專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代信息技術(shù)有三大基礎(chǔ)，分別是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)，他們分別負責(zé)信息的采集、傳輸和處理。而傳感器網(wǎng)絡(luò)將這三種技術(shù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)了對信息的采集、傳輸和處理的一體化。真正有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念是在1998年，當時美國在國防高級研究計劃局(DARPA)的一個項目中首次提出了無線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念。到了 21 世紀，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了進一步的發(fā)展，我國也于2001年開始了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。傳感器網(wǎng)絡(luò)最初是由軍事的需求而發(fā)展起來的，隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用的范圍也越來越廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)涉及到了社會的各個領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事防御、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、反恐抗災(zāi)、工業(yè)制造等領(lǐng)域都起著很重要的作用。在路燈控制方面，我國在很長的一段時間內(nèi)都采用的是人工控制的方式，這需要專門的人員定時地停送電，消耗了大量的人力成本，而且還有不準確的缺點；后來有采用定時器進行控制的方法，但是各個季節(jié)黑夜的起始時間是不一樣的，這就需要根據(jù)季節(jié)的天黑時間來調(diào)節(jié)定時器，這就不是很方便；也有采用一個接觸器控制所有的路燈或者是一排的路燈的方法，這種方法的缺點是不能夠?qū)崟r改變路燈的亮度，有時還會在深夜的時候會造成過度照明的情況，從而無形之中浪費了大量的能源；現(xiàn)在也有使用單片機控制路燈的方法，這種方法雖然控制方便，但當在路燈系統(tǒng)中加入一盞路燈時，這就需要整個系統(tǒng)在軟件和硬件上進行相應(yīng)的調(diào)整，這是比較麻煩的一點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點，用于對路燈的智能控制，以實現(xiàn)對各個路燈狀況的實時監(jiān)控。該智能路燈控制系統(tǒng)具有低成本，高可靠性以及可擴展性等特點。智能路燈控制系統(tǒng)包括終端節(jié)點、轉(zhuǎn)接點和匯聚節(jié)點(見圖1)，終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)測量，將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)接點，轉(zhuǎn)接點接收數(shù)據(jù)后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點，最后匯聚節(jié)點通過USB接口與控制中心之間建立通信。本發(fā)明提供了智能路燈控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分——該系統(tǒng)的終端節(jié)點，具體構(gòu)思如下
首先，選擇采用MSP430F2274微控制器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、控制外設(shè)、溫度檢測(單片機內(nèi)部檢測溫度)、AD采樣濕度信息以及控制路燈開關(guān)與亮度等功能。MSP430是由電源管理系統(tǒng)、單片機、時鐘復(fù)位電路等組成的單片機最小系統(tǒng)，MSP430系列單片機為16位增強型單片機，擁有硬件乘法器和豐富的片內(nèi)外設(shè)，同時具有很好的計算處理能力和控制能力；加上其低功耗的特點，使得MSP430單片機很適合在此系統(tǒng)中應(yīng)用。
其次，無線射頻收發(fā)電路是通過2. 4GHz的無線收發(fā)器CC2500實現(xiàn)的，由MSP430控制其收發(fā)數(shù)據(jù)及組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過外置天線來增大其收發(fā)功率，實現(xiàn)與鄰居節(jié)點之間的無線通
