專利名稱：基于wsn的城市路燈節(jié)能控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，屬于城市路燈節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的路燈控制器只能實(shí)現(xiàn)對(duì)一條線路的控制，也就是只能實(shí)現(xiàn)線控，不能對(duì)單個(gè)路燈 進(jìn)行控制，比如路燈的隔一亮一等控制模式非常麻煩，需要人為進(jìn)行各燈桿控制或者在布線 的時(shí)候單獨(dú)走線，這非常不利于對(duì)現(xiàn)有的路燈系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。現(xiàn)有的路燈控制系統(tǒng)是在 每個(gè)路燈變壓器位置處放置控制裝置和GPRS (通用無線分組業(yè)務(wù))通信模塊，控制中心通過 發(fā)指令將整條線路的燈進(jìn)行開啟或關(guān)閉的控制，也不能實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的調(diào)光控制。無法真正實(shí) 現(xiàn)"分時(shí)間、分路段、分情景"的按需亮燈模式。
另一方面，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系統(tǒng)(S0C， System on Chip)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks, WSNs),并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來 了信息感知的一場(chǎng)變革。WSN (無線傳感器網(wǎng)絡(luò))為大規(guī)模、無線、自組織、多瑕L無分區(qū)、 無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的、成本較低、體積較小，大部分節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)，被 散布在工作區(qū)域，要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有盡可能長的工作時(shí)間，是由"無所不能"的嵌入式智能傳 感器硬件+ "無所不在"的新型無線個(gè)人局域通信網(wǎng)+ "無所不包"的信息分析處理系統(tǒng)軟件 三部分，組成的實(shí)時(shí)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有路燈控制技術(shù)存在的不足，提供一種實(shí)現(xiàn)分時(shí)間、分路段、分情景 按需亮燈模式的基于WSN的城市路燈節(jié)能控制裝置。
本實(shí)用新型的基于WSN的城市路燈節(jié)能控制裝置采用以下技術(shù)方案
基于WSN的城市路燈節(jié)能控制裝置包括節(jié)點(diǎn)模塊、控制模塊和協(xié)調(diào)器，節(jié)點(diǎn)模塊和控制 模塊安裝在每個(gè)路燈上，節(jié)點(diǎn)模塊包括射頻模塊和微處理器(CPU),射頻模塊和微處理器均 通過插針的方式連接到控制模塊上， 一個(gè)區(qū)域內(nèi)的路燈上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊與一個(gè)協(xié)調(diào)器采用 無線接力方式通信連接，控制模塊包含一個(gè)變壓器和繼電器，各個(gè)協(xié)調(diào)器通過GPRS與通用 RTU (Remote Terminal Unit,遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng))進(jìn)行通信連接。
協(xié)調(diào)器實(shí)質(zhì)上就是一臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)，利用射頻模塊與各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接通信，完成網(wǎng)絡(luò)內(nèi) 節(jié)點(diǎn)的初始長地址的分配，作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)。
本實(shí)用新型將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于城市路燈節(jié)能控制領(lǐng)域，不需要增加過多的資 金和人力投入，只需要在每個(gè)燈桿上加裝此控制器，在原有的路燈變壓器處安裝協(xié)調(diào)器，就 可順利實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的單燈控制?？纱蟠蠼档蛯?duì)原來線路的改造投入，且技術(shù)先進(jìn)，控制實(shí)現(xiàn) 方便，有效降低路燈能耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈故障及線路老化的主動(dòng)報(bào)警，有效減少對(duì)路燈巡檢人 員的工作量，且體積小，極大地方便了工作人員的安裝。

圖1是本實(shí)用新型的原理示意圖。
圖2是本實(shí)用新型中的節(jié)點(diǎn)模塊中的射頻模塊電路原理圖。圖3是節(jié)點(diǎn)模塊中的微處理器(CPU)電路原理圖。圖4是控制模塊中的電源模塊原理圖。圖5是控制模塊中的繼電器電路原理圖。圖6是控制模塊中的控制板互感器采樣電路原理圖。圖7是協(xié)調(diào)器的電路原理圖。圖中1、節(jié)點(diǎn)模塊，2、射頻模塊，3、微處理器(CPU), 4、控制模塊，5、協(xié)調(diào)器，6、 RTU， 7、變壓器，8、繼電器，9、 RTU (Remote Terminal Unit,遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng))，具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型的基于WSN的城市路燈節(jié)能控制裝置包括節(jié)點(diǎn)模塊1、控制模 塊4和協(xié)調(diào)器5，每個(gè)路燈上均安裝有節(jié)點(diǎn)模塊1和控制模塊4，節(jié)點(diǎn)模塊1包括射頻模塊2 和微處理器(CPU) 3，射頻模塊2和微處理器3均通過插針的方式連接到控制模塊4上。各 個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊與協(xié)調(diào)器5之間采用無線接力方式通信，控制模塊4包含一個(gè)變壓器7和繼電器 8。 