基于 WSN 网络的照明监控系统及其群控命令的实现方法 技术领域 本发明涉及一种基于 WSN 网络的城市照明单灯监控系统以及该系统的群控命令 的实现方法。
背景技术 城市照明系统的监控终端主要由灯光支路控制器 (BranchNode) 和单灯控制器 (LeafNode) 组成， 并组成 WSN 网络， 灯光支路控制器负责整个 WSN 网络建立与维护， 单灯控 制器主动加入 WSN 网络后即可实现与灯光支路控制器的数据传输。在实际应用中， 一个灯 光支路控制器监控的配电柜一般由多条支路组成， 每条支路有多个路灯， 每个路灯由一个 LeafNode 监控。
群控命令， 顾名思义就是在 WSN 网络中需要每个单灯控制器接收， 并按照要求执 行相应的命令。实现群控命令采用的是向每一个单灯控制器发送单控命令， 向所有单灯控 制器发送完毕之后， 即实现了该 WSN 网络的群控。
在现有灯光照明监控系统中， 灯光支路控制器与单灯控制器之间一般采用星形组 网， 如图 1 所示， 星形组网是每个单灯控制器节点直接与灯光支路控制器进行数据传输。采 用星形组网时， 支路上的每个单灯控制器 2 均直接与灯光支路控制器 1 进行数据传输， 单灯 控制器 2 与灯光支路控制器 1 的物理位置基本处于直线状态。由于各个单灯控制器 2 与灯 光支路控制器 1 之间的距离不同， 以及实际环境中树木、 建筑物等影响， 会造成灯光支路控 制器 1 与个别单灯控制器 2 之间通信成功率较低， 影响这些单灯控制器 2 对其所发送的单 控命令的接受。基于星形组网的当前缺陷， 实际中需通过采用大功率通信模块提高通信可 靠性， 由于大功率模块成本较高， 结果造成系统整体成本大幅度增加， 而且通信效果很难保 证。
发明内容
发明目的 ： 本发明的目的是针对上述技术问题， 提供一种新型的基于 WSN 网络的 城市照明单灯监控系统。
本发明的另一个目的在于提供上述基于 WSN 网络的树形组网的城市照明监控系 统的群控命令的实现方法， 降低无线网络上通信命令的传输次数， 提高群控效率。
为了解决上述技术问题， 本发明采用了如下的技术方案 ：
一种基于 WSN 网络的照明监控系统， 它包括灯光支路控制器和若干安装在路灯上 的单灯控制器， 所述的灯光支路控制器与各个单灯控制器之间采用树形组网方式连接， 即 灯光支路控制器上连接有若干个一级单灯控制器， 每个一级单灯控制器上又分别连接了若 干二级单灯控制器 ； 每个二级单灯控制器上又连接了若干三级单灯控制器， 依次类推， 灯光 支路控制器和若干级单灯控制器形成树形组网的连接方式。
所述的一种基于 WSN 网络的照明监控系统的群控命令的实现方法， 它包括 ：
(1) 建立基于 WSN 网络的城市照明树形组网系统的控制网络， 同时在灯光支路控制器以及每个单灯控制器中分别建立直接子节点表 ；
(2) 当单灯控制器加入控制网络时， 该单灯控制器的信息被写入其父节点的直接 子节点表中 ； 如果有单灯控制器要退出控制网络， 则该单灯控制器的原父节点将该单灯节 点信息删除 ；
(3) 当收到群控命令之后， 灯光支路控制器在直接子节点表中读出其存储的所有 一级单灯控制器的信息， 然后将该群控命令转发给一级单灯控制器 ； 一级单灯控制器再向 存储在其直接子节点表中的所有二级单灯控制器转发群控命令 ； 依次类推， 直到所有的单 灯控制器都接收到群控命令 ；
(4) 群控命令转发完成之后， 各个节点按照群控命令执行相应动作。
其中， 所述的步骤 (1) 包括如下步骤 ：
(101) 灯光支路控制器建立网络 ；
(102) 每个单灯控制器均为一个节点， 设有 M 个节点， M 为大于等于 1 的自然数 ；
一号单灯控制器扫描网络后， 加入网络 ； 此时控制网络由灯光支路控制器和一号 单灯控制器组成， 整个树状网络的深度为 1 ；
