2015年5月27日
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0 引言
一直以來，我國低壓電網(wǎng)用電側(cè)處于無法遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)，無法獲知漏電流越限信息及故障跳閘原因，更無法對故障進(jìn)行定位和自動隔離，增加一線員工的工作量。若要解決此問題，必須裝設(shè)帶通信型漏電流動作保護(hù)器(下稱智能斷路器)，并把信息實時上傳到主站系統(tǒng)進(jìn)行分析管理。目前常規(guī)的智能斷路器是通過RS-485總線或GPRS模塊無線公網(wǎng)直接與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但RS-485總線傳輸距離短、布線不方便且維護(hù)量大，GPRS模塊無線公網(wǎng)由于智能斷路器的GPRS模塊節(jié)點多，通信費(fèi)用高且與主站連接造成多并發(fā)問題。
本文設(shè)計一種用于低壓配網(wǎng)負(fù)荷及漏電流監(jiān)控的通信管理機(jī)，可與分散在一定區(qū)域范圍內(nèi)的智能斷路器通過自組網(wǎng)的ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，統(tǒng)一管理各個分散的智能斷路器數(shù)據(jù)，并可通過GPRS模塊無線公網(wǎng)與監(jiān)控主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對智能斷路器的遠(yuǎn)程監(jiān)測、分合控制以及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。
通信管理機(jī)擔(dān)負(fù)ZigBee數(shù)據(jù)采集、命令轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)及狀態(tài)量存儲等工作，其具體功能包括：定時采集并存儲低壓線路智能斷路器的電壓、電流、漏電流數(shù)據(jù)，并定時上傳主站；接收主站命令，向智能斷路器發(fā)遙控命令實現(xiàn)智能斷路器的參數(shù)設(shè)置、手自動設(shè)置及開關(guān)分合控制；存儲告警事件并立即上傳主站。
1 通信結(jié)構(gòu)與智能斷路器
1.1 通信結(jié)構(gòu)
通信管理機(jī)通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。與智能斷路器間為ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，各個智能斷路器作為ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通信管理機(jī)為ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議。與主站間為GPRS模塊無線公網(wǎng)，主站擁有固定的IP地址，通信管理機(jī)上電即自動向特定IP的主站申請連接，待主站對連接響應(yīng)后，主站和通信管理機(jī)便建立起透明的數(shù)據(jù)連接。
圖1 通信管理機(jī)通信結(jié)構(gòu)圖
1.2 智能斷路器
智能斷路器是具有數(shù)字化接口，能接收分合閘命令并能將位置信息、狀態(tài)信息等與其它設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)備，集保護(hù)、測量、監(jiān)控于一體，具備人機(jī)對話顯示、存儲和記憶等功能。本文使用的三相和單相智能斷路器選擇適用于低壓電網(wǎng)的通信型剩余電流斷路器，可運(yùn)行在手動或自動控制方式下，自動控制方式下突變漏電流、緩變漏電流、電流或電壓越限智能斷路器自動跳閘，并在實時數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位最后一位表示自動跳閘原因，手動控制方式下不跳閘；其主要外設(shè)包括低壓線路的輸入口和輸出口、狀態(tài)指示燈、分合閘按鈕、RS-485接口和交流電源；該系列斷路器的功能如表1所示(只列出主要功能)，包括讀數(shù)據(jù)、讀參數(shù)、設(shè)置參數(shù)、智能斷路器分合閘及設(shè)置手自動運(yùn)行方式。智能斷路器通過RS-485接口外擴(kuò)ZigBee模塊實現(xiàn)與通信管理機(jī)的ZigBee無線通信，外擴(kuò)的ZigBee模塊包括RS-485接口、RS-485轉(zhuǎn)UART芯片。ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信具有自組網(wǎng)、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，方便通信管理機(jī)對智能斷路器進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢及控制。
表1 智能斷路器主要功能
2 通信協(xié)議設(shè)計
通信管理機(jī)與智能斷路器數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議(具體參見標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645-2007)，下稱“終端規(guī)約”。主要介紹通信管理機(jī)與主站的通信協(xié)議，下稱“主站協(xié)議”。
通信管理機(jī)與主站數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則采用應(yīng)答方式，主站主動召喚數(shù)據(jù)或者通信管理機(jī)在正常工作狀態(tài)下每隔N 分鐘(時間間隔可設(shè)置)主動上報一次數(shù)據(jù)，當(dāng)產(chǎn)生告警信息時，通信管理機(jī)即時上報告警事件。
每幀由幀起始符、數(shù)據(jù)長度、地址域、數(shù)據(jù)單元標(biāo)識域、數(shù)據(jù)單元域、校驗域等組成，如表2所示。
表2 主站協(xié)議通信幀格式
數(shù)據(jù)傳送，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。起始符值為68H，標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)的開始；數(shù)據(jù)長度為原始數(shù)據(jù)除開始碼、數(shù)據(jù)長度、校驗和及結(jié)束碼外的所有數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；地址域為通信管理機(jī)地址，數(shù)據(jù)單元標(biāo)識為傳輸數(shù)據(jù)的類型；數(shù)據(jù)單元為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；校驗和為數(shù)據(jù)長度開始到校驗和之前所有字節(jié)的累加和，不計溢出位；結(jié)束符為16H，標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。對啟動站發(fā)送的無需數(shù)據(jù)返回的命令，從動站校驗通過后一律返回接收正確命令，即系統(tǒng)應(yīng)答報文。對SOE事件的確認(rèn)必須加上當(dāng)前上報的事件計數(shù)器。主站協(xié)議部分?jǐn)?shù)據(jù)單元標(biāo)識如表3所示。
