基于長鏈狀傳感網的智慧路燈控制系統

資雙飛，林煒嵐

(1.廣州中國科學院沈陽自動化研究所分所，廣東 廣州 511458；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016)

引言

近年來，路燈控制由傳統的通電開關控制方式，逐漸演變成使用通信系統進行智能控制的方式。通過使用智能控制，可以有效地降低路燈的能耗，及時發現系統故障，實現快速維護。

目前我國的智慧路燈照明控制系統，主要有兩種控制方式：一種是電力線載波通信(PLC)方式；另一種是ZigBee無線通信方式。電力線載波通信是使用電力線作為載波信號的傳輸媒介，具有節省通信線路的優點[1-4]。但是，在低壓電壓載波通信中，電力載波控制易受電力線強磁場干擾，導致信號衰減強、實時響應慢[5]。再者，電力線載波通信對于無電力線的新能源路燈，如太陽能路燈、風能路燈等無法執行監控。ZigBee是一種新興的無線短距離通信技術，具有自配置、自愈合、抗干擾的優點，同時具有很強的系統可靠性和網絡健壯性。然而，由于路燈照明系統應用規模大的特性，使ZigBee通信方式容易導致網絡開銷大[6-8]，出現網絡堵塞，從而影響路燈照明系統的實時響應性和可靠性。

從實際應用環境上講，路燈處于一個大規模帶狀區域，一般的網絡拓撲結構難以勝任，應當使用一種符合該特征的拓撲結構進行通信，長鏈狀無線傳感器網絡最為適合。

目前，國內外對于帶狀網絡協議的研究比較多，主要是采用聚簇的路由協議方式，研究帶狀網絡的能耗問題[9-12]。但是，在路燈照明控制系統中，一般節點的數量比較多，同時各路燈節點中的基本信息量也比較大，所以聚簇路由協議中關于數據融合的方法[13]，在路燈照明控制系統中已起不到明顯的作用。同時，相對于路燈燈泡的功率，無線模塊的能耗也已不是主要問題，而整個網絡的可靠性、實時性和健壯性成了目前路燈照明控制系統的主要研究內容。

本文提出了一種基于長鏈狀傳感網的智慧路燈系統。在本系統中，采用了自適應可變路由半徑動態路由方式，解決了室外環境對無線傳感網絡的通信干擾，并增強了系統的健壯性；同時，針對網絡中的隱藏終端問題，本系統采用了時間同步的解決方案。在此基礎上，對本路燈照明控制系統進行了室外100個節點(1.5km道路)測試，其所有節點的回復應答時間在70s內完成；同時所有節點控制的正確率在99%以上。

1 系統模型

1.1 業務模型

智慧路燈控制系統，主要是對路燈進行合理的開關控制，及路燈基本信息的采集；同時還必須具備路燈故障檢測的功能。

由于業務需求，本文設計的智慧路燈控制系統不僅具有開關控制功能和故障報警功能，而且還具有亮度調節和用電查詢等功能，同時還必須在以下通信模式下執行這些功能。

1)廣播模式。在路燈控制系統中，通過監控中心可以廣播控制整個路燈系統中所有路燈節點的開關狀態、亮度調節、電表查詢等。

2)組播模式。在路燈控制系統中，可以將整個路燈系統中所有的路燈節點進行分組控制，并通過監控中心對路燈系統中某同一組路燈節點進行控制。

3)點播模式。可以對路燈系統中的某一路燈節點進行單獨控制。

4)報警模式。在路燈控制系統中，如果某個路燈節點出現了欠載(如燈泡壞了)、過載(電壓或電流過高)或別的故障時，故障節點將會主動向監控中心發送故障信息，并在監控中心的界面上顯示相應的報警。

本路燈控制系統在滿足以上業務模型的基本上，同時還要求滿足高穩定性、高可靠性、強健壯性及快速響應性。

1.2 網絡模型

為了實現以上的業務模型，本文采用長鏈狀傳感網擬解決集中控制器與各路燈節點之間的通信問題。為方便分析長鏈狀傳感網在路燈照明系統上的應用，本文以道路旁的路燈實例為模型，建立一個長鏈狀網絡，其網絡模型如圖1所示。

