[原创]基于WSN的路灯监控管理系统

基于WSN的路灯监控管理系统
摘要：介绍了一个基于无线传感器网络的远程路灯监控管理系统，系统主要由传感器节点、远程控制终端（RTU）和监控中心组成。在单个路灯中嵌入无线传感模块，形成具有采集、收发信息数据，控制各个路灯节点以及自组织等功能的无线传感器网络。节点与节点之间采用多跳通信协议，监控中与各个监控终端之间的通信方式采用通用分组无线业务通信技术（GPRS）。通过简单的监控终端软件设置，可实现分时、多级调光控制等不同亮灯模式，达到合理分布光源，节约能源的管理目标。该系统可为城市道路、生活小区和高速公路等场景提供高效照明，同时也可为城市的数字化管理提供一个崭新的通讯平台。
关键词：路灯;传感器节点;无线传感器网络;远程控制
1 引言  
路灯照明是城市基础设施中不可缺少的组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和市容风貌中处于举足轻重的地位，发挥着不可替代的作用。因此，保证路灯正常开关及照明质量对市政建设来说是一个重大的研究课题。无线传感器网络(WSN)作为 21 世纪信息产业的三大支柱(计算、通信和传感器)相结合的产物，受到世界主要科技大国的高度关注，并在国家层面上制订了相关的政策和战略。美国的很多大学、研究机构和公司都已开展了 WSN 研究，Cros***ow、Dust Networks(tm)、Ember、Chips、Intel、Free-scale 等公司推出了商用 WSN 芯片、节点设备和解决方案[1]。在城市的照明设施中，灯杆沿着道路两侧均匀分布，每个灯杆的距离在 25 米~50 米之间，若在每个灯杆上安装路灯状态传感器，而每个传感器又通过对等通讯形成自组织网络结构便可构成一个理想的无线传感器网络（WSN ）的应用环境。路灯工作状态或变压器工作状态传感器将采集到的路灯通断、电流电压等状态数字化，并将其发送到接近目标的相邻传感器，并通过相关传感器的通讯接力，将其发送到监控计算机；同理，由监控计算机发出的针对具体一盏灯或变压器的控制指令，通过相关传感器的通讯接力，传送到与设备现场相连的传感器从而实现对每一盏灯或每一台变压器的控制。
本文采用无线传感器网络实现了城市路灯的远程监控管理，比较好地解决了当前路灯监控管理系统中普遍存在的问题，采用单灯控制方案并且综合运用“分时”、“分路段”和“多级调光”等控制手段，达到合理分布光源，实现节约能源的管理目标；融合 GPRS 和 GIS 等技术，实现真正的免人工巡检，从而实现“路灯网络”的全面智能化。
2 系统结构  
基于无线传感器网络的路灯监控管理系统由主监控中心、远程控制终端（RTU）、GPRS模块和无线传感器节点构成。图 1 是本系统的结构框图，在每个路灯上安装有传感器节点，负责检测与控制单个路灯的运行，通过接收 RTU 发送来的指令执行开关灯操作，此外，传感器节点还可以根据特殊情景（如车辆流量、天气状况等）实现半夜灯、1/2、1/3、1/4 等亮灯模式，实现绿色照明。由于传感器节点受电源供应的限制，节点与节点之间采用多跳通信协议相互通信[2][3]。同一变压器工作站范围内的路灯节点（<255 个）构成一个本地网络，设置在变压器工作站处的远程监控终端 RTU，可对变压器的状态进行检测与控制，并且在本地网络中充当汇聚节点的作用，负责汇总本地网络的数据（单灯状态信息、线路电压电流等），单片机通过串口向GPRS 模块发送指令，将数据发送到 GPRS网，最终传到与Internet相连的计算机，出于安全性考虑，监控中心主站在局域网中，不直接连在 Internet 网上，通过网络代理服务器来负责网络数据链路建立和数据收发的透明中转[4]。同时 RTU 也能够独立于主监控中心工作，根据存储在 RAM 中预先设定的开关灯时间表对路灯进行正常开关操作。主监控中心的硬件由 PC 机、UPS 电源和打印机等设备组成，软件部分由任务管理软件和 SQL Server 数据库组成，系统支持 Internet 网络发布功能，方便用户在异地实时监视路灯运行状态。  

