基于無線傳感網絡隧道亮度信號采集系統的研究

【摘 要】亮度信號是高速公路隧道節能照明控制系統必須檢測的物理量。本文基于zigbee的技術特點，設計了一款基于無線傳感網絡的隧道亮度信號采集系統。系統的傳感器節點負責亮度信號的采集，經CC2530處理發送，通過逐級跳轉的方式把數據傳輸到協調器。協調器通過RS232串口與燈具控制器通信，以此實現對亮度信號的實時采集和可靠性傳輸。通過實驗表明，該系統達到了設計的目的，并適用于高速公路隧道節能照明控制系統。

【關鍵詞】亮度信號采集；zigbee；無線傳感網絡；實時采集；可靠性傳輸

unnel luminance signal acquisition system based onwireless sensor network research

Liao jiang Zheng wei Li liang-rong

（Guizhou University data and Information Engineering Guizhou Guiyang 550025）

【Abstract】The luminance signal is a physical quantity that must be tested in the highway of the tunnel of energy-efficient lighting control system， by using Zigbee technology feature in this papar. the tunnel Luminance signal acquisition system is designed by Wireless sensor networks. the sensor node of the system are responsible for the luminance signal acquisition .CC2530 processed by sending， by way of the stepwise jump data to the coordinator.Coordinator through the RS232 serial communicated with the controllers of lighting， In order to achieve real-time acquisition of the luminance signal and reliable transmission. Experiments show that the system reaches a purpose-designed， and suitable for the highway of the tunnel of energy-efficient lighting control system.

【Key words】Luminance signal acquisition；Zigbee；Wireless sensor networks；Real-time acquisition；Reliable transmission

0.引言

隨著經濟的高速發展，我國的高速公路總長在2012年達到了9.6萬公里，位居世界第二位，隧道數量位居世界第一[1]。然而，目前我國高速公路隧道照明普遍采用常明模式，存在著嚴重的能源浪費問題，因此迫切需要實現隧道照明的智能化控制，高速公路隧道節能照明控制系統中的燈具控制器根據采集到的亮度信號進行無極調光[2]，達到“車來燈亮，車過燈滅”的效果，以此降低隧道照明能源消耗，降低隧道運營成本。

本文提出的基于zigbee無線傳感網絡的隧道亮度信號采集系統，在傳統亮度信號采集基礎上，采用逐級跳轉的方式把采集到的數據傳輸到協調器，有效地適應隧道的特殊環境[3]，提高亮度信號采集的實時性和傳輸的可靠性，為高速公路隧道節能照明控制系統的實現具有重大意義。

1.zigbee無線傳感網絡亮度信號采集與傳輸系統

無線傳感網絡是最近幾年發展起來的多學科高度交叉，知識高度集成的熱點前沿技術。Zigbee技術具有短距離、低功耗、可靠性高、組網容易且多變，容量大等特點[4]。由于隧道呈條狀，本文設計了線條型逐級跳轉網絡結構，系統主要由n個傳感器節點，一個協調器和燈具控制器構成，在整條隧道內，除第一個傳感器節點外，之后的每個節點既是終端節點也是路由節點，傳感節點把采集到的亮度信號傳輸給CC2530無線收發模塊并對信號進行相應的處理，然后把處理過的數據順著線條型網絡逐級以無線的方式發送給協調器，協調器再通過串口RS232與燈具控制器進行通信，系統結構圖如圖1所示。在zigbee技術中，每個網絡節點間的標準距離為30m到擴展后的幾百米[5]，由于隧道內環境的特殊性，為達到更好的數據傳輸效果，本系統采用每個網絡節點的間距為30m。這種網絡結構可以防止中間某個節點出現故障后，故障節點的前一個節點傳輸過來的信號可以自動的傳輸到故障的下一個節點，可使信號有效地完成逐級跳轉發送并且保證采集信號的實時性和傳輸的可靠性。

圖1 系統結構圖

2.zigbee無線傳感網絡節點的硬件設計

zigbee無線傳感網絡節點主要由數據采集單元、數據處理器單元，無線通信（數據收發）單元和能量供電單元構成。網絡節點的硬件原理框圖如圖2所示。數據采集單元主要通過光照度傳感器對隧道內外亮度信號進行采集，將亮度信號的物理量轉化為電信號；數據處理單元和無線通信（數據收發）單元完成數據A/D轉換以及網絡交互工作，能量供電單元負責對各節點供電。