表3 主站協(xié)議部分?jǐn)?shù)據(jù)單元標(biāo)識
3 硬件設(shè)計、
3.1 系統(tǒng)部分
系統(tǒng)部分主要包括中央處理器、存儲系統(tǒng)及其外圍電路。
3.1.1 中央處理器
中央處理器選用digi公司工業(yè)級RCM6710模塊，工作頻率可達(dá)162.5 MHz。相對于C51、DSP芯片，該模塊具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、串口多、外設(shè)豐富、抗干擾能力強(qiáng)及較高性價比等優(yōu)點，滿足配電網(wǎng)通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器要求。
RCM6710模塊擁有一個USB接口、一個以太網(wǎng)口及6個高速UART接口。主要硬件資源及外設(shè)如圖2所示。6個高速UART接口的設(shè)計分別為：串口A通過SP3232芯片提供RS-232通信接口，作為調(diào)試及程序下載口；串口B和D不作開發(fā)；串口C接ZigBee模塊，實現(xiàn)與智能斷路器通信；串口E與中興ME3000GPRS模塊模塊連接，實現(xiàn)與主站間的數(shù)據(jù)交換；串口F通過RSM3485CT芯片提供隔離RS-485通信接口，作為預(yù)留。預(yù)留接口是考慮到系統(tǒng)電路設(shè)計的通用性及可擴(kuò)展性，調(diào)試成功后可用于其它項目。該模塊外設(shè)的串口狀態(tài)指示燈顯示各串口是否處于工作狀態(tài)，板載實時時鐘確保上傳數(shù)據(jù)附帶精確時間。
圖2 通信管理機(jī)硬件框圖
3.1.2 存儲系統(tǒng)
存儲系統(tǒng)包括芯片內(nèi)置存儲器SRAM和板載存儲器。內(nèi)置的SRAM空間1 MB，用于程序運(yùn)行；模塊板載1 MB Serial Flash和4 MB Serial Flash，分別作為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)存儲器存儲的內(nèi)容包括：通信管理機(jī)地址、IP和主動上傳時間間隔及智能斷路器的歷史數(shù)據(jù)、實時上傳數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)置參數(shù)等。所存儲的設(shè)置參數(shù)控制著通信管理機(jī)的運(yùn)行，通信管理機(jī)啟動時，將設(shè)置參數(shù)加載到RAM中進(jìn)行參數(shù)配置，一旦主站對參數(shù)進(jìn)行更改，參數(shù)區(qū)數(shù)據(jù)立即進(jìn)行更新并保存其最新狀態(tài)到Flash中。主站查詢智能斷路器的數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)只需訪問通信管理機(jī)的存儲系統(tǒng)，無需再下發(fā)智能斷路器。
3.2 接口部分
接口電路包括主要包括GPRS模塊模塊、RS-485通信電路和ZigBee模塊等。
這里主要介紹GPRS模塊模塊。
通信管理機(jī)GPRS模塊模塊選用中興ME3000模塊，該模塊擁有高速UART接口、Audio接口、SIM卡接口、天線接口和RTC接口。與RCM6710的接口電路如圖3所示。RCM6710串口E與該模塊高速UART連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，RCM6710的GPRS模塊_RST和GPRS模塊_IGT分別實現(xiàn)中興ME3000模塊的復(fù)位和上下電，其中GPRS模塊_IGT引腳低電平持續(xù)時間超過1 500 ms時模塊開啟，低電平持續(xù)時間超過2 s時模塊關(guān)閉。該模塊與RCM6710采用雙線模式通信，故使中興ME3000模塊的UART控制引腳/RTS和/DTR處于低電平。
中興ME3000模塊可通過標(biāo)準(zhǔn)AT命令進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳送，支持內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，用戶可以直接進(jìn)行透明的數(shù)據(jù)傳輸，不用再考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
圖3 中興ME3000模塊硬件原理圖
4 程序設(shè)計
通信管理機(jī)實現(xiàn)的功能包括ZigBee數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、規(guī)約轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，因此采用能處理多任?wù)的μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。設(shè)計時，按照功能劃分任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的實時性要求確定任務(wù)優(yōu)先級，還要按照每個任務(wù)所處理的數(shù)據(jù)量的大小，給每個任務(wù)分配大小合適的堆棧。
按功能將任務(wù)劃分為定時管理、GPRS模塊通信、數(shù)據(jù)解析和ZigBee通信任務(wù)。任務(wù)創(chuàng)建程序如下：OSInit()；OSTaskCreate(TimeDeal，(void*)0，2048，10)；OSTaskCreate(GPRS模塊，(void*)0，2048，11)；OSTaskCreate(DataCom，(void*)0，4096，15)；OSTaskCreate(ZBDeal，(void*)0，4096，20)；OSStart()；定時管理任務(wù)是最需保證準(zhǔn)時運(yùn)行的任務(wù)，所以優(yōu)先級最高。其次為GPRS模塊通信任務(wù)、數(shù)據(jù)解析任務(wù)，最后為ZigBee通信任務(wù)。當(dāng)多個任務(wù)同時要執(zhí)行時，優(yōu)先級高的先運(yùn)行。
各任務(wù)分別編寫，不僅能夠提高開發(fā)效率，更有助于日后的升級維護(hù)。任務(wù)操作對象為緩沖區(qū)及全局變量，程序在RAM中開辟了8個GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和1個GPRS模塊接收緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)順序為FIFO(First InFirst Out)結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形隊列實現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送時必須先申請一個空閑的緩沖區(qū)，故要對緩沖區(qū)進(jìn)行忙校驗，申請緩沖區(qū)時也需要對緩沖區(qū)的大小進(jìn)行合理設(shè)定。
任務(wù)創(chuàng)建后，根據(jù)各任務(wù)要求執(zhí)行的頻率，在每個任務(wù)建立的循環(huán)中寫入延遲執(zhí)行命令：OSTimeDlyHMSM(h，m，s，ms)。各任務(wù)間的關(guān)系如圖4所示。
圖4 通信管理機(jī)任務(wù)
定時管理任務(wù)主要負(fù)責(zé)計時和延遲，包括GPRS模塊重發(fā)延遲、GPRS模塊發(fā)送延遲和心跳包發(fā)送延遲功能，主動上傳數(shù)據(jù)和心跳包上傳時間間隔分別默認(rèn)為5 min和2 min。下面主要介紹數(shù)據(jù)解析任務(wù)、ZigBee通信任務(wù)和GPRS模塊通信任務(wù)。
