无线照度测量系统及其方法 技术领域 本发明属于照度测量和无线通讯技术领域, 具体涉及一种利用传感器技术、 ZigBee 和 GPRS 无线通讯技术对照度进行采集和无线传输的系统及其方法。
背景技术 传统的现场总线在道路照明控制中也有应用, 但是大多存在着通讯接口协议复 杂, 而且需要铺设专用线缆, 存在着成本高、 维护不方便等问题 ; 窄带电力线载波直接利用 电力线进行数据通信, 省去了专用电缆的安装, 构建灵活, 具有性价比高、 升级方便、 维护简 单等特色, 但存在电力线干扰大、 传输速率慢的缺点, 大规模应用的可靠性还有待验证。随 着通信和自动化技术的发展, 无线网络因其组网方便, 布局容易, 维护简单的优点, 开始逐 步应用工业生产领域中。在道路照明测量中, 目前成熟的应用大多采用常规工业频段或利 用 GSM 短信息或 GPRS/CDMA 等公众网。采用数传电台不但需要申请工业频段, 天线架设 麻烦, 而且设备价格较高 ; GSM 短消息通信实现简单, 不过实时性和信息量得不到保证, 而 GPRS/CDMA 按流量计费, 在照明灯具节点数量较多时, 系统成本会急剧上升。
ZigBee 无线通信技术具有低成本、 低功耗、 对等通信的重要特征和优点。 终端间的 直通能力即实现对等通信是短距离无线通信的重要特征, 有别于长距离无线通信技术, 对 等通信无需网络基础设施进行中转, 接口设计和高层协议相对比较简单, 更适合于城市道 路照明测量系统的规模化节点通信, 国内外已有不少机构和公司开始关注和研究基于无线 通信技术的网络化道路照明测量系统。
发明内容
本发明目的在于提供一种无线照度测量系统及其方法, 解决了现有技术中对道路 照度测量成本高、 准确性差、 效率低、 数据记录复杂等问题。
为了解决现有技术中的这些问题, 本发明提供的技术方案是 :
一种无线照度测量系统, 其特征在于所述系统所述无线测量系统包含 : 若干个 ZigBee 照度测量终端、 ZigBee-GPRS 网关、 GPRS 服务器以及若干个客户端。所述 ZigBee 照 度测量终端利用照度传感器采集照度, 然后利用 ZigBee 技术将照度数据无线发送至远端 的 ZigBee-GPRS 网关 ; 所述网关通过 GPRS 技术将照度数据远距离无线传送给 GPRS 服务器 ; 若干个客户端可以通过 Internet 网络查看所有 ZigBee 照度测量终端所采集的照度数据。
优选的, ZigBee 照度测量终端包含照度传感器、 电流 - 电压转换电路、 模数转换器 以及 ZigBee 无线数传模块。照度传感器测量照度范围 0 至 200lx 的光信号, 对应输出 4 至 20mA 的电流信号 ; 通过电流 - 电压转换电路, 将电流信号转换为 0V 至 5V 的电压信号 ; 紧接 着通过分压电路得到 0V 至 3.3V 的电压信号 ; 最后由模数转换器得到对应的数字信号, 并传 并无线发送 送给微处理器进行数据处理。 ZigBee 无线数传模块主要负责加入 ZigBee 网络, 所采集到的照度数据。
优选的, 所述 ZigBee-GPRS 网关包含 ZigBee 无线数传模块和 GPRS 无线数传模块。该 ZigBee 无线数传模块主要负责建立 ZigBee 网络, 并接收各个测量终端上传的照度数据 ; 该 GPRS 无线数传模块主要与 GPRS 网络建立连接, 并对所有的照度数据和对应测量终端的 信息进行处理, 最终上传至 GPRS 服务器。
优选的, 所述 ZigBee 无线数传模块包含微处理器、 射频阻抗匹配电路和 2.4GHz 天 线。微处理器用于运行 ZigBee 无线传输协议栈程序, 以及对收发数据包进行分析、 处理。 射频阻抗匹配电路负责连接微处理器的射频端与天线, 并达到 50 欧姆阻抗匹配的效果。 2.4GHz 天线可以采用塑胶棒天线、 陶瓷天线或者 PCB 天线。