一個(gè)區(qū)域內(nèi)的路燈上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊與一個(gè)協(xié)調(diào)器5采用無線接力方式通信連接，各個(gè)協(xié) 調(diào)器通過GPRS通信模塊6與通用的RTU (遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng))9進(jìn)行通信連接。射頻模塊2的電路原理如圖2所示，采用的是2.4GHz的ISM (工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)免執(zhí) 照頻段。射頻芯片采用Chipcon公司的CC2500，數(shù)據(jù)傳輸具有高靈敏度和可靠性，支持?jǐn)?shù)率 L2Kbps—250Kbps，且有多個(gè)信道可進(jìn)行切換，配合倒"F"型微帶天線，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和 接收。有效傳輸距離為80—120m，可滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各種通信需要。CC2500中可對(duì) 254個(gè)地址進(jìn)行地址辨識(shí)，如果實(shí)際中滿足不了需要，可將此功能關(guān)閉，在CPU中進(jìn)行64位 長地址的分配，保證全球唯一的節(jié)點(diǎn)地址，完全可滿足任何地址分配的需要。射頻部分完成 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的一些任務(wù)。微處理器(CPU) 3的電路原理如圖3所示，采用的是Microchip公司的低功耗PIC24F 系列芯片，并加入了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RT0S),可保證節(jié)點(diǎn)的可靠運(yùn)行。CPU部分是整個(gè) 節(jié)點(diǎn)的心臟，它管理著整個(gè)節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)的采集、處理等功能。此芯片具有多路1/0，接 不同傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的采集，經(jīng)過處理后，可將有用數(shù)據(jù)通過射頻部分發(fā)射出去，也 可輸出到控制模塊4，使繼電器8執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而完成對(duì)路燈的開啟調(diào)光等控制。根 據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，可使節(jié)點(diǎn)工作于休眠等模式。在本裝置中，它還可完成對(duì)節(jié)點(diǎn)地址的自 動(dòng)分配功能，大大減輕了燒寫程序的負(fù)擔(dān)。節(jié)點(diǎn)模塊1有一路模擬輸入，采集路燈的工作電流值， 一方面可檢測(cè)到路燈是否出現(xiàn)故 障，另一方面可根據(jù)電流的大小判斷路燈的老化情況。且可對(duì)故障進(jìn)行主動(dòng)檢測(cè)，主動(dòng)報(bào)警。 節(jié)點(diǎn)模塊l與協(xié)調(diào)器5之間的通信采用無線接力即多跳的方式進(jìn)行，由于兩個(gè)同側(cè)相臨的路 燈燈桿之間距離為30m—50m，為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，萬一有鄰居節(jié)點(diǎn)模塊1出現(xiàn)通信故 障，采用相對(duì)面一側(cè)的鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確送達(dá)目的燈桿的方式?？刂颇K4中的電源模塊如圖4所示，通過變壓器7取路燈燈桿上的高壓電，轉(zhuǎn)換成節(jié) 點(diǎn)模塊1和控制模塊4所需要的電壓。圖5給出了控制模塊中的繼電器電路原理圖，繼電器 8實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的各種控制功能如開啟、調(diào)光等?？刂颇K4放置在每個(gè)路燈燈桿的控制槽部 位，就地取電源，并在目前的變壓器位置放置協(xié)調(diào)器5。圖6給出了控制模塊中的控制板互 感器采樣電路原理圖。協(xié)調(diào)器5的電路原理圖如圖7.所示，協(xié)調(diào)器5實(shí)質(zhì)上就是一臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)，利用射頻模塊2與各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接通信，完成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的初始長地址的分配，作為 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)。管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的工作主要包括發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi) 存在的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。發(fā)送對(duì)路燈的控制命令，定時(shí)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器5除了完成 對(duì)路口各路燈的集中控制外，可與通用的RTU接口，比如GPRS、 RS485或RS232方式與主控 制中心相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的控制方式有集中控制，分散控制，故障診斷與主動(dòng)報(bào)警。協(xié) 調(diào)器的故障檢測(cè)可由上一級(jí)的系統(tǒng)管理中心實(shí)現(xiàn)。各個(gè)路燈的控制模塊4有兩路輸出控制， 一路為開關(guān)量，控制副道的燈光，即不用的時(shí) 候可直接關(guān)掉； 一路為調(diào)光輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)主干道的調(diào)光控制。無線節(jié)點(diǎn)模塊1和控制模塊4安裝在每個(gè)路燈的燈頭位置，然后將協(xié)調(diào)器5安裝在現(xiàn)有 的變壓器位置處，通過串口與RTU進(jìn)行通信，完成指令的解析和轉(zhuǎn)換功能。