基于CC1101无线自组网的路灯监控及节能系统

C131 L131
是有关新型自组网的概念、
C125
思路。
L122
L123
互相可见且通信质量
C121 L121
C122
C123
好的节点可作为信任节点，
C124
在包转发时优先考虑信任
节点。 在路灯系统通电后，
每个节点都在向周围发送
信息，信息内容如下：
1）UnitID，出 厂 时 给 每
图 3 CC1101 原理图
数据库服务程序
控制命令 现场信息 远程监控
图 1 监控中心整体设计图 Fig．1 Structure of monitoring center
1 无线自组网技术
监控中心
无 线 自 组 网 ［5］是 一 种 特 殊 的
无线移动通信网络，其中，每个节
点的地位平等， 无需设置任何中 心控制节点， 网络中的节点兼具
一个路灯节点配置的设备
Fig．3 Principle graph of CC1101 chip
地址。
路灯控制器节点由电流电压测量模块、保护模
2）网络地址，建立网络后被分配的网络地址，即
块、 电源模块、 功率自动调节模块、CC1101 模块组 通过此也知道了其所在的支路。
成。 节点的体系结构如图 4 所示。
收 稿 日 期 ：2010－07－19；修 订 日 期 ：2010－08－02 基 金 项 目 ：NSFC－广 东 联 合 基 金 重 点 项 目 （U0735003） 作者简介：丁欣（1984－），女，在读硕士研究生，研究方向为无线传感器网络；胥布工（1956－），男，教授，博士生导 师 ，研 究 方
光报警等功能， 同时还要进行各种复杂的后台计 算 ，维 护 数 据 库 数 据 的 完 整 性 等 ［6］。
3 路灯控制器节点设计
整个路灯系统由监控中心、 远程监控终端
节点作为控制系统的基本单元，多个路灯节点
（RTU）、远程终端设备和路灯组成。 路灯监控系统的 相互协调工作就构成无线控制网络。 因此，节点的
SI
够自动绕过故障节点，错误
冗余度较差， 不便于维修，
SI 20 GND 19 DGUARD 18 RBIAS 17 GND 16
Digital Inteface
SCLK
S0 （GD01） GD02 （optional）
1 SCLK
AVDD 15
2 S0（GD01）
3 GD02
CC1101
DIE ATTACH PAD:
远程终 端设备
远程终 端设备
远程终 端设备
远程终 端设备
特点仍可提供通信支撑环境。 Ad hoc 网 络 没 有 严 格 的 控
路灯
路灯
路灯
路灯
制中心。 所有结点的地位平等，
即是一个对等式网络。 结点可以 随时加入和离开网络。 任何结点
图 2 系统总体结构组网图 Fig．2 Picture of system architecture Network
3）中心距离，即节点与中心节点的最短跳数。
过温和过电流保护模块保证了控制器节点的
4）信任节点的个数和网络地址，即节点已经建
功率自动 调节模块
发芯片 CC1101 是一种低成本、低功耗、无需申请频 点、传输可靠、支持无线传感器网络技术的单片可 编程 UHF 收发芯片。 其工作频段灵活，可以设定在 315MHz、433MHz、868MHz 和 915MHz 的 ISM 和
电源模块
图 4 节点的体系结构图 Fig．4 Structure drawings of nodes
Street Light Monitoring and Energy－saving System Based On CC1101 Wireless Ad Hoc Network
DING Xin，XU Bu-gong
（Laboratory of Real －time Control Through Internet and Fieldbus， South China University of Technology， Guangzhou 510641，China） Abstract：In order to improve the management efficiency and energy saving effect of street light control system， it’s very important to design a self－group network． With the model of street light monitoring and management system， the characteristics of wireless Ad Hoc networks and the application development method for the energy－saving street light control system is discussed． The system programme consisting of GIS network and real－time control is proposed． The design of street light control system is given including hardware design， software design， application profile， IP address allocation mechanism． The system programme is tested on the platform of Chipcon CC1101． The proposed system is successfully applied to actualproject． The street lightenergy －saving control system has characteristics of intellec －tualization， informationization， high reliability， low cost objectives， etc． The obvious energy saving control result is obtained． Key words：CC1101 chip； wireless Ad Hoc Network； street light monitoring system； energy-saving