优选的, 所述 ZigBee-GPRS 网关中 ZigBee 无线数传模块和 GPRS 无线数传模块是 通过串口进行连接。ZigBee 无线数传模块通过串口发送 AT 指令控制 GPRS 无线数传模块 ; GPRS 无线数传模块通过串口反馈信息给 ZigBee 无线数传模块。
优选的, 所述 GPRS 无线数传模块包含 SIM 卡、 启动和复位按键、 网络指示灯、 900MHz 天线。ZigBee-GPRS 网关建 ZigBee 网络之后, 通过手动启动 GPRS 无线数传模块, 建 立与 GPRS 网络的连接, 网络指示灯表明当前网络状态。
优选的, 所述 ZigBee 无线数传模块根据所传输距离的要求, 可以包含功率放大 器, 最大输出功率可以达到 17dBm。 作为优选的, 所述的 GPRS 服务器具有公网 IP 地址, 并且运行遵循 TCP/IP 协议的 GPRS 服务器软件。服务器必须拥有公网 IP 地址, 才可以与 GPRS 网络建立连接。服务器存 储所采集到的照度数据, 记录网关信息和所有 ZigBee 照度测量终端信息, 并且对这些信息 进行分类和处理。
优选的, 所述客户端运行遵循 TCP/IP 协议的无线照度测量客户端软件, 用户可以 通过访问客户端查看所有 ZigBee 照度测量终端所采集的照度数据。
本发明的另一目的在于提供一种无线照度测量方法, 其特征在于所述方法包括以 下步骤 :
(1)ZigBee-GPRS 网关上电后进行软硬件初始化, 紧接着建立 ZigBee 网络, 等待 ZigBee 照度测量终端加入 ;
(2) 手动启动 ZigBee-GPRS 网关的 GPRS 无线数传模块, 与 GPRS 网络建立连接, 点 亮 GPRS 网络连接指示灯 ;
(3)ZigBee 照度测量终端上电后进行软硬件初始化, 紧接着自动加入 ZigBee 网 络;
(4)ZigBee 照 度 测 量 终 端 周 期 性 测 量 照 度, 并将照度数据无线发送至 ZigBee-GPRS 网关 ;
(5)ZigBee-GPRS 网关对接收到的照度数据和相应的 ZigBee 照度测量终端信息进 行处理, 然后通过 GPRS 网络上传至服务器 ;
(6)GPRS 服务器存储所采集到的照度数据, 记录网关信息和所有 ZigBee 照度测量 终端信息, 并且对这些信息进行分类和处理。
(7) 客户端运行无线照度测量客户端软件, 用户可以通过访问客户端查看所有 ZigBee 照度测量终端所采集的照度数据。
优选的, 所述无线照度测量方法可以按照如下步骤进行 :
首先, ZigBee-GPRS 网关上电启动, 其电源指示灯同时开启, 紧接着建立 ZigBee 网
络, 等待 ZigBee 照度测量终端加入。然后, 手动启动 ZigBee-GPRS 网关的 GPRS 无线数传 模块, 与 GPRS 网络建立连接, 点亮 GPRS 网络连接指示灯, 并在服务器显示界面上显示当前 ZigBee-GPRS 网关状态。
接着, 上电启动若干个 ZigBee 照度测量终端, 当成功加入 ZigBee 网络之后, 周期 性测量照度, 并将照度数据无线发送至 ZigBee-GPRS 网关。由于各个终端均是采用电池供 电, 因此在非测量周期内, 为达省电目的, 采取休眠处理。
最后, ZigBee-GPRS 网关对接收到的照度数据和相应的 ZigBee 照度测量终端信息 进行处理, 然后通过 GPRS 网络上传至服务器 ; GPRS 服务器存储所采集到的照度数据, 记录 网关信息和所有 ZigBee 照度测量终端信息, 并且对这些信息进行分类和处理。
另外, 客户端运行无线照度测量客户端软件, 用户可以通过访问客户端查看所有 ZigBee 照度测量终端所采集的照度数据。