圖2 zigbee無線傳感網絡節點硬件電路原理圖

2.1數據采集單元

zigbee無線傳感網絡數據采集單元主要由照度傳感器構成，BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路。這種集成路可以根據收集的光線強度數據來調整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化（1.lx-65535lx）。

2.2數據采集和無線通信（數據收發）

數據處理和無線通信（數據收發）單元采用CC2530芯片，CC2530芯片除了具有符合IEEE 802.15.4規范的2.4GHz無線射頻前端[6]，它還在片內集成了微處理器，在單芯片上集成了RF射頻、處理器，內置的zigbee解決方案具有集成度高和功耗低[7]的優點，它只需要很少的外部元器件就可以實現無線傳輸的功能。

2.3能量供電單元

由于協調器一直處于收發狀態，所以采用外部電源供電.對于終端節點和路由節點而言，由于CC2530的電源要求和BH1750FVI的電壓范圍一致，因此采用5v電源。為了使終端節點和路由節點獲得穩定電源，使用直流電源供電，直流電源使用交流220V變到直流5V的電源模塊。

3.系統軟件設計

系統的軟件設計包括系統的數據采集和各個節點間數據收發的程序設計。

3.1亮度信號采集

亮度信號采集程序流程如圖3所示，需要注意的是，啟動傳感器后，應延時一段時間，待傳感器穩定后，再進行數據采集和轉換。其中從第二個傳感節點開始，該節點在完成本身亮度信號采集的同時，還要對接收到的數據進行拆包，然后讀取ID，判斷是不是上一節點發送的數據，最后再將數據打包發送到下一節點，最終每一個傳感節點采集到的亮度信號都發送到協調器。

圖3 亮度信號采集程序流程

3.2各個節點間數據收發的程序設計

協調器是整個系統的核心，它負責數據的接收、指令的發送、中繼的分配以及串口通信等功能。在設計中采用“Group”方式進行通信，可以有效地避免系統外信號的干擾，調用協議棧中的指令即可實現：程序流程圖如圖4所示。

圖4 各個節點間數據收發的程序流程圖

4.結果分析

由協調器新建一個網絡，等待各個節點（路由節點和終端節點）入網，各個節點入網成功后就可以開始采集和無線傳輸數據的測試。測試中各個網絡節點每隔0.1s采集一次隧道亮度信號，并將采集到的亮度信號強度值，通過無線收發模塊逐級跳轉發送給協調器，協調器再通過RS232將數據傳輸給燈具控制器，在實驗過程中，用串口調試助手代替燈具控制器接收數據。如圖5顯示了采集到的各個傳感節點采集到的亮度信號值。數據前兩位代表節點ID，后六位代表亮度信值（單位：lux）。

圖5 采集到的各個終端節點采集到的亮度信號值

5.結束語

本文引入zigbee無線網絡技術，設計了一款基于無線傳感網絡隧道亮度信號采集系統，并通過逐級跳轉的方式把采集到的數據無線傳輸到協調器。協調器通過RS232串口與燈具控制器通信，以此提高了對隧道亮度信號采集實時性和傳輸可靠性。這種系統不僅能應用到高速公路隧道，而且只需要改變信號源就能應用到農業，工業和服務業等領域。 [科]

【參考文獻】

[1]我國鐵路，公路隧道長度位居世界第一.http：//info.glinfo.com/02/1217/00/D9D

5130CDA5F6C73.html.

[2]婉北北.公路隧道LED燈無極調光控制[J].交通世界，2011：165-167.

[3]祁長璞.基于zigbee的無線傳感器網絡在監控系統中的應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2008：5-6.

[4]李躍偉.基于CC2430的無線傳感網絡中協調器的設計[J].電子設計工程，2011，19（20）：133-135.

[5]蔣建輝.zigbee網絡的設計與實現[D].蘇州：蘇州大學，2012：3-4.

[6]Ren F Y，Huang H N，Lin C.Wireless Sensor Network[J].Journal of Software，2003，14（7）：1282-1291.

[7]李泉.zigBee 無線傳感網絡及其在重大危險源監控系統中的應用研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2010：15-20.