技术领域
背景技术
[0002] 随着我国公共照明条件不断改善，灯具安装量不断增加。由于公共照明灯具数量巨大，且灯具地理分布范围较大，目前采取的人工巡检需要耗费大量的人
力物力，且对故障的响应速度较慢。在很多情况下，公共照明条件与公共安全密切相关，故障的及时诊断和及时维修是改善公共安全条件的重要途径之一。目前我国公共照明灯具大多采取逻辑
开关、时序调节等有线控制方法，有线控制建设成本高、布线复杂、现场施工工艺繁琐，增加了施工的安全
风险。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有公共照明有线控制系统存在的
缺陷，提供了一种保证公共照明系统在无线通信网络下实现无线智能调光、灯具自动故障检测与故障
定位以及主动报警等功能的公共照明灯具无线巡检系统及巡检方法。
[0004] 本发明采用的技术方案为一种公共照明灯具无线巡检系统，其要点在于，它由主控单元、无线协调器、若干个终端控制单元组成，终端控制单元具有灯具
接口，通过输出PWM波对灯具进行无极调光，终端控制单元内还具有
电流检测
电路，电流检测电路具有灯具接口，同时与终端控制单元连接，主控单元、终端控制单元内均具有无线通讯模
块，相互间通过以无线协调器为中转平台的无线网络进行信息传递。
[0005] 本发明使用无线通信技术以实现远程控制，克服目前只能进行定时控制，并对每个照明灯具配备终端控制单元对灯具进行无极调光和电流检测，对照明灯具的好坏进行实时监测，从而以实现及时维修，保障公共安全。
[0006] 本发明的无线协调器为ZigBee无线协调器，它由处理器模块、RF前端、电源管理模块及各外部接口构成，它通过接收主控单元传来的灯具控制
信号进行信号解码后将控制命令以无线传输的方式传送到
指定的终端控制单元；同时，它也将终端控制单元发出的报警信号解码后转换成无线信号，将灯具的故障类型以及
位置ID通过ZigBee无线网络发送至主控单元。
[0007] 随着近年
物联网技术的兴起和快速发展，在照明领域也出现了一些基于无线控制的照明系统。目前市场上出现的大多数无线终端控制系统是基于Wi-Fi技术的无线控制系统，其缺点主要是信号干扰大、抗干扰能力弱、控制范围有限，无线
控制器功能过于单一，缺少必要的公共照明灯具的自动故障检测、报警及定位功能，不能很好的满足智能化公共照明系统的建设需求。缺少实时
亮度调节功能，使得公共照明系统不仅无法适时的提供合适亮度的公共照明，同时也由于过度照明和人工巡检效率低下造成了大量
电能的浪费和管理维护成本的上升。本发明选用基于ZigBee技术的无线通信手段，在增强抗外界信号干扰能力的同时，还通过终端控制单元对灯具实现远程无极调光和自动巡检等功能，建立一个能够更好满足公共照明
质量需求和节能提效的无线照明控制系统。
[0008] 主控单元由主控
制芯片及其相关外围电路、无线路由器（ZigBee路由器）和终端显示控制屏幕构成，主控单元主要完成照明信号的发送、故障信息的汇总及处理和整体运行情况的实时显示；同时，主控单元通过互联网与
云端相连，建立高级管理网络平台系统，实现远程监管功能。
[0009] 方便使用者在云端实时接收故障报警信息以及查看当前系统整体运行情况。
[0010] 终端控制单元由控制芯片及相关外围电路、ZigBee无线通讯模块、电流检测电路及pwm输出模块构成，不同终端控制单元和主控单元间相互的信号流传输依赖的
无线通信模块。
[0011] 本发明还为每个照明灯具配备一个终端控制单元作为最底层的控制机构，方便系统对目前旧的照明系统进行改造升级，无需更换照明灯具及供电线路，通过输出PWM波对照明灯具进行无极调光的功能，通过对照明灯具电流检测，实现对灯具的运行状态的判断：当灯具收到运行命令时，但测得实时功率为零时，说明灯具可能损坏，立刻上传灯具已损坏的故障信息并一同上传损坏灯具的位置ID，方便维修人员直接前去维修，尽快恢复正常公共照明；当灯具收到运行命令，但测得实时功率大于或者小于正常功率参数范围时，立刻切断该灯具的电源，保护灯具，并上传运行异常的报警信息，通知维护部
门及时派人检修故障，减小损失。
[0012] 具体地
硬件选择主控单元的主控制芯片使用CC2530芯片，应用该芯片