图 1 系统框图  
主监控中心软件功能流程框图如图2 所示，首先对RTU 采集发送来的数据进行归整、分析，然后通过窗口界面向用户清晰、明了地实时显示当前各个 RTU 和路灯运行状况的相关信息，并且具有打印、存储和查询分析这些信息的功能，当系统检测到故障发生时，可以自动给相关管理人员手机发送告警短消息。管理员登录系统后能根据实际情况重新设置路灯运行参数（如开关灯时间、亮灯模式、解除故障报警信号等），并向RTU 发送控制命令，实现远程控制路灯功能。  

图2 主监控中心软件功能流程图

3 系统设计与实现  
系统设计主要包括以下几个部分：传感器节点和 RTU 硬件设计、传感器节点和 RTU软件的实现以及主监控中心应用软件的开发。
3.1 硬件设计与实现
传感器节点：在无线传感器网络中传感器节点具有感知、处理和通信能力，它的硬件设计必须综合考虑功耗、无线传输距离、定位、传感器信息采集、硬件集成、成本、抗干扰等诸多问题。经过调研分析，本文采用了ti公司推出的针对IEEE 802.15.4 Zigbee 应用的片上系统芯片 CC2431，其内部集成了 CC2420 射频收发器、工业标准增强型8051MCU 内核、128KB Flash ROM 和 8KB RAM，减少了无线传感器网络节点的体积，同时也降低了 2.4G 高频对数据传输的影响；CC2431 片内硬件定位引擎支持无线传感器网络节点定位，与一般软件定位相比，具有定位速度快、精度高、不占用 CPU 资源的特点。
由于 CC2431 可工作在 4 种工作模式下，且工作模式之间的转换时间较短，因而能够满足超低功耗系统的要求[5]。图 3 所示为无线传感器网络节点硬件结构框图，主要由 4 个 部分组成：CC2431、传感器 （包括光强传感器、声音传感器、温湿传感器和电流互感器）、执行器、PCB">PCB 天线和电源管理部分。其中 CC2431 是核心，能够将传感器采集到的光照度信号、电流信号、声音信号和温湿信号进行分析处理，然后根据结果通过执行器实现路灯的自动开关和多级调光（1/2、1/3、1/4 等亮灯模式）以及故障检测功能。PCB 天线采用差分天线方式，对于 2450MHz 的天线而言，长度为 5.8cm，差分天线每个臂长为2.9cm，传感器节点通过天线与其它传感器节点和 RTU 实现互联通信，构成一个自组织网络。电源管理部分由 CPU 进行控制，具有对各个模块是否供电的控制能力，增加了系统对各个模块供电的灵活性，大大降低了系统功耗，使得传感器节点工作时间更长。  

图3 无线传感器网络节点硬件结构框图
RTU 控制器：远程监控终端 RTU 是一个嵌入式系统，图 4 所示为远程监控终端硬件结构框图，设计中 MCU 选用 AVR 8 位高性能，低功耗 CMOS 微处理器 ATmega128，具有16 MIPS 的性能, 128K 字节的系统内可编程 Flash，8 通道 10 位 ADC，SPI 串行端口，两个 UART 端口，I/O 端口，两个 8 位定时/计数器以及六种可以通过软件选择的省电模式。GPRS 模块采用 ETPro++无线 IP Modem。ETPro++ GPRS IP Modem 内置西门子公司的MC35 模块，以及 IP 模块，提供了 TCP/IP 协议转换，并提供 RS232/RS485/TTL 等接口以适应各种环境下的需要。CC2420 是工作在 2.4GHz 的单芯片低电压收发器，调制方式QPSK，最大收发波特率 250kbps，采用 SPI 口可直接与ATmega128 连接，实现与传感器节点进行无线通信。监控威廉希尔官方网站 主要包括电压、电流互感器和继电器，实现了对变压器工作状态的检测以及对路灯开关的控制。键盘和 LCD 模块可以方便路灯维护人员现场调试检测 RTU。  