(103) 二号单灯控制器扫描网络， 准备加入网络， 此时有灯光支路控制器和一号单 灯控制器网络均可加入， 在通信质量相当的情况下， 优先选择深度较浅的灯光支路控制器 发送加入网络请求 ； 灯光支路控制器根据当前网络情况， 即预置的最大子节点个数以及二 号单灯控制器携带的鉴权信息， 判断灯光支路控制器允许二号单灯控制器接入 ； 后续加入 的三号单灯控制器、 四号单灯控制器…… M 号单灯控制器加入时， 根据通信质量、 当前网络 情况判断是否可连接在灯光支路控制器上， 如果允许， 则接入灯光支路控制器， 组网结束 ； 如果不允许， 则转入步骤 (104) ；
其中， 与灯光支路控制器直接相连的单灯控制器均为一级单灯控制器 ；
(104) 没有加入灯光支路控制器的单灯控制器扫描网络， 准备加入网络， 此时有一 级单灯控制器网络可加入， 一级单灯控制器的深度相同， 优先选择通信质量高的一级单灯 控制器， 发送加入网络请求 ； 一级单灯控制器根据当前网络情况， 即预置的最大子节点个数 以及该单灯控制器携带的鉴权信息， 判断允许这些单灯控制器接入 ；
与一级单灯控制器相连的单灯控制器为二级单灯控制器 ； 如果所有的一级单灯控 制器都允许后续的二级单灯控制器加入， 则组网结束 ； 如果不允许， 则剩余的单灯控制器继 续扫描网络， 寻找可以加入的单灯控制器， 直到所有的单灯控制器均加入控制网络 ； 由此形 成以灯光支路控制器为中心的一级单灯控制器、 二级单灯控制器、 三级单灯控制器……n 级 单灯控制器组成的网络， 组网结束。
本发明通过在灯光支路控制器和单灯控制器上建立直接子节点表， 进行树形组网 时， 将每一个加入网络的单灯控制器的信息写入与该单灯控制器连接的上一级单灯控制器 的直接子节点表中 ； 这样， 灯光支路控制器和单灯控制器只向其直接子节点表中存有信息 的下一级单灯控制器发送控制命令， 每一个单灯控制器接收到命令后， 再将命令发送至其 直接子节点表中存有信息的下一级单灯控制器。 与原有灯光支路控制器所发出的控制命令 通过多级节点跳转方式传送至所有单灯控制器相比， 降低了无线网络上通信命令的传输次 数， 提高了群控效率。
有益效果 ： (1) 本发明的树状组网通过路由方式降低模块间通信距离， 提高了系统的通信可靠性 ； 通过树状组网， 小功率通信模块可以完成数据通信， 降低系统成本。
(2) 对 于 树 形 组 网 方 式 采 用 更 加 高 效 的 群 控 命 令， 使通信命令传输次数与 Leafnode 的数量的成正比， 大大降低了对网络信道的占用 ； 采用树状组网后， 随着通信距 离缩短， 通信成功率明显提高， 在实际测试中考虑各种因素， 通信成功率不低于 99％。
(3) 优化了树形组网的群控命令实现方式， 对网络占用降低， 效率大幅提升。 附图说明
图 1 为现有的照明监控系统单灯控制器的星形组网示意图。 图 2 为本发明实施例一中照明监控系统单灯控制器的树形组网示意图。 图 3 为本发明实施例二中照明监控系统单灯控制器的树形组网示意图。 图 4 为本发明分群控命令实现方法的流程图。具体实施方式 ：
本发明的一种基于 WSN 网络的城市照明监控系统， 它包括灯光支路控制器 1 和若 干安装在路灯上的单灯控制器 2， 所述的灯光支路控制器 1 与各个单灯控制器 2 之间采用树 形组网方式连接， 即灯光支路控制器 1 上连接有若干个一级单灯控制器 2， 每个一级单灯控 制器 2 上又分别连接了若干二级单灯控制器 2 ； 每个二级单灯控制器 2 上又连接了若干三 级单灯控制器 2， 每个三级单灯控制器 2 上又连接了若干四级单灯控制器 2……， 依次类推， 若干级单灯控制器 2 和灯光支路控制器 1 形成树形组网的连接方式。
如图 2、 3 所示， 树形组网又有图 2、 3 所示的两种连接方式。 本发明的一种基于 WSN 网络的城市照明单灯监控系统的群控命令的实现方法， 包括： (1) 建立基于 WSN 网络的城市照明树形组网系统的控制网络， 同时在灯光支路控 制器和每个单灯控制器中建立直接子节点表。
其中， 组建控制网络包括如下步骤 ：
(101) 灯光支路控制器建立网络 ；
(102) 每个单灯控制器均为一个节点， 设有 M 个节点， M 为大于等于 1 的自然数 ； 一 号单灯控制器扫描网络后， 加入网络 ； 此时控制网络由灯光支路控制器和一号单灯控制器 组成， 整个树状网络的深度为 1 ；
