实现LED路灯网络的智能监控

城市道路照明越来越多采用LED照明技术代替传统的照明技术，其目的是为了降低对电能的消耗。由于LED使用低压直流电源，便于附加检测与控制电路，这对路灯网络的智能化管理，进一步节能降耗带来了方便。对于路灯网络的管理与控制，既可以采用电力载波通信技术，也可技术的快速发展，使得短距离无线通信技术在应用成本、可靠性与通信速率等方面均已优于电力载波通信技术，例如Zigbee短距离无线通信技术。本文提出一种解决方案，采用短距离无线通信技术构建LED路灯无线传感网络，能对LED路灯网络任意单盏灯或多盏灯或全网络所有灯进行开关、调光等控制，进行发光亮度、电流参数等检测，从而实现对LED路灯网络的智能化管理。作为无线传感网络，其体系结构应该包含四个基本层次：物理层和数据链路层、网络层以及应用层。LED路灯无线传感网络采用IEEE 802.15.4标准作为其物理层和数据链路层的技术标准，网络层与应用层集成在一起，采用单跳、双跳以及变跳3种接力通信模式作为网络协议的基础。本文围绕LED无线传感网络的体系结构，以网络拓扑及通信节点的组成为基础，论述了网络层的协议包格式、路由工作原理，以及节点通信的设计流程。

1 网络体系
LED无线传感网络的网络体系是网络层实现路由的基础，包括节点组成及网络拓扑结构。
1.1 LED路灯传感网络节点的组成
LED路灯网络由间隔均匀的若干盏路灯组成，每一盏LED路灯均为网络的一个通信节点，用来构建无线传感网络。图1所示，为构建无线传感网络LED路灯节点的组成，除了照明部分的电路外，还附加了对LED电流的采样、LED发光亮度的检测、以及对LED发光亮度的PWM控制等电路。每一盏LED路灯既是传感器节点也是网络路由节点；每一个节点包含一个微控制器（MCU，如cc2530），都具有射频通信功能，既能发送信号也能接收信号；每一个节点具有32bit（位）的唯一ID号。通过在物理层和MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准，结合网络层与应用层的协议，所有这些节点有机地组合在一起，便构成了LED路灯无线传感网络。由于现有的一些网络层与应用层协议如Zigbee、RF4CE等并不是很适合LED路灯传感网络应用，因此，需要重新设计网络层与应用层协议。


图1 LED路灯节点的组成


1.2 网络拓扑
根据LED路灯的分布规律，每盏LED路灯作为网络节点构成无线通信网络，其拓扑结构如图2所示，（a）是信号逐点（单跳）接力传送拓扑结构图，（b）是信号隔点（双跳）接力传送拓扑结构图。为便于下文网络应用协议的设计与讨论，作出如下定义：
（1）所有节点可分为2类，即LED路灯节点(简称LED节点，如a1 a2 … an , b1 b2 … bn)和路灯控制器节点(简称控制节点,如a,b)；
（2）相邻节点之间的距离均为L，每个节点的无线信号覆盖半径大于等于2L；
（3）根据节点的相对位置，节点可分为前驱节点与后继节点，离控制器近的是前趋节点，离控制器远的是后继节点。例如a1是a2前驱节点，a3是a2后继节点；同理b2是b4前驱节点，b6是b4后继节点，以此类推。


图2 网络拓扑结构示意图


（4）控制节点与LED节点之间，LED节点相互之间，只要无线信号可以覆盖到,都可以相互通信，不需要设基站或专门的路由协调装置。
（5）每个节点的32bit唯一ID号由两部分组成，分别为网络ID和节点地址（编号），均为16bit。同一路灯网络所有节点的网络ID相同；从控制节点开始，节点地址由小到大顺序编排。 
        
2 网络协议
LED路灯传感网络协议包括协议包的定义与路由协议的定义，其设计目标是简单、实用，易实现。
2.1 网络协议包格式
LED路灯传感网络协议传输的信息包共有3种类型，分别为命令包、参数包以及应答确认包。[page]


图3 网络协议包格式


（1）命令包
图3(a)所示，为控制器节点对LED路灯节点下发的命令包格式。命令有三种类型：针对整个网络所有LED节点的广播命令、针对部分LED节点的群组命令以及针对单个LED节点的单点命令。
命令包各字段定义如下：
包类型：为1；
目的地址：为指定LED节点的地址；
包序列号：为向指定节点发送的包编号；
接力模式：为1时，表示单跳模式；为2时，表示双跳模式偶链；为3时，表示双跳模式奇链；
命令字段的定义方法见表1，表1只列出了部分命令，实际中可以根据需要增加命令；
表1 命令包命令字段定义



