一种基于无线传感器网络的道路照明节能系统的制作方法

本发明属于道路照明节能环保技术领域，特别涉及一种基于无线传感器网络的道路照明节能系统。

背景技术：

据统计，我国的照明用电量大约为总发电量的10％～12％，据专家测算，全国约有7500万只高压钠灯用于道路照明，仅道路照明每年就耗费电98.55亿kWh，电费51.25亿元，国际能源机构(IEA)估计，每年在道路/街道照明方面全球消费量超过114TWh。假设电力的平均零售价格约为每千瓦时10美分，道路/街道照明用电总额每年为114亿美元，所以这个问题是十分重要的，并且由于长期的能源价格有可能继续上涨，所以具有成本效益和环保性的管理道路照明的节能新方法将显得尤为重要。

在我国，目前有很多中等和低交通密度的道路，到了夜间，路灯全部处于打开的状态，但是却没有一辆车行驶，这就大大的造成了能源的浪费，值得我们深思。

无线传感器网络由大量低成本、低功耗的微型传感器节点通过自组织方式连接而成，能够实时感知、监测和采集覆盖区域内的各种环境信息,并进行处理后报告给感兴趣的用户，其具有部署灵活、可靠性强、扩展方便、经济性好等特点。

我们顺应国家提倡的“绿色照明”新理念，专注于中等和低交通密度的道路，将无线传感器网络的理念带到了道路照明领域，提出了一种基于无线传感器网络的道路照明节能系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的道路照明节能系统，其能够达到节约能源的目的。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于无线传感器网络的道路照明节能系统，包括主节点、多个传感器节点和多个光控制节点；

多个传感器节点布设在道路两侧；相邻的传感器节点之间可以相互通讯；传感器节点设置光传感器，能够感知周围的环境的光线，并根据周围的环境的光线变化判断是否有车辆通过，然后将判断结果发送给主节点；

多个光控制节点布设在道路两侧；相邻的光控制节点之间可以相互通讯；光控制节点能够接收主节点的控制命令，并控制路灯的开启或关闭；

主节点能够接收传感器节点输入的判断结果，当判断结果为有车通过时，主节点向光控制节点发出打开路灯命令；当判断结果为车已经通过时，主节点向光控制节点发出关闭路灯命令。

优选地，传感器节点包括光传感器、传感器节点控制器、传感器节点接收机和传感器节点发送机；

光传感器将光信号转化为电信号并输入传感器节点控制器，传感器节点控制器将光线信息判断是否有车辆通过，并将判断结果通过传感器节点发送机发送；传感器节点接收机能够接收主节点或其他传感器节点发送的信息。