最后，通過電能計量模塊ADE7753采樣交流電壓和電流，并通過SPI接口傳送數(shù)據(jù)給MSP430。此外，存儲模塊EEPROM在系統(tǒng)中可存放相關(guān)的信息，防止斷電時信息丟失，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案
一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點包括一個微控制器，其特征在于所述微控制器連接一個電壓調(diào)整模塊、一個無線射頻收發(fā)模塊、一個電能計量模塊、一個串行存儲模塊、一個電源模塊和一個指示燈。所述的電能計量模塊對路燈中的電能進行計量，將計量的結(jié)果通過SPI接口發(fā)送至微控制器；所述微控制器通過存儲模塊進行數(shù)據(jù)的存儲；所述微控制器通過無線射頻收發(fā)模塊與另一個終端節(jié)點控制系統(tǒng)之間進行通信；所述電源模塊與微控制器相連，提供了工作電壓；所述的電壓調(diào)整模塊實現(xiàn)不同工作電壓之間的轉(zhuǎn)換；所述的指示燈實現(xiàn)了智能控制系統(tǒng)的實時狀態(tài)的顯示。上述的微控制器采用TI公司生產(chǎn)的16位微控制器MSP430F2274，這是一種超低功耗的混合信號控制器。微處理器將從傳感器的收集到的數(shù)據(jù)和電能計量模塊得到的數(shù)據(jù)進行處理、存儲，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)與程序中預(yù)設(shè)的初值比較，然后進行相應(yīng)的操作，達到智能控制每一個路燈的開關(guān)狀態(tài)以及亮度的目的。此外，微控制器通過SPI接口對無線射頻收發(fā)模塊進行控制，實現(xiàn)終端節(jié)點控制系統(tǒng)間的通信。本發(fā)明采用將MSP430與電能計量模塊結(jié)合的方法，通過對路燈線路中的電壓、電流的測量，計算出電路中的電能，數(shù)據(jù)發(fā)送至微控制器中進行處理，處理后的數(shù)據(jù)可以通過無線射頻收發(fā)模塊，發(fā)送給其他節(jié)點。路燈終端節(jié)點的主要任務(wù)是采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行PC機發(fā)出的命令，控制每個路燈的狀態(tài)。上述的無線射頻收發(fā)模塊采用的是TI公司生產(chǎn)的CC2500無線收發(fā)器。上述的電能計量模塊使用的ADI生產(chǎn)的ADE7753芯片。上述的串口電路模塊采用的是TI公司生產(chǎn)的Max3243芯片。上述的串行存儲器模塊采用的是Microchip公司生產(chǎn)的MLC02B芯片。上述的電壓調(diào)整模塊采用的是Advanced Monolithic Systems公司生產(chǎn)的 AMSl 117-3. 3 芯片。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點首先， 本發(fā)明用于構(gòu)成的智能路燈控制系統(tǒng)所要控制的對象是與人們生活息息相關(guān)的路燈，這就涉及到能源的合理、有效的使用問題，雖然每一盞路燈所消耗的能源十分有限，但當路燈數(shù)量增加時，節(jié)能的問題就成了主要矛盾。本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)對路燈進行智能控制，不必進行人工的干預(yù)，降低了人力成本并且大大地減少了無效照明時間以及過度照明所帶來的能源的浪費；其次基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)的另一個好處是當某一盞路燈發(fā)生故障時，通過PC機可以很容易地進行定位，不必采用傳統(tǒng)的逐一查看的方式，即省時又方便；此外所采用的16位超低功耗微控制器功能強大，可以方便地對終端節(jié)點控制系統(tǒng)進行控制，能夠滿足本發(fā)明的基本要求。


圖1是智能路燈控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖。圖2是智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)圖。
圖3是微控制器接口電路原理圖。圖4是無線射頻收發(fā)電路原理圖。圖5是電能計量電路原理圖。圖6是串行存儲器電路原理圖。圖7是電壓調(diào)整模塊電路原理圖。圖8是程序流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明一個優(yōu)選實施例結(jié)合