模型中包括兩種節點類型，分別為數據匯聚節點和傳感器節點。它們是一對多的關系，其中，傳感器節點的數目范圍是[1，+∞)；匯聚點處于長鏈狀網絡的一端，所有的無線傳感器節點安裝在路燈上，全部部署在一個L×D(其中，L≥D)的長方形區域內，并呈長鏈狀向另一端延伸；其中每個無線傳感器節點具有相同的計算和通信能力，且具有全網唯一的UID；匯聚點的計算能力不做限制。所有節點的通信都在同一信道中，匯聚點可以通過廣播、組播或點播的形式向無線傳感器節點傳輸數據。

圖1 帶狀網絡模型Fig.1 Long chain network model

2 系統方案

本方案采用無線傳感網絡技術與GPRS通訊技術相結合的方式，實現路燈系統的遠程監控。總系統架構主要由監控中心、集中控制器和無線路燈節點控制器三部分組成，如圖2所示。

圖2 路燈控制系統架構圖Fig.2 Street light control system structure chart

集中控制器與多個無線路燈節點控制器按照長鏈狀網絡協議，實現相互之間的穩定通信；再由集中控制器通過GPRS網絡與監控中心進行信息交流，就這樣，路燈控制系統的雙向通信鏈路就此形成。監控中心可以發送控制或查詢指令至長鏈狀無線傳感器網絡，對單個或整條路燈進行控制和查詢，同時路燈節點的故障信息也會通過長鏈狀無線傳感器網絡傳輸至監控中心。

3 路燈控制器設計

路燈控制器包括路燈集中控制器和無線路燈節點控制器。無線路燈節點控制器作為無線傳感網的一個單元，多個無線路燈節點控制器與路燈集中控制器相互協調工作，構成長鏈狀無線傳感網。

路燈集中控制器主要是實現無線傳感網與GPRS間數據交換；而無線路燈節點控制器不僅要控制路燈，還要處理整個無線傳感網的協調問題。因此，無線路燈節點控制器設計是本系統的一個關鍵。

無線路燈節點控制器包括路燈控制功能和無線通信功能，總設計分為硬件設計和軟件設計。

3.1 無線路燈節點控制器硬件設計

無線路燈節點控制器是采用IM無線模塊而設計的。IM無線模塊是由廣州中國科學院沈陽自動化研究所分所自主研發的一款無線模塊，是基于STM32F103C8T6和SI4432設計的低成本、低功耗、遠距離的無線物聯網傳感模塊，其發射功率可以達到20dBm，并且擁有豐富的外部接口，可滿足路燈節點控制器外部電路控制的需求。在本系統中，IM無線模塊的射頻數據傳輸速率為250kbps。

其中，STM32F103C8T6是意法半導體(ST)公司推出的基于Cortex-M3內核的32位ARM微控制器，20KB的RAM，64KB的FLASH。 SI4432是Silicon Labs公司出廠的一款低于1GHz高性能射頻收發器，SI4432輸出功率可達+20dBm，接收靈敏度達到-121dBm，可提供對數據緩沖FIFO、數據包處理、接收信號強度指示(RSSI)、空閑信道評估(CCA)、喚醒定時器、低電壓檢測、溫度傳感器、8位AD轉換器和通用輸入/輸出口等功能的硬件支持。

無線路燈節點控制器主要由自檢測量模塊、電源模塊、開關模塊、功率調節模塊、保護模塊、IM無線模塊組成。無線路燈節點控制器的體系結構，如圖3所示。

自檢測量模塊主要用于采集路燈節點自身的電參數，以判斷節點是否處于正常狀態。開關模塊是通過控制繼電器的開關以實現路燈的亮與滅。功率調節模塊能根據微控制器給出的控制信號調節路燈的亮度，主要用于LED路燈上調節。電源模塊是將路燈上的電壓轉換成路燈節點控制器所需直流電壓，供控制器正常工作。保護模塊能在過壓過流時保護路燈節點控制器，尤其是雷擊浪涌保護。IM無線模塊不僅為整個節點控制器提供通信功能，同時還作為整個無線路燈節點控制器的中央處理器，實現路燈節點控制器全部外圍電路的控制。

