设计城市照明监控系统的分析介绍

随着城市建设的发展，城市照明建设越来越注重于城市的形象，对道路照明和景观照明的要求也不断提升。要求采用城市照明监控系统以后，可以自动控制全市范围的路灯和景观灯的开关。同时，要求照明监控系统具有自动报警的功能，这样调度人员就可以在故障发生后的极短时间内了解故障的地点和状态，从而为及时修复提供有力保障。

1）监控系统架构设计

基于ZigBee的城市照明监控系统采用“监控中心—路端通信装置—路端单灯测控器”三层结构。系统的总体架构如图8－22所示。图中的单灯结点1至N实现了单灯通信的网络结构，每个路端通信装置作为该条道路的主控结点。单灯的状态信息可通过GPRS上传至后台服务器并存入数据库中。监控中心则可以实现对单灯状态的监测和控制。

图8－22　城市照明监控系统总体架构

根据系统的设计要求，需搭建无线通信网络。所设计的城市照明监控系统中每个路段的单灯测控器和路端通信装置中的协调器共同组建ZigBee无线通信网络。

2）ZigBee协议栈

（1）ZigBee协议栈结构

ZigBee协议基于开放系统互连参考模型OSI（Open System Interconnect）来定义。OSI是国际标准化组织（International Standard Organization，ISO）制定的计算机网络通信协议的标准模型，自上而下包括7层：物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。有了这个标准化的参考模型，能够很方便地实现各种设备之间的互连。ZigBee协议在OSI网络模型的基础上仅对涉及ZigBee的层次进行了定义，保证了ZigBee协议的精简。IEEE 802.15.4标准定义了物理层PHY（Physical Layer）和MAC（Medium Access Control）层的规范，在此基础上，ZigBee联盟定义了网络层NWK（Network）和应用层APL（Application Layer），应用层中规范了应用支持子层（APS）及ZigBee设备对象（ZDD）。ZigBee标准协议栈架构如图8－23所示。

关于物理层、MAC层、网络层的内容前几章已有介绍，这里不再赘述。

图8－23　ZigBee标准协议栈架构

（2）应用层

应用层包括应用支持子层（Application Support，APS），ZigBee设备对象（ZigBee Device Object，ZDO）及用户定义的应用对象。

应用支持子层（APS）为网络层和应用层之间相互通信提供了一个接口。该接口提供一组ZDO和制造商定义的设备均可以使用的服务，这些服务则由APS数据实体和APS管理实体提供。

ZigBee设备对象（ZDO）在应用对象、设备porfile和APS之间提供了一个接口，它位于用户应用框架和应用支持子层之间，满足了ZigBee协议栈所有应用操作的一般要求。

应用层帧的一般格式如表8－5所示。

表8－5　应用层帧一般格式

3）ZigBee网络拓扑结构设计

ZigBee标准具备强大的设备联网能力，它支持三种无线网络类型，即：星型网络、树状网络和网状网络。三种网络的拓扑结构如图8－24所示。

图8－24　ZigBee网络拓扑结构类型

图8－24中有三种设备：协调器、路由结点和终端设备。其中协调器是无线传感器网络的汇聚结点，是建立网络的起点。它负责整个网络的初始化工作，确定无线网络的网络标识符和物理通道，分配网络结点的短地址。路由结点在加入网络后可以获得一定位的短地址空间。它允许其他终端设备加入或离开网络，分配及收回终端设备短地址，并可进行数据转发。终端设备则只能与其父路由结点通信，可以从其父路由结点处获得网络标识符、短地址等相关信息。

对于照明监控系统的ZigBee网络来说，各个单灯间的距离较远，单灯结点众多且排列在一条近似直线的道路上，而ZigBee的通信距离又较近，要求网络的可扩展性要比较好，因此选用树状网络结构。根据树状网络结构所设计的网络拓扑结构如图8－25所示。