优选地，传感器节点控制器为PIC16F877A控制器。

优选地，光控制节点包括光控制器、光控制节点控制器、光控制节点接收机和光控制节点发送机；

光控制节点接收机能接收主节点的控制命令和其他光控制节点发送的信息；光控制节点控制器根据主节点的控制命令控制光控制器，光控制器控制路灯的开启或关闭；

光控制节点发送机能够向主节点和其他光控制节点发送信息。

优选地，光控制节点控制器为PIC16F877A控制器。

优选地，主节点、多个传感器节点和多个光控制节点之间的通讯通过数据桢的发送与接收进行；

数据桢的格式为8位，由2个控制位、拓扑控制位、数据和确认位和4个地址和编号分配位组成。

优选地，主节点与传感器节点和光控制节点之间的通讯方法为：

1)主节点接收光控制节发出的地址数据，并更新光控制节点表；

2)主节点发送主节点地址数据，然后接收传感器节点的回复并更新传感器节点表；

3)在光控制节点和自传感器节点之间进行映射，更新映射由特定光控制节点控制的传感器节点表；

4)主节点接收传感器节点输入的判断结果，并根据映射表向相应的光控制节点发出控制命令。

优选地，传感器节点与主节点之间的通讯方法为：

1)传感器节点接收主节点发送的主节点地址数据，并将该主节点地址数据配置为传感器节点永久地址；传感器节点将传感器节点永久地址发送给主节点；

2)光传感器感知周围的环境的光线，根据周围的环境的光线强度变化判断是否有车辆通过，光线强度增强则判断为有车通过，光线强度减弱则判断为车已通过；

3)向主节点发送判断结果。

优选地，光控制节点与主节点之间的通讯方法为：

1)光控制节点向主节点发送自己的地址；

2)光控制节点接收主节点回复的地址；

3)光控制节点使用主节点回复的地址配置光控制节点接收机；

4)光控制节点接收机监听主节点发送的信息；当接收到“打开路灯/关闭路灯”命令时，执行相应的操作。

优选地，多个传感器节点均匀地布设在道路两侧，距离地面高度为60～120cm；在道路同一侧，相邻的两个传感器节点之间相距40～70米；在道路同一侧，相邻的两个光控制节点之间相距40～70米。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于无线传感器网络的道路照明节能系统，其包括主节点、多个传感器节点和多个光控制节点。其中，传感器节点能够通过光传感器探测是否有车辆通过，并将判断结果发送给主节点；主节点根据判断结果，向光控制节点发出打开路灯/关闭路灯命令。如此，在没有车辆通过或者车辆已经通过时，路灯可以保持关闭状态达成节省电力；当车辆通过时，路灯将开启保证照明。如此，在保证照明的前提下，能够达到节约能源的目的。

附图说明

图1为本发明提供的基于无线传感器网络的道路照明节能系统节点分布和运行状态图。

图2为传感器节点的工作框图。

图3为光控制节点的工作框图。

图4为桢格式示意图。

图5为节点电路示意图，传感器节点采用该电路。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

本发明提供的基于无线传感器网络的道路照明节能系统，包括主节点、多个传感器节点和多个光控制节点；

如图1所示，多个传感器节点均匀地布设在道路两侧，距离地面高度为60～120cm；在道路同一侧，相邻的两个传感器节点之间相距40～70米；相邻的传感器节点之间可以相互通讯；传感器节点设置光传感器，能够感知周围的环境的光线，并根据周围的环境的光线变化判断是否有车辆通过，然后将判断结果发送给主节点；

多个光控制节点布设在道路两侧；在道路同一侧，相邻的两个光控制节点之间相距40～70米；相邻的光控制节点之间可以相互通讯；光控制节点能够接收主节点的控制命令，并控制路灯的开启或关闭；

主节点能够接收传感器节点输入的判断结果，当判断结果为有车通过时，主节点向光控制节点发出打开路灯命令；当判断结果为车已经通过时，主节点向光控制节点发出关闭路灯命令。

如图1所示，当车辆向前行驶时，车辆附近的传感器节点检测到车辆，并将信号传输给主节点，主节点向相应的光控制节点发出打开路灯命令。在图1中，光控制节点打开了车辆前方的2、3、4、5四个路灯，为车辆提供照明；同时，车辆后方的传感器节点相应的检测到车辆已经通过，所以将车辆已通过信号传输给主节点，主节点向相应的光控制节点发出关闭路灯命令，关闭车辆后方的路灯。在没有车辆通过的路段，如对向车道，路灯关闭，等待车辆通过时为车辆提供临时照明。

其中，在一种可行的实现方式中，传感器节点包括光传感器、传感器节点控制器、传感器节点接收机和传感器节点发送机；光传感器将光信号转化为电信号并输入传感器节点控制器，传感器节点控制器将光线信息判断是否有车辆通过，并将判断结果通过传感器节点发送机发送；传感器节点接收机能够接收主节点或其他传感器节点发送的信息。传感器节点控制器可选择PIC16F877A控制器

其中，在一种可行的实现方式中，光控制节点包括光控制器、光控制节点控制器、光控制节点接收机和光控制节点发送机；光控制节点接收机能接收主节点的控制命令和其他光控制节点发送的信息；光控制节点控制器根据主节点的控制命令控制光控制器，光控制器控制路灯的开启或关闭；光控制节点发送机能够向主节点和其他光控制节点发送信息。光控制节点控制器可选择PIC16F877A控制器。

其中，在一种可行的实现方式中，主节点、多个传感器节点和多个光控制节点之间的通讯通过数据桢的发送与接收进行；数据桢的格式为8位，由2个控制位、拓扑控制位、数据和确认位和4个地址和编号分配位组成。

其中，在一种可行的实现方式中，主节点设置通讯算法，包括四个阶段：在第一阶段地址被分配给灯光控制节点(LCN)。每当灯光控制节点(LCN)的帧被释放时，它将在灯光控制节点(LCN)表中更新。在第二阶段，主节点(MN)通过传输模块发射自己的地址并等待传感器节点(SN)回复。来自传感器节点(SN)的回复用于更新传感器节点(SN)表。在第三阶段中，在灯光控制节点(LCN)和自传感器节点(SN)之间进行映射，即更新映射由特定灯光控制节点(LCN)控制的自传感器节点(SN)的表。在表示正常操作的第四阶段，主节点(MN)接收自传感器节点(SN)帧，并且将“打开路灯/关闭路灯”帧发送到灯光控制节点(LCN)以进行路灯控制

