2015年6月2日
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0 引言
一直以來，我國低壓電網用電側處于無法遠程監(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，必須裝設帶通信型漏電流動作保護器(下稱智能斷路器)，并把信息實時上傳到主站系統進行分析管理。目前常規(guī)的智能斷路器是通過RS-485總線或GPRS模塊無線公網直接與主站進行數據交換，但RS-485總線傳輸距離短、布線不方便且維護量大，GPRS模塊無線公網由于智能斷路器的GPRS模塊節(jié)點多，通信費用高且與主站連接造成多并發(fā)問題。
本文設計一種用于低壓配網負荷及漏電流監(jiān)控的通信管理機，可與分散在一定區(qū)域范圍內的智能斷路器通過自組網的ZigBee模塊無線傳感器網絡進行數據通信，統一管理各個分散的智能斷路器數據，并可通過GPRS模塊無線公網與監(jiān)控主站進行數據交換，實現對智能斷路器的遠程監(jiān)測、分合控制以及運行參數的設置。
通信管理機擔負ZigBee數據采集、命令轉發(fā)、數據及狀態(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、漏電流數據，并定時上傳主站；接收主站命令，向智能斷路器發(fā)遙控命令實現智能斷路器的參數設置、手自動設置及開關分合控制；存儲告警事件并立即上傳主站。
1 通信結構與智能斷路器
1.1 通信結構
通信管理機通信結構如圖1所示。與智能斷路器間為ZigBee模塊無線傳感器網絡，各個智能斷路器作為ZigBee無線數傳網絡節(jié)點，通信管理機為ZigBee無線數傳網絡的協調器，數據傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協議。與主站間為GPRS模塊無線公網，主站擁有固定的IP地址，通信管理機上電即自動向特定IP的主站申請連接，待主站對連接響應后，主站和通信管理機便建立起透明的數據連接。
圖1 通信管理機通信結構圖
1.2 智能斷路器
智能斷路器是具有數字化接口，能接收分合閘命令并能將位置信息、狀態(tài)信息等與其它設備進行傳輸的設備，集保護、測量、監(jiān)控于一體，具備人機對話顯示、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的通信型剩余電流斷路器，可運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，并在實時數據幀的數據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)，包括讀數據、讀參數、設置參數、智能斷路器分合閘及設置手自動運行方式。智能斷路器通過RS-485接口外擴ZigBee模塊實現與通信管理機的ZigBee無線通信，外擴的ZigBee模塊包括RS-485接口、RS-485轉UART芯片。ZigBee模塊無線傳感器網絡通信具有自組網、低功耗和抗干擾能力強等優(yōu)點，方便通信管理機對智能斷路器進行數據查詢及控制。
表1 智能斷路器主要功能
2 通信協議設計
通信管理機與智能斷路器數據傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協議(具體參見標準DL/T 645-2007)，下稱“終端規(guī)約”。主要介紹通信管理機與主站的通信協議，下稱“主站協議”。
通信管理機與主站數據傳輸規(guī)則采用應答方式，主站主動召喚數據或者通信管理機在正常工作狀態(tài)下每隔N 分鐘(時間間隔可設置)主動上報一次數據，當產生告警信息時，通信管理機即時上報告警事件。
每幀由幀起始符、數據長度、地址域、數據單元標識域、數據單元域、校驗域等組成，如表2所示。
表2 主站協議通信幀格式
數據傳送，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。起始符值為68H，標識一幀數據的開始；數據長度為原始數據除開始碼、數據長度、校驗和及結束碼外的所有數據的字節(jié)數；地址域為通信管理機地址，數據單元標識為傳輸數據的類型；數據單元為傳輸的數據；校驗和為數據長度開始到校驗和之前所有字節(jié)的累加和，不計溢出位；結束符為16H，標識一幀數據的結束。對啟動站發(fā)送的無需數據返回的命令，從動站校驗通過后一律返回接收正確命令，即系統應答報文。對SOE事件的確認必須加上當前上報的事件計數器。主站協議部分數據單元標識如表3所示。
表3 主站協議部分數據單元標識
3 硬件設計、
3.1 系統部分
系統部分主要包括中央處理器、存儲系統及其外圍電路。
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162.5 MHz。相對于C51、DSP芯片，該模塊具有數據處理能力強、串口多、外設豐富、抗干擾能力強及較高性價比等優(yōu)點，滿足配電網通信規(guī)約轉換器要求。