(103) 二号单灯控制器扫描网络， 准备加入网络， 此时有灯光支路控制器和一号单 灯控制器网络均可加入， 在通信质量相当的情况下， 优先选择深度较浅的灯光支路控制器 (BranchNode) 发送加入网络请求 ； BranchNode 根据当前网络情况， 即预置的最大子节点个 数以及该二号单灯控制器携带的鉴权信息， 判断 BranchNode 允许二号单灯控制器接入。
后续加入的三号单灯控制器、 四号单灯控制器……M 号单灯控制器加入时， 根据通 信质量、 当前网络情况判断是否可连接在灯光支路控制器上， 如果允许， 则接入灯光支路控 制器， 组网结束 ； 如果不允许， 则转入步骤 (104) ；
其中， 与灯光支路控制器相连的单灯控制器均为一级单灯控制器 ；
(104) 没有加入灯光支路控制器的单灯控制器扫描网络， 准备加入网络， 此时有一 级单灯控制器网络可加入， 一级单灯控制器的深度相同， 优先选择通信质量高的一级单灯
控制器发送加入网络请求 ； 一级单灯控制器根据当前网络信息， 即预置的最大子节点个数 以及要求加入的单灯控制器携带的鉴权信息， 判断是否允许这些单灯控制器接入。
与一级单灯控制器相连的单灯控制器为二级单灯控制器， 连接在二级单灯控制器 上是三级单灯控制器……依次类推。
如果所有的一级单灯控制器都允许后续的二级单灯控制器加入， 则组网结束 ； 如 果不允许， 则剩余的单灯控制器继续扫描网络， 寻找可以加入的单灯控制器， 直到所有的单 灯控制器均加入控制网络， 由此形成以灯光支路控制器为中心的一级单灯控制器、 二级单 灯控制器、 三级单灯控制器…… n 级单灯控制器， 组网结束。
(2) 当单灯控制器加入控制网络时， 该单灯控制器的信息被写入与该单灯控制器 直接相连的父节点的直接子节点表中 ； 如果有单灯控制器要退出控制网络， 则该单灯控制 器原父节点将该单灯节点的信息删除。父节点是指单灯控制器的上一级单灯控制器， 例如 与一级单灯控制器相连的二级单灯控制器中， 一级单灯控制器是二级单灯控制器的父节 点， 二级单灯控制器是一级单灯控制器的子节点。
(3) 当收到群控命令之后， 灯光支路控制器在其直接子节点表中读出其存储的所 有一级单灯控制器的信息， 然后将该群控命令转发给这些一级单灯控制器 ； 一级单灯控制 器再向存储在其直接子节点表中的所有二级单灯控制器转发群控命令 ； 依次类推， 直到所 有的单灯控制器都接收到群控命令。 (4) 群控命令转发完成之后， 各个节点按照群控命令执行相应动作。
实施例一 ：
如图 2 所示， 该 WSN 网络为树形组网的一种实施方式， 该实施例的控制系统有一个 灯光支路控制器 1 和六个单灯控制器 2 组成。为方便描述， 分别将六个单灯控制器 2 命名 为： LeafNode1、 LeafNode2、 LeafNode3、 LeafNode4、 LeafNode5 和 LeafNode6， 下同。
灯光支路控制器 1 分别与 LeafNode1、 LeafNode2 相连， LeafNode1 上分别连接有 LeafNode3 和 LeafNode4， LeafNode2 上分别连接有 LeafNode5 和 LeafNode6， LeafNode1、 LeafNode2 即为一级单灯控制器， LeafNode3、 LeafNode4、 LeafNode5 和 LeafNode6 即为二 级单灯控制器。
实现群控命令采用的是灯光支路控制器 1 向六个单灯控制器 2 同时发送单控命 令， 发送完毕之后， 即实现了该 WSN 网络的群控。
现有的控制方式中， 该网络要实现对网络中的六个单灯控制器 2 的群控命令， 命 令传输路径如下 ：
向 LeafNode1 发送单控命令， 命令传输由 BranchNode 传送到 Leafnode1， 为图 2 中 标示的 “路径 1” ；
向 LeafNode2 发送单控命令， 命令传输由 BranchNode 传送到 Leafnode2， 为图 2 中 标示的 “路径 2” ；
