基於wsn的城市路燈節能控制裝置的製作方法

2024-02-16 15:53:15 1

專利名稱：基於wsn的城市路燈節能控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及路燈節能控制系統，屬於城市路燈節能技術領域。
背景技術：
傳統的路燈控制器只能實現對一條線路的控制，也就是只能實現線控，不能對單個路燈 進行控制，比如路燈的隔一亮一等控制模式非常麻煩，需要人為進行各燈杆控制或者在布線 的時候單獨走線，這非常不利於對現有的路燈系統進行節能改造。現有的路燈控制系統是在 每個路燈變壓器位置處放置控制裝置和GPRS (通用無線分組業務)通信模塊，控制中心通過 發指令將整條線路的燈進行開啟或關閉的控制，也不能實現對路燈的調光控制。無法真正實 現"分時間、分路段、分情景"的按需亮燈模式。
另一方面，隨著微機電系統(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系統(S0C， System on Chip)、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線傳感器網絡 (Wireless Sensor Networks, WSNs),並以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來 了信息感知的一場變革。WSN (無線傳感器網絡)為大規模、無線、自組織、多瑕L無分區、 無基礎設施支持的網絡，其中節點是同構的、成本較低、體積較小，大部分節點不移動，被 散布在工作區域，要求網絡系統有儘可能長的工作時間，是由"無所不能"的嵌入式智能傳 感器硬體+ "無所不在"的新型無線個人局域通信網+ "無所不包"的信息分析處理系統軟體 三部分，組成的實時測控數據採集處理系統。 發明內容
本實用新型針對現有路燈控制技術存在的不足，提供一種實現分時間、分路段、分情景 按需亮燈模式的基於WSN的城市路燈節能控制裝置。
本實用新型的基於WSN的城市路燈節能控制裝置採用以下技術方案
基於WSN的城市路燈節能控制裝置包括節點模塊、控制模塊和協調器，節點模塊和控制 模塊安裝在每個路燈上，節點模塊包括射頻模塊和微處理器(CPU),射頻模塊和微處理器均 通過插針的方式連接到控制模塊上， 一個區域內的路燈上的各個節點模塊與一個協調器採用 無線接力方式通信連接，控制模塊包含一個變壓器和繼電器，各個協調器通過GPRS與通用 RTU (Remote Terminal Unit,遠程終端控制系統)進行通信連接。
協調器實質上就是一臺嵌入式計算機，利用射頻模塊與各個節點連接通信，完成網絡內 節點的初始長地址的分配，作為整個網絡的中心管理節點負責維護和管理網絡。
本實用新型將無線傳感器網絡技術應用於城市路燈節能控制領域，不需要增加過多的資 金和人力投入，只需要在每個燈杆上加裝此控制器，在原有的路燈變壓器處安裝協調器，就 可順利實現對路燈的單燈控制。可大大降低對原來線路的改造投入，且技術先進，控制實現 方便，有效降低路燈能耗，實現對路燈故障及線路老化的主動報警，有效減少對路燈巡檢人 員的工作量，且體積小，極大地方便了工作人員的安裝。

圖1是本實用新型的原理示意圖。
圖2是本實用新型中的節點模塊中的射頻模塊電路原理圖。圖3是節點模塊中的微處理器(CPU)電路原理圖。圖4是控制模塊中的電源模塊原理圖。圖5是控制模塊中的繼電器電路原理圖。圖6是控制模塊中的控制板互感器採樣電路原理圖。圖7是協調器的電路原理圖。圖中1、節點模塊，2、射頻模塊，3、微處理器(CPU), 4、控制模塊，5、協調器，6、 RTU， 7、變壓器，8、繼電器，9、 RTU (Remote Terminal Unit,遠程終端控制系統)，具體實施方式