相对于现有技术中的方案, 本发明的优点是 : 低成本、 低功耗、 对等通信, 接口设计 和高层协议相对比较简单, 更适合于城市道路照明测量系统的规模化。 附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述 :
图 1 是本发明的实施例中无线照度测量系统示意图 ;
图 2 为本发明的实施例中 ZigBee-GPRS 网关结构示意图 ;
图 3 为本发明的实施例中 ZigBee 照度测量终端结构示意图 ;
图 4 为本发明的实施例中电流 - 电压转换电路和分压电路结构示意图 ;
图 5 是本发明的实施例中 ZigBee-GPRS 网关的工作流程图 ;
图 6 为本发明的实施例中 ZigBee 照度测量终端的工作流程图 ;
图 7 是本发明的实施例中 GPRS 服务器软件的工作流程图 ;
图 8 为本发明的实施例中客户端软件的工作流程图 ; 图 9 是本发明的客户端软件流程图。 具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解, 这些实施例是用于说明 本发明而不限于限制本发明的范围。 实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做 进一步调整, 未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例某地区无线照度测量系统
如图 1, 本实施例的无线照度测量系统采用如图 1 所示的网络通信系统结构, 其中 包含 : 若干个 ZigBee 照度测量终端、 ZigBee-GPRS 网关、 GPRS 服务器以及若干个客户端。所 述 ZigBee 照度测量终端利用照度传感器采集道路照度, 然后利用 ZigBee 技术将照度数据 无线发送至远端的 ZigBee-GPRS 网关 ; 所述网关通过 GPRS 技术再将照度数据远距离无线传 送给 GPRS 服务器 ; 若干个客户端可以通过 Internet 网络查看所有 ZigBee 照度测量终端所 采集的照度数据。
道路无线照度测量的方法包括以下步骤 :
首先, ZigBee-GPRS 网关上电启动, 其电源指示灯同时开启, 紧接着建立 ZigBee 网络, 等待 ZigBee 照度测量终端加入。然后, 手动启动 ZigBee-GPRS 网关的 GPRS 无线数传 模块, 与 GPRS 网络建立连接, 点亮 GPRS 网络连接指示灯, 并在服务器显示界面上显示当前 ZigBee-GPRS 网关状态。
接着, 上电启动若干个 ZigBee 照度测量终端, 当成功加入 ZigBee 网络之后, 周期 性测量照度, 并将照度数据无线发送至 ZigBee-GPRS 网关。由于各个终端均是采用电池供 电, 因此在非测量周期内, 为达省电目的, 采取休眠处理。
最后, ZigBee-GPRS 网关对接收到的照度数据和相应的 ZigBee 照度测量终端信息 进行处理, 然后通过 GPRS 网络上传至服务器 ; GPRS 服务器存储所采集到的照度数据, 记录 网关信息和所有 ZigBee 照度测量终端信息, 并且对这些信息进行分类和处理。
另外, 客户端运行无线照度测量客户端软件, 用户可以通过访问客户端查看所有 ZigBee 照度测量终端所采集的照度数据。
以下对无线照度测量系统各个部分进行详细描述 :
本实施例采用的 ZigBee-GPRS 网关包含 ZigBee 无线数传模块和 GPRS 无线数传模 块。该 ZigBee 无线数传模块主要负责建立 ZigBee 网络, 并接收各个测量终端上传的照度 数据 ; 该 GPRS 无线数传模块主要与 GPRS 网络建立连接, 并对所有的照度数据和对应测量终 端的信息进行处理, 最终上传至 GPRS 服务器。其具体电路连接方式如图 2 所示。 所述 ZigBee-GPRS 网关中 ZigBee 无线数传模块和 GPRS 无线数传模块是通过串口 进行连接。