RCM6710模塊擁有一個USB接口、一個以太網口及6個高速UART接口。主要硬件資源及外設如圖2所示。6個高速UART接口的設計分別為：串口A通過SP3232芯片提供RS-232通信接口，作為調試及程序下載口；串口B和D不作開發(fā)；串口C接ZigBee模塊，實現與智能斷路器通信；串口E與中興ME3000GPRS模塊模塊連接，實現與主站間的數據交換；串口F通過RSM3485CT芯片提供隔離RS-485通信接口，作為預留。預留接口是考慮到系統電路設計的通用性及可擴展性，調試成功后可用于其它項目。該模塊外設的串口狀態(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據附帶精確時間。
圖2 通信管理機硬件框圖
3.1.2 存儲系統
存儲系統包括芯片內置存儲器SRAM和板載存儲器。內置的SRAM空間1 MB，用于程序運行；模塊板載1 MB Serial Flash和4 MB Serial Flash，分別作為程序存儲器和數據存儲器，數據存儲器存儲的內容包括：通信管理機地址、IP和主動上傳時間間隔及智能斷路器的歷史數據、實時上傳數據、運行狀態(tài)和設置參數等。所存儲的設置參數控制著通信管理機的運行，通信管理機啟動時，將設置參數加載到RAM中進行參數配置，一旦主站對參數進行更改，參數區(qū)數據立即進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據、設置參數及運行狀態(tài)只需訪問通信管理機的存儲系統，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連接實現數據交換，RCM6710的GPRS模塊_RST和GPRS模塊_IGT分別實現中興ME3000模塊的復位和上下電，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模塊可通過標準AT命令進行控制和數據傳送，支持內嵌TCP/IP協議，用戶可以直接進行透明的數據傳輸，不用再考慮復雜的網絡協議。
圖3 中興ME3000模塊硬件原理圖
4 程序設計
通信管理機實現的功能包括ZigBee數據采集、數據存儲、規(guī)約轉換、參數設置和數據傳輸等，因此采用能處理多任務的μC/OS-Ⅱ操作系統。設計時，按照功能劃分任務，并根據任務的實時性要求確定任務優(yōu)先級，還要按照每個任務所處理的數據量的大小，給每個任務分配大小合適的堆棧。
按功能將任務劃分為定時管理、GPRS模塊通信、數據解析和ZigBee通信任務。任務創(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()；定時管理任務是最需保證準時運行的任務，所以優(yōu)先級最高。其次為GPRS模塊通信任務、數據解析任務，最后為ZigBee通信任務。當多個任務同時要執(zhí)行時，優(yōu)先級高的先運行。
各任務分別編寫，不僅能夠提高開發(fā)效率，更有助于日后的升級維護。任務操作對象為緩沖區(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)，數據順序為FIFO(First InFirst Out)結構，采用環(huán)形隊列實現。數據發(fā)送時必須先申請一個空閑的緩沖區(qū)，故要對緩沖區(qū)進行忙校驗，申請緩沖區(qū)時也需要對緩沖區(qū)的大小進行合理設定。
任務創(chuàng)建后，根據各任務要求執(zhí)行的頻率，在每個任務建立的循環(huán)中寫入延遲執(zhí)行命令：OSTimeDlyHMSM(h，m，s，ms)。各任務間的關系如圖4所示。
圖4 通信管理機任務
定時管理任務主要負責計時和延遲，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，主動上傳數據和心跳包上傳時間間隔分別默認為5 min和2 min。下面主要介紹數據解析任務、ZigBee通信任務和GPRS模塊通信任務。
4.1 數據解析任務
數據解析任務主要負責與主站服務器間的數據交換，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模塊協議進行數據傳輸，協議層根據主站規(guī)約進行解析和打包。如圖4所示。
數據解析任務首先對GPRS模塊接收緩沖區(qū)數據根據主站規(guī)約進行解析，可分為應答、上行和下行三類處理。應答幀主要為主站對通信管理機主動上傳數據、心跳包和告警事件回復的確認幀。上行部分主要為查詢數據，含通信管理機的地址、時間、定時上傳時間間隔、低壓線路的實時數據以及智能斷路器參數、開關狀態(tài)和控制方式。將上行的回復數據按主站規(guī)約處理形成回復報文存入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設置、手自動設置及分合閘命令，更改對應的變更標志，即全局變量，按規(guī)約形成回復確認幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