向 LeafNode3 发送单控命令， 命令传输由 BranchNode 传送到 Leafnode1， 再由 LeafNode1 传送到 LeafNode3， 为图 2 中标示的 “路径 1” +“路径 3” ；
向 LeafNode4 发送单控命令， 命令传输由 BranchNode 传送到 Leafnode1， 再由 LeafNode1 传送到 LeafNode4， 为图 2 中标示的 “路径 1” +“路径 4” ；
向 LeafNode5 发送单控命令， 命令传输由 BranchNode 传送到 Leafnode2， 再由
LeafNode2 传送到 LeafNode5， 为图 2 中标示的 “路径 2” +“路径 5” ；
向 LeafNode6 发送单控命令， 命令传输由 BranchNode 传送到 Leafnode2， 再由 LeafNode2 传送到 LeafNode6， 为图 2 中标示的 “路径 2” +“路径 6” 。
所以， 为了实现 LeafNode1 至 LeafNode6 的群控命令， 命令在点到点之间传输次数 为： “路径 1” +“路径 2” +(“路径 1” +“路径 3” )+(“路径 1” +“路径 4” )+(“路径 2” +“路 径 5” )+(“路径 2” +“路径 6” )， 即总共发送 10 次。
本发明提供的城市照明单灯监控系统灯光节点控制器上群控命令的实现方法 是：
(1) 建立基于 WSN 网络的城市照明树形组网系统的控制网络， 同时在灯光支路控 制器中建立直接子节点表， 在每个单灯控制器中建立直接子节点表。
其中， 组建控制网络包括如下步骤 ：
(101) 灯光支路控制器建立网络 ；
(102) 一号单灯控制器 2(LeafNode1) 扫描网络后， 加入网络 ； 此时单灯系统组成 树状网络由 BranchNode 和 LeafNode1 组成， 整个树状网络的深度为 1。
(103) 二号单灯控制器 2(LeafNode2) 扫描网络， 准备加入网络， 发现 Branchnode 和 leafNode1 网络均可加入， 在通信质量相当的情况下则选择深度为 0 的 BranchNode 发送 加入网络请求。BranchNode 判断预置的最大子节点个数以及单灯控制器携带的鉴权信息， 发现 BranchNode 本身还可以允许 LeafNode2 接入。 此时树状网络深度为 1， BranchNode 与 LeafNode1 及 LeafNode2 进行通信时直接 进行数据传输。
(104) 三号单灯控制器 2(LeafNode3) 请求加入网络时， 根据当前实际网络中 LeafNode 情况， LeafNode3 通过 LeafNode1 节点接入网络 ； 此时树状网络深度为 2。在 BranchNode 与 LeafNode3 进行数据交互时， 以下行数据为例， BranchNode 将数据发送到 LeafNode1， LeafNode1 再将数据路由到 LeafNode3， 即每次数据传输为所逻辑组网中相邻 节点， 数据传输距离可控， 数据传输时间为两次数据路由时间。
(105)LeafNode4 请 求 加 入 网 络 时， 根 据 当 前 实 际 网 络 中 LeafNode 节 点 情 况， LeafNode4 通 过 LeafNode1 节 点 接 入 网 络 ； 此 时 树 状 网 络 深 度 仍 为 2。 在 BranchNode 与 LeafNode4 进行数据交互时， 以下行数据为例， BranchNode 将数据发送到 LeafNode1， LeafNode1 再将数据路由到 LeafNode4， 即每次数据传输为逻辑组网中相邻节点， 数据传输 距离比直接通过 BranchNode 发送到 LeafNode4 近， 数据传输时间为两次数据路由时间。
