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摘要:为解决路灯联网时采用NB-IoT方式联网成本高、采用ZigBee协议栈方式联网安装施工过程繁琐的问题,设计了一种成本低、安装简便、通信可靠的智慧路灯局域网。在通信标准IEEE802.15.4的基础上,利用ZigBee技术的点对点通信,针对路灯的使用情况设计了局域网组网协议。该局域网包含一个协调器和多达数千个网络节点。所有节点功能完全一致,可任意互换位置。试验表明,该局域网适用于智慧路灯监控系统,且通信可靠,比ZigBee协议栈的Mesh网络更易安装施工。
传统路灯系统存在控制方式单一、易造成能源浪费的缺点[1],并且依靠人工巡查的方式排除路灯故障需耗费大量人力财力[2]。
随着物联网技术的发展,智慧路灯行业逐渐兴起。基于电力载波通信技术的智慧路灯抗干扰性弱,施工难度较高[3]。基于NB-IoT的智慧路灯网络具有覆盖面广、连接区域大的优势,但芯片、模组成本相对较高[4],且需支付额外的网络流量费。基于ZigBee技术的智慧路灯网络具有低成本、低功耗和稳定性高的优点,非常适合应用于照明系统[5]。刘雪芹等设计了一种基于ZigBee自组网Mesh网络的智慧路灯系统[6],但由于Mesh网络中的路由器、节点需按照一定顺序、数量间隔安装,施工过程较为繁琐[7]。
1、需求分析
常见的智慧路灯控制系统所具备的功能如下[8~11]:1)以感光控制、分时控制、手动控制的方式调节路灯亮度;2)路灯状态(电压、电流、亮度)实时监测,故障自动报警。其中,路灯亮度调节属于群控指令,即整个网络中的路灯亮度同时调节;状态监测属于单控指令,网络中的每盏路灯状态需单独采集。因此,智慧路灯局域网需具备广播通信和定点通信功能。
2、网络设计
在ZigBee点对点通信基础上,简化ZigBee组网协议,设计了适用于智慧路灯的局域网。
2.1网络设备
所设计的智慧路灯局域网只包含协调器、节点两种设备。
协调器:作为局域网通信网关,管控整个局域网,负责将指令下发到相邻的网络节点,或从相邻网络节点接收数据。网络中只有一个协调器。
节点:负责接收数据和转发数据(将数据转发给相邻节点或协调器)。网络中包含若干节点,每个节点功能上完全相同。一盏路灯就是一个节点。
2.2网络结构
智慧路灯局域网如图1所示。
图1智慧路灯局域网结构
协调器最多连接4条网络分支。每条网络分支由若干节点逐级串联组成。图1中的A1-An、B1-Bm、C1-Cp、D1-Dq分别为4条独立的网络分支。数据依次经过每个节点传向其相邻的节点,从而实现数据在网络中的传递。例如,数据可从协调器传至节点A1,再由节点A1传递至节点A2,依次传递直到传至节点An;或者数据按照An、An-1、…、A2、A1、协调器的顺序依次传递。
该局域网结构根据道路的形状设定。常见的道路有直线路段、T型路段、十字路段。直线路段上安装路灯时,若将协调器安装在道路两端,则该局域网只需要一个网络分支;若将协调器安装在路段中间,则需要两个网络分支。T型路段安装路灯时,将协调器安装在交叉路口,局域网需三条网络分支。十字路段上安装路灯时,将协调器安装在交叉路口,局域网需四条网络分支。这种局域网结构优点是:除协调器外,所有节点功能相同,可任意互换位置,大大降低了路灯安装的复杂性。
2.3网络寻址
局域网中,每个设备具备唯一地址,地址长度为2 Bytes。其中,协调器地址为0,节点地址为1~0xFFFE。
2.3.1节点地址
每个节点中存有相邻节点地址,包括前节点、后节点地址。如图1中节点A2储存的前地址为A1、后地址为A3。若数据向后传递,A2只将数据传递给A3;若向前传递,A2只将数据传递给A1。通过这种寻址方式,将网络分支的所有节点串联在一起。
考虑到串联的节点中,若有一个节点因故障失去通信能力,则该网络分支将被故障节点一分为二,其中一部分将失去通信能力。例如,若图1中的A2节点发生故障,则协调器只能跟A1通信,而无法跟A3-An通信。
由于ZigBee无线通信距离达100 m[12]以上,路灯的安装间距通常在30 m左右。因此,为了增加网络的稳定性,每个节点同时存储其前3个和后3个节点地址。如图1中的节点A3存储的前地址为A2、A1、A0,存储的后地址为A4、A5、A6。因此,若A1节点故障,则A2节点可跳过A1将数据传给地址为0的协调器;若节点A3故障,则A2可跳过A3将数据传递给A4。使网络分支不会因某一节点故障而导致瘫痪。
2.3.2协调器
协调器存储节点连接顺序表。协调器管控整个网络,需知道每个节点在网络中的位置。因此,当网络架设完成后,将节点连接顺序表存于协调器中。协调器按照该顺序表寻址每个设备,并将每个节点相邻的前、后节点地址发送给该节点。如图1所示的协调器存储的节点连接顺序表为0、A1、A2、…、An,0、B1、B2、…、Bm,0、C1、C2、…、Cp,0、D1、D2、…、Dq。
协调器存有相邻节点地址。与节点寻址相同,协调器存储每一网络分支中与其相邻的3个节点的地址。如针对网络分支A1-An,协调器存储相邻节点A1、A2、A3地址,若节点A1故障,则协调器将数据发送给A2,从而继续向后传递。