圖3 無線路燈節點控制器的體系結構圖Fig.3 Wireless street lamp node controller structure chart

3.2 無線路燈節點控制器軟件設計

無線路燈節點控制器的控制程序主要分為三個部分：管理層、通信部分和應用層。其相互間的關系如圖4所示。

圖4 無線路燈節點控制器軟件結構圖Fig.4 Wireless street lamp node controller software structure chart

管理層主要負責整個協議的運行和維護，狀態的維護和轉換；通信部分包括物理層，數據鏈路層和網絡層，實現射頻通信、路由選擇和點到點通信，同時通信部分還負責串口通信；應用層負責網絡的配置和組建，以及具體路燈控制應用。

依據圖3的體系結構和路燈控制系統的業務模型，無線路燈節點控制器軟件主要執行兩部分功能：一是接收無線傳感網指令，做出相應的控制并回復應答；另一是定時自身參數的檢查，判斷是否發生故障。其應用層程序流程圖如圖5所示。

圖5 無線路燈控制部分處理流程圖Fig.5 Wireless street lamp control flow chart

4 路由協議

由業務模型可知，本路燈控制系統中路燈節點主要是采用被動的方式與監控中心進行數據通信。在路燈照明系統中，控制指令都是由監控中心下發給集中控制器，再由集中控制器向長鏈狀無線傳感器網絡中的路燈節點控制器發送控制指令；無線路燈節點控制器將被動給出相應的應答，只要當路燈節點發生故障時，才會主動上傳故障信息。在基于長鏈狀傳感網的智慧路燈系統設計中，由于其特殊性，在進行長鏈狀網絡協議設計時需要解決以下幾個問題。

1)長鏈狀網絡協議如何實現快速響應？在無線智慧路燈系統中，網絡中的響應時間會隨著路燈節點數的增加而增長。要實現節點的快速響應，可以采用最大的路由半徑通信，以減少整條長鏈狀網絡中的傳輸跳數。但是外界環境的變化，對無線傳感器網絡的通信距離影響比較大，這就需要一種自適應可變半徑的動態路由。

2)長鏈狀網絡協議如何在可變半徑動態路由中讓所有節點知道網絡的通信路徑？大部分長鏈狀網絡協議都是通過廣播的方式通知所有節點的固定路由地址，并確定通信路徑[9-12]。但是對于可變半徑動態路由，這種方式難以實現。這就需要通過某種方式讓所有傳感網節點知道自身在傳感網中所處位置。

3)無線帶狀網絡中的隱藏終端問題如何解決？在前文中提到長鏈狀傳感網智慧路燈系統的網絡模型呈長鏈狀型，在實際工作中，由于整條網絡中存在環境差異，可能導致路燈系統在廣播模式時，由于大量數據傳輸，出現隱藏終端問題。如圖6所示，當節點B正在向節點A發送數據時，由于環境的影響，節點C無法感知節點AB之間的通信，此時節點C也向節點A發送數據，將會在節點A處產生碰撞，從而產生隱藏終端的問題。雖然RTS/CTS機制能夠解決隱藏終端問題，但在路燈控制系統中，采用RTS/CTS開銷比較大，不宜采用，因此我們在設計長鏈狀傳感網的智慧路燈系統時，采用開銷較小的時間同步方案來避免隱藏終端問題的出現。

圖6 帶狀網絡中的隱藏終端問題Fig.6 The hidden terminal problem of long chain network

為了解決上述幾個問題，在網絡使用前，先進行節點入網配置，為網絡中每個節點按到匯聚點距離的遠近分配一個短地址，讓網絡中所有節點知道自身所處在網絡中的位置，方便動態路由的選擇和數據通信。在數據傳輸過程中，路由半徑是隨著通信距離實時變化的，總趨向于最大路由半徑，以減少網絡中的跳數，提高響應速度。同時，網絡協議中還采用了時間同步的方式避免隱藏終端。

4.1 入網配置

入網配置是由集中控制器從近到遠，依次為網絡中所有無線傳感器節點分配組號和短地址ID。組號為組播控制的標志，由用戶確定分組情況，在組播模式控制下，同一組號的節點為同一組；入網配置的短地址由無線傳感器節點到匯聚節點之間的距離決定，距離匯聚節點最近的無線傳感器節點配置短地址為0×0001，距離第二近的無線傳感器節點配置短地址為0×0002，以此類推。