(106)LeafNode5 请 求 加 入 网 络 时， 根 据 当 前 实 际 网 络 中 LeafNode 节 点 情 况， LeafNode5 通过 LeafNode2 节点接入网络。此时树状网络深度为 2。在 BranchNode 与 LeafNode5 进 行 数 据 交 互 时， 以 下 行 数 据 为 例， BranchNode 将 数 据 发 送 到 LeafNode2， LeafNode2 再将数据路由到 LeafNode5， 即每次数据传输为所逻辑组网中相邻节点， 数据传 输距离比直接通过 BranchNode 发送到 LeafNode2 近一半， 数据传输时间为两次数据路由时 间。
后续 LeafNode 加入时， 仍按照上述规则进行处理。
在 BranchNode 和 LeafNode1 至 LeafNode6 启动时分别建立直接子节点表。
(2) 当单灯控制器 2 加入控制网络时， 该单灯控制器 2 的信息被写入与该单灯控制
器 2 相连的父节点的直接子节点表中 ； 如果有单灯控制器要退出控制网络， 则该单灯控制 器 2 的原父节点将该单灯节点的信息删除。
即 在 以 BranchNode 为 组 网 控 制 中 心 控 制 所 有 的 LeafNode 进 行 依 次 拓 扑 组 网 时， 如 图 2 所 示， LeafNode1 和 LeafNode2 的 信 息 写 入 BranchNode 的 直 接 子 节 点 表 中， LeafNode3 和 LeafNode4 的 信 息 写 入 LeafNode1 的 直 接 子 节 点 表 中， LeafNode5 和 LeafNode6 的信息写入 LeafNode2 的直接子节点表中， 即将每一个加入网络的 LeafNode 的 信息写入与该 LeafNode 连接的上一级 LeafNode 的直接子节点表中。
(3) 在需要对所有 LeafNode 发送控制命令式时， BranchNode 向其直接子节点表中 存有信息的 LeafNode1 和 LeafNode2 发送控制命令， LeafNode1 接收到命令后， 再将命令发 送至其直接子节点表中存有信息的 LeafNode3 和 LeafNode4， LeafNode2 接收到命令后， 再 将命令发送至其直接子节点表中存有信息的 LeafNode5 和 LeafNode6。
本发明实现群控命令的路径如下表 1 所示 ：
表1：
(4) 群控命令转发完成之后， 各个节点按照群控命令执行相应动作。
由此可以看出， 采用本发明只需要发送 6 次即可实现群控命令， 发送次数和 LeafNode 数一致， 比现有控制方法减少 4 次。
实施例二 ：
如图 3 所示， 为该 WSN 网络为树形组网的另一种实施方式， 该实施例的控制系统有 一个灯光支路控制器 1 和六个单灯控制器 2 组成。对于极端情况下每个节点只允许一个子 节点时， 就是图 3 所示的连接方式， 即灯光支路控制器 1 依次与两个单灯控制器 2 相连。所 述的六个单灯控制器 2 分别为一级单灯控制器、 二级单灯控制器、 三级单灯控制器、 四级单 灯控制器、 五级单灯控制器和六级单灯控制器。
要实现 LeafNode1-LeafNode6 的群控命令， 现有控制方法的命令在点到点之间传 输次数为 ： “路径 1” +(“路径 1” +“路径 2” )+(“路径 1” +“路径 2” +“路径 3” )+(“路径 1” +“路径 2” +“路径 3” +“路径 4” )+(“路径 1” +“路径 2” +“路径 3” +“路径 4” +“路 径 5” )+(“路径 1” +“路径 2” +“路径 3” +“路径 4” +“路径 5” +“路径 6” )， 共 21 次点 到点通信。也是就说要实现群控命令， 发送次数为 n*(n+1)/2， 其中 n 为节点数 (Leafnode 数 )。
而本发明提供的城市照明系统监控终端上群控命令的实现方法是 ：
(1) 建立基于 WSN 网络的城市照明树形组网系统的控制网络， 同时在灯光支路控 制器中建立直接子节点表， 在每个单灯控制器中建立直接子节点表。
其中， 组建控制网络包括如下步骤 ：
(101) 灯光支路控制器建立网络 ；