其中，在一种可行的实现方式中，传感器节点设置通讯算法，包括：传感器节点等待主节点的信号。一旦接收到地址，它将其配置为永久地址。作为确认，它将发送自己的地址。在正常操作期间，它会不断地感知光的强度，并且每当光强突然增大时，它将发送“有车通过/车已通过”的帧。

其中，在一种可行的实现方式中，光控制节点设置通讯算法，包括：光控制节点向主节点发送自己的地址。主节点将通过三路握手的方式来回复分配给它的接收者的地址。光控制节点将使用此地址配置其接收器。在正常操作期间，它监听主节点的帧。当它接收到“打开路灯/关闭路灯”帧时，它进行相应的操作。

实施例2

如图1所示，本发明提供的基于无线传感器网络的道路照明节能系统，适用于中等和低交通密度的道路，将无线传感器网络的理念带到了道路照明领域。该系统由一系列的微嵌入式的节点组成的：主节点、传感器节点、光控制节点。一系列微嵌入式的节点被均匀地布设在道路两侧，每两个节点之间相隔40～70m，高于地面60～120cm，有利于节点的安装与日常维护，减少灰尘的积累，相邻的节点之间距离不宜过远，以免影响信号的发射与接收。

主节点是作为基站和所有传感器节点的主节点，其会被装载上附加的控制软件。传感器节点采用光传感器，能够感知周围的环境的光线变化，并向主节点发送相应的信息。光控制节点能够根据收到的数据通过打开或关闭路灯，对主节点的命令进行响应。其中，光控制节点和传感器节点由PIC16F877A控制器控制，但是PIC16F877A控制器在不同种类的节点中扮演不同的角色：在传感器节点中PIC16F877A控制器的A/D转换器能够将光敏电压转换为数字电压，并根据感测到的电压形成数据帧传输到主节点；在主节点中，PIC16F877A控制器分析接收到的数据，并将数据信号发送给相应的光控制节点；在光控制节点中，分析接收到的信号，并控制光控制器进行相应的操作。

传感器节点的电路结构均可以采用图5所示的结构。该节点包括电源模块、通讯模块、处理模块和传感模块，其中，电源模块包括电池，电池通过电压转换电路向传感器、处理模块、通信模块供电。处理模块包括微处理器，微处理器连接ADC接口和存储器，传感模块设置传感器，传感器输出端连接ADC接口；通讯模块包括无线通信收发器和与无线通信收发器连接的天线，无线通信收发器与存储器通过SPI接口连接。微处理器可以通过USART接口与PC上位机交互。

该系统的工作原理如下：

1)本系统主要针对的是中等或低等交通密度的道路，利用均匀设置在道路两侧的一系列传感器节点来探测是否有车辆的经过，每一个传感器节点中都集成了一个光敏电阻(LDR)，夜间每当有车辆经过时，光敏电阻的电阻就会发生变化，系统就会收到即将有车辆经过的信息。

2)系统中每个节点都具有用于无线传输和接收的发射机Tx和接收机Rx，针对步骤1)中的信息，经过传感器节点的处理模块对数据进行简单的处理，将光信号转变为数字信号，通过发射机Tx发送给主节点。用于无线传输和接收的发射机Tx和接收机Rx由编码器HT 640L组成，这将有助于在点对点通信中确定各个节点的位置，这允许最多8位地址和8位数据帧。

3)主节点的接收机Rx接收到步骤2)中传感器节点发射机Tx传输过来的信息，这个信息包括位置和数据信息，主节点中的处理模块会对这个信息进行相应的处理，然后将包含目标节点的位置和数据的信息通过自身所有的发射机Tx传输给相应的光控制节点。

4)光控制节点接收到步骤3)中的包含目标节点的位置和数据的信息，然后通过处理模块对信息进行简单的处理，并通过控制光控制器对路灯进行相应的操作。

本发明主要从如何解决道路上无车运行时而路灯通亮的问题入手，结合无线传感器网络，实时的控制照明系统，并最终提出了基于无线传感器网络的道路照明节能系统，与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1)本发明首次将无线传感器网络应用于道路照明领域，拓展了无线传感器网络的应用范围；