接著處理通信管理機主動上傳數據和心跳包，主動上傳數據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，上傳數據根據主站規(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
ZigBee通信任務負責與智能斷路器的數據交換。通信協議為智能斷路器廠家提供的通信協議，ZigBee通信任務的操作對象為全局變量、ZigBee模塊數據接收緩沖區(qū)和ZigBee模塊數據發(fā)送緩沖區(qū)，如圖4所示。
ZigBee通信任務分為下發(fā)數據和接收數據兩部分。下發(fā)數據又分為兩類：第一類為每10 s主動下發(fā)一次的ZigBee數據采集任務；第二類為變更任務，智能斷路器無手動模式參數設置，手動模式數據越限不上傳告警事件，故在ZigBee通信任務設計手動模式下的參數設置，若為手動模式的參數設置變更標志，則立即保存新的越限告警參數并上傳手動模式參數設置成功告警事件，若為其它變更標志則將變更數據按終端規(guī)約打包存入ZigBee發(fā)送緩沖區(qū)，若通信管理機重發(fā)三次變更命令幀至智能斷路器未收到確認幀，則立即上傳變更失敗告警事件。該部分變更內容包括自動跳閘動作值設置、手自動設置和分合閘。接收數據處理流程：從ZigBee數據接收緩沖區(qū)接收一有效幀，根據終端規(guī)約解析，分為采集數據應答幀和變更設置應答幀。采集數據應答幀中數據位的最后一位為自動跳閘原因，首先對該位進行判斷，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)，并把采集的其它數據位進行存儲。變更設置應答幀代表參數設置成功，將相應的變更設置重發(fā)次數清零，并把相應的設置成功告警幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。由于智能斷路器無運行狀態(tài)查詢功能，ZigBee通信任務對設置成功告警事件進行存儲，主站可以通過訪問通信管理機的存儲區(qū)數據以得到智能斷路器的運行狀態(tài)及參數。
4.3 GPRS通信任務
GPRS模塊通信任務主要為GPRS模塊的登陸和退出連接。首先判斷是否因為通信管理機地址或主站服務器地址及端口更改而需要重連網絡。如果需要重連網絡，必須向主站發(fā)送退出登錄包后關斷連接，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。重連后便可進行GPRS模塊數據的接收和發(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模塊網關連接正常)、GPRS模塊_SOCK(代表SOCK鏈接正常)。每一次執(zhí)行GPRS模塊通信任務時都會進行連接狀態(tài)的判斷，當連接狀態(tài)為GPRS模塊_SOCK才可以正常收發(fā)數據。
圖5 GPRS通信狀態(tài)流程
5 結語
本文提出一種可實現低壓電網負荷及漏電流綜合管理的ZigBee模塊通信管理機設計方案，該通信管理機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，實時監(jiān)控多條低壓線路，保障低壓電網更加安全、可靠的運行。通信管理機系統程序設計采用多任務的設計思路，提高開發(fā)效率，也有助于日后的升級維護。本文所設計的ZigBee模塊通信管理機在現場經過數月的運行，通信穩(wěn)定，數據及命令轉發(fā)準確，具有很高的可靠性。
1 引言
ZigBee無線模塊出租車調度系統一定程度上解決了“人找車，車找人”的現象，降低了城市出租車空載率。目前的出租車調度系統主要有：電話調度、GPS調度、站牌調度等。出租車電話調度具有可隨時隨地叫車的優(yōu)點，但需乘客撥打出租車調度中心電話與話務員座席溝通確認乘客位置，方能人工調度附近的出租車前往搭載乘客，交互過程長、調度效率低，不適于快節(jié)奏的打車需求。GPS調度是根據乘客實時的GPS位置信息進行調度的出租車調度系統，乘客可以通過短信和手機軟件發(fā)送GPS位置信息至調度中心，調度中心采用Dijkstra算法，自動調度附近的出租車搭載乘客。該方法采取自動調度，節(jié)省了人工座席服務的支出。但是，由于乘客位置是GPS信息，需要出租車安裝有電子導航儀。電子導航儀價格貴，有升級費用，出租車司機消費高，難以普及。站牌調度系統通過站牌和出租車車載應答子系統進行無線通信，實現城市出租車預約功能。該系統中乘客和出租車司機直接交互，無需調度中心等第三方平臺。站牌即乘客位置，各站牌采用統一編碼，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，乘客定位簡單準確。站牌調度雖然具有不依賴調度中心和GPS定位系統、交互直接、調度快和設備費用低等優(yōu)點，但目前的站牌調度系統還存在以下不足：