内核自带的ZigBee无线收发器来实现信号的无线收发功能；终端控制单元的主控制芯片选用STM32F103芯片，并配有与CC2530芯片的ZigBee无线收发器相配合的无线通信模块，STM32F103芯片通过串口向无线通信模块发送控制命令和巡检指令,通过无线协调器的中转，主控单元和终端控制单元的两个无线通信模块得以实现无线的信息传输，主控单元和终端控制单元均包含了220V转24V的
整流器和24V转3.3V的稳压模块的电源模块，通过各自的电源模块，从220V交流市电中获得控制器需要的直流稳压电源，整流器中还设置有灯具接口，其中终端控制单元还连接了PWM输出和电流检测模块，分别用来控制灯具亮度和检测灯具的运行状态。
[0013] 一种公共照明灯具无线巡检方法，它的运行步骤为：a)进行网络初始化：先通过信道扫描确定网络协调器，在进行信道检测确认无强干扰后，完成网络ID的配置；b)
节点通过协调器加入网络，具体步骤为查找网络协调器，发送关联
请求命令，等待协调器处理及发送数据请求命令；c）当无线网络组建完成并确认信号可以正常传输后，在网络内部自动完成网络ID的自动配置后，各模块开始通过无线网络发送接收数据信息。
[0014] 本发明在上述硬件设计的
基础上，完成配套的
软件程序设计以达到预期的控制效果。
[0015] 所述的各模块通过无线网络发送接收数据信息，其数据的传输采用链式传送方式，系统根据发送数据的终端控制单元和目标单元的ID判断出两个节点的距离，当为相邻节点时，直接发送到目标单元即可；当发送数据的节点距离目的节点中间具有间隔节点，系统将计算出传送的最优路径，发送数据的节点将需要发送的信息传送距离目标单元最近的相邻无线节点，再由相邻节点继续进行上述链式发送的方式逐级发至目的节点；由于发送的数据中，含有原发送节点和目的发送节点的ID，其他节点通过对数据的解码后可根据ID信息对该条信息进行相应处理。另外，发送的链路有多条路径，可以有效保证传输的可靠性，不会出现丢失信息的情况。
主控制器通过上述无线的传输方式可以和网络内部的无论远近的任一无线节点上的终端控制器完成信息的交换和控制命令的收发，可以随时发送对一个或者多个设备的亮度调节、电源开关及故障检测命令，以及接收节点发送的灯具运行状态、实时功率及故障类型及ID等信息。利用zigbee无线自组网支持大量节点及网络复杂度低的优势将底层的大量公共照明设备和控制中心进行信息互联，常见的ZigBee网络拓扑结构具有树形、星型和网络型。本文利用ZigBee无线自组网优势，采用全新的链式组网结构，该结构可以大大的拓展ZigBee通信的距离和数据传输可靠性对无线传输信号进行加密处理，将 ZigBee协调器通过对信道
能量的检测和扫描，跳转到干扰更小的信道来进行通信；对所要传输的数据进行特定的加密处理，以保证传输内容的数据格式的唯一性，当接收端收到传来的信息后通过校验码之后方可完成数据解码，否则则要求数据重发。
[0016] 由于近年来以WLAN为代表的无线网络的广泛普及，导致现在的无线网络较之以前更为拥挤，无线通信更容易受到相近频段信号的干扰，所以抗干扰能力的强弱直接决定了整个系统的运行质量。为提高系统无线传输的抗干扰能力，在通信中加入了加密步骤，通过对于无线网络中传输的数据进行发送前加密和接收时验证并解码的步骤，可以有效提高数据传输的完整性，从而提高无线传输的抗干扰性能。
[0017] 所述的加密处理是指在通信中加入了加密步骤，具体实施方法如下：首先，将需要发送的64位明文信息和64位秘钥信息，每个第八位是奇偶校验位，实际有效秘钥是56位，其具体步骤为：①将需要加密的64位数据信息进行初始置换；②将置换后的数据分为各32位的左右两部分；③进行16轮
迭代．在每一轮中，右半部分在子密钥的作用下进行变换，得到的32位数据与左半部分按位异或，产生的32位数据作为下一轮迭代的右半部分，原右半部分直接作为下一轮迭代的左半部分，但第16轮（最后一轮）不进行左右互换。④对经过16轮迭代后的64位数据进行逆初始置换，所得结果即为密文。
[0018] 而无线传输过程中的解密
算法与加密算法相同，只是各子密钥的顺序相反，即为K16，K15，…，K1，解密时把64位密文当作明文输入，而且第1次解密迭代使用子密钥K16，第2次解密迭代使用K15，……，第16次解密迭代使用K1，最后的输出便是64位明文，采用上述算法对数据进行处理后，采取跳频传输的方式对数据进行传输，防止了部分频段遇到干扰时发生的部分丢
帧现象。