4.1 數(shù)據(jù)解析任務(wù)
數(shù)據(jù)解析任務(wù)主要負(fù)責(zé)與主站服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交換，操作的對象為全局變量、GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和GPRS模塊接收緩沖區(qū)，物理層按照GPRS模塊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議層根據(jù)主站規(guī)約進(jìn)行解析和打包。如圖4所示。
數(shù)據(jù)解析任務(wù)首先對GPRS模塊接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)約進(jìn)行解析，可分為應(yīng)答、上行和下行三類處理。應(yīng)答幀主要為主站對通信管理機(jī)主動上傳數(shù)據(jù)、心跳包和告警事件回復(fù)的確認(rèn)幀。上行部分主要為查詢數(shù)據(jù)，含通信管理機(jī)的地址、時間、定時上傳時間間隔、低壓線路的實時數(shù)據(jù)以及智能斷路器參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)和控制方式。將上行的回復(fù)數(shù)據(jù)按主站規(guī)約處理形成回復(fù)報文存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。下行部分主要為智能斷路器的參數(shù)設(shè)置、手自動設(shè)置及分合閘命令，更改對應(yīng)的變更標(biāo)志，即全局變量，按規(guī)約形成回復(fù)確認(rèn)幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
接著處理通信管理機(jī)主動上傳數(shù)據(jù)和心跳包，主動上傳數(shù)據(jù)包括三相智能斷路器的三相相電流和三相漏電流以及單相智能斷路器的相電壓和單相漏電流，上傳數(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)約打包，定時存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
4.2 ZigBee通信任務(wù)
ZigBee通信任務(wù)負(fù)責(zé)與智能斷路器的數(shù)據(jù)交換。通信協(xié)議為智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議，ZigBee通信任務(wù)的操作對象為全局變量、ZigBee模塊數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)和ZigBee模塊數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，如圖4所示。
ZigBee通信任務(wù)分為下發(fā)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩部分。下發(fā)數(shù)據(jù)又分為兩類：第一類為每10 s主動下發(fā)一次的ZigBee數(shù)據(jù)采集任務(wù)；第二類為變更任務(wù)，智能斷路器無手動模式參數(shù)設(shè)置，手動模式數(shù)據(jù)越限不上傳告警事件，故在ZigBee通信任務(wù)設(shè)計手動模式下的參數(shù)設(shè)置，若為手動模式的參數(shù)設(shè)置變更標(biāo)志，則立即保存新的越限告警參數(shù)并上傳手動模式參數(shù)設(shè)置成功告警事件，若為其它變更標(biāo)志則將變更數(shù)據(jù)按終端規(guī)約打包存入ZigBee發(fā)送緩沖區(qū)，若通信管理機(jī)重發(fā)三次變更命令幀至智能斷路器未收到確認(rèn)幀，則立即上傳變更失敗告警事件。該部分變更內(nèi)容包括自動跳閘動作值設(shè)置、手自動設(shè)置和分合閘。接收數(shù)據(jù)處理流程：從ZigBee數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)接收一有效幀，根據(jù)終端規(guī)約解析，分為采集數(shù)據(jù)應(yīng)答幀和變更設(shè)置應(yīng)答幀。采集數(shù)據(jù)應(yīng)答幀中數(shù)據(jù)位的最后一位為自動跳閘原因，首先對該位進(jìn)行判斷，若有跳閘則將帶自動跳閘原因告警事件存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)，并把采集的其它數(shù)據(jù)位進(jìn)行存儲。變更設(shè)置應(yīng)答幀代表參數(shù)設(shè)置成功，將相應(yīng)的變更設(shè)置重發(fā)次數(shù)清零，并把相應(yīng)的設(shè)置成功告警幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。由于智能斷路器無運(yùn)行狀態(tài)查詢功能，ZigBee通信任務(wù)對設(shè)置成功告警事件進(jìn)行存儲，主站可以通過訪問通信管理機(jī)的存儲區(qū)數(shù)據(jù)以得到智能斷路器的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。
4.3 GPRS通信任務(wù)
GPRS模塊通信任務(wù)主要為GPRS模塊的登陸和退出連接。首先判斷是否因為通信管理機(jī)地址或主站服務(wù)器地址及端口更改而需要重連網(wǎng)絡(luò)。如果需要重連網(wǎng)絡(luò)，必須向主站發(fā)送退出登錄包后關(guān)斷連接，同時清除發(fā)送和接收緩沖區(qū)，清除GPRS模塊登錄過程中的錯誤記錄。重連后便可進(jìn)行GPRS模塊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
各狀態(tài)變更的流程圖如圖5所示。在GPRS模塊通信中，將通信管理機(jī)與主站之間的連接分為四種狀態(tài)：GPRS模塊_OFF(代表模塊沒有正常工作)、GPRS模塊_WORK(代表AT指令正常)、GPRS模塊_GW(代表GPRS模塊網(wǎng)關(guān)連接正常)、GPRS模塊_SOCK(代表SOCK鏈接正常)。每一次執(zhí)行GPRS模塊通信任務(wù)時都會進(jìn)行連接狀態(tài)的判斷，當(dāng)連接狀態(tài)為GPRS模塊_SOCK才可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)。
圖5 GPRS通信狀態(tài)流程
5 結(jié)語
本文提出一種可實現(xiàn)低壓電網(wǎng)負(fù)荷及漏電流綜合管理的ZigBee模塊通信管理機(jī)設(shè)計方案，該通信管理機(jī)可與主站及多臺帶通信功能的智能斷路器組建成漏電監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控多條低壓線路，保障低壓電網(wǎng)更加安全、可靠的運(yùn)行。通信管理機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計采用多任務(wù)的設(shè)計思路，提高開發(fā)效率，也有助于日后的升級維護(hù)。本文所設(shè)計的ZigBee模塊通信管理機(jī)在現(xiàn)場經(jīng)過數(shù)月的運(yùn)行，通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)及命令轉(zhuǎn)發(fā)準(zhǔn)確，具有很高的可靠性。
