一种智慧路灯的组网及通信方法与流程

本发明涉及智慧路灯技术领域，尤其涉及一种智慧路灯的组网及通信方法。

背景技术：

智慧路灯是一种采用物联网和云计算技术，对城市公共照明系统进行升级，实现路灯集中管控、运维信息化、照明智能化的新路灯技术。目前，智慧路灯中采用的通信技术主要有：电力线载波通信技术（powerlinecarrier，plc）、移动无线通信技术，包括gprs、3g、4g等、自组网通信技术等。

电力线载波通信是一种利用电力线作为信息传输介质进行语音或数据传输的一种通信方式。其优点是不需要重新架设通信网络基础设施，只要有电力线就可以进行数据传输；其缺点包括：（1）配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，导致电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送；（2）电力线存在本身固有的脉冲干扰；（3）电力线对载波信号造成高削减；等等。由于存在这些缺点，plc的主要应用领域是“电力上网”，在其他应用领域并未能大规模商用。

移动无线通信利用电信运营商提供的无线通信网络服务，因此，它也不需要重新建设通信网络基础设施，但是，智慧路灯的业主单位需要向电信运营商付费购买其提供的网络通信服务才能正常运行，这大大地提高了智慧路灯的运营成本。

无线自组网是一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线网络，它是在无线分组网的基础上发展起来的新型通信网络。它不依赖于预设的通信基础设施，具有可临时组网、快速展开、无控制中心、抗毁性强等特点，具有广阔的应用前景。目前应用在智慧路灯上的通信组网协议主要是zigbee协议。zigbee是一种低成本的、低功耗的近距离无线组网通讯技术，它将网络中的设备分为协调器、路由设备和终端3种类型，其中协调器只有一个，路由设备和终端可以有多个。协调器只能和路由设备进行通信，路由设备间以及终端设备与路由设备间可以通信，但终端设备间不能相互通信。zigbee协议组网时默认的路由深度为5级，虽然可以进行扩展，但目前支持的最大路由深度大概是22级左右。智慧路灯的布设通常是在道路的两侧，其网络拓扑结构通常以直线型为主。zigbee协议并不是专门为智慧路灯开发的组网协议，因此，它不能利用智慧路灯的这种直线布设的特性，在短距离范围内还勉强可以使用，但在比较长距离的道路上布设的智慧路灯，zigbee协议就很难使用了。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种智慧路灯的组网及通信方法，以解决现有技术限制条件多，适用性不强的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种智慧路灯的组网方法，包括以下步骤：

s11：部署系统管理器和多个智慧路灯；

s12：由智慧路灯创建空的邻居表，在邻居表中保存自身的节点id并周期性的向外广播包含自身节点id数据包；

s13：智慧路灯将接收的数据包的rssi值以及节点id补充至邻居表；

s14：系统管理器发出信息收集信号，接收到信息收集信号的智慧路灯将邻居表打包成邻居表信息包发送至系统管理器；

s15：系统管理器根据所有收集的邻居表信息包对智慧路灯编号并将编号信息发送给智慧路灯；

s16：智慧路灯将编号信息补充至邻居表完成组网。

为实现上述目的，本发明提供了一种智慧路灯的通信方法，包括以下步骤：

s21：完成智慧路灯的组网；

s22：智慧路灯将包含发送方编号和目的方编号的数据包发送出去；

s23：接收到所述数据包的智慧路灯将目的方编号与自身编号进行匹配，若匹配则根据数据包内信息进行处理；若不匹配，查询自身邻居表，有所述编号的则转发数据包至所述编号对应的智慧路灯，若无次编号，则将该数据包转发至与所述编号最接近的编号所对应的智慧路灯直至数据包转发至目的方编号对应的智慧路灯。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的组网方法，不需要对智慧路灯的设别类型作出提前指定，具有很好的适用性。

2、本发明的组网方法仅需要在智慧路灯中保存邻居表，不需要保存和维护复杂的路由表，节省了内存开销。

3、本发明的通信方法在通信时不需要提前建立路由，节省了通信开销。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的一种智慧路灯的组网方法流程图；

