改变控制芯片IO口输出的高低电平比例来调节控制灯具的平均电流，降低LED灯具的功耗，延长LED灯具的使用寿命；

3）灯具中安装光敏电阻器，可采集灯具内环境照度值. 根据灯具内环境的亮度，判断灯具是否损坏，并将信息发回控制中心；

4）在自动控制模式中，灯具可通过光敏电阻器获取灯具外环境的照度值，实现自动开关、调节亮度等功能；在人工控制模式中，灯具根据接收的PC指令进行状态调控；

5）利用CC2530（16位微处理器，可运行基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，即ZigBee协议）的无线通信功能，实现对路灯的智能管理和信息传递. 可将灯具的工作状态、电路状态、故障问题等无线传输给Sink节点. 同时，在手动控制和查询模式中接收来自Sink节点的指令.

在智能控制系统中，每个路灯上安置一个传感器控制节点，采集所需参数，通过无线的方式将信息传播出去，路灯的传感器节点可以自组织成如图1所示的网络而在互相之间传播信息. 路灯上的节点通常组成若干个子网络(称之簇)，每个簇会选择一个簇头节点. 簇头收集簇内节点采集到的路灯信息，通过无线多跳方式传递Sink节点. 同时，节点可将收集到的控制信息解析，用于控制路灯状态.

2 系统硬件设计

2.1 网关硬件设计

网关主要由ZigBee模块（Sink）、ARM处理器、WiFi模块以及以太网接口组成，如图2所示. ZigBee无线模块可将簇头节点收集到的各路灯电路运行状态参数以及报警等信息融合，传输给ARM处理器. 经ARM处理后，可通过Internet网络或者WiFi模块将数据信息传输给控制中心. 路灯管理人员在控制中心可查看各路灯和其电路的运行状态参数以及报警信息，也可通过控制中心查询路灯或电路运行的具体参数以及工作日志.

ARM处理器通过两种方式与路灯控制人员通信. 其一是通过以太网将信息远程传送至控制中心；其二是采用WiFi或者3G通信网络的无线形式，路灯控制人员可使用手机终端对远程路灯网络进行可视化处理.

图2 网关硬件电路结构

2.2 普通节点硬件设计

路灯控制节点主要由4个模块组成：数据采集模块、灯具控制模块、电源模块和CC2530微控制器[4]. CC2530含有无线收发模块，如图3所示.

数据采集模块主要采集灯具内环境温度、灯具内外环境亮度、实时时钟、人体红外检测.传感器节点使用DS18B20温度传感器采集灯具内环境的温度，实现了高温报警、高温休眠或灭灯以及部分LED灯休眠的功能. 通过灯具内、外两个光敏传感器（LXD/GB3- A1D），分别采集灯具内、外环境照度，判断LED灯阵是否损坏和控制灯具的工作状态. 实时时钟提供的时间信息可随节点的各类信息（报警信息、休眠信息、灯具损坏信息）以及灯具的ID号等发回Sink节点. 人体红外功能可检测是否有人靠近灯具，从而发出报警信息，使管理中心及时作出应对措施.

灯具控制模块通过PWM和控制亮灯数目调节灯具的照度值，从而达到降低功耗的目的. 灯具由LED灯阵组成，与传统的高温钠灯、高低频无极灯、荧光灯不同，整个灯阵的亮度可以通过控制输入矩形脉冲中的占空比，即PWM方式来控制灯具在0%～100%亮度之间进行快速无级切换，并且可控制灯阵中的部分路灯的开关.

图3 路灯节点模块设计图

通过修改z-stack无线通信协议，以改变其组网以及收发信息方式. LED路灯网络采用分簇路由协议，对路灯进行分簇管理，灯具中的传感器节点采集到的信息可无线发送给簇头节点，簇头节点将信息融合后传送给Sink节点.