整体组网结构如图 2 所示。
设计是本路灯系统的关键和难点。 路灯控制节点的
自动化与仪表 2011(2)
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总线与网络
功能包括执行控制功能和无线通信功能，节点包括 硬件设计和软件设计。
电流电压测 量模块
3．1 硬件设计 本路灯控制器是基于 CC1101 设计的。 无线收
过温与过电 流保护模块
CC1101 无线 通信模块
AVDD 14 RF-N 13
4 DVDD
RF-P 12
6 GD00 7 CSn 8 XOSG-Q1 9 AVDD 10 XOSG-Q2
5 DCOUPL C51
AVDD 11
GD00 （optional）
CSn
C81
XTAL
C101
Antenna 节能效果不明显。 新型自组
（50 0hm） 网意在解决这些问题，下面
本文将 Zigbee［4］自组网 思 想 与 GD60 协 议 相 结 合，采用 IP 地址终端发起网络算法，通过满足系统 对于性能指标的要求来实现路灯系统的低成本、节 能化。
总线与网络
监控中心主界面 控制命令 设备状态 查询命令 用户信息 查询结果
实时数据处理 实时数据
发送数据 接收数据 通信处理
的故障不会影响整个网络的运行， 具有很强的抗
本系统采用无线自组网技术和有线网络两层网
毁性。 在该路灯监控系统中，每个路灯节点的地位 络。 路由节点安装在路灯灯杆上，起着控制路灯节
是平等的，既能响应 数 据 包 ，又 能 够 转 发 数 据 包 。 能和为其他节点无线转发的中继作用。在该系统中，
在接收和转发的过程中， 并不会影响改变数据包 每个路灯终端节点都起着路由节点的作用。 针对道
变；模拟部分负责信号的选频、放大、滤波、混频处
软件设计是在公司的现有 GD60 规约基 础 上 ，
理等等。 该系统选择射频频率 433MHz，该频段无需 融入 Zigbee 的自组网［8］，无线自组网思想［9］，设计出
申 请 频 段 许 可 ，由 于 发 射 功 率 足 够 高 ，并 且 采 用 全 来的一种基于 CC1101 芯片的新型自组网络。 现有
SRD 频段。 其可编程数据传输速率可达 500kBaud， 用于采集电路中的电力参数。 功率自动控制模块是
提供数据包处理、数据缓冲的硬件支持。 CC1101 具 个执行器，通过控制继电器的开关，改变接入电路中
有数字接口部分、模拟部分。 数字接口部分作为下 节能电感量，实现功率的闭环调节。
载程序的模块， 主要工作参数通过 SPI 接口编程改 3．2 软件设计
向天线作为发射和接收天线，在实验环境内发射无 的 GD60 规约的基本思路是：每个节点的地位平等，
死区［7］。 CC1101 原理图Baidu Nhomakorabea图 3 所示。
可响应和转发数据帧，IP 地址事先分配好， 数据帧
中包括了目的节点的地址
1.8V-.36V power supply
R171
和转发的路由、个数。 该规
约目前遇到的瓶颈是不能
向为鲁棒控制与网络化控制系统、无线传感器网络。
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Automation ＆ Instrumentation 2011(2)
无能为力等弊端［2］。 寻找一种在社会效益、经济效益 上均显著的管理监控系统是城市道路照明发展的 必然方向［3］。 从路灯节能控制系统的成本、可靠性、 信息化、应用前景等方面考虑，采用基于 CC1101 芯 片的无线组网技术无疑可以实现路灯控制系统的 智能化、信息化、可靠性高、低成本的目标。
的内容。
路照明系统特殊的“长链状”网络拓扑结构，以及考
虑到系统的健壮性和可靠性，本系统采用树状拓扑
2 路灯监控系统的结构设计
对于路灯监控系统而言，如图 1 所示，其中监 控中心软件主要负责采集从站数、 发布控制命令、 传送实时数据给服务器、显示实时数据以及提供声
结构。 这样系统就包含有内置冗余保证，如果网络 中有节点发生故障、脱离了网络，无法正常工作，节 点数据将自动路由到一个替换节点以保证系统的可 靠、稳定。
传输网络
主机和路由器 2 个角色。 作为主 机， 节点需要提供面向用户的服 务；作为路由器，节点需要运行相 应的路由协议， 并根据路由策略
Ad Hoc 动态组网
传感器
监控终端 （RTU）
WLAN
WLAN
Ad Hoc 动态组网
监控终端 （RTU）
传感器
参与分组转发和路由维护。 在没 有网络基础设施的情况下， 这个
总线与网络
文 章 编 号 ：1001-9944(2011)02-0020-04
基于 CC1101 无线自组网的路灯监控及节能系统
丁 欣，胥布工
（华南理工大学 基于网络和现场总线实时控制实验室， 广州 510641）
摘要：为提高路灯监控系统的管理效率和节能效果，对所采用的协议设计一种自组形式网络 有着重要的意义。 文中在路灯监控管理系统模型的基础上，介绍了无线自组网络特点，提出 由单灯实时控制和检测的系统方案，并实现系统的GIS功能。 研究路灯监控系统的硬件设计、 软件设计，IP地址分配机制，并在Chipcon公司的CC1101芯片上进行测试。 在实际工程中成 功应用了所提出的方案，实现了路灯监控系统的智能化、信息化、高可靠性、低成本的目标， 起到了明显的节能效果。 关 键 词 ：CC1101芯 片 ；无 线 自 组 网 ；路 灯 监 控 系 统 ；节 能 中图分类号：TP277 文献标志码：B
路灯照明是城市基础设施中不可缺少的组成 部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和市 容风貌中处于举足轻重的地位，发挥着不可替代的 作用。 因此，保证路灯正常开关及照明质量对市政 建 设 来 说 是 一 个 重 大 的 研 究 课 题 ［1］。
目前国内的道路照明系统大部分没有采用网络 化监控管理，只能以区域为单位对照明设备进行简 单的开关灯控制，这些分组节能控制方法欠缺人性 化，不能实现信息融合以及远程集中监控，对照明设 备的维护相当困难，存在对照明设备防盗、线路防盗