基于ZigBee与移动4G的风光互补路灯监控系统

谢磊　邹鹏举

【摘 要】本文介绍了一种基于ZigBee无线传感网络通信协议与移动4G无线网关的风光互补路灯远程监控系统，每盏路灯对应一个监控节点，用于采集风光互补路灯各部分的运行参数及控制其运行状态。网关搭配4G移动通信模块与ZigBee射频模块，实现底层节点与上位机的通信。采用二叉树形式的网状网，每个父节点都有路由转发功能，解决了ZigBee通信距离短、路灯监控节点分布散矛盾，实现低成本、远距离、高效率监控风光互补路灯的目的。

【关键词】ZigBee；4G；无线网关；二叉树

【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

路灯是我们生活中最常见的基础设施，它点亮了漆黑的夜间道路，保证了行人的安全。但路灯耗电大、长距离的输电线路建设成本高，这导致了我国许多市郊特别是偏远地区的公路和高速公路没有安装路灯。

风光互补路灯利用太阳能与风能天然的互补性，不间断地发电并存储在蓄电池中，供路灯使用。一次安装永久使用，无需外界供电，免去了传统路灯的布线成本和使用过程中的电能消耗。风光互补控制器实现了太阳能电池板与风机发电的最大功率追踪、发电过多卸荷、蓄电池智能充放电等功能。然而，由于路灯的工作工作环境较恶劣，如遇上连续无风的阴天蓄电池的电量入不敷出，正常的路灯开启可能导致蓄电池的极大损坏。且风光互补路灯的各组成部分可能出现随机的故障，必须对路灯运行过程中的各部分参数监管，及时发现并解决问题[1]。

无线传感网是多个传感器节点组成的一种网络，用于采集和处理该网络覆盖范围内的感知对象的信息，并上传给观察者，观察者再根据监测数据做出相应的策略。每盏路灯配置一个节点，用于采集风机、太阳能电池板、蓄电池的电压电流、当前光照强度等参数，并可上位机控制路灯的开关、蓄电池的充放电。

节点间通过ZigBee协议栈组成网状网，并通过移动4G无线网关与上位机建立通信。监控中心采取有效地监管机制，如恶劣天气时单号天时只开单号路灯、缩短照明时间、调整路灯亮度灯方式，能保证风光互补路灯连续稳定的运行。

1 系统总体设计方案

ZigBee与移动4G的风光互补路灯监控系统主要由风光互补路灯、ZigBee无线监控节点、4G网关和远程终端等组成。监控系统拓扑图如图1所示。

每盏路灯配置一个监控节点，由N盏路灯监控节点组成ZigBee无线监控网络。本网络采用二叉树形式的网状网，编号为单号的节点均为父节并具有路由转发功能。其中，1号节点为最上层节点，直接与网关通信，并负责与2、3号节点通信，为其父节点；同时，3号节点为4、5号节点的父节点。5号节点为6、7号节点的父节点……。当n+1个节点需要上传数据时，先将数据转发给其父节点，编号为n，n号节点再将数据转发至其父节点n-1。层层上传，数据最终转发至网关，并通过4G基站到达远程监控终端。同理，监控终端下发的控制命令由1号节点，层层往下转发，最终到达目的节点。

网关是ZigBee传感网与Internet连接的桥梁。外置：ZigBee无线通信节点，与底层无线监控网络通信；移动4G通信模块，以4G基站为枢纽接入Internet，从而实现与远程监控主机的通信。

系统以1号节点为ZigBee网络汇聚节点，组成二叉树形式的网状网络，数据通过父节点层层转发，仅用一台网关便能实现几公里甚至几十公里范围内的风光互补路灯的监控。

2 硬件设计

2.1 监控节点硬件设计

风光互补路灯无线监控节点需采集路灯的各部分工作参数，包括太阳能电池板、风力发电机、蓄电池电流电压、光照强度等，并可控制路灯的开关。所有的参数信息和控制信息均通过一个CC2530射频芯片无线发送和接收。节点的硬件设计框架如图2所示。