图2是本发明优选实施例的一种智慧路灯的通信方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明首先公开了一种智慧路灯的组网方法，包括以下步骤：

s11：部署系统管理器和多个智慧路灯。

智慧路灯为带有控制与通信模块的路灯，系统管理器是一种嵌入式设备，能够完成数据的收发处理，节点的编号处理，同时具有和智慧路灯的通信模块，以及与远端云平台进行通信的远程通信模块。

s12：由智慧路灯创建空的邻居表，在邻居表中保存自身的节点id并周期性的向外广播包含自身节点id数据包。

智慧路灯的控制与通信模块加电启动后，首先创建一张空的邻居表，即保存一些必要信息的信息拓扑表。将自身的节点id保存至空白邻居表中，此时，邻居表与包含自身节点id的邻居表。在以固定时间长度内任一时刻向外接广播一个数据包以宣告自身的存在，该数据包至少包含有自身的节点id。

s13：智慧路灯将接收的数据包的rssi值以及节点id补充至邻居表。

接收到数据包的智慧路灯将数据包中的rssi值以及节点id补充至自身的邻居表中。同一时刻能接收到的数据包越多，邻居表中的信息也就越多。当rssi值发生变化时，邻居表也同步进行更新。

s14：系统管理器发出信息收集信号，接收到信息收集信号的智慧路灯将邻居表打包成邻居表信息包发送至系统管理器。

系统管理器发出信息收集信号，所有的智慧路灯接收到该信息收集信号时将邻居表打包并返回给系统管理器。对于距离系统管理器较远的智慧路灯，可由较近的智慧路灯对信息收集信号进行转发。

s15：系统管理器根据所有收集的邻居表信息包对智慧路灯编号并将编号信息发送给智慧路灯。

系统管理器收到所有智慧路灯的邻居表信息包后对所有智慧路灯进行编号，并将编号信息保存至对应的邻居表中，从而完成对所有智慧路灯的编号。

s16：智慧路灯将编号信息补充至邻居表完成组网。

此时智慧路灯的邻居表中包含节点id、rssi值和节点编号。上述信息即包含自身的，又包含能够接收到的其他的智慧路灯的。

本发明提供的组网方法不需要提前指定智慧路灯的设备类型，也不需要提前建立路由，大大节省了通信开销；每个智慧路灯只需要保存邻居表即可，无需保存与维护整体的路由表，节省了内存开销。

优选地，邻居表中还包括失联次数，失联次数为未收到邻居表中节点id对应的智慧路灯周期性发送的广播的次数。

由于智慧路灯会周期性的向外广播数据包以及接收外界周期性的数据包，当多次未能接收到某一智慧路灯的数据包时则可以认为该智慧路灯发生了物理故障或者通信故障。本实施例以周期性的数据包的接收情况作为失联的依据。另外，也可以通过智慧路灯内的计时触发器的计时周期内的数据包接收情况作为失联的依据。若数据包发送周期为3秒，那么1分钟未收到数据包时失联次数则为20。若计时触发器的计时周期为60秒时，第40秒时的失联次数为0，只有当到达第60秒时才会更新失联次数至20次。可以根据需求决定选择何种失联次数计算模式并根据需求改变周期时长。

优选地，失联次数的统计规则为：未收到邻居表中节点id对应的智慧路灯周期性发送的广播则失联次数进行自增1操作；收到邻居表中节点id对应的智慧路灯周期性发送的广播时将失联次数置0；当失联次数到达设定阀值时向系统管理器发送该节点id对应的智慧路灯故障的信息。

偶尔的失联不能说明智慧路灯故障，极有可能是其他原因锁造成。因此设置了失联次数阀值，知道连续失联次数超过阀值时才判断为智慧路灯发送了物理故障或者通信故障。

优选地，步骤s14中的邻居表信息包的发送方式为：智慧路灯向系统管理器所在方向与自己相邻的智慧路灯发送邻居表信息包，并由与自己相邻的智慧路灯继续按同样的方式转发直至到达系统管理器。

由于通信距离的限制，距离较远的智慧路灯无法直接与系统管理器进行通信，因此，需要通过距离系统管理器较近的相邻智慧路灯进行转发从而完成与系统管理器通信的目的。

优选地，s15中对智慧路灯编号的规则为：根据邻居表信息包被转发的次数排序，转发次数越多的邻居表信息包对应的智慧路灯编号越大或者转发次数越多的邻居表信息包对应的智慧路灯编号越小。

由于转发邻居表信息包是通过相邻的智慧路灯进行转发的，因此，距离系统管理器越远的智慧路灯的邻居表信息包被转发的次数就越多。系统管理器可以通过被转发的次数来判断所有智慧路灯的排布情况。根据顺序进行编号，可以有效规范的对智慧路灯进行管理。比如发生了失联的智慧路灯，则可以根据编号来定位位置以快速查找到该智慧路灯进行故障排除。

