基于ZigBee與移動4G的風光互補路燈監控系統

謝磊　鄒鵬舉

【摘 要】本文介紹了一種基于ZigBee無線傳感網絡通信協議與移動4G無線網關的風光互補路燈遠程監控系統，每盞路燈對應一個監控節點，用于采集風光互補路燈各部分的運行參數及控制其運行狀態。網關搭配4G移動通信模塊與ZigBee射頻模塊，實現底層節點與上位機的通信。采用二叉樹形式的網狀網，每個父節點都有路由轉發功能，解決了ZigBee通信距離短、路燈監控節點分布散矛盾，實現低成本、遠距離、高效率監控風光互補路燈的目的。

【關鍵詞】ZigBee；4G；無線網關；二叉樹

【Abstract】This paper introduces a kind of remote monitoring system about wind and solar complementary street lamp based on ZigBee wireless sensor network communication protocol and mobile 4G wireless gateway， every street lamp corresponding to a monitoring nodes， for collecting the street lamps operating parameters and control the running status of each part. Gateway equipped with 4G mobile communication module and ZigBee RF module to realize the communications between underlying nodes and the upper computer. Using binary tree in the form of a mesh network， each parent node has routing forwarding function， then the contradictions about the ZigBee communication distance is short and street lamp monitoring nodes distribution was solved， achieved the aim of low cost， long distance and high efficiency monitoring wind and solar complementary street lamp.

【Key words】ZigBee； 4G； Wireless gateway； Binary tree

0 引言

路燈是我們生活中最常見的基礎設施，它點亮了漆黑的夜間道路，保證了行人的安全。但路燈耗電大、長距離的輸電線路建設成本高，這導致了我國許多市郊特別是偏遠地區的公路和高速公路沒有安裝路燈。

風光互補路燈利用太陽能與風能天然的互補性，不間斷地發電并存儲在蓄電池中，供路燈使用。一次安裝永久使用，無需外界供電，免去了傳統路燈的布線成本和使用過程中的電能消耗。風光互補控制器實現了太陽能電池板與風機發電的最大功率追蹤、發電過多卸荷、蓄電池智能充放電等功能。然而，由于路燈的工作工作環境較惡劣，如遇上連續無風的陰天蓄電池的電量入不敷出，正常的路燈開啟可能導致蓄電池的極大損壞。且風光互補路燈的各組成部分可能出現隨機的故障，必須對路燈運行過程中的各部分參數監管，及時發現并解決問題[1]。

無線傳感網是多個傳感器節點組成的一種網絡，用于采集和處理該網絡覆蓋范圍內的感知對象的信息，并上傳給觀察者，觀察者再根據監測數據做出相應的策略。每盞路燈配置一個節點，用于采集風機、太陽能電池板、蓄電池的電壓電流、當前光照強度等參數，并可上位機控制路燈的開關、蓄電池的充放電。

節點間通過ZigBee協議棧組成網狀網，并通過移動4G無線網關與上位機建立通信。監控中心采取有效地監管機制，如惡劣天氣時單號天時只開單號路燈、縮短照明時間、調整路燈亮度燈方式，能保證風光互補路燈連續穩定的運行。

1 系統總體設計方案

ZigBee與移動4G的風光互補路燈監控系統主要由風光互補路燈、ZigBee無線監控節點、4G網關和遠程終端等組成。監控系統拓撲圖如圖1所示。

每盞路燈配置一個監控節點，由N盞路燈監控節點組成ZigBee無線監控網絡。本網絡采用二叉樹形式的網狀網，編號為單號的節點均為父節并具有路由轉發功能。其中，1號節點為最上層節點，直接與網關通信，并負責與2、3號節點通信，為其父節點；同時，3號節點為4、5號節點的父節點。5號節點為6、7號節點的父節點……。當n+1個節點需要上傳數據時，先將數據轉發給其父節點，編號為n，n號節點再將數據轉發至其父節點n-1。層層上傳，數據最終轉發至網關，并通過4G基站到達遠程監控終端。同理，監控終端下發的控制命令由1號節點，層層往下轉發，最終到達目的節點。

網關是ZigBee傳感網與Internet連接的橋梁。外置：ZigBee無線通信節點，與底層無線監控網絡通信；移動4G通信模塊，以4G基站為樞紐接入Internet，從而實現與遠程監控主機的通信。

系統以1號節點為ZigBee網絡匯聚節點，組成二叉樹形式的網狀網絡，數據通過父節點層層轉發，僅用一臺網關便能實現幾公里甚至幾十公里范圍內的風光互補路燈的監控。

2 硬件設計

2.1 監控節點硬件設計

風光互補路燈無線監控節點需采集路燈的各部分工作參數，包括太陽能電池板、風力發電機、蓄電池電流電壓、光照強度等，并可控制路燈的開關。所有的參數信息和控制信息均通過一個CC2530射頻芯片無線發送和接收。節點的硬件設計框架如圖2所示。