图8－25　照明监控系统ZigBee网络拓扑结构

该网络结构结合了ZigBee协议的一些基本特点：

（1）网络中有三种角色：协调器C（Coordinator）、路由结点R（Router）、终端结点D（Device）。

（2）网络中尽量采用最短距离通信，使网络中传输数据帧时所经过的跳数最少。

（3）每个独立的网络都有自己的网络ID，即PAN－ID。

可以将各个角色的逻辑地址分配如下：C：0xFFF0；R：0x00.0x01～0x00.0xEF；D：0x01.0x01～0xEF.0xFF。

在网络中，若用4字节IP地址的方式来寻址某一具体结点的话，其格式为：AA.BB.CC.DD。其中AA.BB为PAN－ID，CC.DD是按照上述说明分配的逻辑地址。终端结点逻辑地址的高8位与路由结点逻辑地址的低8位相同（假设为xx），因此终端结点将选择与逻辑地址为00.xx的路由结点连接并进行绑定。对于逻辑地址是0xF0.0x01～0xF0.0xFF的终端结点，它将直接与协调器相连。

逻辑地址与每个设备的单灯结点无关，即x.y可由用户指定。但是需要在路端通信装置主控芯片Flash中维护一张表格，将逻辑地址与单灯结点号联系起来，这样当路端通信装置收到监控中心发来的命令时，解析得到实际的逻辑地址并控制协调器转发命令给ZigBee网络内的结点。

4）ZigBee路由设计

目前ZigBee无线传感器网络使用的主要有树（Cluster－Tree）［1］、AODVjr（Ad－hoc Ondemand Distance Vector junior）［2］、Tree＋AODVjr［3］等路由算法。

（1）ZigBee地址分配机制

ZigBee网络与其他无线传感网络主要的不同之处在于其采用了预先地址分配方式。当结点成功加入网络后，会自动获得一个网络中唯一的地址。ZigBee网络中，每一个结点都包含有一个16位的短地址和一个64位的MAC地址。

网络结点根据网络建立初期的关联构成一棵逻辑树，并且确定固定不变的父子关系，数据传输时严格按照父子关系来转发数据，其地址在建网时分配完毕。定义Cm和Rm分别为网络的父结点所能连接的最大子结点数和子结点中最多路由器数，Lm为网络的最大深度，则网络深度为d的父结点所能分配的地址块尺寸大小为：

当一个新的RFD（精简功能设备）结点An通过结点Ap加入到网络中时，Ap结点便成为这个新结点的父结点，Ap使用式（8－2）为子结点An分配网络地址，即

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式中，Ap代表负责分配网络地址的父结点的地址。ZigBee网络路由正是基于这一分布式网络地址分配机制。虽然网络结点入网的地址分配是动态的，但网络拓扑中父结点的地址分配能力都被固定限制了。

（2）树路由算法

树路由算法中，接收到数据包的结点根据目的结点的网络地址计算下一跳的地址。对于地址为A，深度为d的ZigBee路由结点，若地址为D的目的结点满足A＜D＜A＋Cskip（d－1），说明该目的结点为它的后代结点。此时若满足D＞A＋Rm×Cskip（d），则说明目的结点为它的子结点，此时下一跳的结点地址N为目的结点的地址D；否则，下一跳结点地址N可按式（8－3）计算：

若目的结点并不是该接收结点的后代结点，接收结点将把数据包转发给自己的父结点。可以看出，该路由算法中结点收到数据包后可立即将其转发给下一跳，没有路由发现过程，而且不需要维护路由表，从而减少了路由协议的控制开销和结点能量消耗。

（3）AODVjr路由算法

AODVjr是针对AODV算法的改进［4］。AODV基于序列号的路由，它总是选择最新路由。AODVjr是需求驱动型的，考虑到节能、应用方便性等因素，简化了AODV的一些特点，但仍保持AODV的主要功能。

该路由算法的路由查找具体过程如图8－26所示。当某一结点需要进行数据传输时，首先检查自己的路由表，若存在到达目的结点的表项则直接取下一跳地址，否则该结点将向整个网络广播路由请求数据包（Route Request Packet，RREQ）。当目的结点接收到RREQ时，以单播的方式发送路由回复数据包（Route Reply Packet，RREP）给发起结点。当发起结点收到RREP时，路由发现过程结束。此时建立起一条从发起结点到目的结点的通信链路，发起结点将更新自己的路由表并进行数据的传输。