优选地，节点id用节点的mac地址表示，rssi值用8位二进制表示，节点编号由16位二进制表示，失联次数由4位二进制表示。

邻居表的表示方法可以根据实际情况进行适用性的调整。

本发明还提供了一种智慧路灯的通信方法，其特征在于，包括以下步骤:

s21：完成智慧路灯的组网。

根据上述方法完成对智慧路灯的组网。

s22：智慧路灯将包含发送方编号和目的方编号的数据包发送出去。

智慧路灯发送的数据包中包含自身的发送方编号、接收方的目的方编号以及所需处理的数据。

s23：接收到所述数据包的智慧路灯将目的方编号与自身编号进行匹配，若匹配则根据数据包内信息进行处理；若不匹配，查询自身邻居表，有所述编号的则转发数据包至所述编号对应的智慧路灯，若无次编号，则将该数据包转发至与所述编号最接近的编号所对应的智慧路灯直至数据包转发至目的方编号对应的智慧路灯。

当智慧路灯接收到出举报时，先将目的方编号与自身编号进行匹配，若匹配不上，则改数据包不是发送给该智慧路灯的，需要将该数据包转发出去。转发的规则如下：将目的方编号与邻居表中的所有编号进行匹配，若匹配上，直接将该数据包发送给对应的智慧路灯；若依然匹配不上，搜索邻居表中编号与目的方编号最接近的编号，将数据包转发至次智慧路灯并由该智慧路灯继续转发直至数据包到达目的方编号对应的智慧路灯。由于编号是按顺序排列的，因此搜索编号最接近的可以更快的完成数据包的传递。

优选地，当目的方编号与自身编号不匹配并完成数据包转发后，监听目标智慧路灯是否继续转发，若转发则结束监听；若未监听到转发，则将数据包发送邻居表中与目的方编号次近编号对应的智慧路灯。

当智慧路灯完成转发后还需对接收它转发的智慧路灯进行监听以确保数据包在继续的进行传递。若监听结果为未转发，则可能是该智慧路灯出现了故障从而无法转发。此时，上一智慧路灯便搜索编号次近的智慧路灯转发该数据包并进行监听直到接收到它转发的智慧路灯也将数据包转发出去才能够结束监听。通过监听的方法确保数据包的正常传递。

优选地，智慧路灯都不进行转发时，最后接收到数据包的智慧路灯向发送方编号对应的智慧路灯报告网络通信中断的故障。

有一种情况为：监听到邻居表中所有编号的智慧路灯都未能完成转发时，此时数据包无法继续进行传递，将无法传递信息的情况反馈给数据包中发送方编号对应的智慧路灯，报告网络通信中断的故障。可以查找到反馈信息的智慧路灯，分析数据包未能继续传递的原因并采取相应的处置措施。

在一条长度为1公里的城市道路两旁，每隔30米安装一盏智慧路灯，在道路的起点处部署系统管理器。每台智慧路灯加电启动后，先在本地创建一张空的邻居表，填入自己的节点id，然后向外广播一个包含自身节点id的数据包。由于无线通信的距离有限，假设当前采用的通信距离是100米，则只有两边相邻的总共13（3*2*2+1）盏邻居路灯能够收到它发的包，它自己也可以收到这13盏邻居的广播包。接收数据包时，发送数据包节点的距离越远，其rssi值越小，因此可以根据rssi值给这些邻居节点进行粗略的排定次序。因为每盏智慧路灯只能了解局部的排位情况，而且并不精确，所有由系统管理器对各个局部的排位情况进行收集。系统管理器收集到全部的邻居表信息后，就可以从全局角度确定每盏路灯的排位情况（具体的排位算法不用表述），从而可给每盏智慧路灯按位置顺序编号。编号完成后，由于智慧路灯的网络拓扑结构是长线型，在通信时具有很强的方向性，与其它网络通信相比，它不需要有建立路由的过程，节点转发时可以直接比较目标编号的大小就可以按方向转发，并且，在转发时不需要全部节点都参与，可以按邻居的距离选择最远距离邻居节点优先转发。优点有：（1）节省了建立路由的时间；（2）节省了每个节点维护路由表的开销；（3）减少了转发次数，提高了效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。