(1)司機沒有乘客信息，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，司機不能辨別乘客，容易出現乘客搶車插隊現象；
(2)根據出租車司機響應結果來決定出租車調度對象，沒有考慮出租車具體路程，不能確保是最優(yōu)的調度結果；
(3)缺乏乘客和出租車司機雙方的誠信約束措施，爽約現象頻發(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，本文在傳統的站牌調度系統上進行較大改進，提出基于物聯網ZigBee無線模塊的感知、傳輸、應用三層架構的出租車調度系統方案。方案采用乘客刷卡預約出租車的方式，用以解決乘客插隊和誠信問題；通過增加信號中繼節(jié)點，擴大出租車調度范圍；并采用JN5139作為核心處理模塊進行系統設計，用Jennie ZigBee協議組建ZigBee無線數傳樹狀拓撲網絡，對信息進行ZigBee數傳采集，結合Cskip地址分配算法和AODVjr路由算法，選擇最佳出租車調度對象，實現乘客“自助式”、可靠、快速的出租車調度。
2 系統結構
本系統基于物聯網感知、傳輸、應用三層體系架構，三層功能分布在系統的站牌預約點子系統、車載應答子系統、ZigBee數傳模塊中繼節(jié)點和調度管理中心四部分實體中實現。系統在原站牌調度系統基礎上，增加架構了感知層RFID讀寫器、ZigBee數傳模塊中繼節(jié)點、傳輸層GPRS(General Packet RadioService)網關模塊和應用層調度管理中心等。
站牌預約點子系統安裝在經常出現打車行為的道路邊(如大型商場、小區(qū)、學區(qū)、寫字樓等)，乘客通過RFID刷卡預約車，采用ZigBee無線模塊通信方式發(fā)布乘客打車信息、接收出租車司機應答信息，并用GPRS上傳調度結果信息。車載應答子系統安裝在出租車內，用于接收乘客打車信息、發(fā)送司機應答信息和乘客上車刷卡核對卡號。ZigBee數傳模塊中繼節(jié)點安裝在信號較弱處，用于轉發(fā)ZigBee無線信號，擴大調度范圍。調度管理中心負責接收、保持和查詢GPRS上傳的調度結果信息和司乘雙方守約爽約信息等，建立乘客預扣定金、出租車爽約扣罰金和扣罰金補償給守約方的雙重機制，促使雙方遵守誠信。系統結構如圖1所示。
圖1 系統結構
3 系統硬件設計
該系統主要通過感知層實現分布在城市內的多站牌點附近的出租車信息進行ZigBee數據采集調度功能。該層以分布在城市內的站牌預約點為網絡協調器節(jié)點，信號中繼裝置為路由器節(jié)點，構成不斷將行駛進入站牌限定范圍內的出租車車載應答子系統加入為網絡終端節(jié)點的多個動態(tài)ZigBee自組網絡。站牌預約點子系統主要包括ZigBee無線模塊、RFID讀寫器模塊、GPRS網關模塊、顯示模塊和電源模塊，站牌預約點子系統框圖如圖2所示。
圖2 站牌預約點子系統框圖
站牌預約點子系統ZigBee無線模塊負責搭建ZigBee網絡，控制RFID讀寫器模塊工作，無線傳輸乘客打車信息、將違約／調度結果信息通過串口發(fā)送給GPRS網關模塊；RFID讀寫器模塊供乘客刷卡發(fā)送打車信息和預約成功后預扣定金；GPRS網關模塊發(fā)送調度結果和爽約信息至調度管理中心；顯示模塊顯示乘客預約打車結果。
ZigBee無線模塊采用JN5139 Z01 M02(以下簡稱JN5139)，其具有使用免費頻段、無線自組網等優(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網關模塊采用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。
站牌預約點子系統中，核心處理器是JN5139，其他各模塊都需要和JN5139進行通信。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。
系統電路設計按照電路簡單、較少使用JN5139的DIO接口和通信速率較快的要求，結合各模塊的通信接口標準，設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。
站牌預約點子系統中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。本文硬件設計部分主要介紹站牌預約點子系統的硬件電路設計，車載應答子系統各模塊與站牌預約點子系統各模塊大體相同，將站牌預約子系統的GPRS網關模塊(SIM300)換成語音識別模塊即為車載應答子系統。ZigBee數傳模塊中繼節(jié)點即JN5139模塊加上電源模塊。
4 系統軟件設計
乘客需在站牌預約點刷卡，站牌預約點子系統通過動態(tài)ZigBee自組網絡組播一則打車消息。若有多位出租車司機回復，選擇路由最短的作為調度對象。站牌預約點子系統調度流程如圖4所示。
圖4 站牌預約點子系統流程