假設匯聚節點的最大路由半徑為R1，如圖1所示匯聚節點最遠可以點對點入網配置的無線傳感器節點是6號節點，當匯聚節點要配置7號節點時，直接點對點的配置不成功，匯聚節點會選擇6號節點作為中繼路由節點，通過6號節點轉發入網配置信息給7號節點。以此類推，匯聚節點會以多跳的方式為整個網絡的無線傳感器節點分配短地址ID。在之后的所有通信中，都以入網配置的短地址作為整條網絡上的通信地址。

所述匯聚節點在網絡中的短地址為0×0000，由于各路燈節點間的距離基本相等，所以各節點之間的通信距離可近似的使用二者之間的地址差來表示，定義為路由半徑R。網絡中的節點就可以通過短地址而知道自身所處在網絡中的位置。

4.2 路由建立

為了說明本路由協議，從智慧路燈系統業務模型的幾種通信模式進行分析說明。整個協議的網絡層格式，如表1所示。

表1 網絡層幀格式Table 1 Network layer frame format

其中：幀序號FN，由信號發起者填入，表明該幀的唯一性；源地址Ds，信號發起者的短地址ID；目標地址Dd，最終需要接收該信息的節點短地址ID，可以為所有節點(廣播模式)、某一具體節點(點播模式)或某一組節點(組播模式)；路由半徑R，提供給接收到廣播信息的節點用來計算是否自己為下一跳廣播的發起者，為廣播通信半徑范圍內的無線路燈節點控制器數；載荷，網絡層載荷，包括應用層要傳輸的數據。

4.2.1 廣播模式和組播模式

廣播模式和組播模式的通信原理一樣，都是以廣播的形式進行數據傳輸，只不過組播模式在接收到的廣播數據上，增加了組號的識別，在此以廣播模式為例進行長鏈狀傳感網路由協議分析。

廣播模式下，由監控中心發起控制指令，通過集中控制器設備以廣播的形式將指令發送到各個節點設備，無線傳感網中的所有節點收到廣播指令后，都會給出相應的應答。

在上述的入網配置中，匯聚節點將會得到一個當前環境其最大的通信路由半徑R作為整個網絡的起始路由半徑。路由半徑R在整個網絡的傳輸過程中將會隨著通信能力動態調整。

無線傳感網中的節點在收到廣播數據包信息后，如果節點自身的短地址D大于源地址Ds與路由半徑R之和，則將接收到的數據丟棄；而在這一路由半徑R內的所有節點，則以收到廣播的時刻為一個同步的基準，進行時間同步計時。無線傳感網節點同步后的時隙分布圖如圖7所示。

時間同步完成后，先預留一段時間給無線路燈節點控制器響應；然后生成R個應答時隙；最后，根據網絡層幀數據中的節點自身的短地址D和源地址Ds，通過公式(1)計算出路由半徑R內所有節點的回復應答時隙序號Nt，從而可以避免數據沖突。

Nt=R+Ds-D+1

(1)

其中：Nt為節點回復應答的時隙序號；R為路由半徑；Ds為源地址；D為節點地址。

同樣，在傳感器節點同步后的時隙分布圖中，還有一段監聽廣播時隙，主要是為了監聽并確定新的中繼路由節點DR。

監聽時隙首先監聽(D=R+Ds)節點的廣播數據，如果沒有監聽到該節點的廣播指令，則選擇(D=R+Ds-1)節點作為中繼路由下發廣播指令，以此類推，確定下一跳路由DR。直到監聽到廣播或監聽廣播時隙完成，時鐘同步將結束。

監聽廣播時隙序號N1的取值與發送應答時隙序號Nt公式一樣，如公式(2)所示。

N1=R+Ds-D+1

(2)

其中：N1為節點監聽廣播的時隙序號；R為路由半徑；Ds為源地址；D為節點地址。

監聽廣播期結束后，原廣播節點中的路由半徑R的值將修改。其修改公式如公式(3)所示。

(3)

