一种基于灯路由的无线传感器网络快速分布系统和方法与流程

本发明属于物联网领域，涉及无线传感器网络快速分布技术，尤其是一种基于灯路由的无线传感器网络快速分布系统和方法。

背景技术：

近年来随着物联网行业的快速发展，无线传感网络设备在中国发展蔓延，特别是最近这两年，借助于4g移动通信网络的迅速发展蔓延，移动互联网和物联网也逐渐形成一种融合趋势。随着无线传感网络的使用日趋广泛，基于现有设施情况，尽量减少施工成本，建立快捷高效的无线传感网络的要求也越来越多。

目前建立无线传感网络的主要手段是基于三种设备，即传感节点、路由、协调器，通过协调器汇聚路由和传感节点。其中，除了节点因为耗电少且具备休眠模式可以通过电池供电外，协调器由于涉及和上位机平台进行通信的要求必须保持一直在线，因此必须放置到中心机房中。而路由是动态mesh自组网中的最关键设备，数量也最多，基于zigbeepro协议的无线传感网络最多能支持多达65535个，其中路由负责网络拓扑的建立和无线传感信号的分布拓展，由于动态mesh组网的特点可以容许个别路由掉线，但为了保证无线传感网络的畅通，大多数路由必须处于一直在线的状态，因此也必须采用市电供电。

目前现有的无线传感网络建立技术存在以下缺点：

1、现有路由中继设备难以适应复杂的建筑物内环境；

2、路由中继设备的采电成本较高；

3、现有的路由中继设备一般都是直接插到电源插座上，安全性和可靠性比较差。

4、众多路由中继设备分布在墙壁外面，用户体验不佳。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于灯路由的无线传感器网络快速分布系统和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明首先提出一种基于灯路由的无线传感器网络快速分布系统，包括以下模块：

(1)单片机模块：设置灯路由模块的工作模式、zigbee网络参数、数据交换机制；

(2)灯路由模块：负责单片机模块与上位机平台的通讯，其处理分为两部分：接收协调器控制信号和动态mesh自组网，然后将收到的控制信号发送给单片机模块；

(3)开关控制模块：根据单片机模块发送的命令对继电器进行开关操作，控制灯的亮灭；

(4)遥控器模块：通过zigbee网络在近端控制附近灯路由的工作状态，也对灯路由进行分组控制；

(5)协调器网络模块：协调器网络模块具有zigbee、以太网、wifi和4g多种接口，负责单片机模块及灯路由模块与网络监控平台的通信；

所述单片机模块和灯路由模块通过spi总线连接，协调器模块和灯路由模块采用zigbee协议相互连接，灯路由模块和遥控器模块通过zigbee协议相互连接，协调器网络模块通过tcp/ip方式连接有网络监控平台。

进一步，所述网络监控平台是系统外的设备，网络监控平台是一台连接互联网的数据服务器，用来所述协调器网络模块通过网络发送的数据包。

进一步，多个灯路由模块组成动态mesh网络和协调器模块通过zigbee协议连接，单片机模块通过灯路由模块获得网络监控平台下发的控制命令，对无线传感网络中的所有灯路由设备进行控制和管理。

进一步，所述灯路由模块和附近的遥控器模块组成点对点的通信模式，通过zigbee网络在近端控制附近灯路由的工作状态，包括控制照明灯的亮灭及灯路由组的控制。

进一步，所述单片机模块与开关控制模块通过继电器连接，单片机模块通过io管脚控制继电器的开关进而控制灯的亮灭。

进一步，所述灯路由模块包括驱动芯片，所述驱动芯片连接有继电器线包和光耦器件，所述单片机模块的一个io管脚通过光耦器件实现输入信号和输出信号的电气隔离及抗干扰，然后通过所述驱动芯片控制继电器线包的电气开关，当io管脚由单片机模块置高电平时，驱动芯片控制继电器线包开关切换为开路状态；当io管脚由单片机模块置低电平时，驱动芯片控制继电器线包开关切换为闭合状态。

本发明还一种基于上述的无线传感器网络快速分布系统的方法：

1)zigbee模块工作于路由模式，通过单片机模块设置zigbee模块的工作模式和zigbee网络参数；

2)遥控器模块工作于节点模式，平时进入睡眠模式，工作时通过按键唤醒，和附近的灯路由模块进行通信，通过遥控器模块上面的按键控制灯路由模块的工作状态；

3)单片机模块的一个io管脚经过光耦和电流驱动电路和继电器连接，继电器和照明灯的火线连接；

4)设置单片机模块的一个io管脚为输出模式，通过控制该io管脚为高或低电平来控制继电器开关状态，进而控制灯的亮灭，同时，路灯的灯控制开关也能控制灯的亮灭；

5)由灯路由模块组建的zigbee网络汇聚到协调器网络模块中，协调器网络模块通过以太网、wifi或者4g方式连接到互联网，进而接收上位机平台下发的指令，控制zigbee网络内的全部灯路由模块，从而调整优化整个zigbee网络。

本发明具有以下有益效果：

本发明针对无线传感网络的特征，设计一种针对无线传感器网络的快速分布技术，其通过在现有设施内的照明灯中接入灯路由模块的方式，使灯具有zigbee路由/节点的功能，在安装了灯路由模块的照明灯之间，形成一个动态mesh网络。另外，为保证灯路由的一直在线状态，需要将照明灯的原开关置于常开状态，通过遥控器模块可在近端控制照明灯的亮灭，也可以通过互联网在远端控制照明灯的亮灭。借助照明灯的常通电、数量多、分布广的特点，在医院、工厂、学校、高楼大厦内拓展zigbee无线传感网络的覆盖，更便捷快速地建立zigbee网络，同时具备对设施内照明灯的近端及远端控制功能。