所述 ZigBee 无线数传模块包含微处理器、 射频阻抗匹配电路和 2.4GHz 天线。微 处理器用于运行 ZigBee 无线传输协议栈程序, 以及对收发数据包进行分析、 处理。射频阻 抗匹配电路负责连接微处理器的射频端与天线, 并达到 50 欧姆阻抗匹配的效果。 2.4GHz 天 线可以采用塑胶棒天线、 陶瓷天线或者 PCB 天线。
所述 GPRS 无线数传模块包含 SIM 卡、 启动和复位按键、 网络指示灯、 900MHz 天线。 ZigBee-GPRS 网关建立 ZigBee 网络之后, 通过手动启动 GPRS 无线数传模块, 建立与 GPRS 网 络的连接, 网络指示灯表明当前网络状态。
本实施例中所选用的 GPRS 模块为 SIMCOM 公司出品的 SIM900A。SIM900A 是紧凑 型、 高可靠性的无线模块, 采用 SMT 封装的双频 GSM/GPRS 模块解决方案, 采用功能强大的处 理器 ARM9216EJ-S 内核, 能满足低成本、 紧凑尺寸的开发要求。SIM900GSM/GPRS 使用工业 标准界面, 使得具备 GSM/GPRS 900/1800MHz 功能的 SIM900A 以小尺寸和低功耗实现语音、 SMS、 数据和传真信息的高速传输。SIM900A 能满足 M2M 几乎所有应用要求, 尤其是小巧、 紧 凑型的设计。其物理尺寸为 : 24mm x 24mm x 3mm。基于成熟可靠的技术平台, 以及提供从 产品定义到设计和生产的服务支持。
SIM900A 工作电压是 3.1V 至 4.8V, 本实施例中电源模块提供 4.2V 电源电压。 SIM900A 与 SIM 卡采用标准的 SIM 卡接口电路 : “VSM” 为 SIM900A 输出的 1.8V SIM 卡工作 电压 ; “SIM_Data” 、 “SIM_CLK” 和 “SIM_RST” 分别为 “SIM 卡数据” 、 “SIM 卡时钟” 和 “SIM 卡 复位” 。
SIM900A 外部还接有 “启动按键” 和 “复位按键” , 这 2 个按键均是低电平有效 ; 启 动 SIM900A 时, 需要常按启动按键 1S 时间以上 ; “网络指示灯” 可以表示当前的网络状态, 同样也是低电平有效。
ZigBee 新一代 SOC 芯片 CC2530 是真正的片上系统解决方案, 支持 IEEE 802.15.4 标准 /ZigBee/ZigBee RF4CE 和能源的应用。拥有庞大的快闪记忆体多达 256 个字节, CC2530 是理想 ZigBee 专业应用。CC2530 结合了一个完全集成的, 高性能的 RF 收发器 与一个 8051 微处理器, 8kB 的 RAM, 32/64/128/256KB 闪存, 以及其他强大的支持功能和 外设, CC2530F256 表 示其内部闪存为 256KB。CC2530 具有强大无线前端, 其内部集成 了 2.4GHzIEEE 802.15.4 标准射频收发器。可编程输出功率为 +4.5dBm, 总体无线连接 102dBm。
SIM900A 是通过串口与 ZigBee 无线数传模块的微处理器 CC2530 进行连接, “TXD” 和 “RXD” 分别为串口接口的数据发送和数据接收引脚, “GND” 为公共接地端。CC2530 通过 发送一些列 AT 指令, 控制 SIM900A, 例如 : 与远端服务器建立 TCP 连接, 发送数据包等都是 通过发送 AT 指令来完成的。