电源管理模块主要实现将220V交流电源转化为灯具驱动的电源、CC2530的供电电源以及实现为备用电源充电的功能. 另外，在灯具和CC2530供电电路中间添加滤波电路，防止路灯的开关瞬间造成的电流波动影响CC2530供电.

3 系统软件设计

3.1 控制中心软件设计

控制中心框图如图4所示. 将系统主要分为节点控制模块和节点检测模块. 节点管理模块主要实现控制人员对路灯自组织网路中的簇成员节点进行修改、删除等操作. 查询管理主要是对路灯以及电路运行信息、路灯组网信息以及系统运行状态进行相应的查询.

节点控制模块分为自动控制和手动控制，这是路灯控制中的重要环节. 在一般情况下，节点根据路面状况进行相应的自动控制，如路灯亮度调节和路灯报警（路灯防盗报警与灯具损坏报警）等.在特殊情况下，可以通过路灯控制中心对路灯网络中的设备进行修改以及开关控制. 如节日晚上需要通宵开灯等操作.

节点检测模块用于远程检测路灯以及电路工作状态，主要分为自动检测和实时监测两个子模块.在自动检测模块中，路灯上的节点可实现对路灯工作状态以及线路运行状态的定时检测，并将此信息无线发回控制中心. 在实时监测子模块中，路灯管理人员可通过控制中心对路灯的各种状态和记录进行实时查询[5].

图4 控制中心功能框图

3.2 路灯节点软件设计

路灯节点模块中，接收控制指令主要包含控制路灯指令以及检测路灯状态指令. 当节点接收到数据包后，先解析数据包指令的类型，后调用相应的指令执行函数命令，如图5所示. 系统可实现对所有路灯统一控制，或对部分路灯进行单一控制. 在数据中声明指令针对的内容，便可相应的控制和查询. 节点自身的配置文件主要包括节点ID号、父节点ID、目的节点ID、IEEE地址、网络地址等. 这些配置文件在路灯查询和控制中起到至关重要的作用.

4 系统组网方案

WSN是物联网应用系统中的关键技术之一. 它由部署在监测区域内大量的传感器节点组成，所有节点采用能量同构具有一定计算能力的模块组成，采集环境中的数据，并通过无线的方式将信息传播给Sink节点. 本文采用LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法的分簇思想，将每条街道接近Sink节点或协调器的路灯选为簇头，如果街道较长，可间隔一段距离再设置一个簇头. 簇内成员可采集路灯各项参数，将数据通过单跳或多跳模式发送给簇头节点，簇头节点将收集到的信息融合后传输给Sink节点或者协调器，这样可节省冗余数据在传送中消耗的能量. 同时，Sink节点或协调器可将控制中心的指令传给对应街道的簇头，簇头再将控制指令无线发送给簇内成员，解析指令并执行相应的命令.

图5 路灯节点处理指令

5 系统功能测试

5.1 通信指令设置

实验系统配置了2个协调器节点和6个路由器节点，将这8个节点分成两组，每组由1个协调器节点和3个路由器节点组成，将节点间的距离设置为实际路灯的距离. 为了避免两组路灯相互干扰，将两组路灯的信道设置为不同的值，本系统设置如下：-DDEFAULT_CHANLIST= 0x02000000//25-0x19（组1采用25号信道）；-DDEFAULT_CHANLIST=0x00000800// 11 - 0x0B（组2采用11号信道，默认信道）. 测试指令如表1所示：

表1中的wuyi001代表节点ID号，本文采用由近到远的顺序设置路由节点编号，设置路由节点1、2、3的编号分别为wuyi001、wuyi002、wuyi003.