如下圖1是路燈控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖， 包括終端節(jié)點、轉(zhuǎn)接點和匯聚節(jié)點。終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)的測量，將測得的數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊發(fā)送給轉(zhuǎn)接點，轉(zhuǎn)接點接收數(shù)據(jù)后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點，最后匯聚節(jié)點通過USB接口與控制中心之間建立通信。本實施例提供的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點包括下述硬件和軟件。本基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)
如圖2所示，本終端節(jié)點主要包括微控制器1，控制器電源模塊3，無線射頻收發(fā)模塊4、 電能計量模塊5、串行存儲模塊2、電壓調(diào)整模塊6、指示燈7和繼電器8。所述微控制器1 的輸出控制信號連接至無線射頻收發(fā)模塊4和電能計量模塊5，從而對無線射頻收發(fā)模塊4 和電能計量模塊5進行控制；所述存儲模塊2連接至微控制器1，提供存儲空間；所述終端節(jié)點電源模塊3與微控制器1相連，提供工作電壓；所述微控制器1通過無線射頻收發(fā)模塊 4連接至鄰居節(jié)點；所述電壓調(diào)整模塊6實現(xiàn)不同工作電壓之間的轉(zhuǎn)換；所述指示燈7實現(xiàn)了控制器的實時狀態(tài)的顯示；所述的繼電器8接收微控制器1的指令，執(zhí)行開關(guān)路燈的操作。其中，微控制器MSP430F2274是整個終端節(jié)點的核心，它通過無線射頻收發(fā)模塊4與鄰居節(jié)點進行通訊，獲取控制信息以及上傳路燈信息。本終端節(jié)點有如下特點
1、采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即滿足了設(shè)計的要求，又具有結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、壽命長、 可擴展性好、靈活性強、準確度高等其他控制方法所無法比擬的優(yōu)點；
2、路燈正常工作時可以根據(jù)周圍的環(huán)境及時地調(diào)整路燈的工作狀態(tài)以及亮度；路燈出現(xiàn)異常時，能精確快速地了解到這一路燈的狀況并且第一時間通知維修人員進行維修工作，因此，降低了人力成本并且大大地減少了無效照明時間以及過度照明所帶來的能源的浪費，也提高了整個路燈系統(tǒng)的可靠性。
下面將對終端節(jié)點各組成部分進行詳細介紹。
< 一 >、微控制器1
本終端節(jié)點采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F2274微控制器作為主控制器。MSP430單片機是一種超低功耗的混合信號控制器。參見圖3，在MSP430中，Pl. 4接測試時鐘，Pl. 5進行測試模塊選擇，Pl. 6進行測試數(shù)據(jù)輸入，Pl. 7進行測試數(shù)據(jù)輸出，P2. 0接MEMORY的時鐘接口，P2. 1 接 MEMORY 的數(shù)據(jù)接口 ；P2. 6、P2. 7、P3. 0-P3. 3 是 CC2500 的控制接口，其中 P2. 6、 P2. 7分別接CC2500的輸入接口和輸出接口，P3.0接片選信號，P3. 1為從入主出模式，P3. 2 為從出主入模式，P3. 3接時鐘信號；P2. 2、Ρ4· 0-Ρ4. 3是ADE7753控制接口，Ρ2. 2接脈沖輸出信號，P4. 0和P4. 1是數(shù)據(jù)的輸入、輸出接口，P4. 2接時鐘信號，P4. 3是片選信號；P4. 4、 P4. 5用于控制指示燈。MSP430F2274的工作電源電壓為1. 8-3. 6 V。該微控制器可以使用電池進行供電， 由于它的超低功耗，使得其使用時間超長。在工作模式下，2. 2V電壓以及工作頻率為IMHz 情況下，電流為250 μ A ；在待機模式下，工作電流為0. 7μ A ；而在掉電模式下，其電流僅為 0.1μΑο該微控制器從待機模式喚醒所需要的時間少于1 μ S。它是16位的精簡指令系統(tǒng)，其指令周期是62. 5ns。它具有一個強大的16位RISC處理器，一個200ksps的10位 SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩個內(nèi)置的運算放大器，兩個帶有三個捕獲、比較寄存器的16位定時器(Timer_A、Timer_B)。USCI模塊支持UART/LIN、SPI總線、I2C總線以及IrDA等低功耗模式。MSP430單片機內(nèi)還集成有A/D轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器、定時器、比較器等模塊。MSP430 微控制器在電路中實現(xiàn)了對無線射頻無線收發(fā)器以及對電流電壓和路燈開關(guān)的控制。< 二 >、無線射頻收發(fā)模塊4