如圖1所示，本實用新型的基於WSN的城市路燈節能控制裝置包括節點模塊1、控制模 塊4和協調器5，每個路燈上均安裝有節點模塊1和控制模塊4，節點模塊1包括射頻模塊2 和微處理器(CPU) 3，射頻模塊2和微處理器3均通過插針的方式連接到控制模塊4上。各 個節點模塊與協調器5之間採用無線接力方式通信，控制模塊4包含一個變壓器7和繼電器 8。 一個區域內的路燈上的各個節點模塊與一個協調器5採用無線接力方式通信連接，各個協 調器通過GPRS通信模塊6與通用的RTU (遠程終端控制系統)9進行通信連接。射頻模塊2的電路原理如圖2所示，採用的是2.4GHz的ISM (工業、科學、醫療)免執 照頻段。射頻晶片採用Chipcon公司的CC2500，數據傳輸具有高靈敏度和可靠性，支持數率 L2Kbps—250Kbps，且有多個信道可進行切換，配合倒"F"型微帶天線，進行數據的發送和 接收。有效傳輸距離為80—120m，可滿足無線傳感器網絡內的各種通信需要。CC2500中可對 254個地址進行地址辨識，如果實際中滿足不了需要，可將此功能關閉，在CPU中進行64位 長地址的分配，保證全球唯一的節點地址，完全可滿足任何地址分配的需要。射頻部分完成 無線傳感器網絡物理層的一些任務。微處理器(CPU) 3的電路原理如圖3所示，採用的是Microchip公司的低功耗PIC24F 系列晶片，並加入了嵌入式實時作業系統(RT0S),可保證節點的可靠運行。CPU部分是整個 節點的心臟，它管理著整個節點，完成數據的採集、處理等功能。此晶片具有多路1/0，接 不同傳感器，可實現對信息的採集，經過處理後，可將有用數據通過射頻部分發射出去，也 可輸出到控制模塊4，使繼電器8執行相應的動作，從而完成對路燈的開啟調光等控制。根 據實際應用的需要，可使節點工作於休眠等模式。在本裝置中，它還可完成對節點地址的自 動分配功能，大大減輕了燒寫程序的負擔。節點模塊1有一路模擬輸入，採集路燈的工作電流值， 一方面可檢測到路燈是否出現故 障，另一方面可根據電流的大小判斷路燈的老化情況。且可對故障進行主動檢測，主動報警。 節點模塊l與協調器5之間的通信採用無線接力即多跳的方式進行，由於兩個同側相臨的路 燈燈杆之間距離為30m—50m，為了保證數據的可靠傳輸，萬一有鄰居節點模塊1出現通信故 障，採用相對面一側的鄰居節點轉發數據包，並將數據準確送達目的燈杆的方式。控制模塊4中的電源模塊如圖4所示，通過變壓器7取路燈燈杆上的高壓電，轉換成節 點模塊1和控制模塊4所需要的電壓。圖5給出了控制模塊中的繼電器電路原理圖，繼電器 8實現對路燈的各種控制功能如開啟、調光等。控制模塊4放置在每個路燈燈杆的控制槽部 位，就地取電源，並在目前的變壓器位置放置協調器5。圖6給出了控制模塊中的控制板互 感器採樣電路原理圖。協調器5的電路原理圖如圖7.所示，協調器5實質上就是一臺嵌入式計算機，利用射頻模塊2與各個節點連接通信，完成網絡內節點的初始長地址的分配，作為 整個網絡的中心管理節點負責維護和管理網絡。管理和維護網絡的工作主要包括發現網絡內 存在的節點，節點的工作狀態。發送對路燈的控制命令，定時維護網絡。協調器5除了完成 對路口各路燈的集中控制外，可與通用的RTU接口，比如GPRS、 RS485或RS232方式與主控 制中心相聯繫，實現對路燈的控制方式有集中控制，分散控制，故障診斷與主動報警。協 調器的故障檢測可由上一級的系統管理中心實現。