图8－26　AODVjr路由查找过程

（4）两种路由算法比较

树路由算法适用于结点静止或者移动较少的场合，其优点是不需维护路由表，一定程度上节省了存储资源，对于传输数据包的响应也较快。缺点是路由效率低，地址空间利用效率低且使用起来不灵活。

AODVjr路由算法选择跳数最少的路径为通信链路，路由效率高，网络中数据传输的时延小。但它需要结点维护一个路由表，耗费了一定的存储资源。此外，频繁地进行路由查找会增大结点功耗，使用具有路由表功能的结点也会提高无线通信芯片的成本。

对于照明监控系统的网络来说，由于各个结点均由市电而非电池供电，因此能耗方面要求不高。此外，该网络中结点众多，又采用了树状结构从而导致结点层次很深，如果采用树路由算法可能会导致数据传输效率很低。为了尽量减小网络中数据的传输时延，本系统的ZigBee网络采用AODVjr路由算法来进行路由发现。

（5）网络路由协议设计

在本系统的ZigBee网络中，协调器和路由结点属于全功能设备（FFD），终端结点则属于精简功能设备（RFD）。对于接收到数据帧的某结点，AODVjr算法在本系统网络中的具体实现过程如图8－27所示。

图8－27　算法在网络中具体实现

当结点为FFD时：

①若该结点即目的结点，将数据包交上层处理，否则转到步骤②或③或④。

②若该结点路由表中已存在到达目的结点的表项，从表中直接取下一跳地址。

③若该结点的路由发现表中存在到达目的结点的表项，则说明在当前数据帧发送前，已进行了路由发现，此时等待路由发现过程结束即可得到到达目的结点的最佳路径。

④若该结点的路由表和路由发现表均存在空余表项，则结点采用AODVjr算法发起路由发现，并建立相应的表项。

当结点为RFD时：

①若该结点即目的结点，将数据包交上层处理，否则转到步骤②。

②将数据帧发送给父结点，请求其转发。

5）系统GPRS无线通信设计

GPRS（General Packet Radio Service）即通用分组无线服务技术，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。与以往连续在频道传输的方式不同，GPRS以封包的方式传输数据，因此其资费是按照数据传输流量计算的，较为便宜。此外，其传输速率可提升至56kbps甚至114kbps，足以满足城市照明系统远程通信的需求。

（1）GPRS终端功能

GPRS终端可以实现如下功能：

①数据传输功能。GPRS终端内嵌TCP／IP协议，可与监控中心进行数据传输。

②短信传输功能。GPRS终端可以发送短消息，若GPRS网络出现通信故障，可以通过短消息报警以确保网络正常通信。

③实时在线功能。GPRS网络的特点就是“永远在线”，用户只有在发送或接收数据时才占用资源。

GPRS移动终端除了简单的数据收发功能外，还可以分析监控中心发来的指令，执行诸如数据采集、报警等功能。

（2）GPRS关键技术

GPRS关键技术有以下两点：

①GPRS模块设置。硬件连接完成后，要实现微处理器控制GPRS模块上网，首先需使用AT命令对GPRS模块进行相关设置，设置的项目包括通信波特率、网关、移动终端的类别等。

②数据的传输。GPRS网络的物理层提供了数据传输的途径，需要一种数据链路层的协议对上层即网络层协议进行封装，其通信过程一般为：

a.移动终端使用PPP拨号登录GPRS网络，获得GPRS内网的IP地址；

b.移动终端与后台监控中心建立传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）连接，并通过GPRS内网与Intemet连接的网关路由将TCP握手请求传送至监控中心；

c.监控中心收到握手请求后，发送同步响应报文给移动终端；

d.移动终端与后台监控中心完成握手后，建立通信链路，开始进行数据传输。