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城市道路照明越來越多采用LED照明技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照明技術(shù)，其目的是為了降低對(duì)電能的消耗。由于LED使用低壓直流電源，便于附加檢測(cè)與控制電路，這對(duì)路燈網(wǎng)絡(luò)的智能化管理，進(jìn)一步節(jié)能降耗帶來了方便。對(duì)于路燈網(wǎng)絡(luò)的管理與控制，既可以采用電力載波通信技術(shù)，也可技術(shù)的快速發(fā)展，使得短距離無線通信技術(shù)在應(yīng)用成本、可靠性與通信速率等方面均已優(yōu)于電力載波通信技術(shù)，例如Zigbee短距離無線通信技術(shù)。本文提出一種解決方案，采用短距離無線通信技術(shù)構(gòu)建LED路燈無線傳感網(wǎng)絡(luò)，能對(duì)LED路燈網(wǎng)絡(luò)任意單盞燈或多盞燈或全網(wǎng)絡(luò)所有燈進(jìn)行開關(guān)、調(diào)光等控制，進(jìn)行發(fā)光亮度、電流參數(shù)等檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED路燈網(wǎng)絡(luò)的智能化管理。作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)，其體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含四個(gè)基本層次：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。LED路燈無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層集成在一起，采用單跳、雙跳以及變跳3種接力通信模式作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)。本文圍繞LED無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼巴ㄐ殴?jié)點(diǎn)的組成為基礎(chǔ)，論述了網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議包格式、路由工作原理，以及節(jié)點(diǎn)通信的設(shè)計(jì)流程。

網(wǎng)絡(luò)體系

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系是網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)路由的基礎(chǔ)，包括節(jié)點(diǎn)組成及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

路燈傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成

路燈網(wǎng)絡(luò)由間隔均勻的若干盞路燈組成，每一盞LED路燈均為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，用來構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)。圖1所示，為構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)LED路燈節(jié)點(diǎn)的組成，除了照明部分的電路外，還附加了對(duì)LED電流的采樣、LED發(fā)光亮度的檢測(cè)、以及對(duì)LED發(fā)光亮度的PWM控制等電路。每一盞LED路燈既是傳感器節(jié)點(diǎn)也是網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn);每一個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)微控制器(MCU，如cc2530)，都具有射頻通信功能，既能發(fā)送信號(hào)也能接收信號(hào);每一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有32bit(位)的唯一ID號(hào)。通過在物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層的協(xié)議，所有這些節(jié)點(diǎn)有機(jī)地組合在一起，便構(gòu)成了LED路燈無線傳感網(wǎng)絡(luò)。由于現(xiàn)有的一些網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層協(xié)議如Zigbee、RF4CE等并不是很適合LED路燈傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因此，需要重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

根據(jù)LED路燈的分布規(guī)律，每盞LED路燈作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，(a)是信號(hào)逐點(diǎn)(單跳)接力傳送拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，(b)是信號(hào)隔點(diǎn)(雙跳)接力傳送拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。為便于下文網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議的設(shè)計(jì)與討論，作出如下定義：

(1)所有節(jié)點(diǎn)可分為2類，即LED路燈節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱LED節(jié)點(diǎn)，如a1 a2 … an , b1 b2 … bn)和路燈控制器節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱控制節(jié)點(diǎn),如a,b);

(2)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離均為L(zhǎng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)覆蓋半徑大于等于2L;

(3)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置，節(jié)點(diǎn)可分為前驅(qū)節(jié)點(diǎn)與后繼節(jié)點(diǎn)，離控制器近的是前趨節(jié)點(diǎn)，離控制器遠(yuǎn)的是后繼節(jié)點(diǎn)。例如a1是a2前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，a3是a2后繼節(jié)點(diǎn);同理b2是b4前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，b6是b4后繼節(jié)點(diǎn)，以此類推。

(4)控制節(jié)點(diǎn)與LED節(jié)點(diǎn)之間，LED節(jié)點(diǎn)相互之間，只要無線信號(hào)可以覆蓋到,都可以相互通信，不需要設(shè)基站或?qū)ｉT的路由協(xié)調(diào)裝置。

(5)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的32bit唯一ID號(hào)由兩部分組成，分別為網(wǎng)絡(luò)ID和節(jié)點(diǎn)地址(編號(hào))，均為16bit。同一路燈網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)ID相同;從控制節(jié)點(diǎn)開始，節(jié)點(diǎn)地址由小到大順序編排。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

路燈傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括協(xié)議包的定義與路由協(xié)議的定義，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是簡(jiǎn)單、實(shí)用，易實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包格式

路燈傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)男畔灿?種類型，分別為命令包、參數(shù)包以及應(yīng)答確認(rèn)包。

(1)命令包

圖3(a)所示，為控制器節(jié)點(diǎn)對(duì)LED路燈節(jié)點(diǎn)下發(fā)的命令包格式。命令有三種類型：針對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有LED節(jié)點(diǎn)的廣播命令、針對(duì)部分LED節(jié)點(diǎn)的群組命令以及針對(duì)單個(gè)LED節(jié)點(diǎn)的單點(diǎn)命令。

命令包各字段定義如下：

包類型：為1;

目的地址：為指定LED節(jié)點(diǎn)的地址;

包序列號(hào)：為向指定節(jié)點(diǎn)發(fā)送的包編號(hào);

接力模式：為1時(shí)，表示單跳模式;為2時(shí)，表示雙跳模式偶鏈;為3時(shí)，表示雙跳模式奇鏈;

命令字段的定義方法見表1，表1只列出了部分命令，實(shí)際中可以根據(jù)需要增加命令;

表1 命令包命令字段定義

命令參數(shù)字段：用來表示調(diào)光的亮度，數(shù)值越小LED發(fā)光亮度越低，耗電越少，數(shù)值為 0時(shí)表示關(guān)燈;

跳數(shù)：命令傳送到目的地址所需經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)數(shù)，最大值為路燈網(wǎng)絡(luò)所有LED節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。傳送命令包時(shí)，每經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)一次則跳數(shù)減1，當(dāng)跳數(shù)值為0時(shí)，命令包不再被轉(zhuǎn)發(fā)。