所述無線射頻收發(fā)電路4采用的是TI公司生產(chǎn)的CC2500無線收發(fā)器，參見圖4，它是基于0. 18微米的CMOS晶體的Chipcon的SmartRF 04技術(shù)的一種低成本的2. 4GHz無線收發(fā)器。其電路設(shè)定為 2400-2483. 5MHz 的 ISM (Industrial, Scientific and Medical)和 SRD (Short Range Device)頻段。CC2500內(nèi)部還集成了一個數(shù)據(jù)傳輸率可以達到5001ibps 的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。該收發(fā)器還能為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍峁┖芎玫挠布С?。此外CC2500還具有體積非常小，具有很高的靈敏度，功耗十分的小，高效的SPI接口等特點。在該收發(fā)器電路的左下方是這個收發(fā)器的外接天線電路，它使得無線射頻無線收發(fā)電路在路燈終端節(jié)點控制系統(tǒng)中能夠起到與鄰居節(jié)點通信的作用?！慈?、電能計量模塊5
參見圖5，接口 4、5以差模的方式輸入電流信號，接口 7輸入電壓信號，接口 19、20則與 MSP430進行數(shù)據(jù)交流，從而將計算出的值發(fā)送給單片機進行處理。ADE7753是ADI生產(chǎn)的一款功能先進的數(shù)字電度表電路，它是一種帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功和視在能量計量的集成電路，它能對電壓、電流的有效值進行計算， 對有功和無功能量進行測量。ADE7753包含一個能保持一段時間滿負載累積功率的有功電能寄存器、視在電能寄存器和電壓、電流有效值，可通過串行口讀出ADE7753的數(shù)據(jù)。它同時提供一個與有功能量成比例的脈沖輸出(CF)。除了有效值計算、有功和視在能量的信息外，ADE7753提供一個有符號的無功能量信息和各種各樣的系統(tǒng)校準特點，比如通道偏置校準、相位校準和能量校準。它還集成了一個檢測線電壓高低跌落的檢測電路，可提前發(fā)出掉電和過壓預(yù)警。ADE7753具有可選正的累積模式，這樣，當檢測到正能量時才進行能量的累積。當空載時，內(nèi)部空載門限確保ADE7753沒有輸出。過零輸出產(chǎn)生與線電壓過零同步的輸出信號，ZX信號可用來測量線電壓周期，它還用于電路內(nèi)部有功能量和視在能量的周期校準模式。這就能更快、更精確地校準能量計算結(jié)果。該信號也可以用于與線電壓過零同步來切換繼電器，防止拉弧。實際上，在MSP430微控制器上本身就存在這A/D模塊，那為什么不利用它上面的 A/D模塊，反而要重新再加上一塊芯片呢？這主要是由于在MSP430中，我們能得到電流以及電壓的值，但我們真正關(guān)心的是功率的狀況，所以如果采用已有的A/D模塊，那我們就需要再增加一個乘法器來實現(xiàn)功率的輸出，當然這只是其中的一方面。ADE7753具有精度高、誤差小、可以檢測電壓浪涌閾值和線電壓跌落、穩(wěn)定性高、功耗低等因素也是選用它的原因。<四 >、串行存儲模塊2
該模塊采用Microchip公司生產(chǎn)的MLC02B芯片，它具有低功耗、采用單電源供電、I2C 總線接口、寫保護功能、保存壽命長等特性。參見圖6，24LC02B的WP管腳，即寫保護管腳接地，是該芯片始終處于可以進行讀/ 寫的狀態(tài)，不處于寫保護狀態(tài)。24LC02B的A0、A1、A2都接地，表示了該器件的地址為000。 由于I2C是總線的工作方式，該總線上可以掛許多的器件，所以總線上的每個器件都有其相應(yīng)的地址，這樣才能實現(xiàn)尋址操作。24LC02B的SCL和SDA分別于MSP430F2274的P2. 0 和P2. 1管腳相連，連接方式是I2C總線方式。這里分別將SCL和SDA通過一個5. IKΩ的電阻將其電位拉高，以滿足I2C的工作方式的條件。此外，為了減少電源的干擾，在MLC02B芯片的電源輸入管腳加一個IOOnF電容來實現(xiàn)濾波的功能，從而減少了輸入端受到的干擾。<五〉、電壓調(diào)整模塊6
該模塊采用了 Advanced Monolithic Systems公司生產(chǎn)的AMS1117-3. 3芯片，實現(xiàn)了 5V電壓與3. 3V電壓之間的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)中，各個芯片的工作電壓是不相同的，所以就會用到電壓調(diào)整模塊來進行協(xié)調(diào)。參見圖7，輸入的電壓為5V，通過AMS1117-3. 3芯片的調(diào)整后，輸出的電壓變?yōu)?3. 3V，為其他模塊提供了工作電壓。本基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點的軟件