(102) 一号单灯控制器 2(LeafNode 1) 扫描网络后， 加入网络， 此时单灯系统组成 树状网络由 BranchNode 和 LeafNode 1 组成， 整个树状网络的深度为 1。
(103) 二号单灯控制器 2(LeafNode 2) 扫描网络， 准备加入网络， 根据通信质量判 断， LeafNode 2 只能加入 LeafNode1。此时树状网络深度为 2。 (104) 三 号 单 灯 控 制 器 2(LeafNode3) 请 求 加 入 网 络 时， 根 据 通 信 质 量 判 断， LeafNode3 只能加入 LeafNode2， 依次类推， LeafNode 4 只能加入 LeafNode 3， LeafNode 5 只能加入 LeafNode 4， LeafNode 6 只能加入 LeafNode 5。
(2) 当单灯控制器 2 加入控制网络时， 该单灯控制器 2 的信息被写入与该单灯控制 器 2 相连的父节点的直接子节点表中 ； 如果有单灯控制器要退出控制网络， 则该单灯控制 器 2 原父节点将该单灯节点的信息删除
图 3 所示的实施例中， 在以 BranchNode 为组网控制中心控制所有的 LeafNode 进 行依次拓扑组网时， LeafNode1 的信息写入 BranchNode 的直接子节点表中， LeafNode2 的信 息写入 LeafNode1 的直接子节点表中， LeafNode3 的信息写入 LeafNode2 的直接子节点表 中， LeafNode4 的信息写入 LeafNode3 的直接子节点表中， LeafNode5 的信息写入 LeafNode4 的直接子节点表中， LeafNode6 的信息写入 LeafNode5 的直接子节点表中。
3、 当收到群控命令之后， 灯光支路控制器 1 在直接子节点表中读出其中存储的 一级单灯控制器 2 的信息， 然后将该群控命令转发给一级单灯控制器 2， 即图 3 中所示的 LeafNode1 ； 一级单灯控制器 LeafNode1 再向存储在其直接子节点表中的二级单灯控制器， 即 LeafNode2 转发群控命令 ； 依次类推， 直到所有的单灯控制器 2 都接收到群控命令。
即在需要对所有 LeafNode 发送控制命令式时， BranchNode 向其直接子节点表中 存有信息的 LeafNode1 发送控制命令， LeafNode1 接收到命令后， 再将命令发送至其直接子 节点表中存有信息的 LeafNode2， LeafNode2 接收到命令后， 再将命令发送至其直接子节点 表中存有信息的 LeafNode3， LeafNode3 接收到命令后， 再将命令发送至其直接子节点表中 存有信息的 LeafNode4， LeafNode4 接收到命令后， 再将命令发送至其直接子节点表中存有 信息的 LeafNode5， LeafNode5 接收到命令后， 再将命令发送至其直接子节点表中存有信息 的 LeafNode6。
实施例二所示的命令传输路径如下表 2 所示 ：
表2
10102413607 A CN 102413620
节点说明书群控命令 经路径 1 发给 LeafNode18/8 页直接子节点表中的信息BranchNodeLeafNode1 经路径 2 发给 LeafNode2LeafNode1LeafNode2 经路径 3 发给 LeafNode3LeafNode2 LeafNode3 LeafNode4 LeafNode5 LeafNode6
LeafNode3 LeafNode4 LeafNode5 LeafNode6 无 经路径 4 发给 LeafNode4 经路径 5 发给 LeafNode5 经路径 6 发给 LeafNode64、 群控命令转发完成之后， 各个节点按照群控命令执行相应动作。
可以看出， 采用本发明只需要发送 6 次即可实现群控命令， 发送次数和 LeafNode 数一致， 比原来减少多次。
本发明对网络带宽占用减少非常显著， 节点数目越多， 这种效果越显著， 可以大大 提升城市照明系统监控终端的群控效率。