命令参数字段：用来表示调光的亮度，数值越小LED发光亮度越低，耗电越少，数值为 0时表示关灯；
跳数：命令传送到目的地址所需经过的节点数，最大值为路灯网络所有LED节点的数量。传送命令包时，每经转发一次则跳数减1，当跳数值为0时，命令包不再被转发。
（2）参数包
图3(b)所示，为LED路灯网络节点上传的参数包格式。控制节点可采用定时轮询或即时查询方式获取网络内各LED节点的状态参数，如电流值、发光亮度值等，各LED节点只有在接到读取参数的命令后才会向控制节点发送参数包。参数包各字段定义如下：
包类型：为2；
源地址：为上传参数LED节点的地址；
包序列号：为上传参数LED节点发出的参数包编号；
接力模式：由于只有在节点收到读取状态参数命令后才会发送参数包，因此，参数包的接力模式由命令包的接力模式确定；
状态标志：为0，表示对应LED节点无故障；为1，表示对应节点有故障；为2，表示对应节点及后继节点有故障；
状态参数1－3：为LED节点的有关参数，如电流值、电压值以及LED的发光亮度值等。
（3）应答确认包
图3(c)所示，为应答确认包格式。为了实现可靠传输，每个节点在收到命令包或参数包后需要发送应答确认信息包。如果信息包的发送（转发）方在设定的时间内没有收到应答确认包，则会启动对该信息包的重新发送。应答确认包各字段的数值定义如下：
包类型：为3；
节点地址：发出确认应答包节点的地址。
确认类型：收到信息包的包类型；
确认号：为节点收到信息包的包序列号；

