基于无线传感器网络(WSN)的LED道路照明智能控制技术研究

摘要

随着城市建设的迅速发展，城市路灯管理部门的管辖范围越来越大，路灯照明的电费支出和维护资金投入急剧增加。尤其是以哈尔滨代表的北方城市，具有非常突出的高纬度、昼短夜长自然特征，道路照明能耗高于国内平均水平8％以上。因此，更需要采用全新的道路照明控制系统来降低道路照明能耗，节约能源。本课题根据道路LED照明控制的特点，通过选取适合于交通流量和LED照明相关的传感器，实现兼具LED路灯控制和无线数据传输功能（即WSN：Wireless Sensor Network，无线传感器网络）的单灯控制器硬件设计，并构建无线数据通讯的道路LED照明传感器网络，通过传感器监测的路灯运行状态以及交通流量等信息，实现对LED路灯的按需控制，从而实现道路LED照明的节能。
　　基于无线传感器网络（WSN）的LED道路照明智能控制系统结构可以分为三个层次：监控主机、集中控制器、单灯控制器。三者之间的通讯通过无线网络来进行。其中单灯控制器对LED路灯进行控制，是道路LED照明节能控制的核心部件。本文从智能化控制系统设计的一般原则出发，分析了单灯控制器的设计原则，设计了LED单灯控制器和集中控制器电路结构，详细描述了电路各组成部分的原理及电路设计，并对单灯控制器及集中控制器的电路进行了PCB板实现。
　　为了实现街道LED路灯智能化管理和控制，本文分析了城市街道路灯链式分布的特点，依此设计出了面向链式拓扑结构的路由协议，包括地址分配、网络建立和节点加入、数据包的路由方法等。以基于IEEE802.15.4规范的MAC层为平台，设计了一套简化的协议栈并且实现了上述路由协议。由于此路由协议中，具备接入能力的节点可接入的子节点数少，并且地址分配方式固定，无需查询路由表，减小了路由开销，提高了网络利用率，降低了网络能耗。
　　本文对单灯控制器及集中控制器硬件电路关键部件进行了功能测试，并测试了链式网络协议栈的运行状况和组网通讯情况。硬件电路测试主要考察单灯控制器及集中器中射频收发电路、GPRS模块的工作情况。测试结果显示，硬件系统完全正常，附加的射频前端电路工作良好。链式网络协议栈测试主要考察协议栈的运行状况和组网通讯情况，测试结果表明网络建立、网络加入和数据包路由等三大功能符合设计要求。
　　最后，本文通过分析哈尔滨市南岗区四明街夜间车流行人通行情况，得出了路灯照明节能的智能控制可能的效率。

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第1章 绪论

1.1课题背景

1.2国内外在该方向的研究现状及分析

1.3论文主要工作

第2章 LED道路照明的无线传感器网络（WSN）传输硬件节点设计

2.1引言

2.2 LED智能控制系统总体结构设计

2.3单灯控制器硬件结构设计

2.4数据收发模块设计

2.5 GPRS模块设计

2.6街道数据采集模块设计

2.7 PCB版图及硬件实现

2.8本章小结

第3章 LED道路照明无线传感器网络（WSN）路由技术研究

3.1引言

3.2链式拓扑结构的无线传感器网络（WSN）协议栈结构设计

2.4GHz无线电收发器

3.3链式路由协议的设计与实现

3.4本章小结

第4章 系统功能测试及节能控制策略分析

4.1系统功能测试

4.2无线传感器网络（WSN）功能测试

4.3 LED照明节能控制策略分析

4.4本章小结

结论

参考文献

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