1 引言
ZigBee無線模塊出租車調(diào)度系統(tǒng)一定程度上解決了“人找車，車找人”的現(xiàn)象，降低了城市出租車空載率。目前的出租車調(diào)度系統(tǒng)主要有：電話調(diào)度、GPS調(diào)度、站牌調(diào)度等。出租車電話調(diào)度具有可隨時隨地叫車的優(yōu)點，但需乘客撥打出租車調(diào)度中心電話與話務(wù)員座席溝通確認(rèn)乘客位置，方能人工調(diào)度附近的出租車前往搭載乘客，交互過程長、調(diào)度效率低，不適于快節(jié)奏的打車需求。GPS調(diào)度是根據(jù)乘客實時的GPS位置信息進(jìn)行調(diào)度的出租車調(diào)度系統(tǒng)，乘客可以通過短信和手機(jī)軟件發(fā)送GPS位置信息至調(diào)度中心，調(diào)度中心采用Dijkstra算法，自動調(diào)度附近的出租車搭載乘客。該方法采取自動調(diào)度，節(jié)省了人工座席服務(wù)的支出。但是，由于乘客位置是GPS信息，需要出租車安裝有電子導(dǎo)航儀。電子導(dǎo)航儀價格貴，有升級費(fèi)用，出租車司機(jī)消費(fèi)高，難以普及。站牌調(diào)度系統(tǒng)通過站牌和出租車車載應(yīng)答子系統(tǒng)進(jìn)行無線通信，實現(xiàn)城市出租車預(yù)約功能。該系統(tǒng)中乘客和出租車司機(jī)直接交互，無需調(diào)度中心等第三方平臺。站牌即乘客位置，各站牌采用統(tǒng)一編碼，通過編碼信息即可得知乘客所在精確位置，無需GPS定位系統(tǒng)，乘客定位簡單準(zhǔn)確。站牌調(diào)度雖然具有不依賴調(diào)度中心和GPS定位系統(tǒng)、交互直接、調(diào)度快和設(shè)備費(fèi)用低等優(yōu)點，但目前的站牌調(diào)度系統(tǒng)還存在以下不足：
(1)司機(jī)沒有乘客信息，僅乘客知道出租車車牌號，而且乘客沒有具體憑證，多位乘客叫車時，司機(jī)不能辨別乘客，容易出現(xiàn)乘客搶車插隊現(xiàn)象；
(2)根據(jù)出租車司機(jī)響應(yīng)結(jié)果來決定出租車調(diào)度對象，沒有考慮出租車具體路程，不能確保是最優(yōu)的調(diào)度結(jié)果；
(3)缺乏乘客和出租車司機(jī)雙方的誠信約束措施，爽約現(xiàn)象頻發(fā)，造成司乘雙方支持信心不足，對推廣實施不利。
為解決上述不足，本文在傳統(tǒng)的站牌調(diào)度系統(tǒng)上進(jìn)行較大改進(jìn)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無線模塊的感知、傳輸、應(yīng)用三層架構(gòu)的出租車調(diào)度系統(tǒng)方案。方案采用乘客刷卡預(yù)約出租車的方式，用以解決乘客插隊和誠信問題；通過增加信號中繼節(jié)點，擴(kuò)大出租車調(diào)度范圍；并采用JN5139作為核心處理模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，用Jennie ZigBee協(xié)議組建ZigBee無線數(shù)傳樹狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，對信息進(jìn)行ZigBee數(shù)傳采集，結(jié)合Cskip地址分配算法和AODVjr路由算法，選擇最佳出租車調(diào)度對象，實現(xiàn)乘客“自助式”、可靠、快速的出租車調(diào)度。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)感知、傳輸、應(yīng)用三層體系架構(gòu)，三層功能分布在系統(tǒng)的站牌預(yù)約點子系統(tǒng)、車載應(yīng)答子系統(tǒng)、ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點和調(diào)度管理中心四部分實體中實現(xiàn)。系統(tǒng)在原站牌調(diào)度系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加架構(gòu)了感知層RFID讀寫器、ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點、傳輸層GPRS(General Packet RadioService)網(wǎng)關(guān)模塊和應(yīng)用層調(diào)度管理中心等。
站牌預(yù)約點子系統(tǒng)安裝在經(jīng)常出現(xiàn)打車行為的道路邊(如大型商場、小區(qū)、學(xué)區(qū)、寫字樓等)，乘客通過RFID刷卡預(yù)約車，采用ZigBee無線模塊通信方式發(fā)布乘客打車信息、接收出租車司機(jī)應(yīng)答信息，并用GPRS上傳調(diào)度結(jié)果信息。車載應(yīng)答子系統(tǒng)安裝在出租車內(nèi)，用于接收乘客打車信息、發(fā)送司機(jī)應(yīng)答信息和乘客上車刷卡核對卡號。ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點安裝在信號較弱處，用于轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee無線信號，擴(kuò)大調(diào)度范圍。調(diào)度管理中心負(fù)責(zé)接收、保持和查詢GPRS上傳的調(diào)度結(jié)果信息和司乘雙方守約爽約信息等，建立乘客預(yù)扣定金、出租車爽約扣罰金和扣罰金補(bǔ)償給守約方的雙重機(jī)制，促使雙方遵守誠信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
該系統(tǒng)主要通過感知層實現(xiàn)分布在城市內(nèi)的多站牌點附近的出租車信息進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集調(diào)度功能。該層以分布在城市內(nèi)的站牌預(yù)約點為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點，信號中繼裝置為路由器節(jié)點，構(gòu)成不斷將行駛進(jìn)入站牌限定范圍內(nèi)的出租車車載應(yīng)答子系統(tǒng)加入為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點的多個動態(tài)ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)。站牌預(yù)約點子系統(tǒng)主要包括ZigBee無線模塊、RFID讀寫器模塊、GPRS網(wǎng)關(guān)模塊、顯示模塊和電源模塊，站牌預(yù)約點子系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 站牌預(yù)約點子系統(tǒng)框圖
站牌預(yù)約點子系統(tǒng)ZigBee無線模塊負(fù)責(zé)搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，控制RFID讀寫器模塊工作，無線傳輸乘客打車信息、將違約／調(diào)度結(jié)果信息通過串口發(fā)送給GPRS網(wǎng)關(guān)模塊；RFID讀寫器模塊供乘客刷卡發(fā)送打車信息和預(yù)約成功后預(yù)扣定金；GPRS網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送調(diào)度結(jié)果和爽約信息至調(diào)度管理中心；顯示模塊顯示乘客預(yù)約打車結(jié)果。