其中：R為路由半徑；DR為中繼路由節點地址；DS為源地址。

若監聽到的是(D=R+Ds)節點的廣播，則新的路由半徑為原路由半徑加上K的值。否則，新的路由半徑R取新的中繼路由節點短地址DR與網絡層源地址Ds的減值。

其中，新路由發送的廣播幀中的源地址將變成自身的短地址DR，同時新的廣播幀的路由半徑R也按著公式(3)調節，而目標地址和載荷部分不變。

圖7 傳感器節點同步后的時隙分布圖Fig.7 After the synchronization time slot diagram of the sensor nodes

每個節點收到廣播后會在發送應答時隙中發送一個端到端應答。如果匯聚節點在該節點的傳輸范圍內，則應答幀的網絡層目標地址為匯聚節點；若匯聚點在傳輸范圍外，協議將選擇最遠可以通信的節點，作為中繼轉發數據，即應答幀的網絡層目標地址Dd為其節點自身短地址D減去路由半徑R的值。該中繼節點收到信息后，需要馬上回復一個點到點應答。若節點與中繼通信不成功，協議將會按一定的比例關系縮小路由半徑R的值，重新選擇中繼節點。每個節點有三次發送機會。節點發送應答的時隙如圖8所示。

圖8 節點發送應答時隙Fig.8 Node sends response time slot

目標地址節點在回復點到點應答后，以相同方式計算下一跳地址，并馬上將該數據包向它的下一跳傳送，直到該端到端應答包傳送到匯聚節點。

在同一信道中，為了防止節點間相互信息的干擾，節點在發送應答時隙中加入延時段，為下一個相鄰節點應答時隙的數據通信做一個隔離。延時結束后，相鄰節點才開始發送應答幀，此時，上一節點的應答幀在長鏈狀網絡上已經傳送到足夠遠的距離，與當前節點相差至少一個最大路由半徑R。這樣在同一條網絡中有可能同時存在多個信息在傳輸，并相互之間不會產生信號沖突。

4.2.2 點播模式和主動上傳模式

點播模式與主動上傳模式的通信方式基本相同，點播模式是由匯聚點主動向網絡中某一個節點發送指令，并收到節點的相應應答；主動上傳模式是網絡中的某一節點由于故障主動向匯聚點發送報警信息。簡而言之，主動上傳模式比點播模式少了一個匯聚點向節點下發指令動作。在此以點播模式為例，說明這兩種通信模式的實現。

在點播模式和主動上傳模式中，整條網絡屬于空閑時期，一般只有一個信號在網絡中傳輸，所以這種情況不用考慮大量數據在網絡中傳輸時易發生碰撞，而引起隱藏終端的現象，相對于廣播模式，點播模式不需要時間同步方式，而只采用點到點傳輸方式，其中路由選擇還是采用變路由半徑動態路由方式，每個傳輸數據的節點都盡量選擇其最遠傳輸距離的節點作為路由，以提高響應速度。

首先，匯聚點向網絡中的某節點點播數據，假設匯聚點的路由半徑為R1，而目標地址不在R1內，則上級路由將會將數據傳輸給下一級路由轉發。如果上級路由沒有收到下級路由的點到點應答，則上級路由會另外選擇一個較近的節點作為下一級路由；否則，下級路由將轉發點播數據。

假設目標地址在當前路由半徑內，則上級路由直接將數據傳輸給目標節點，并等待點到點的應答，如果收到了點到點的應答，則數據下行點播成功；否則，上級路由將會在本身地址到目標地址的中間再選擇一個節點作為下一級路由，數據將由下一級路由轉發。

目標節點收到點播數據后，將回復相應的應答信息給匯聚點。數據回復過程中也是采用點到點傳輸的方式，每個向上傳輸數據的節點都盡量選擇其最遠傳輸距離的節點作為路由，向匯聚節點發送數據。

4.3 路由維護

一般的長鏈狀拓撲結構，主要采用的是聚簇的路由協議方式[13-15]，數據是分簇處理的，每一簇內的簇首都是事先選擇好的，如果某一簇首節點由于某種原因不能工作，簇內節點可能會斷開，將影響整個網絡的健壯性和擴展性。

但本帶狀網絡協議則有很強的健壯性和擴展性。如圖9所示，假設路由節點6由于某種原因不再具有路由中繼的功能，節點6以前的節點將發現路由節點6無法將數據傳送至下一級路由節點，為了維護網絡的連通性，節點6之前的節點，按地址從大到小，由節點6的鄰居節點5來做路由，以續傳路由節點6的數據包。

