LED路燈無線傳感網絡的智能監控設計※＊

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照明技術代替傳統的照明技術[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[2]。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[3，4]，其體系結構應該包含4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[5]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。

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[6]；每一個節點具有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[7]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。其中圖（a）是信號逐點（單跳）接力傳送拓撲結構圖，圖（b）是信號隔點（雙跳）接力傳送拓撲結構圖。為便于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a1a2…an，b1b2…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，離控制器近的是前驅節點。離控制器遠的是后繼節點。例如，a1是a2的前驅節點，a3是a2的后繼節點；同理b2是b4的前驅節點，b6是b4的后繼節點。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，只要無線信號能覆蓋到，就都可以相互通信，不需要設基站或專門的路由協調裝置。

⑤每個節點的32 bit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16 bit。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，如圖3所示。

圖3 網絡協議包格式

（1）命令包

圖3（a），為控制器節點對LED路燈節點下發的命令包格式。命令有3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：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：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。

（2）參數包

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

包類型：為2。

源地址：為上傳參數LED節點的地址。

包序列號：為上傳參數LED節點發出的參數包編號。

接力模式：為由于只有在節點收到讀取狀態參數命令后才會發送參數包，因此，參數包的接力模式由命令包的接力模式確定。

狀態標志：為0，表示對應LED節點無故障；為1，表示對應節點有故障；為2，表示對應節點及后繼節點有故障。

狀態參數1～3：LED節點的有關參數，如電流值、電壓值以及LED的發光亮度值等。

（3）應答確認包

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

包類型：為3。

節點地址：為發出確認應答包節點的地址。

確認類型：為收到信息包的包類型。

確認號：為節點收到信息包的包序列號。

2.2 網絡路由協議

LED路燈傳感網絡路由協議的核心是各節點對信息包的轉發機制。由于每一個節點的信號覆蓋范圍有限，其信息只能向鄰近的節點發送，如要將信息送往遠處節點，則只能依賴中間節點的多次轉發。根據1.2節定義的條件，節點轉發信息包可以分為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節點將根據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構圖。它是一個比較簡單的轉發模式，要求每個節點無線信號覆蓋的半徑范圍大于節點間距L，信息包只需往鄰近的前驅節點或后繼節點轉發。在這種模式下，節點處理收到信息包的方法如下：

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

②如圖3（b）所示，節點接收到參數包后，只需向后繼節點發送接收確認包并向前驅節點轉發。轉發參數包的路由地址為NA-1。

③如圖3（c）所示，節點收到命令包或參數包后，必須發送接收確認包。當收到命令包時，確認類型值為1，發送應答確認包的路由地址為NA-1；當收到參數包時，確認類型值為2，發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構圖。這種模式要求每一個節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點，傳送信息包到指定節點的轉發次數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，將整個網絡所有LED節點按照其地址值的奇偶性分成2個接力鏈，即奇地址節點鏈和偶地址節點鏈。控制節點發送廣播命令時，需要針對奇地址節點鏈和偶地址節點鏈分別發送，命令信息包分別在奇地址節點鏈和偶地址節點鏈上同時傳播。在雙跳接力模式下，節點處理收到信息包的方法如下：

①節點接收到命令包后的處理方法與單跳接力模式基本相同，但包轉發時的路由地址變為NA＋2。

②同樣，節點接收到數據包后的處理方法也與單跳接力模式基本相同，只是在包轉發時的路由地址變為NA-2。

③節點收到命令包或參數包后，必須發送接收確認包。當收到命令包時，確認類型值為1，發送應答確認包的路由地址為NA-2；當收到參數包時，確認類型值為2，發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，節點發送命令信息包或參數信息包后，若在規定的時間內未收到確認信息包，則需要重發。重發次數一般不超過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，主要用于下一跳節點出現通信故障時。在單跳接力模式或雙跳接力模式工作時，如果在多次重發后仍收不到下一跳節點的應答確認信息包，說明下一跳節點出現了通信故障。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點，繼續信息包的接力傳送；同時，將故障節點的相關信息反饋到控制節點。變跳接力模式要求每一個節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節點i的地址為NAi，當LED節點i以單跳模式轉發命令包（或參數包）時，即使重發，仍然收不到LED節點i＋1（或i-1）的確認包，于是斷定下一跳節點出現故障。這時如果傳送的是命令包，則從①開始執行；如果傳送的是參數包，則執行②。因為故障節點在傳命令包時已遇上，所以傳送參數包時遇故障節點無須重復報告故障信息。

①LED節點i向控制節點報告故障節點信息。此時，節點i向控制節點發送參數包，包的狀態參數置為1，源地址為故障節點的地址，即NAi＋1，發送參數包的路由地址為NAi-1。

②改變接力模式為雙跳模式，將信息包轉發給節點i＋2（或i-2），以繞開故障節點，路由地址為NAi＋2（或NAi-2）。若能收到應答確認包，則本節點轉發完成；否則，說明遇上了兩個或兩個以上的連續故障節點，需繼續執行③。

③如果此時傳送的是命令包，則LED節點i需向控制節點報告故障節點狀態信息。狀態參數包的狀態標志置為2，源地址為故障節點的地址，即NAi＋2，發送參數包的路由地址為NAi-1。隨后，轉發中止。

（2）初始傳送為雙跳接力模式

當LED節點i（地址為NAi）欲以雙跳接力模式轉發命令包（或參數包）時，必須對包進行分析。根據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，跳變模式為奇鏈，或者NAi的值為偶數，跳變模式為偶鏈時，執行如下步驟①；當NAi的值為奇數，跳變模式為偶鏈，或者NAi的值為偶數，跳變模式為奇鏈時，執行如下步驟②。

①節點i以雙跳接力模式轉發命令包（或參數包），路由地址為NAi＋2（或NAi-2），如果收不到應答確認，則下一跳節點出現故障。如果這時轉發的是命令包，則需向控制節點報告故障，往其前驅節點i-2發送故障信息參數包，路由地址為NAi-2，故障信息參數包的源地址（即故障節點的地址）為NAi＋2，狀態標志為1。同時，改用單跳接力模式將信息包轉發給節點i＋1（或i-1），以繞開故障節點，轉發的路由地址為NAi＋1（或NAi-1）；若能收到確認包，則本節點轉發完成，否則執行③。

②節點i改為單跳接力模式轉發命令包（或參數包），路由地址為NAi＋1（或NAi-1）。若能收到確認包，則本節點轉發完成；否則，再改用雙跳接力模式轉發，將信息包轉發給節點i＋2（或i-2），以繞開故障節點，轉發的路由地址為NAi＋2（或NAi-2）；若能收到確認包，則本節點轉發完成，否則執行③。

③說明遇上了兩個或兩個以上連續故障節點，LED節點i需向控制節點報告故障節點信息。此時，節點i向控制節點發送故障參數包的狀態標志為2，源地址為故障節點的地址，即NAi＋1，發送參數包，路由地址為NAi-1。隨后轉發中止。

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

3 網絡節點工作流程與協議實現

LED路燈傳感網絡上的每一個節點，既是命令執行與狀態參數采集的終端節點，也是路由協調工作節點。各節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聽查詢狀態，檢查是否收到信息包。LED路燈傳感網絡節點的工作流程略——編者注。

結 語

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

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

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[4]Liu Qiang，Huang Xiaohong，Leng Supeng，et al.Deployment strategy of wireless sensor networks for Internet of Things[J].China Communications，2011，8（8）：111-120.

[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.