使用 TCP 向远端的服务器传输数据, 首先要建立一个 TCP 连接。SIM900A 作为 CLIENT 向远程的 SERVER 发起一个 TCP 连接, 要成功建立连接需要 SERVER 端的 IP 地址是 公网的 IP 地址 ( 可以用拨号的方式获得, 如在 PC 局域网内部则无法建立连接 ), 然后该服 务器运行我们的 SERVER 软件, 这时就可以在用 AT 指令控制 SIM900A 与 SERVER 建立 TCP 连 接 (AT+CIPSTART = “TCP” , “SERVER 的 IP 地址” , “SERVER 的端口号” ), 连接成功后会返回 CONNECT OK。 然后就可以用 AT+CIPSEND 发送数据到 SERVER, 若 SERVER 有数据, 模块自动通 过串口接收。要关闭 TCP 连接可用 AT+CIPCLOSE 命令。 CC2530 用 AT+CIPSEND 命令启动发送数据命令, 返回 “>”后输入发送的数据, ctrl+z(0x1a) 启动发送。发送完成之后返回 SEND OK。此时处于命令态, 若有数据发送再 重复以上的步骤就可以了。 每次发送的数据长度应小于 1024bytes。 接收数据为自动接收, 若有远端数据则自动接收。可以用 AT+CIPHEAD = 1 在接收的数据前面自动加上标识。
本实施例采用的 ZigBee 照度测量终端包含 : 照度传感器、 电流 - 电压转换电路、 分 压电路、 模数转换器以及 ZigBee 无线数传模块。其具体电路连接方式如图 3 所示。
图 4 为照度传感器原理图, 其中 C 为余弦校正器, F 为 V(λ) 滤光片, D 为光辐射探 测器。当 D 接受通过 C 和 F 的光辐射时, 所产生的光电信号, 经运算放大电路 A 放大及变换 后, 输出 4-20mA 标准电流信号, 其中 4mA 表示照度为 0, 20mA 表示信号的满刻度, 对应的照 度为 200lx。由照度传感 器的输出电流计算出照度值 E = (I-4)×12.5( 单位 : lx), 其中 I 为传感器的输出电流值 (4 ~ 20mA)。
为了精确测量照度, V(λ) 的匹配误差≤ 5.5%, 余弦特性误差≤ 4%, 非线性误差 ±1.0%, 传感器示值误差为 ±4.0%。
由于 ZigBee 照度测量终端内部微处理器 CC2530 具有 8 至 14 位精度的电压型模 数转换器, 因此可以不需外接模数转换器。但由于 CC2530 的供电电压为 3.3V, 而且内部模 数转换器为电压型, 因此需要将 4 至 20mA 电流信号转换为 0 至 3.3V 的电压信号。本实施 例是通过电流 - 电压转换电路和分压电路实现的, 其具体电路连接方式如图 5 所示。
取 R1 = 25Ω, 4mA 时, 其压降= 0.1V, 把 OP07 的同相端输入电压配置为负的 0.1V, 这样, 输入信号的 0.1V 与这个 I/V 配置的负 0.1V 恰好互相抵消, OP07 输出将是零电压。随 着输入电流的增大, 如果输入电流是 5mA, I/V 转换电压将是 0.125V...... 如果输入电流是 20mA, I/V 取样电压就是 500mV。这样, 我们可以把这个电压放大 10 倍得到 5V 满度输出。
通过此变换电路我们可以得到 0 至 5V 的输出电压 Vout5, 再经过分压电路, 就得到最终的 0 至 3.3V 的电压信号 Vout3.3。
本实施例中 ZigBee-GPRS 网关的执行流程如图 6 所示。ZigBee-GPRS 网关上电后 首先对硬件电路和 ZigBee 协议栈进行初始化。 然后建立网络, 并等待 ZigBee 照度测量终端 加入 ZigBee 网络。 然后手动启动 SIM900A, 与 GPRS 网络建立连接, 其网络指示灯开启, 表示 建立连接成功。ZigBee-GPRS 网关不断监测加入的 ZigBee 照度测量终端数量, 并判断是否 达到网络容量的最大值。当有 ZigBee 照度测量终端申请加入 ZigBee 网络时, ZigBee-GPRS 网关为新加入的终端分配 ZigBee 网络地址。