图4 远程监控终端硬件结构框图  
3.2 软件设计与实现  
传感器节点与 RTU 控制器：两者的软件平台设计都基于加州伯克利分校设计的TinyOS 操作系统，TinyOS 操作系统是一种适应无线传感器网络开源的嵌入式操作系统，它将基于组件化的编程模型与基于事件驱动的执行模型结合起来,具有程序代码小、执行效率高、模块性强以及便于开发等优点，它是由 nesC[6]语言实现的。nesC 是一种编写模块化结构应用的新型语言，主要用于嵌入式系统如传感器网络。图 5 为传感器节点软件设计流程图，其中路由协议的设计为重点，到目前为止，针对无线传感器网络提出的 代表性路由协议有 SPIN、SAR、LEACH 等等。针对中小规模的无线传感器网络中节点基本同时消亡的特点，路由表一旦建立之后，可以不需要维护，直到整个网络消亡，基于此我们选择平面型基于路由表的主动型路由协议[7][8]。基本设计思路为：设备初始化成功后对信道进行扫描，查询并建立相邻路灯节点列表，当查询次数大于 M 时，设备自动转入休眠计时状态；休眠时间大于 Tmax 后，又返回扫描状态。每个节点都具备选择路由和数据转发的功能，先从休眠状态中唤醒，然后开始对周围的节点进行扫描，如果发现其他节点信号，则建立邻节点列表，将活动的节点地址加入到邻节点列表中。  
图5 传感器节点软件设计流程图
RTU 控制器的软件设计主要包括：无线收发器模块、数据采集模块、控制模块、键盘与液晶显示模块和 GPRS 通信模块。其中无线收发器模块的软件设计与传感器节点相类似，而 GPRS 通信模块为系统核心，实现监控中心主站与监控终端的通讯，单片机与GPRS 模块之间的通信协议通过 AT(Attention)指令完成  。  
主监控中心应用软件的实现：主监控中心软件是进行路灯远程监控管理的核心，在设计中主要考虑两个问题：①操作简便，界面友好；②维护管理方便，扩展性好。综合考虑，我们选择了.NET 平台开发了本系统，软件开发采用了 Visual Basic2005 和 MapX5.0 ,服务器采用 Win2003 Server，中文服务数据库管理软件为 MS SQL Server 2000。
使用 MapX5.0 实现地理信息的绘制、显示功能，ADO 组件将远程监控终端（RTU）和单灯监控终端的空间和属性数据存储在 SQL Server 2000 数据库中对应的数据表中，MapX5.0 的数据绑定功能将路灯的空间数据信息与用单灯监控终端和远程监控终端（RTU）监测得到的实际运行的状态属性信息进行绑定，实时地显示给用户。图 6 所示为监控中心数据库数据显示结构图。  
图6  监控中心数据库数据显示结构图

4 结束语  

本文设计和实现了一个基于无线传感器网络的路灯监控管理系统，该系统设计方案组网成本低，网络易维护，将其用于路灯照明系统可以实现路灯的高度智能化管理，起到节电效果，实现“绿色”照明，具有良好的经济效益。同时也可为城市数字化管理提供一种崭新的通讯平台，若再将传感器延伸到城市交通信号灯、城市道路流量监控点、公共停车 泊位、公交汽车与站牌等上，便可以实现停车诱导、智能交通等多方面的应用，具有广阔的应用前景和社会效益。  

本文作者创新点：把片上系统芯片CC2431，CC2420射频收发器和低功耗单片机ATmega128以及嵌入式开源操作系统TinyOS应用于无线传感器网络,并且结合通用分组无线业务通信技术（GPRS ）和地理信息系统（GIS ）技术，实现了城市路灯的智能化监控管理，系统可扩展性强，资源共享性能好，经济效益和社会效益显著。项目经济效益：1000万元左右，数据来源：根据本项目总的策略和市场调查研究。