2.2 网络路由协议LED路灯传感网络路由协议的核心是各节点对信息包的转发机制。由于每一个节点的信号覆盖范围有限，其信息只能向邻近的节点发送，如要将信息送往远处节点则只能依赖中间节点的多次转发。根据前述1.2定义的条件，节点转发信息包可以分为三种模式,即单跳接力模式，双跳接力模式和变跳接力模式，各LED节点将根据信息包中接力模式字段的定义进行选择。
2.2.1 单跳接力模式
图2（a）所示，为单跳接力模式的拓扑结构图。它是一个比较简单的转发模式，要求每个节点无线信号覆盖的半径范围大于节点间距L即可，信息包只需往邻近的前驱节点或后继节点转发。在这种模式下，节点处理收到信息包的方法如下：
①节点接收一个命令包（如图3(a)）后，向前驱节点发送接收确认应答包；将命令包中的跳数减1；比较节点自身地址（NA）与命令包中目标地址的大小，相等则执行包中的命令且无须转发命令包，不等则向后继节点转发该包；如果是广播命令(目标地址值为0xffff)，既在本节点执行该命令同时也向后继节点转发该命令包。转发时的路由地址为:NA+1。当命令包传送到网络中的最后一个LED节点时，跳数减1后将为0，包将不再被转发。 
②节点接收到参数包（如图3(b)）后，只需向后继节点发送接收确认包和向前驱节点转发，转发参数包的路由地址为：NA-1。
③节点收到命令包或参数包后，必须发送接收确认包（如图3(c)），当收到命令包时，确认类型值为1,发送应答确认包的路由地址为NA-1；当收到参数包时确认类型值为2, 发送应答确认包的路由地址为NA+1。    
2.2.2 双跳接力模式
图2（b）所示，为双跳接力模式的拓扑结构图。这种模式要求每一个节点的无线信号覆盖半径范围≥2L。从图2可知，双跳接力模式每次跨越两个节点，传送信息包到指定节点的转发次数比单跳接力模式要少一半，因此其传送时延也要小。在双跳接力模式下，将整个网络所有LED节点按照其地址值的奇偶性分成2个接力链，即奇地址节点链和偶地址节点链。控制节点发送广播命令时，需要针对奇地址节点链和偶地址节点链分别发送，命令信息包分别在奇地址节点链和偶地址节点链上同时传播。在双跳接力模式下，节点处理收到信息包的方法如下：
①节点接收到命令包后的处理方法与单跳接力模式基本相同，但包转发时的路由地址变为：NA+2。
②同样节点接收到数据包后的处理方法也与单跳接力模式基本相同，只是在包转发时的路由地址变为：NA-2。
③节点收到命令包或参数包后，必须发送接收确认包，当收到命令包时，确认类型值为1,发送应答确认包的路由地址为NA-2；当收到参数包时确认类型值为2, 发送应答确认包的路由地址为NA+2。
无论是单跳接力模式还是双跳接力模式，节点发送命令信息包或参数信息包后，在规定的时间内未收到确认信息包，则需要重发，重发次数一般不超过3次。
2.2.3 变跳接力模式
变跳接力模式实际上是单跳接力模式和双跳接力模式的一种补充，主要用于下一跳节点出现通信故障时。在单跳接力模式或双跳接力模式工作时，如果在多次重发后仍收不到下一跳节点的应答确认信息包，说明下一跳节点出现了通信故障。这时通过改变接力模式，由单跳变双跳或者由双跳变单跳可以绕开下一跳有通信故障的节点，继续信息包的接力传送。同时，将故障节点的相关信息反馈到控制节点。变跳接力模式要求每一个节点的无线信号覆盖半径范围≥2L。变跳接力模式分为两种情况：
（1）初始传送为单跳接力模式
设LED节点i的地址为NAi，当LED节点i以单跳模式转发命令包（或参数包）时，即使重发，仍然收不到LED节点i+1（或i-1）的确认包，于是断定下一跳节点出现故障。这时如果传送的是命令包则从①开始执行，如果传送的是参数包则执行②，因为故障节点在传命令包时已遇上，传送参数包时遇故障节点无须重复报告故障信息。
①LED节点i向控制节点报告故障节点信息。此时，节点i向控制节点发送参数包，包的状态参数置为1，源地址为故障节点的地址，即NAi+1，发送参数包的路由地址为NAi-1。
②改变接力模式为双跳模式，将信息包转发给节点i+2（或i-2），以绕开故障节点，路由地址为NAi+2（或NAi-2），若能收到应答确认包，则本节点转发完成，否则说明遇上了两个或两个以上连续故障节点，需继续执行③。
③如果此时传送的是命令包，则LED节点i需向控制节点报告故障节点状态信息，状态参数包的状态标志置为2，源地址为故障节点的地址，即NAi+2，发送参数包的路由地址为NAi-1。随后，转发中止。
（2）初始传送为双跳接力模式
当LED节点i（地址为NAi）欲以双跳接力模式转发命令包（或参数包）时，必须对包进行分析，根据接力模式字段的值为2或3，可以判定当前为偶地址链或奇地址链接力模式。当NAi的值为奇数，跳变模式为奇链，或者NAi的值为偶数，跳变模式为偶链时，执行如下步骤①；当NAi的值为奇数，跳变模式为偶链，或者NAi的值为偶数，跳变模式为奇链时，执行如下步骤②；
①节点i以双跳接力模式转发命令包（或参数包），路由地址为NAi+2（或NAi-2），如果收不到应答确认，则下一跳节点出现故障。如果这时转发的是命令包，则需向控制节点报告故障，往其前驱节点i-2发送故障信息参数包，路由地址为NAi-2，故障信息参数包的源地址（即故障节点的地址）为NAi+2,状态标志为1。同时，改用单跳接力模式将信息包转发给节点i+1（或i-1），以绕开故障节点，转发的路由地址为NAi+1（或NAi-1）；若能收到确认包，则本节点转发完成，否则执行③；
②节点i改为单跳接力模式转发命令包（或参数包），路由地址为NAi+1（或NAi-1），若能收到确认包，则本节点转发完成,否则，再改用双跳接力模式转发，将信息包转发给节点i+2（或i-2），以绕开故障节点，转发的路由地址为NAi+2（或NAi-2）；若能收到确认包，则本节点转发完成，否则执行③；
③说明遇上了两个或两个以上连续故障节点，LED节点i需向控制节点报告故障节点信息。此时，节点i向控制节点发送故障参数包的状态标志为2，源地址为故障节点的地址，即NAi+1，发送参数包，路由地址为NAi-1。随后转发中止。
上述变跳接力模式能解决分散的单个通信故障节点接力传送问题。但当网络中出现连续2个或2个以上通信故障节点时，则只能报告故障节点位置而不能再继续接力传送。若要解决连续多故障节点的问题，既需要改变接力算法，也需要各节点的无线信号覆盖半径范围更大。 [page]
        
3 网络节点工作流程与协议实现
LED路灯传感网络上的每一个节点，既是命令执行与状态参数采集的终端节点，也是路由协调工作节点。各节点除了接收到信息包进入处理流程外，其余时间几乎都处在监听查询状态，检查是否收到信息包。图4所示为LED路灯传感网络节点的工作流程，它是网络协议在节点上实现过程的描述。


图4 LED传感网络节点的工作流程

4 结束语
通过网络体系、网络协议、网络节点工作流程与协议实现等几个部分的详细介绍，析构了LED路灯无线传感网络的组成，希望能为LED路灯无线传感网络的应用起到抛砖引玉的作用。LED路灯无线传感网络构建的基础是点到点的通信技术，命令信息要覆盖全网络需要点到点的通信技术来完成，良好的网络协议是组建传感网络的关键所在，简易可行的网络协议是实用化的前提。实际应用表明，上述方法构建的LED路灯无线传感网络具有良好的实时性，能稳定、可靠地工作，能满足对LED路灯网络的智能化管理要求。