然后与加入网络的 ZigBee 照度测量终端建立 ZigBee 网络连接, 轮询侦听空气中 已建立连接终端发送来的照度数据包。如果照度数据包合格, 则 CC2530 将通过串口接口将 数据发送至 SIM900A。SIM900A 对接收到的数据包进行判断, 将反馈信息通过串口接口发送 至 CC2530。
为提高无线传输的质量, 本系统还可以增加跳频功能, 当信号链路质量较低时, 通 过更换无线传输信道, 达到较高抗干扰的能力。 如果信道质量满 足要求, 则无需更换信道, 继续侦听空气中的数据包。 本实施例中 ZigBee 照度测量终端的执行流程如图 7 所示。 ZigBee 照度测量终端, 首先对硬件电路、 模数转换器和 ZigBee 协议栈进行初始化, 然后向 ZigBee-GPRS 网关发送 加入网络请求消息, 并等待 ZigBee-GPRS 网关分配网络地址。加入 ZigBee 网络后, 网络指 示灯开启, 表明已经成功加入, 与 ZigBee-GPRS 网关建立连接。
紧接着, 各个 ZigBee 照度测量终端将基本信息发送给 ZigBee-GPRS 网关, 再由 ZigBee-GPRS 网关将这些基本信息上传至 GPRS 服务器。其中, 这些基本信息包含 : 设备 ID 号、 版本号、 64 位 IEEE 地址、 16 位 ZigBee 网络地址、 个域网 ID 号、 当前状态。
然后就可以周期性从模数转换器中读取当前采集到的照度。如果系统采用了跳 频功能, 则需要查询当前的信道, 然后将照度数据包无线发送至远端的 ZigBee-GPRS 网关。 在非采集周期期间, ZigBee 照度测量终端处于休眠状态。照度数据包不仅包含当前采集到 的照度值, 还包含 : 设备 ID 号、 帧标识、 应用端点号、 当前电量、 链路质量、 信号强度、 帧序列 号、 时间戳。
本实施例中 GPRS 服务器软件和 GPRS 服务器软件均使用 NI 公司的 Labview 软件 进行编写。
GPRS 服务器软件主要使用的 API 函数有 “TCP 侦听” “写入 TCP 数据” 、 “读取 TCP 数 、 据” 和 “关闭 TCP 连接” , GPRS 服务器软件流程图如图 8 所示。 服务器开始时等待 ZigBee-GPRS 网关进行 GPRS 网络连接, 若未收到连接请求, 则继续等待。若收到连接请求, 则建立 TCP 连 接。若服务器收到其他客户端发来的询问信息, 会对询问信息作出响应。在正常情况下没 有异常发生时, 服务器直接读取 ZigBee-GPRS 网关上传的数据, 并对数据包进行存储、 分析 和处理。若有异常发生, 或长时间未收到数据包, 将询问 ZigBee-GPRS 网关响应, 并等待响 应; 若收到响应则接着读取上传数据, 若仍未收到响应, 则继续询问 ZigBee-GPRS 网关响应 状态。
客户端软件主要使用的 API 函数有 “打开 TCP 连接” 、 “写入 TCP 数据” 、 “读取 TCP 数据” 和 “关闭 TCP 连接” , 客户端软件流程图如图 9 所示。客户端开始时打开与服务器的
TCP 连接, 若在等待时间内建立连接, 则读取服务器中信息 ; 否则, 超时退出。客户端会对读 取的信息进行分析处 理, 并绘制成曲线图。 若有异常发生, 或长时间未收到数据包, 将询问 服务器响应, 并等待响应 ; 若收到响应则接着读取数据, 若仍未收到响应, 则继续询问服务 器响应状态。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点, 其目的在于让熟悉此项技术的人是 能够了解本发明的内容并据以实施, 并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精 神实质所做的等效变换或修饰, 都应涵盖在本发明的保护范围之内。