各個路燈的控制模塊4有兩路輸出控制， 一路為開關量，控制副道的燈光，即不用的時 候可直接關掉； 一路為調光輸出，實現對主幹道的調光控制。無線節點模塊1和控制模塊4安裝在每個路燈的燈頭位置，然後將協調器5安裝在現有 的變壓器位置處，通過串口與RTU進行通信，完成指令的解析和轉換功能。為了對每個路燈 進行識別，需要對其所在的區域進行網絡的編號，也就是說每個協調器5管理這一個小網， 然後各協調器5通過GPRS與控制中心聯繫，組成一個完成的大控制網。每個協調器有不同的 網絡編號，安裝在每個路燈上的節點也要配置成相應的網絡編號。這樣在通信的時候只要找 到了其所在的網絡號，然後沿著地址號就能鎖定其所在的具體位置。為了減小通信負擔，在 小網內通信可採用16位的短地址。也就是說網絡號加短地址就可唯一確定每個節點的位置。 安裝的時候對地址的分配採用以協調器為中心向外輻射，地址號逐漸增大。這樣可大大減少 通信處理負擔，有效降低通信阻塞和數據冗餘，延長節點的使用壽命，雖然目前是採用變壓 器供電，但為了確定聯繫不到節點的時候到底是什麼原因，可對其採用雙供電的方式，也就 是當變壓器變壓有效的時候，採用變壓器供電，無效的時候由電池供電。這樣，當發生故障 的時候就可以迅速確定是高壓故障還是路燈故障等，大大降低巡燈人員的工作量。當節點數 據在轉發過程中出現鏈路故障使，可採用備用鏈路進行通信，也就是說對同一個節點可採用 不同的路徑對其進行控制，完成指令中需要的功能，增加了系統的健壯性。 本實用新型的工作過程是整個裝置安裝完畢後，就開始上電，系統初始化，然後執行鄰居發現命令，找到節點自 身周圍的鄰居。協調器根據預設的指令進行工作，當通過通用RTU接收到上一級管理中心發 來的指令後，對命令進行解析，判斷出是什麼指令，然後轉化成本小網內能識別的指令後轉 發給周圍的節點執行相應的功能。節點對接收到的數據包進行解析，判斷是否是發給自己的 數據，如果是，進行處理，如果不是，判斷是否需要進行轉發，如需轉發則轉發到相應的節 點，如不需要轉發則做丟棄處理。節點如果檢測到路燈有故障則按照一定的路徑將信息上報 到協調器，由協調器處理後利用通用RTU將數據發送到上一級管理中心。如果需要對全網路 燈的運行情況進行查詢，則可發送査詢命令，這樣各節點要將自身的故障信息全都上報給協 調器，而後到達控制中心。
權利要求1.一種基於WSN的城市路燈節能控制裝置，包括節點模塊、控制模塊和協調器，其特徵是節點模塊和控制模塊安裝在每個路燈上，節點模塊包括射頻模塊和微處理器，射頻模塊和微處理器均通過插針的方式連接到控制模塊上，一個區域內的路燈上的各個節點模塊與一個協調器採用無線接力方式通信連接，控制模塊包含一個變壓器和繼電器，各個協調器通過GPRS與通用RTU進行通信連接。
專利摘要本實用新型提供了一種基於WSN的城市路燈節能控制裝置，該控制裝置包括節點模塊、控制模塊和協調器，節點模塊和控制模塊安裝在每個路燈上，節點模塊包括射頻模塊和微處理器，射頻模塊和微處理器均通過插針的方式連接到控制模塊上，一個區域內的路燈上的各個節點模塊與一個協調器採用無線接力方式通信連接，控制模塊包含一個變壓器和繼電器，各個協調器通過GPRS與通用RTU(遠程終端控制系統)進行通信連接。本實用新型控制實現方便，有效降低路燈能耗，實現對路燈故障及線路老化的主動報警，有效減少對路燈巡檢人員的工作量，且體積小，極大地方便了工作人員的安裝。
文檔編號H05B37/02GK201303452SQ20082022496
公開日2009年9月2日 申請日期2008年12月4日 優先權日2008年12月4日
發明者杜曉通, 雷 王, 艾茂良 申請人:雷 王