监控节点以Atmega8为处理器，配置各种功能外围电路。该处理器内部集成较大容量的存储器和硬件接口电路、3个PWM通道、6路10位A/D转换、2个8位定时器和1个I2C串行接口，2.7-5.5V宽工作电压，完全能满足功能需求。节点采集光照强度供参考，决策路灯开关。当蓄电池电压过低时，将决策禁止开启路灯，直至蓄电量恢复。其他参数异常如太阳能电池板输出电压时，则可直接指导维修人员定点定部位地检修，方便快捷效率高。

2.2 4G网关硬件设计

网关起着桥接的功能，连接ZigBee网络与因特网，负责转发两异构网间的数据。通过一个ZigBee无线通信模块与底层无线传感网通信，一个移动4G模块通过4G基站间接与远程监控主机通信。其硬件架构如图3所示[2]。

4G网关以一款三星的ARM11处理器S3C6410为核心，外围扩展RAM、FLASH、复位电路等基本功能单元；射频选择TI公司的CC2530低功耗芯片，串口连接处理器；4G模块选择方格SLM630B，也通过串口连接处理器。S3C6410是一个16/32位RISC微处理器，负责转发数据和驱动4G模块。CC2530是专门针对IEEE802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案，有高达256KB的闪存和20KB的擦除周期，支持ZigBee、6LoWPAN、WirelessHART及其他所有基于802.15.4标准的方案，是本设计方案的首选。方格SLM630B是一款LTE“七模十八频”无线通信模块，采用通用工业标准接口，支持语音、短信、数据及GPS定位，支持电信、移动、联通三4G，并向下兼容3G和2G，使得4G网关可适用于不同环境下的不同运营商。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee无线节点软件设计

本系统ZigBee网络设计为二叉树形网状网，编号为单的节点均为父节点（尾节点除外），均具有路由转发功能。当上位机下发控制命令时，先由1号汇聚节点接收，判断目的节点是否为己，若是则不再往下转发；若不是，则转发给其两个子节点。编号为单的子节点收到数据后，判断目的节点是否为它那一层的节点，是则不再转发，不是则继续往下转发。同理，节点上传数据时，都将数据先转发至其上一层的父节点，再由其父节点经过层层转发，最终送至协调器。数据上行过程较为简单不再阐述，下行过程见图4。

双号节点不具数据转发功能，当收到控制命令时，判断是否自己为目的节点，是则接收、解析并执行控制命令，不是则丢弃。并由其同层的单号节点通过判断目的节点是否在本层决定数据是否继续往下转发。通过这种的二叉树组网方式，每个节点均只与相邻层节点通信，成功地解决了ZigBee通信距离短，而路灯间距远的矛盾。实现了低成本、远距离、高效率监控风光互补路灯的目的。

3.2 网关软件设计

网关是整个系统的中枢部分，网关软件的实现与灵活性也是实现系统整体功能的关键部分。上行传输时，处理器将ZigBee帧格式转换为TD-LTE帧格式，并通过SLM630B模块将数据报文发送至指定的服务器端口；下行传输时，SLM630B模块将TD-LTE帧格式转换成ZigBee帧格式，并通过ZigBee协调器转发给网内的指定节点。4G模块通过发送多种“AT指令”与指定服务器的端口建立连接。数据的传输过程如图5所示，分为上行和下行两种模式[3]。

4 结语

本文结合目前最流行的ZigBee传感网无线通信技术和较前沿的移动4G通信技术，提出了基于二者的风光互补路灯监控系统。该系统无需外界供电，独立运行。除路灯自身器件损耗外，系统运行的唯一资费为4G模块的流量费。本方案效率高，成本低，对于未来风光互补路灯的发展及其监控方式提供了一种良好的设计参考方案。

【参考文献】

[1]林闽，张艳红，修强，等.风光互补路灯控制系统的设计[J].可再生能源，2011（6）：146-149.

[2]贺政，赵小龙.基于Linux系统的4G-WSN无线网关的设计[J].科技视界，2015（12）：5-6.

[3]王志超，刘波，花於峰.基于移动4G与ZigBee无线传感网的网关设计[J].计算机测量与控制，2014，22（3）：863-878.

[责任编辑：汤静]