2)本发明应用了带有光敏电阻的传感器节点，对车辆的移动进行实时的探测并可以判断车辆运行的方向，能够根据车辆的移动情况对照明系统进行实时的操作，无车时路灯熄灭，有车时路灯点亮，与传统的照明方法相比，其节能效果更佳。

实施例3

本发明针对在道路照明节能环保领域，能源浪费严重的问题，提出了一种基于无线传感器网络的道路照明节能系统。

该系统主要针对的是中等或低等交通密度的道路，利用均匀设置在道路两侧的一系列传感器节点来探测是否有车辆的经过，每一个传感器节点中都集成了一个光敏电阻(LDR)，夜间每当有车辆经过时，光敏电阻的电阻就会发生变化，系统就会收到即将有车辆经过的信息。典型的光敏电阻的电阻RL和光强度Lux之间的关系如下：

系统中每个节点都具有用于无线传输和接收的发射机Tx和接收机Rx，光敏电阻检测的信息，经过传感器节点的处理模块对数据进行简单的处理，将光信号转变为数字信号，通过发射机Tx发送给主节点。发射机Tx和接收机Rx的一些功能特征如下所示：

●工作频率-315/433MHz

●传输范围-80m

●数据传输速率-4KB/s

●工作模式-AM

●功率-10mW

用于无线传输和接收的发射机Tx和接收机Rx由编码器HT 640L组成，这将有助于在点对点通信中确定各个节点的位置，这允许最多8位地址和8位数据帧。传感器节点的工作框图如图2所示。

主节点的接收机Rx接收到传感器节点发射机Tx传输过来的信息，这个信息包括位置和数据信息，主节点中的处理模块会对这个信息进行相应的处理，然后将包含目标节点的位置和数据的信息通过自身所有的发射机Tx传输给相应的光控制节点。

光控制节点接收到主节点发送的包含目标节点的位置和数据的信息，然后通过处理模块对信息进行简单的处理，并通过控制光控制器对路灯进行相应的操作。光控制节点的工作框图如图3所示。

本系统的软件分为主节点，传感器节点和光控制节点三种形式，专门设计的帧格式用于控制数据帧的传输。

该系统的桢格式设计为8位。节点的寻址在硬件和软件两个方面进行。节点的地址由硬件分配，每个节点的ID(编号)由主节点上运行的软件分配。该帧如图4所示，由2个控制位C1，C2，拓扑控制位，数据和确认位组成，4位用于分配地址和ID(4个地址和编号分配位)。

为了实现传感器节点和光控制节点之间的通信，系统中并行运行三种算法，包括主节点算法、传感器节点算法和光控制节点算法。

其中，主节点(MN)算法为：

本算法共有四个阶段：在第一阶段地址被分配给光控制节点(LCN)。每当光控制节点(LCN)的帧被释放时，它将在光控制节点(LCN)表中更新。在第二阶段，主节点(MN)通过传输模块发射自己的地址并等待传感器节点(SN)回复。来自传感器节点(SN)的回复用于更新传感器节点(SN)表。在第三阶段中，在光控制节点(LCN)和传感器节点(SN)之间进行映射，即更新映射由特定光控制节点(LCN)控制的传感器节点(SN)表。在表示正常操作的第四阶段，主节点(MN)接收自传感器节点(SN)帧，并且将“打开路灯/关闭路灯”帧发送到光控制节点(LCN)以进行路灯控制。

传感器节点(SN)算法为：

在这里，传感器节点等待主节点的信号。一旦接收到地址，它将其配置为永久地址。作为确认，它将发送自己的地址。在正常操作期间，它会不断地感知光的强度，并且每当光强突然增大时，它将发送“有车通过/车已通过”的帧。

光控制节点(LCN)算法为：

光控制节点向主节点发送自己的地址。主节点将通过三路握手的方式来回复分配给它的接收者的地址。光控制节点将使用此地址配置其接收器。在正常操作期间，它监听主节点的帧。当它接收到“打开路灯/关闭路灯”帧时，它进行相应的操作。

本发明的核心部分是应用了无线传感器网络，利用均匀的布置在路侧的一系列节点来实现对道路两侧汽车实时运行状况的数据的采集，并控制路灯的打开或关闭，它包含传感模块、处理模块、通信模块，连同照明模块，共同构成了基于无线传感器网络的道路照明节能系统的组成部分。