ZigBee無線模塊采用JN5139 Z01 M02(以下簡稱JN5139)，其具有使用免費(fèi)頻段、無線自組網(wǎng)等優(yōu)點，適用于出租車和乘客之問通信。
RFID讀寫器模塊采用Mifare RC522讀寫卡芯片，它是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片。GPRS網(wǎng)關(guān)模塊采用SIMCOM公司的SIM300模塊，它具有GSM和GPRS功能。顯示器模塊采用VL TS COG BTl2864(以下簡稱BTl2864)系列液晶顯示器。
站牌預(yù)約點子系統(tǒng)中，核心處理器是JN5139，其他各模塊都需要和JN5139進(jìn)行通信。JN5139、RC522、SIM300和BTl2864各通信接口如下：JN5139具有SPI串行接口(可選擇五個從屬SPI設(shè)備)和兩個UART；RC522有SPI、12C、UART三種接口，這三種接口的最高通信速率分別為10 Mbit／s、3400 Kbit／S和1 228．8 Kbit／S；SIM300與外部接口為UART；BTl2864有串行接口(SPI接口)和并行接口兩種。
系統(tǒng)電路設(shè)計按照電路簡單、較少使用JN5139的DIO接口和通信速率較快的要求，結(jié)合各模塊的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計的通信接口電路如圖3所示。
圖3 JN5139與各模塊接口
圖3中，JN5139和BTl2864、RC522采用SPI串行接口通信，通信速率分別為2 Mbit／s、1 Mbit／s；JN5139和SIM300之問采用UART通信，通信波特率為19200 baud／s。
站牌預(yù)約點子系統(tǒng)中JN5139、RC522、BTl2864都可采用3．3 V供電。而SIM300需要4 V供電，而且要求能夠提供最大2A的瞬時電流，取市電(220V交流電)輸入變壓器后得12 V電壓，采用可以調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)壓芯片LM2756。LM2756輸出電壓Vo=1．23×(1+Rl／R2)。其中R1取4．7kQ，R2取2kQ，經(jīng)整流濾波后輸出4．12V電壓，符合SIM300的工作要求。將此4．12 V電壓輸入穩(wěn)壓芯片LP2985，輸出端接電容濾波，得到較為穩(wěn)定的3．3 V電壓，給其它模塊供電。本文硬件設(shè)計部分主要介紹站牌預(yù)約點子系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，車載應(yīng)答子系統(tǒng)各模塊與站牌預(yù)約點子系統(tǒng)各模塊大體相同，將站牌預(yù)約子系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)關(guān)模塊(SIM300)換成語音識別模塊即為車載應(yīng)答子系統(tǒng)。ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點即JN5139模塊加上電源模塊。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
乘客需在站牌預(yù)約點刷卡，站牌預(yù)約點子系統(tǒng)通過動態(tài)ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)組播一則打車消息。若有多位出租車司機(jī)回復(fù)，選擇路由最短的作為調(diào)度對象。站牌預(yù)約點子系統(tǒng)調(diào)度流程如圖4所示。
圖4 站牌預(yù)約點子系統(tǒng)流程
JN5139通過配置RC522寄存器控制讀寫器進(jìn)行相應(yīng)工作，需要注意的是在使用SPI總線讀取RC522的FIFO Buffer時，寫第一次地址讀出來的是無效值，寫第二次地址返回第一次的數(shù)據(jù)，寫第三次地址返回第二次的數(shù)據(jù)，以此類推構(gòu)建出租車調(diào)度系統(tǒng)的動態(tài)ZigBee自組網(wǎng)，需對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)協(xié)調(diào)器、路由、終端節(jié)點進(jìn)行配置，特別是要不斷動態(tài)地發(fā)現(xiàn)和將行駛進(jìn)入站牌點限定范圍內(nèi)的出租車車載單元加入成為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點。
本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)的信道可能在一些場合中已被其他系統(tǒng)使用，故各站牌預(yù)約點子系統(tǒng)可能使用不同信道，終端節(jié)點要加入不同信道的ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)行配置，如設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信道為0，則可實現(xiàn)終端設(shè)備自動搜索所在區(qū)域的ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)信道和個域網(wǎng)ID都匹配時，加入該網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)ZigBee協(xié)議棧一段時間沒有收到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)答信息時，判斷為離開網(wǎng)絡(luò)，需要重新設(shè)置，并重新尋找網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)無線通信采用Jennic公司的硬件及協(xié)議棧，調(diào)度中心采用C++Build的Socket套接字編程，在Socket服務(wù)器組件中添加OnClientRead事件處理函數(shù)，接收、處理GPRS上傳的數(shù)據(jù)，存儲在sQLserver數(shù)據(jù)庫中。調(diào)度中心、各出租車公司可對出租車司機(jī)的基本信息、調(diào)度結(jié)果和爽約情況進(jìn)行查詢。
5 最佳調(diào)度對象選擇
本系統(tǒng)采用AODVjr路由，AODVjr對AODV算法進(jìn)行了簡化和改進(jìn)，這種按需路由協(xié)議在移動性高、負(fù)載低的場合性能較高。AODVjr路由中，當(dāng)源節(jié)點需要向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)而不知道路徑時，則將RREQ分組組播至其鄰居節(jié)點。
若收到該分組的鄰居節(jié)點是帶路由功能的節(jié)點，則該鄰居節(jié)點先建立反向路由，該反向路由指向源節(jié)點，然后繼續(xù)組播該RREQ分組至其自己的鄰居節(jié)點。不具備路由功能的鄰居節(jié)點，則通過上述的地址分配算法將該RREQ分組發(fā)送至其子節(jié)點或父節(jié)點，由其子節(jié)點或父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該分組。而目標(biāo)節(jié)點在收到RREQ分組后，向源節(jié)點單播回復(fù)RREQ分組，并將接收到此RREQ分組的所有節(jié)點保存在鄰居表中，從而建立到源節(jié)點的路由。
