基于無線傳感網(wǎng)絡隧道亮度信號采集系統(tǒng)的研究

【摘 要】亮度信號是高速公路隧道節(jié)能照明控制系統(tǒng)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(wǎng)絡的隧道亮度信號采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的傳感器節(jié)點負責亮度信號的采集，經(jīng)CC2530處理發(fā)送，通過逐級跳轉(zhuǎn)的方式把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過RS232串口與燈具控制器通信，以此實現(xiàn)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(tǒng)達到了設計的目的，并適用于高速公路隧道節(jié)能照明控制系統(tǒng)。

【關鍵詞】亮度信號采集；zigbee；無線傳感網(wǎng)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(jīng)濟的高速發(fā)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(shù)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(xiàn)隧道照明的智能化控制，高速公路隧道節(jié)能照明控制系統(tǒng)中的燈具控制器根據(jù)采集到的亮度信號進行無極調(diào)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(wǎng)絡的隧道亮度信號采集系統(tǒng)，在傳統(tǒng)亮度信號采集基礎上，采用逐級跳轉(zhuǎn)的方式把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，有效地適應隧道的特殊環(huán)境[3]，提高亮度信號采集的實時性和傳輸?shù)目煽啃裕瑸楦咚俟匪淼拦?jié)能照明控制系統(tǒng)的實現(xiàn)具有重大意義。

1.zigbee無線傳感網(wǎng)絡亮度信號采集與傳輸系統(tǒng)

無線傳感網(wǎng)絡是最近幾年發(fā)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(wǎng)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(zhuǎn)網(wǎng)絡結(jié)構，系統(tǒng)主要由n個傳感器節(jié)點，一個協(xié)調(diào)器和燈具控制器構成，在整條隧道內(nèi)，除第一個傳感器節(jié)點外，之后的每個節(jié)點既是終端節(jié)點也是路由節(jié)點，傳感節(jié)點把采集到的亮度信號傳輸給CC2530無線收發(fā)模塊并對信號進行相應的處理，然后把處理過的數(shù)據(jù)順著線條型網(wǎng)絡逐級以無線的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口RS232與燈具控制器進行通信，系統(tǒng)結(jié)構圖如圖1所示。在zigbee技術中，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的標準距離為30m到擴展后的幾百米[5]，由于隧道內(nèi)環(huán)境的特殊性，為達到更好的數(shù)據(jù)傳輸效果，本系統(tǒng)采用每個網(wǎng)絡節(jié)點的間距為30m。這種網(wǎng)絡結(jié)構可以防止中間某個節(jié)點出現(xiàn)故障后，故障節(jié)點的前一個節(jié)點傳輸過來的信號可以自動的傳輸?shù)焦收系南乱粋€節(jié)點，可使信號有效地完成逐級跳轉(zhuǎn)發(fā)送并且保證采集信號的實時性和傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖1 系統(tǒng)結(jié)構圖

2.zigbee無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計

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

圖2 zigbee無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點硬件電路原理圖

2.1數(shù)據(jù)采集單元

zigbee無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)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(shù)字型光強度傳感器集成電路。這種集成路可以根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來調(diào)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(shù)據(jù)采集和無線通信（數(shù)據(jù)收發(fā)）

數(shù)據(jù)處理和無線通信（數(shù)據(jù)收發(fā)）單元采用CC2530芯片，CC2530芯片除了具有符合IEEE 802.15.4規(guī)范的2.4GHz無線射頻前端[6]，它還在片內(nèi)集成了微處理器，在單芯片上集成了RF射頻、處理器，內(nèi)置的zigbee解決方案具有集成度高和功耗低[7]的優(yōu)點，它只需要很少的外部元器件就可以實現(xiàn)無線傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2.3能量供電單元

由于協(xié)調(diào)器一直處于收發(fā)狀態(tài)，所以采用外部電源供電.對于終端節(jié)點和路由節(jié)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(jié)點和路由節(jié)點獲得穩(wěn)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(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包括系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和各個節(jié)點間數(shù)據(jù)收發(fā)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(wěn)定后，再進行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換。其中從第二個傳感節(jié)點開始，該節(jié)點在完成本身亮度信號采集的同時，還要對接收到的數(shù)據(jù)進行拆包，然后讀取ID，判斷是不是上一節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后再將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到下一節(jié)點，最終每一個傳感節(jié)點采集到的亮度信號都發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

圖3 亮度信號采集程序流程

3.2各個節(jié)點間數(shù)據(jù)收發(fā)的程序設計

協(xié)調(diào)器是整個系統(tǒng)的核心，它負責數(shù)據(jù)的接收、指令的發(fā)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(tǒng)外信號的干擾，調(diào)用協(xié)議棧中的指令即可實現(xiàn)：程序流程圖如圖4所示。

圖4 各個節(jié)點間數(shù)據(jù)收發(fā)的程序流程圖

4.結(jié)果分析

由協(xié)調(diào)器新建一個網(wǎng)絡，等待各個節(jié)點（路由節(jié)點和終端節(jié)點）入網(wǎng)，各個節(jié)點入網(wǎng)成功后就可以開始采集和無線傳輸數(shù)據(jù)的測試。測試中各個網(wǎng)絡節(jié)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(fā)模塊逐級跳轉(zhuǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過RS232將數(shù)據(jù)傳輸給燈具控制器，在實驗過程中，用串口調(diào)試助手代替燈具控制器接收數(shù)據(jù)。如圖5顯示了采集到的各個傳感節(jié)點采集到的亮度信號值。數(shù)據(jù)前兩位代表節(jié)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(jié)點采集到的亮度信號值

5.結(jié)束語

本文引入zigbee無線網(wǎng)絡技術，設計了一款基于無線傳感網(wǎng)絡隧道亮度信號采集系統(tǒng)，并通過逐級跳轉(zhuǎn)的方式把采集到的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)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(tǒng)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(nóng)業(yè)，工業(yè)和服務業(yè)等領域。 [科]

【參考文獻】

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