JN5139通過配置RC522寄存器控制讀寫器進行相應工作，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據，寫第三次地址返回第二次的數據，以此類推構建出租車調度系統的動態(tài)ZigBee自組網，需對網絡內協調器、路由、終端節(jié)點進行配置，特別是要不斷動態(tài)地發(fā)現和將行駛進入站牌點限定范圍內的出租車車載單元加入成為網絡終端節(jié)點。
本系統網絡默認的信道可能在一些場合中已被其他系統使用，故各站牌預約點子系統可能使用不同信道，終端節(jié)點要加入不同信道的ZigBee無線數傳網絡，需要進行配置，如設置網絡信道為0，則可實現終端設備自動搜索所在區(qū)域的ZigBee無線數傳網絡。當信道和個域網ID都匹配時，加入該網絡。當ZigBee協議棧一段時間沒有收到網絡應答信息時，判斷為離開網絡，需要重新設置，并重新尋找網絡。系統無線通信采用Jennic公司的硬件及協議棧，調度中心采用C++Build的Socket套接字編程，在Socket服務器組件中添加OnClientRead事件處理函數，接收、處理GPRS上傳的數據，存儲在sQLserver數據庫中。調度中心、各出租車公司可對出租車司機的基本信息、調度結果和爽約情況進行查詢。
5 最佳調度對象選擇
本系統采用AODVjr路由，AODVjr對AODV算法進行了簡化和改進，這種按需路由協議在移動性高、負載低的場合性能較高。AODVjr路由中，當源節(jié)點需要向目的節(jié)點發(fā)送數據而不知道路徑時，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)點轉發(fā)該分組。而目標節(jié)點在收到RREQ分組后，向源節(jié)點單播回復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。
在有多個司機回復乘客預約車信息時，系統需要進行最佳調度對象的選擇，因布點時相鄰中繼節(jié)點距離基本相同，路由跳數基本上能反映出租車距站牌預約點的距離，可通過路由跳數大小確定較佳的調度對象。但是，當道路中存在護欄或者綠化帶時，站牌預約點另一側的出租車即使路由跳數少，也因出租車不能直接轉向到達站牌預約點，而不能作為調度對象。所以，本系統在站牌預約點另一側添加一個節(jié)點(如圖5中的F節(jié)點，相應增加中繼節(jié)點后，也可以將F節(jié)點做成站牌預約點，供另一側的乘客預約車)，以區(qū)分站牌預約點另一側的出租車，并采用Cskip算法和最短路由相結合確定系統的最佳調度對象。為父節(jié)點所能擁有的最大路由節(jié)點數上述算法分配的地址為車載應答子系統加入網絡時的地址，JN5139采用的協議棧中，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約點下車，這時出租車空載，從而加入網絡。
此時它處在站牌預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)點進行比較
6 測試結果
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。測試設備采用連接5db天線的JN5139 Z01 M02模塊，經測試信號傳輸距離在500 m左右，本系統測試時最大調度范圍為1500m。測試網絡布點如圖5所示。
圖5 網絡布點
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約點行駛。乘客在站牌預約點刷卡預約出租車，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，二者路由跳數相同，二者距站牌預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，能最快趕到站牌預約點，故選擇結果最合理的調度對象為車牌號為黑BTl947的空載出租車。
圖6 Cskip算法網絡地址分配圖
結合圖6知，黑BTl947出租車通過E節(jié)點加入網絡，其網絡短地址在22～24之問；同理，黑BTl347的網絡短地址在28～30之問，所以，根據出租車短地址即可以進行相同路由跳數下的最佳調度對象選擇。站牌預約點子系統調度結果如圖7所示。
圖7 系統調度結果
測試實例中，乘客共發(fā)出11次打車請求，其中有一次為司機響應后沒有前往站牌預約點接乘客，屬于出租車司機爽約，調度管理中心據此對出租車司機扣除相應違約金，以維護乘客和出租車司機雙方的誠信約束制度。站牌預約的進程信息通過GPRS傳輸至調度管理中心。調度管理中心可查詢乘客和出租車司機爽約信息、各站牌預約點打車信息和司機詳細信息等。實例中調度管理中心對司機李強的詳細信息查詢結果如圖8所示。
圖8 司機詳細信息查詢
7 結束語