在有多個司機(jī)回復(fù)乘客預(yù)約車信息時，系統(tǒng)需要進(jìn)行最佳調(diào)度對象的選擇，因布點時相鄰中繼節(jié)點距離基本相同，路由跳數(shù)基本上能反映出租車距站牌預(yù)約點的距離，可通過路由跳數(shù)大小確定較佳的調(diào)度對象。但是，當(dāng)?shù)缆分写嬖谧o(hù)欄或者綠化帶時，站牌預(yù)約點另一側(cè)的出租車即使路由跳數(shù)少，也因出租車不能直接轉(zhuǎn)向到達(dá)站牌預(yù)約點，而不能作為調(diào)度對象。所以，本系統(tǒng)在站牌預(yù)約點另一側(cè)添加一個節(jié)點(如圖5中的F節(jié)點，相應(yīng)增加中繼節(jié)點后，也可以將F節(jié)點做成站牌預(yù)約點，供另一側(cè)的乘客預(yù)約車)，以區(qū)分站牌預(yù)約點另一側(cè)的出租車，并采用Cskip算法和最短路由相結(jié)合確定系統(tǒng)的最佳調(diào)度對象。為父節(jié)點所能擁有的最大路由節(jié)點數(shù)上述算法分配的地址為車載應(yīng)答子系統(tǒng)加入網(wǎng)絡(luò)時的地址，JN5139采用的協(xié)議棧中，除了路由表之外還有一個鄰居節(jié)點表，它保存了可以直接通信的節(jié)點的地址。在實際生活中，乘客可能會在站牌預(yù)約點下車，這時出租車空載，從而加入網(wǎng)絡(luò)。
此時它處在站牌預(yù)約點的鄰居表中而不是路由表中，所以在比較路由時，需要同時讀取路由表和鄰居表中的節(jié)點進(jìn)行比較
6 測試結(jié)果
實驗測試環(huán)境為齊齊哈爾市文化大街，道路寬8 m，路旁有10 m高的楊樹。測試設(shè)備采用連接5db天線的JN5139 Z01 M02模塊，經(jīng)測試信號傳輸距離在500 m左右，本系統(tǒng)測試時最大調(diào)度范圍為1500m。測試網(wǎng)絡(luò)布點如圖5所示。
圖5 網(wǎng)絡(luò)布點
節(jié)點A、B、C、D、E、F為信號中繼裝置，除節(jié)點C、D外，其他相鄰節(jié)點問的距離為500m。測試中，車牌號為黑BTl347和黑BTl947的兩輛出租車都向站牌預(yù)約點行駛。乘客在站牌預(yù)約點刷卡預(yù)約出租車，兩輛出租車均同意乘客打車，其中，黑BTl347出租車消息路由為B-D-C-O，黑BTl947的消息路由為E-D-C-O，二者路由跳數(shù)相同，二者距站牌預(yù)約點的距離也基本相同(布點時相鄰中繼節(jié)點問距離基本相同)。但是，根據(jù)我國行駛規(guī)則，黑BTl947出租車不需等待交通燈，能最快趕到站牌預(yù)約點，故選擇結(jié)果最合理的調(diào)度對象為車牌號為黑BTl947的空載出租車。
圖6 Cskip算法網(wǎng)絡(luò)地址分配圖
結(jié)合圖6知，黑BTl947出租車通過E節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)短地址在22～24之問；同理，黑BTl347的網(wǎng)絡(luò)短地址在28～30之問，所以，根據(jù)出租車短地址即可以進(jìn)行相同路由跳數(shù)下的最佳調(diào)度對象選擇。站牌預(yù)約點子系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果
測試實例中，乘客共發(fā)出11次打車請求，其中有一次為司機(jī)響應(yīng)后沒有前往站牌預(yù)約點接乘客，屬于出租車司機(jī)爽約，調(diào)度管理中心據(jù)此對出租車司機(jī)扣除相應(yīng)違約金，以維護(hù)乘客和出租車司機(jī)雙方的誠信約束制度。站牌預(yù)約的進(jìn)程信息通過GPRS傳輸至調(diào)度管理中心。調(diào)度管理中心可查詢乘客和出租車司機(jī)爽約信息、各站牌預(yù)約點打車信息和司機(jī)詳細(xì)信息等。實例中調(diào)度管理中心對司機(jī)李強(qiáng)的詳細(xì)信息查詢結(jié)果如圖8所示。
圖8 司機(jī)詳細(xì)信息查詢
7 結(jié)束語
本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee模塊的出租車調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee數(shù)傳模塊技術(shù)，融合RFID、ZigBee數(shù)傳采集、GPRS等感知層、傳輸層技術(shù)，實現(xiàn)乘客在站牌預(yù)約點刷卡叫車，系統(tǒng)感知層構(gòu)建的ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)可合理調(diào)度網(wǎng)內(nèi)空載出租車為乘客提供乘車服務(wù)。系統(tǒng)傳輸層、應(yīng)用層的構(gòu)建，實現(xiàn)調(diào)度管理中心通過記錄、保存調(diào)度信息、暫扣乘客卡內(nèi)預(yù)約定金和監(jiān)督出租車司機(jī)守約功能，有效防止出租車司機(jī)或乘客爽約，建立出租車司機(jī)和乘客之間的誠信。各出租車公司也可查詢本公司員工調(diào)度紀(jì)錄確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)還可以進(jìn)行升級與擴(kuò)展，如在應(yīng)用層增加物聯(lián)網(wǎng)預(yù)約車平臺和手機(jī)平臺后，乘客預(yù)約出租車信息通過GPRS網(wǎng)關(guān)即可傳至相應(yīng)站牌預(yù)約點子系統(tǒng)，乘客可通過互聯(lián)網(wǎng)與3G／4G技術(shù)預(yù)約出租車。本系統(tǒng)為乘客提供一種打車新方式，具有一定的實際應(yīng)用價值。
引言
當(dāng)代社會，城市路燈照明／景觀照明建設(shè)不僅帶給人們光明與視覺享受，而且成為展現(xiàn)城市魅力的重要窗口，但是在帶來明亮、絢麗色彩的同時也帶來了諸多的困擾，比如管理、費(fèi)用、用電、電纜被盜等問題?；?span lang="EN-US">ZigBee無線模塊技術(shù)和LED光源的路燈系統(tǒng)，是一種自動化成度高、高效節(jié)能的城市照明系統(tǒng)。LED光源是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明光源，ZigBee無線路燈控制器可以對路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)、高效的控制和資源整合，合理調(diào)整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)的用電量，而且可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護(hù)的開支。
1 系統(tǒng)方案與設(shè)計