3、通信协议
采用TI公司生产的CC2530芯片作为路灯通信芯片,以ZigBee的BasicRF[13]软件包为基础设计路灯局域网通信协议。
3.1通信帧定义
BasicRF已封装好ZigBee帧头、帧数据、帧校验等无线传输帧结构[14~15],此处所述通信帧为逻辑帧,不包含ZigBee帧头、帧校验等结构。
智慧路灯局域网的通信帧包括目标地址、数据,如图2所示。
图2指令帧结构
目标地址由2 Bytes标识,其含义如表1所示。
表1目标地址含义
目标地址为0时,表示当前通信帧是节点返回给协调器的指令处理结果;目标地址为0x1~0xFFFE时,表示当前通信帧是协调器下发给该节点的指令;目标地址为0xFFFF时,表示当前通信帧是协调器发给所有节点的指令。
数据由多个字节组成,可以是协调器发给节点的指令,也可以是节点回传给协调器的指令处理结果。
3.2传输机制
为了确保网络中数据的正常传输,需避免数据冲撞。若任意时刻,网络中只有一个节点处于发送数据的状态,则可避免数据冲撞。因此,网络中任意两节点之间的数据传输均按照图3所示过程进行。
图3节点通信图
3.2.1发送节点
发送节点发出数据后,接收节点接收成功则回复“应答R”给发送节点;发送节点收到“应答R”后认为发送成功,并发送“应答T”给接收节点,告知接收节可继续传递数据。若发送数据后,Tr时间内未接收到“应答R”,则认为发送失败,尝试再次发送,最多尝试3次。
传输过程采用双向应答的原因:若无“应答R”,则发送节点无法判断发出的数据是否被成功接收;若无“应答T”则可能发生数据冲撞,因为发送节点接收“应答R”失败时会尝试再次发送数据,而接收节点发出“应答R”后会继续向后传递数据,造成数据冲撞。
3.2.2接收节点
接收节点接收到数据帧后,立即发送“应答R”。发送完“应答R”后,若Tt时间内收到“应答T”,则认为接收成功,继续向后传递数据;若Tt时间内未收到“应答T”,则丢弃接收到的数据帧。
3.3通信过程
3.3.1协调器
协调器作为通信网关,工作在查询模式下,当接收到外部灯控指令(通常由路灯监控服务中心发出)后,将指令传递给局域网中对应的路灯节点。其主要通信流程如图4所示。
图4协调器通信流程图
单控指令为某路灯节点状态(如电压、电流、亮度等)查询指令、或单灯调光指令。协调器处理单控指令的过程如下:
1)根据网络节点连接表查询待控节点所在的网络分支序号;
2)将指令发送给该网络分支中与协调器相邻的节点;
3)协调器启动超时计时器,若该时间内接收到节点回传数据,则指令传送成功,若该时间内未收到节点回传数据,则传输失败,并尝试再次发送,最多尝试3次。
群控指令为整个路灯网络的调光指令。协调器处理群控指令的过程如下:
1)将指令发送给第一条网络分支中与协调器相邻的节点;
2)启动超时计时器,若该时间内接收到节点回传数据,则指令传送成功,若该时间内未收到节点回传数据,则传输失败,并尝试再次发送,最多尝试3次;
3)将该指令发送给第二条网络分支中与协调器相邻的节点;
4)重复第2)、1)步,直到将指令发送给所有的网络分支。
3.3.2节点通信
网络中所有节点全部相同,具备相同的通信过程。节点工作在查询模式下,成功接收数据后对数据进行处理,然后再次进入接收模式。节点通信流程如图5所示。
图5节点通信流程图
成功接收到数据后,根据通信帧中目标地址判断通信类型:
1)若目标地址为0,则该通信帧为其他节点回传给协调器的数据,直接将该通信帧回传至迁移节点即可;
2)若目标地址为本节点地址,则该通信帧为下发给节点的指令,执行该指令后,将结果回传给迁移节点;
3)若目标地址是0xFFFF,则该通信帧为广播指令,若节点为网络分支端点,则执行指令后回传结果,否则将指令向后传递给下一个节点,再执行该指令。
4、网络测试
基于CC2530芯片设计了智慧路灯控制器,用作网络节点。采用IAR Embedded Workbench软件编写节点通信程序。以STM32F103C8T6为主控芯片、CC2530为ZigBee通信芯片设计了智慧路灯局域网网关[16]。通过Keil软件编写协调器通信程序。
在阿里云服务平台搭建了智慧路灯监控服务网站,使用200个路灯控制器、一个路灯局域网网关进行测试。经测试,所设计的智慧路灯局域网通信稳定可靠,满足路灯使用需求。
5、结束语
在ZigBee的点对点通信的基础上,简化ZigBee组网协议,并针对路灯的安装方式对组网协议进行优化,设计了适用于路灯控制系统的局域网。所设计的局域网具备以下优点:1)通信稳定可靠;2)网络设备种类少,易于安装施工;3)设备成本低。
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文章来源:陈晓丹.基于ZigBee点对点通信的智慧路灯局域网设计[J].电子设计工程,2024,32(16):78-81+86.
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