監控節點以Atmega8為處理器，配置各種功能外圍電路。該處理器內部集成較大容量的存儲器和硬件接口電路、3個PWM通道、6路10位A/D轉換、2個8位定時器和1個I2C串行接口，2.7-5.5V寬工作電壓，完全能滿足功能需求。節點采集光照強度供參考，決策路燈開關。當蓄電池電壓過低時，將決策禁止開啟路燈，直至蓄電量恢復。其他參數異常如太陽能電池板輸出電壓時，則可直接指導維修人員定點定部位地檢修，方便快捷效率高。

2.2 4G網關硬件設計

網關起著橋接的功能，連接ZigBee網絡與因特網，負責轉發兩異構網間的數據。通過一個ZigBee無線通信模塊與底層無線傳感網通信，一個移動4G模塊通過4G基站間接與遠程監控主機通信。其硬件架構如圖3所示[2]。

4G網關以一款三星的ARM11處理器S3C6410為核心，外圍擴展RAM、FLASH、復位電路等基本功能單元；射頻選擇TI公司的CC2530低功耗芯片，串口連接處理器；4G模塊選擇方格SLM630B，也通過串口連接處理器。S3C6410是一個16/32位RISC微處理器，負責轉發數據和驅動4G模塊。CC2530是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，有高達256KB的閃存和20KB的擦除周期，支持ZigBee、6LoWPAN、WirelessHART及其他所有基于802.15.4標準的方案，是本設計方案的首選。方格SLM630B是一款LTE“七模十八頻”無線通信模塊，采用通用工業標準接口，支持語音、短信、數據及GPS定位，支持電信、移動、聯通三4G，并向下兼容3G和2G，使得4G網關可適用于不同環境下的不同運營商。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee無線節點軟件設計

本系統ZigBee網絡設計為二叉樹形網狀網，編號為單的節點均為父節點（尾節點除外），均具有路由轉發功能。當上位機下發控制命令時，先由1號匯聚節點接收，判斷目的節點是否為己，若是則不再往下轉發；若不是，則轉發給其兩個子節點。編號為單的子節點收到數據后，判斷目的節點是否為它那一層的節點，是則不再轉發，不是則繼續往下轉發。同理，節點上傳數據時，都將數據先轉發至其上一層的父節點，再由其父節點經過層層轉發，最終送至協調器。數據上行過程較為簡單不再闡述，下行過程見圖4。

雙號節點不具數據轉發功能，當收到控制命令時，判斷是否自己為目的節點，是則接收、解析并執行控制命令，不是則丟棄。并由其同層的單號節點通過判斷目的節點是否在本層決定數據是否繼續往下轉發。通過這種的二叉樹組網方式，每個節點均只與相鄰層節點通信，成功地解決了ZigBee通信距離短，而路燈間距遠的矛盾。實現了低成本、遠距離、高效率監控風光互補路燈的目的。

3.2 網關軟件設計

網關是整個系統的中樞部分，網關軟件的實現與靈活性也是實現系統整體功能的關鍵部分。上行傳輸時，處理器將ZigBee幀格式轉換為TD-LTE幀格式，并通過SLM630B模塊將數據報文發送至指定的服務器端口；下行傳輸時，SLM630B模塊將TD-LTE幀格式轉換成ZigBee幀格式，并通過ZigBee協調器轉發給網內的指定節點。4G模塊通過發送多種“AT指令”與指定服務器的端口建立連接。數據的傳輸過程如圖5所示，分為上行和下行兩種模式[3]。

4 結語

本文結合目前最流行的ZigBee傳感網無線通信技術和較前沿的移動4G通信技術，提出了基于二者的風光互補路燈監控系統。該系統無需外界供電，獨立運行。除路燈自身器件損耗外，系統運行的唯一資費為4G模塊的流量費。本方案效率高，成本低，對于未來風光互補路燈的發展及其監控方式提供了一種良好的設計參考方案。

【參考文獻】

[1]林閩，張艷紅，修強，等.風光互補路燈控制系統的設計[J].可再生能源，2011（6）：146-149.

[2]賀政，趙小龍.基于Linux系統的4G-WSN無線網關的設計[J].科技視界，2015（12）：5-6.

[3]王志超，劉波，花於峰.基于移動4G與ZigBee無線傳感網的網關設計[J].計算機測量與控制，2014，22（3）：863-878.

[責任編輯：湯靜]