附图说明

图1为本发明灯路由模块的电路结构示意图；

图2为本发明系统的整体工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明属于物联网领域，首先提出一种基于灯路由的无线传感器网络快速分布系统，如图1所示，包括以下模块：

(1)单片机模块：设置灯路由模块的工作模式，可通过单片机设置其工作模式、zigbee网络参数、数据交换机制等信息；所述单片机模块与开关控制模块通过继电器连接，单片机模块通过io管脚控制继电器的开关进而控制灯的亮灭。即单片机的一个io管脚经过光耦和电流驱动电路和继电器连接，继电器和照明灯的火线连接。

(2)灯路由模块：负责单片机模块与上位机平台的通讯，其处理分为两部分：接收协调器控制信号和动态mesh自组网，然后将收到的控制信号发送给单片机模块；

所述灯路由模块包括驱动芯片，所述驱动芯片连接有继电器线包和光耦器件，所述单片机模块的一个io管脚通过光耦器件实现输入信号和输出信号的电气隔离及抗干扰，然后通过所述驱动芯片控制继电器线包的电气开关，当io管脚由单片机模块置高电平时，驱动芯片控制继电器线包开关切换为开路状态；当io管脚由单片机模块置低电平时，驱动芯片控制继电器线包开关切换为闭合状态。

即：设置单片机的一个io管脚为输出模式，通过控制该io管脚为高或低电平来控制继电器开关状态，进而控制灯的亮灭。同时，原有的照明灯控制开关保持常开状态，原开关用遥控器模块来替代。

(3)开关控制模块：根据单片机模块发送的命令对继电器进行开关操作，控制灯的亮灭；

(4)遥控器模块：通过zigbee网络在近端控制附近灯路由的工作状态，也对灯路由进行分组控制；遥控器模块工作于节点模式，平时进入睡眠模式，工作时通过按键唤醒，和附近的灯路由进行通信，可通过遥控器模块上面的按键成组控制灯路由的工作状态及替换原手动开关控制照明灯的方法。

(5)协调器网络模块：协调器网络模块具有zigbee、以太网、wifi和4g多种接口，负责单片机模块及灯路由模块与网络监控平台的通信；

所述单片机模块和灯路由模块通过spi总线连接，协调器模块和灯路由模块采用zigbee协议相互连接，灯路由模块和遥控器模块通过zigbee协议相互连接，协调器网络模块通过tcp/ip方式连接有网络监控平台。所述网络监控平台是系统外的设备，网络监控平台是一台连接互联网的数据服务器，用来所述协调器网络模块通过网络发送的数据包。

本发明多个灯路由模块组成动态mesh网络和协调器模块通过zigbee协议连接，单片机模块通过灯路由模块获得网络监控平台下发的控制命令，对无线传感网络中的所有灯路由设备进行控制和管理。所述灯路由模块和附近的遥控器模块组成点对点的通信模式，通过zigbee网络在近端控制附近灯路由的工作状态，包括控制照明灯的亮灭及灯路由组的控制。

由灯路由组建的zigbee网络汇聚到协调器中，协调器可通过以太网/wifi/4g方式连接到互联网，进而接收上位机平台下发的指令，控制zigbee网络内的全部灯路由，从而调整优化整个zigbee网络。比如某区域被多个灯路由重复覆盖，可只让其中一个灯路由正常工作，其他灯路由在保持灯开关控制的功能下进行休眠，降低网络延迟时间。

本发明提出一种基于上述系统的方法，处理流程如图2所示：

1)zigbee模块工作于路由模式，通过单片机模块设置zigbee模块的工作模式和zigbee网络参数；

2)遥控器模块工作于节点模式，平时进入睡眠模式，工作时通过按键唤醒，和附近的灯路由模块进行通信，通过遥控器模块上面的按键控制灯路由模块的工作状态；

3)单片机模块的一个io管脚经过光耦和电流驱动电路和继电器连接，继电器和照明灯的火线连接；

4)设置单片机模块的一个io管脚为输出模式，通过控制该io管脚为高或低电平来控制继电器开关状态，进而控制灯的亮灭，同时，路灯的灯控制开关也能控制灯的亮灭；

5)由灯路由模块组建的zigbee网络汇聚到协调器网络模块中，协调器网络模块通过以太网、wifi或者4g方式连接到互联网，进而接收上位机平台下发的指令，控制zigbee网络内的全部灯路由模块，从而调整优化整个zigbee网络。

综上所述，本发明针对无线传感网络的特征，实现了无线传感器网络的快速分布技术，其通过在现有设施内的照明灯中接入灯路由模块的方式，使灯具有zigbee路由/节点的功能，在安装了灯路由模块的照明灯之间，形成一个动态mesh网络。另外，为保证灯路由的一直在线状态，需要将照明灯的原开关置于常开状态，通过遥控器模块可在近端控制照明灯的亮灭，也可以通过互联网在远端控制照明灯的亮灭。借助照明灯的常通电、数量多、分布广的特点，在医院、工厂、学校、高楼大厦内拓展zigbee无线传感网络的覆盖，更便捷快速地建立zigbee网络，同时具备对设施内照明灯的近端及远端控制功能。