本智能路燈控制系統(tǒng)是在windows XP操作系統(tǒng)下，使用IAR Embedded Worlibench嵌入式工作臺以及調(diào)試器C-SPY，語言主要采用C語言。其程序流程圖如圖8所示。首先，對系統(tǒng)中的各個節(jié)點進行初始化，初始化的工作主要是對每個節(jié)點進行動態(tài)的編號，根據(jù)建立連接的先后順序依次對各個節(jié)點進行編號處理，從而為后續(xù)的操作提供保證。其次，系統(tǒng)中的每個節(jié)點都在不斷地檢測路燈中的控制量，當控制中心要求獲得系統(tǒng)中某個節(jié)點的數(shù)據(jù)時，就對該點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，對于該節(jié)點來說就是接收一個命令數(shù)據(jù)包。然后，節(jié)點會對得到數(shù)據(jù)進行分析，分析后得到所對應(yīng)的數(shù)據(jù)量會打包發(fā)送給控制中心。當節(jié)點的數(shù)據(jù)出現(xiàn)超標時，不需要接收控制中心的命令數(shù)據(jù)包，自己會主動的上傳數(shù)據(jù)。整個程序邏輯清晰，任務(wù)明確，確保了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點能夠穩(wěn)定有效地運行。
權(quán)利要求
1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點，包括一個微控制器(1)， 其特征在于所述微控制器(1)連接一個串行存儲模塊(2)，一個電源模塊(3)，一個無線射頻收發(fā)模塊(4)、一個電能計量模塊(5)、一個電壓調(diào)整模塊(6)、一個指示燈(7)和一個繼電器(8)；所述電能計量模塊(5)通過測量路燈線路中的電流與電壓值，對路燈中的電能進行計量，將計量的結(jié)果通過SPI接口發(fā)送至微控制器(1)；所述微控制器(1)通過串行存儲模塊(2 )進行數(shù)據(jù)的存儲；所述微控制器(1)通過所述無線射頻收發(fā)模塊(4 )與另一個路燈終端節(jié)點智能控制系統(tǒng)之間進行通信；所述電源模塊(3)與微控制器(1)相連，提供了工作電壓；所述電壓調(diào)整模塊(6)實現(xiàn)不同工作電壓之間的轉(zhuǎn)換；所述指示燈(7)實現(xiàn)微控制器 (1)的實時狀態(tài)的顯示；所述繼電器(8)實現(xiàn)對路燈開關(guān)狀態(tài)的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點，其特征在于所述微控制器(1)采用TI公司生產(chǎn)的16位微控制器MSP430F2274。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點，其特征在于所述串行存儲模塊(2)采用Microchip公司生產(chǎn)的MLC02B芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點，其特征在于所述電能計量模塊(5)采用ADI生產(chǎn)的ADE7753芯片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)終端節(jié)點。本終端節(jié)點包括微控制器，該微控制器連接電壓調(diào)整模塊、無線射頻收發(fā)模塊、電能計量模塊、串行存儲模塊、電源模塊、指示燈和繼電器，電能計量模塊通過測量路燈線路中的電流與電壓值，對路燈中的電能進行計量，將計量的結(jié)果通過SPI接口發(fā)送至微控制器；微控制器通過存儲模塊進行數(shù)據(jù)的存儲；微控制器通過無線射頻收發(fā)模塊與另一個終端節(jié)點之間進行通信；電源模塊與微控制器相連，提供了工作電壓；電壓調(diào)整模塊實現(xiàn)不同工作電壓之間的轉(zhuǎn)換；繼電器控制路燈的開關(guān)狀態(tài)。本發(fā)明用于構(gòu)成的智能路燈控制系統(tǒng)具有低成本、低功耗、高可靠性和擴展性好的優(yōu)勢，在諸如路燈控制系統(tǒng)需要低功耗的領(lǐng)域是很好的解決方案。
文檔編號H05B37/02GK102256414SQ20111009075
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者冉峰, 孫夢威, 徐美華, 王國欽, 黃舒平 申請人:上海大學(xué)