為了對(duì)每個(gè)路燈 進(jìn)行識(shí)別，需要對(duì)其所在的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的編號(hào)，也就是說每個(gè)協(xié)調(diào)器5管理這一個(gè)小網(wǎng)， 然后各協(xié)調(diào)器5通過GPRS與控制中心聯(lián)系，組成一個(gè)完成的大控制網(wǎng)。每個(gè)協(xié)調(diào)器有不同的 網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，安裝在每個(gè)路燈上的節(jié)點(diǎn)也要配置成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)編號(hào)。這樣在通信的時(shí)候只要找 到了其所在的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，然后沿著地址號(hào)就能鎖定其所在的具體位置。為了減小通信負(fù)擔(dān)，在 小網(wǎng)內(nèi)通信可采用16位的短地址。也就是說網(wǎng)絡(luò)號(hào)加短地址就可唯一確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。 安裝的時(shí)候?qū)Φ刂返姆峙洳捎靡詤f(xié)調(diào)器為中心向外輻射，地址號(hào)逐漸增大。這樣可大大減少 通信處理負(fù)擔(dān)，有效降低通信阻塞和數(shù)據(jù)冗余，延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命，雖然目前是采用變壓 器供電，但為了確定聯(lián)系不到節(jié)點(diǎn)的時(shí)候到底是什么原因，可對(duì)其采用雙供電的方式，也就 是當(dāng)變壓器變壓有效的時(shí)候，采用變壓器供電，無效的時(shí)候由電池供電。這樣，當(dāng)發(fā)生故障 的時(shí)候就可以迅速確定是高壓故障還是路燈故障等，大大降低巡燈人員的工作量。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù) 據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)過程中出現(xiàn)鏈路故障使，可采用備用鏈路進(jìn)行通信，也就是說對(duì)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)可采用 不同的路徑對(duì)其進(jìn)行控制，完成指令中需要的功能，增加了系統(tǒng)的健壯性。 本實(shí)用新型的工作過程是整個(gè)裝置安裝完畢后，就開始上電，系統(tǒng)初始化，然后執(zhí)行鄰居發(fā)現(xiàn)命令，找到節(jié)點(diǎn)自 身周圍的鄰居。協(xié)調(diào)器根據(jù)預(yù)設(shè)的指令進(jìn)行工作，當(dāng)通過通用RTU接收到上一級(jí)管理中心發(fā) 來的指令后，對(duì)命令進(jìn)行解析，判斷出是什么指令，然后轉(zhuǎn)化成本小網(wǎng)內(nèi)能識(shí)別的指令后轉(zhuǎn) 發(fā)給周圍的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)的功能。節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，判斷是否是發(fā)給自己的 數(shù)據(jù)，如果是，進(jìn)行處理，如果不是，判斷是否需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如需轉(zhuǎn)發(fā)則轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的節(jié) 點(diǎn)，如不需要轉(zhuǎn)發(fā)則做丟棄處理。節(jié)點(diǎn)如果檢測(cè)到路燈有故障則按照一定的路徑將信息上報(bào) 到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器處理后利用通用RTU將數(shù)據(jù)發(fā)送到上一級(jí)管理中心。如果需要對(duì)全網(wǎng)路 燈的運(yùn)行情況進(jìn)行查詢，則可發(fā)送査詢命令，這樣各節(jié)點(diǎn)要將自身的故障信息全都上報(bào)給協(xié) 調(diào)器，而后到達(dá)控制中心。
權(quán)利要求1.一種基于WSN的城市路燈節(jié)能控制裝置，包括節(jié)點(diǎn)模塊、控制模塊和協(xié)調(diào)器，其特征是節(jié)點(diǎn)模塊和控制模塊安裝在每個(gè)路燈上，節(jié)點(diǎn)模塊包括射頻模塊和微處理器，射頻模塊和微處理器均通過插針的方式連接到控制模塊上，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的路燈上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊與一個(gè)協(xié)調(diào)器采用無線接力方式通信連接，控制模塊包含一個(gè)變壓器和繼電器，各個(gè)協(xié)調(diào)器通過GPRS與通用RTU進(jìn)行通信連接。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種基于WSN的城市路燈節(jié)能控制裝置，該控制裝置包括節(jié)點(diǎn)模塊、控制模塊和協(xié)調(diào)器，節(jié)點(diǎn)模塊和控制模塊安裝在每個(gè)路燈上，節(jié)點(diǎn)模塊包括射頻模塊和微處理器，射頻模塊和微處理器均通過插針的方式連接到控制模塊上，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的路燈上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊與一個(gè)協(xié)調(diào)器采用無線接力方式通信連接，控制模塊包含一個(gè)變壓器和繼電器，各個(gè)協(xié)調(diào)器通過GPRS與通用RTU(遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng))進(jìn)行通信連接。本實(shí)用新型控制實(shí)現(xiàn)方便，有效降低路燈能耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈故障及線路老化的主動(dòng)報(bào)警，有效減少對(duì)路燈巡檢人員的工作量，且體積小，極大地方便了工作人員的安裝。
文檔編號(hào)H05B37/02GK201303452SQ20082022496
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者杜曉通, 雷 王, 艾茂良 申請(qǐng)人:雷 王