系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：控制中心，ZigBee無線路燈控制器節(jié)點和控制中心通信的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，固定在路燈桿上的終端節(jié)點。無線路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 無線路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由計算機(jī)與無線收發(fā)模塊構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)建立和管理ZigBee無線路燈控制器網(wǎng)絡(luò)，顯示路燈狀況信息和發(fā)送控制命令，協(xié)調(diào)整個路燈系統(tǒng)的運(yùn)作。ZigBee無線路燈控制器包括LED電源驅(qū)動，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)微控制器的控制信號控制LED的工作情況。光敏傳感器、溫度傳感器，直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊；功率檢測模塊檢測LED功率情況、供電故障并向上報警；無線模塊負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。將本系統(tǒng)模型與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行對比，不難發(fā)現(xiàn)，安置在路燈桿上的ZigBee無線路燈控制器節(jié)點即為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(RFD)，控制中心監(jiān)控系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)器(COORD)，實現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(ROUTER)。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee與GRPS混合組成的網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)和中央控制中心使用GPRS網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)。下面具體介紹終端節(jié)點硬件電路設(shè)計方案。
1．1 LED節(jié)點驅(qū)動控制設(shè)計
LED節(jié)點驅(qū)動方案使用TI公司的UCC28810，它是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車場或區(qū)域范圍照明等高亮度LED照明應(yīng)用。該設(shè)計可將通用電源(90--265 VRMS)轉(zhuǎn)換成0．9 A恒流源，能夠驅(qū)動100 W LED負(fù)載。UCC28810電路如圖2所示。
圖2 UCC28810電路圖
此電路使用雙級設(shè)計，第一級是UCC28810的轉(zhuǎn)換模的PWM調(diào)光。此方案的優(yōu)勢在于，使用了高效的專用驅(qū)式電路，將AC電源轉(zhuǎn)換成36 V的DC電源。第二級也采用UCC28811的轉(zhuǎn)換模式，將恒壓源轉(zhuǎn)換為0．9 A恒流源。電路中使用的TI公司的UCC28810和UCC28811芯片是通用照明電源控制器，具有PFC(功率因數(shù)校正)功能，確保設(shè)計方案滿足各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的諧波電流或功率因數(shù)要求。并且UCC28810／11控制器提供如電流峰值限制、復(fù)位定時器、過壓保護(hù)(OVP)和使能等特性，UCC28810／11控制器引腳如表1所列。
表1 UCC28810／1 1控制器引腳
第一級在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換效率。第二級將PFC輸出電壓轉(zhuǎn)換為0．9 A的固定電流，以驅(qū)動LED負(fù)載。第二級不僅可接受PWM調(diào)光輸入(從外部或從板級電路均可)，而且還可相應(yīng)開啟或關(guān)閉調(diào)光，從而實現(xiàn)LED電流的PWM調(diào)光。由于使用了高效的驅(qū)動IC，電源轉(zhuǎn)化效率更高了，在低負(fù)荷線路(10w line)運(yùn)行狀態(tài)下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，在輸入電壓為±15％的變動時，仍能保持輸出電流變動穩(wěn)定在±10％內(nèi)。
1．2狀態(tài)檢測與報警
狀態(tài)報警與檢測主要包括溫度感測和感光檢測兩部分內(nèi)容。
1．2．1 溫度感測
由于大功率白光LED照明和驅(qū)動器發(fā)熱量都很大，所以需要一個溫度感測傳感器，實時監(jiān)控路燈的溫度，并向控制中心反映。如果溫度超過警戒溫度，則ZigBee無線路燈控制器進(jìn)入報警模式，將自動關(guān)閉路燈，并向控制器發(fā)送報警命令。
溫度傳感器使用DSl8820，DSl8820是DALLAS公司生產(chǎn)的一款數(shù)字溫度傳感器。其特點有：獨(dú)特的一線接口，只需要一個端口即可通信；電路無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，也可外接VCC；工作電壓范圍廣，為3．0～5．5 V，無需備用電源；測量溫度范圍為55～+125℃，在10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0．5℃。DSl8820具有工作電路簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，應(yīng)用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計及任何熱敏感系統(tǒng)。
1．2．2 感光檢測系統(tǒng)
ZigBee無線路燈控制器使用光敏電阻傳感器對周圍環(huán)境的光亮度進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，當(dāng)傍晚周圍環(huán)境還有余光時，ZigBee無線路燈控制器將路燈開啟為單雙燈模式；當(dāng)晚上天全黑了以后，將路燈全部打開；當(dāng)凌晨4點左右出現(xiàn)晨光時，將路燈調(diào)節(jié)成半功率工作模式。在陰天和沙塵暴天氣，道路能見度低，路燈也可自動打開，保證道路正常照明。
本設(shè)計使用光敏三極管作為感光元件測量周圍環(huán)境的亮度，處理器實時將周圍環(huán)境的亮度通過ZigBee無線模塊反饋給控制中心，由控制中心決定是否打開GND路燈。電路圖如圖3所示。
圖3 光敏三極管電路圖
1．3 ZigBee無線模塊設(shè)計
目前TI公司已經(jīng)先后推出了支持ZigBee協(xié)議的2．4 GHz的射頻收發(fā)器CC2420和ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案CC2430，以及第二代射頻收發(fā)器CC2520芯片。CC2480無線性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖4所示。
圖4 CC2480／ZiqBee模塊電路圖
CC2480采用CMOS工藝，工作電流僅為27 mA。當(dāng)系統(tǒng)處于空閑時，CC2480能自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，并能實現(xiàn)休眠與主動模式的超短時間轉(zhuǎn)換。晶振XTALl選用32 MHz，晶振XTAL2選用32．768 kHz。32．768 kHz的晶振用于睡眠模式，在此期間提供時序，可降低電流、減少功耗，特別適合對功耗和電池壽命要求嚴(yán)格的應(yīng)用場合。CC2480模塊可以直接與上位機(jī)之間通過串口通信，本系統(tǒng)選用異步串口模式。