本文提出了一種基于物聯網ZigBee模塊的出租車調度系統，系統基于物聯網ZigBee數傳模塊技術，融合RFID、ZigBee數傳采集、GPRS等感知層、傳輸層技術，實現乘客在站牌預約點刷卡叫車，系統感知層構建的ZigBee自組網絡可合理調度網內空載出租車為乘客提供乘車服務。系統傳輸層、應用層的構建，實現調度管理中心通過記錄、保存調度信息、暫扣乘客卡內預約定金和監(jiān)督出租車司機守約功能，有效防止出租車司機或乘客爽約，建立出租車司機和乘客之間的誠信。各出租車公司也可查詢本公司員工調度紀錄確保系統長期穩(wěn)定運行。系統還可以進行升級與擴展，如在應用層增加物聯網預約車平臺和手機平臺后，乘客預約出租車信息通過GPRS網關即可傳至相應站牌預約點子系統，乘客可通過互聯網與3G／4G技術預約出租車。本系統為乘客提供一種打車新方式，具有一定的實際應用價值。
引言
當代社會，城市路燈照明／景觀照明建設不僅帶給人們光明與視覺享受，而且成為展現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、費用、用電、電纜被盜等問題。基于ZigBee無線模塊技術和LED光源的路燈系統，是一種自動化成度高、高效節(jié)能的城市照明系統。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進行科學、高效的控制和資源整合，合理調整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統的用電量，而且可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護的開支。
1 系統方案與設計
系統由三大部分構成：控制中心，ZigBee無線路燈控制器節(jié)點和控制中心通信的轉發(fā)節(jié)點，固定在路燈桿上的終端節(jié)點。無線路燈遠程控制系統結構如圖1所示。
圖1 無線路燈遠程控制系統結構
控制中心的監(jiān)控系統由計算機與無線收發(fā)模塊構成，主要負責建立和管理ZigBee無線路燈控制器網絡，顯示路燈狀況信息和發(fā)送控制命令，協調整個路燈系統的運作。ZigBee無線路燈控制器包括LED電源驅動，為大功率LED提供電力，并能根據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；無線模塊負責傳輸數據。將本系統模型與無線傳感器網絡模型進行對比，不難發(fā)現，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絡中的終端節(jié)點(RFD)，控制中心監(jiān)控系統就是協調器(COORD)，實現COORD與RFD之間無線通信的為路由轉發(fā)節(jié)點(ROUTER)。遠程網絡使用ZigBee與GRPS混合組成的網絡。子網和中央控制中心使用GPRS網絡來傳輸數據。下面具體介紹終端節(jié)點硬件電路設計方案。
1．1 LED節(jié)點驅動控制設計
LED節(jié)點驅動方案使用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照明應用。該設計可將通用電源(90--265 VRMS)轉換成0．9 A恒流源，能夠驅動100 W LED負載。UCC28810電路如圖2所示。
圖2 UCC28810電路圖
此電路使用雙級設計，第一級是UCC28810的轉換模的PWM調光。此方案的優(yōu)勢在于，使用了高效的專用驅式電路，將AC電源轉換成36 V的DC電源。第二級也采用UCC28811的轉換模式，將恒壓源轉換為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(功率因數校正)功能，確保設計方案滿足各種標準設定的諧波電流或功率因數要求。并且UCC28810／11控制器提供如電流峰值限制、復位定時器、過壓保護(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
第一級在低負荷狀態(tài)下運行，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實現更高轉換效率。第二級將PFC輸出電壓轉換為0．9 A的固定電流，以驅動LED負載。第二級不僅可接受PWM調光輸入(從外部或從板級電路均可)，而且還可相應開啟或關閉調光，從而實現LED電流的PWM調光。由于使用了高效的驅動IC，電源轉化效率更高了，在低負荷線路(10w line)運行狀態(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。
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容。
1．2．1 溫度感測
由于大功率白光LED照明和驅動器發(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無線路燈控制器進入報警模式，將自動關閉路燈，并向控制器發(fā)送報警命令。