表1 路灯系统测试指令集

5.2 测试结果

对表2中节点ID号为wuyi002的节点LED灯阵进行遮光处理，故回复状态为State：wuyi002 LED broke！；指令wuyiallupdatatime-xx-xx-xx作用是让所有的路灯节点更新时间为xx年xx月xx日；节点收到wuyi001 MonitorLedOFF指令后，节点处于手动控制状态，故所有节点全部关灯；当节点收到指令wuyi001 LedOn-X时，节点退出手动控制模式，先执行指令中的开关灯指令，5 min后进入自动控制模式. 控制中心发送指令wuyiall GetState时，节点将节点当前状态回复给控制中心，节点wuyi001回复指令解析ID001-N08-P52-T23-V3.1如下：ID001表示节点ID号是001（即wuyi001），N08表示开灯状态为8路全开（硬件将LED灯阵分成8路），P52表示节点根据光敏电阻获取的光照值设置PWM的占空比为52%，T23表示节点中LED灯具内环境温度为23℃，V3.1表示节点自身电压值为3.1V（本系统为测试版，灯具采用电池供电，各个节点的电压值不同，但不会影响LED灯阵工作）.

表2 节点功能测试

表3中，P13-P20-P45-P75-P89-P98表示18：00-23：00每隔1h获取的环境亮度，而设置的PWM占空比为分别为13%、20%、45%、75%、89%、98%. 其余的表格中的数据格式相同；24：00-04：00时间段为每隔30min获取一次环境流明值，生成的PWM占空比；05：00-6：00时间段每隔1h生成一个PWM占空比控制灯阵亮度. 本系统中设置7：00关灯.

6 结束语

随着无线通信技术、射频技术、微型传感技术的进步和发展，无线传感节点将更加集成化、微型化，成本也随之降低，路灯控制系统的功能也将会越来越完善、越来越人性化. 本文基于WSN技术的智能路灯可寻址控制系统，由控制中心、网关、Sink节点、多个簇头节点（路由）以及无数个路灯节点组成. 各个部分通过无线或者有线的方式实现信息交互控制与显示，实现远程路灯监控.该系统基于 ZigBee无线通信技术以及分簇路由协议，实现了路灯控制系统的网络化管理以及实时监控. 测试后，灯具没有过热现象，原因是灯具驱动采用了PWM方式，降低了灯具能耗，实现了LED灯具节能的目的，延长了使用寿命，减低了维修工作量. 但在组网时，系统有少许的延时，这是下一步需要改进的地方.

[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.

[2] 黎洪生，李苏敏，胡冰，等. 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.

[3] 黄沈磊. 基于ZigBee的自组网无线路灯控制系统研究与设计[D]. 苏州：苏州大学：2010.

[4] 郭琼，蔡亚辉，姚晓宁. 基于ZigBee的路灯控制系统设计[J]. 照明工程学报，2012, 23(2)： 68-90.

[5] 浦敏，李云飞，王宜怀. 基于物联网的无线照明控制系统[J]. 照明工程学报，2010, 21(2)： 86-89.

[责任编辑：韦 韬]

An Intelligent Addressable LED Street Lamp Control System Based on WSN

LIAO Xi-chun1, YANG Zhi-gao1, REN Jing-zhe1, Li Yang2
(1. School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China; 2. School of Applied Physics and Materials, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

An intelligent addressable LED street lamp control system is designed by adding control chips to LED lamps to collect environmental information with sensors, using the PWM technology to realize stepless adjustment of brightness of LED lamps, adopting WSN technology to conduct clustering control and management of nodes of street lamps, by numbering nodes of lamps to realize wireless communication and accurate location of damaged lamps, and by improving street lamp information retrieval and control. The improved intelligent addressable LED street lamp control system can provide the support for the digital management of cities.

street lamp control; wireless sensor networks; routing protocol; addressable technology; PWM

TP393

A

1006-7302（2014）01-0021-07

2013-09-26

江门市科技计划资助项目（20110100100808）；广东省科技计划资助项目（2009B010800012）

廖惜春（1954—），男，江西樟树人，教授，硕士生导师，研究方向为无线通信网络理论与技术、无线传感器网络及其应用.