1．4微控制器電路設(shè)計
MSP430是TI公司開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64 K，還可以外擴(kuò)存儲器，具有統(tǒng)一的中斷管理，微控制器具體連接電路如圖5所示。
圖5 控制模塊MSP430電路圖
MSP430單片機(jī)的P3．4、P3．5端口設(shè)置成串口0(MSART0)的收發(fā)口，與CC2480的異步串口相連，它們之間實現(xiàn)串口通信。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2480，CC2480無線發(fā)送出去；CC2480接收到無線數(shù)據(jù)后，也透明傳送給單片機(jī)。
2軟件流程設(shè)計
在本系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)議可以應(yīng)用于所有的節(jié)點，因為ZigBee協(xié)議具有很多的實用函數(shù)，例如設(shè)備離開或者加入網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建一個新的網(wǎng)絡(luò)，父節(jié)點和子節(jié)點的搜索，網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀的發(fā)送，數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收等。系統(tǒng)工作的過程中，協(xié)調(diào)器主要進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，負(fù)責(zé)接收ZigBee無線路燈控制器發(fā)送回來的ZigBee數(shù)據(jù)采集路燈信息，依據(jù)路燈的狀況將控制信號發(fā)送給路燈節(jié)點。路由器節(jié)點處在監(jiān)控狀態(tài)，負(fù)責(zé)獲取其他節(jié)點發(fā)送來的信息并判斷是不是需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，與此同時把自身路燈的信息傳送給協(xié)調(diào)器；接收協(xié)調(diào)器的控制信號來控制路燈的工作狀態(tài)。終端節(jié)點功能是最簡單的，只需要負(fù)責(zé)隨時接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，并向上一級返回路燈當(dāng)前的狀態(tài)。
系統(tǒng)投入運(yùn)行時，首先對CC2480進(jìn)行初始化，協(xié)調(diào)器運(yùn)行初始化協(xié)議，同時打開中斷。此后軟件程序創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)能夠成功創(chuàng)建，就對相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器物理地址、當(dāng)前建立網(wǎng)絡(luò)的ID號以及頻道號進(jìn)行顯示。協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖6所示。
圖6 協(xié)調(diào)器程序流程圖
3路燈控制模式
根據(jù)不同上位機(jī)的不同控制命令，路燈節(jié)點有如下幾種不同的控制模式。
3．1 單雙燈開啟模式
這個模式有兩種情況，編號是奇數(shù)的燈開啟或者編號是偶數(shù)的燈開啟。當(dāng)路燈節(jié)點接收到單雙燈開啟命令以后，路燈會根據(jù)自身的ID編號，選擇開啟還是關(guān)閉。這種模式應(yīng)用于傍晚能見度較高，或者陰雨天、沙塵暴等惡劣天氣下城市能見度不佳時。一般是單雙燈輪流開啟關(guān)閉，保證LED路燈工作時間大致相同，以延長其壽命。
3．2全功率開啟模式
當(dāng)ZigBee無線路燈控制器節(jié)點接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，并會以全功率打開，亮度最大。這種模式一般在晚上人車流量大和節(jié)假日時開啟。
3．3半功率開啟模式
當(dāng)ZigBee無線路燈控制器節(jié)點接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，但不會以全功率模式工作，而是通過LED驅(qū)動模塊的PWM調(diào)光機(jī)制，將LED的功率控制在額定值的一半，起到節(jié)約電力的作用。
3．4隨機(jī)選擇關(guān)閉模式
這種模式是為了節(jié)約電力和延長路燈壽命。在人流不大的道路上發(fā)給路燈隨機(jī)關(guān)閉模式命令，路燈節(jié)點接收命令后，以一定概率(如20％)自行熄滅30min，由于路燈是隨機(jī)熄滅的，不會影響到整體的照明情況。
3．5功率異常報警模式
這種模式不是上位機(jī)發(fā)出的命令。
當(dāng)路燈節(jié)點檢測到功率故障的時候(如LED二極管短路、功率過小或過大)，路燈將自行切斷照明電源，并向上位機(jī)報警。
結(jié)語
本文主要分析了ZigBee模塊組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種ZigBee無線路燈控制器系統(tǒng)，實現(xiàn)路燈信息的ZigBee數(shù)據(jù)采集和控制。事實證明本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)一次性布置之后，可以長期可靠運(yùn)行。路燈節(jié)點的數(shù)量、位置可隨時變更，使得調(diào)控路燈變得更加方便、科學(xué)。無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)為解決問題提供一個良好平臺。
摘要: 我國是農(nóng)業(yè)大國， 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在國際市場上的優(yōu)勢主要依賴于豐富的自然資源和低廉的勞動力成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的發(fā)展，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加快向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而智慧農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的趨勢。所謂“智慧農(nóng)業(yè)”就是充分應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)成果，集成應(yīng)用計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù)、3S 技術(shù)、ZigBee無線模塊通信技術(shù)及專家智慧與知識，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可視化遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程控制、災(zāi)變預(yù)警等智能管理。...
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