溫度傳感器使用DSl8820，DSl8820是DALLAS公司生產的一款數字溫度傳感器。其特點有：獨特的一線接口，只需要一個端口即可通信；電路無需外部元件，可用數據總線供電，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，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，應用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統、消費電子產品溫度計及任何熱敏感系統。
1．2．2 感光檢測系統
ZigBee無線路燈控制器使用光敏電阻傳感器對周圍環(huán)境的光亮度進行ZigBee數據采集，當傍晚周圍環(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；當晚上天全黑了以后，將路燈全部打開；當凌晨4點左右出現晨光時，將路燈調節(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無線模塊設計
目前TI公司已經先后推出了支持ZigBee協議的2．4 GHz的射頻收發(fā)器CC2420和ZigBee的片上系統解決方案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。當系統處于空閑時，CC2480能自動進入休眠狀態(tài)，并能實現休眠與主動模式的超短時間轉換。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格的應用場合。CC2480模塊可以直接與上位機之間通過串口通信，本系統選用異步串口模式。
1．4微控制器電路設計
MSP430是TI公司開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設和內存統一編址，尋址范圍可達64 K，還可以外擴存儲器，具有統一的中斷管理，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單片機的P3．4、P3．5端口設置成串口0(MSART0)的收發(fā)口，與CC2480的異步串口相連，它們之間實現串口通信。單片機發(fā)送數據給CC2480，CC2480無線發(fā)送出去；CC2480接收到無線數據后，也透明傳送給單片機。
2軟件流程設計
在本系統中，ZigBee協議可以應用于所有的節(jié)點，因為ZigBee協議具有很多的實用函數，例如設備離開或者加入網絡，創(chuàng)建一個新的網絡，父節(jié)點和子節(jié)點的搜索，網絡信標幀的發(fā)送，數據包的發(fā)送和接收等。系統工作的過程中，協調器主要進行無線傳感器網絡的創(chuàng)建，負責接收ZigBee無線路燈控制器發(fā)送回來的ZigBee數據采集路燈信息，依據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)，負責獲取其他節(jié)點發(fā)送來的信息并判斷是不是需要進行轉發(fā)，與此同時把自身路燈的信息傳送給協調器；接收協調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，只需要負責隨時接收協調器發(fā)送的控制命令，并向上一級返回路燈當前的狀態(tài)。
系統投入運行時，首先對CC2480進行初始化，協調器運行初始化協議，同時打開中斷。此后軟件程序創(chuàng)建新網絡，一旦網絡能夠成功創(chuàng)建，就對相應的網絡協調器物理地址、當前建立網絡的ID號以及頻道號進行顯示。協調器軟件流程圖如圖6所示。
圖6 協調器程序流程圖
3路燈控制模式
根據不同上位機的不同控制命令，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，編號是奇數的燈開啟或者編號是偶數的燈開啟。當路燈節(jié)點接收到單雙燈開啟命令以后，路燈會根據自身的ID編號，選擇開啟還是關閉。這種模式應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驅動模塊的PWM調光機制，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隨機選擇關閉模式
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)給路燈隨機關閉模式命令，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發(fā)出的命令。
當路燈節(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，并向上位機報警。
結語
本文主要分析了ZigBee模塊組網技術，設計了一種ZigBee無線路燈控制器系統，實現路燈信息的ZigBee數據采集和控制。事實證明本系統網絡經一次性布置之后，可以長期可靠運行。路燈節(jié)點的數量、位置可隨時變更，使得調控路燈變得更加方便、科學。無線LED路燈遠程控制系統為解決問題提供一個良好平臺。