圖9 網絡故障時路由的維護Fig.9 A failure in the network routing maintemance

鑒于路燈系統中長鏈狀拓撲結構的特殊性，數據報文在找到目的節點后，如“接力”的方式傳輸，并回復點到點的應答。發送數據包時，如果不能收到下一跳節點的應答包，則重傳，仍然沒有收到應答，即認為下一跳路由發生了故障，協議將會選擇下一跳路由節點的鄰居節點作為新的路由。

5 測試及應用效果

在以上基于長鏈狀傳感網的智慧路燈系統基礎上，通過1個集中控制器對100個無線路燈節點控制器進行了室外測試。為了盡量模擬路燈的實際情況，室外測試是在廣州工業技術研究院旁的海濱路上進行。100個節點的安裝是從廣州工業技術研究院南門海濱路開始，沿著海濱路兩邊的路燈向西逐個安裝。如圖10所示，安裝道路總長1.5km，并呈帶狀型，每個節點設備都安裝了外部天線，并安裝在路邊的路燈上，高度大概2.5m左右。集中控制器安裝在長鏈狀網絡的開始端——廣州中國科學院沈陽自動化研究所分所物聯網研發中心內。

圖10 路燈節點控制器室外測試安裝圖Fig.10 Street lamp node controller outdoor test installation drawing

測試過程中，在廣播模式下，對100個路燈節點控制器經過了800次開關燈測試。其丟包率的測試結果如圖11所示。

圖11 室外100節點800次廣播模式測試結果Fig.11 The results of model test for 100 nodes in outdoor broadcast 800 times

從圖11中可知，100個路燈節點控制器在室外進行800次的廣播模式測試，其總的丟包率在1%以內，超過半數的節點沒有丟包。通過重傳機制或者降低IM無線模塊的射頻數據傳輸速率可以使丟包率進一步降低。

通過上位機測試軟件統計，100個路燈節點規模下，800次廣播測試平均響應時間為67.5s(其中包括路燈開關處理時間在內，響應時間為雙向數據通信時間)。在此基礎上，還分別在10、20、50和100個路燈節點的規模下，對本無線路燈控制系統與廣州中國科學院軟件應用技術研究所現有的PLC路燈控制系統進行了響應時間對比實驗。測試結果如圖12所示。PLC路燈控制系統在100個路燈節點的規模下，響應時間長達約300s，而本無線路燈系統響應時間在70s以內，遠小于PLC路燈控制系統的響應時間。

而ZigBee通信方式的路燈控制系統規模一般都比較小，如蔣建平[16]只對5個節點設備和1個網絡協調器組成的網絡進行測試，其中每個節點的組網時間約為1.5s；劉玉良[17]的測試規模為50個路燈節點，但是被平均分成了5組，即只有10個節點的規模，其雙向數據傳輸響應時間為10～12s，而本無線路燈控制系統10個節點的響應時間僅為3s；王東東[18]的響應時間更慢，單個節點組網用時20s。

以上測試結果表明，本智慧路燈控制系統相對PLC通信方式和ZigBee通信方式，實時性有很大的提高，同時解決了目前ZigBee路燈控制系統規模小的問題，達到實時可靠的路燈控制系統。

圖12 PLC路燈控制系統與長鏈狀無線路燈控制系統響應時間對比圖Fig.12 Response time contrast of PLC street lamp control system with long chain of wireless street lamp control system

6 結束語

本文首先分析了目前國內外常用于路燈控制系統的通信方式，為了提高現有路燈控制系統的服務需求，在此基礎上提出了一種長鏈狀傳感網的智慧路燈控制系統。通過使用自適應可變半徑動態路由通信協議及時間同步等關鍵技術，解決了目前路燈控制系統中的響應時間長和規模小的問題。實際的測試實驗，也驗證了該系統的可靠性和實際應用價值。

接下來的工作，將從網絡的規模和穩定性出發，優化路由協議，在增加網絡規模的同時減少網絡的丟包率。此外，還將研究針對分叉道路路燈控制的解決方案。

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