[0019] 本发明的优点在于：系统适用范围广，安装施工难度低，可应用于旧网改造，无线通信抗干扰性强，可以有效提高公共照明系统的维修效率和降低巡检的成本，同时降低公共照明灯具和
能源的能耗。
[0020] 图1为本发明使用状态图；图2. ZigBee无线网络的三层结构图；
图3是整体无线照明控制系统的硬件组成
框图；
图4是ZigBee终端控制单元的硬件组成框图；
图5是无线网络协调器组网过程的主程序框图；
图6是无线网络算法的加密运算算法
流程图；
其中：1主控单元、11 ZigBee路由器 2无线协调器、3终端控制单元 31 无线通讯模块
4灯具。
具体实施方式
[0021] 下面结合视图对本发明进行详细的描述，所列举的
实施例可以使本专业的技术人员更理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
[0022] 如图1所示，一种公共照明灯具无线巡检系统，它由主控单元1、无线协调器2、若干个终端控制单元3组成，终端控制单元由控制芯片及相关外围电路组成的终端控制器、ZigBee无线通讯模块（无线终端节点）、电流检测电路及pwm输出模块构成，终端控制单元具有灯具接口与LED照明灯具的驱动电路相连，通过输出PWM波对灯具进行无极调光，24V直流可控电源经过电流检测电路向灯具接口供电，同时电流检测电路的
采样输出信号线与终端控制器连接，主控单元、终端控制单元内均具有无线通讯模块，不同终端控制单元和主控单元间通过以无线协调器为中转平台的无线网络进行信息传递。
[0023] 主控单元由主控制芯片及其相关外围电路、无线通信路由器和终端显示控制屏幕构成，主控单元主要完成照明信号的发送、故障信息的汇总及处理和整体运行情况的实时显示；同时，主控单元通过互联网与云端相连，建立高级管理网络平台系统，实现远程监管功能。
[0024] 方便使用者在云端实时接收故障报警信息以及查看当前系统整体运行情况。
[0025] 本发明的无线协调器为ZigBee无线协调器，它由处理器模块、RF前端、电源管理模块及各外部接口构成，它通过接收主控单元传来的灯具
控制信号进行信号解码后将控制命令以无线传输的方式传送到指定的终端控制单元；同时，它也将终端控制单元发出的报警信号解码后转换成无线信号，将灯具的故障类型以及位置ID通过ZigBee无线网络发送至主控单元。
[0026] ZigBee技术是一种低功耗、低时延和低成本的双向无线通信技术。ZigBee无线通信方法是基于IEEE802.15.4标准的短距离低功耗的无线通信技术。在IEEE802.15.4标准中定义了两个物理层，可以在868MHz、915MHz和2.4GHz三个频段下进行通信。
[0027] 常见的ZigBee网络拓扑结构具有树形、星型和网络型。可根据使用场景的不同选择不同的拓扑结构，但是一般应用在大范围内需要使用采用树状的分级控制结构，为了加强其的传输范围，本发明创造性地采用链式组网的方式扩大有效传输范围，其结构如图2所示，ZigBee路由器、ZigBee无线协调器、ZigBee无线通讯模块，三者间通过无线连接，完成
信号传输。
[0028] 如图3、4所示，主控单元的主控制芯片使用CC2530芯片，应用该芯片内核自带的ZigBee无线收发器（又称为ZigBee路由器）来实现信号的无线收发功能；终端控制单元的主控制芯片选用STM32F103芯片，并配有与CC2530芯片的ZigBee无线收发器相配合的无线通信模块，STM32F103芯片通过串口向无线通信模块发送控制命令和巡检指令,通过无线协调器的中转，主控单元和终端控制单元的两个无线通信模块得以实现无线的信息传输，主控单元和终端控制单元均包含了220V转24V的整流器和24V转3.3V的稳压模块的电源模块，通过各自的电源模块，从220V交流市电中获得控制器需要的直流稳压电源，作为主控单元、终端控制单元和灯具所需的直流驱动电源，整流器中还设置有电源接口，输出的24V直流可控电源通过
串联电流检测模块再与灯具接口相连，，其中终端控制单元还连接了PWM输出和电流检测模块的ADC采样信号接口，分别用来控制灯具亮度和检测灯具的运行状态。
[0029] 如图5所示，一种公共照明灯具无线巡检方法，它的运行步骤为：a)进行网络初始化：先通过信道扫描确定网络协调器，在进行信道检测确认无强干扰后，完成网络ID的配置，完成ZigBee无线网络的建立；b)节点通过协调器加入网络，具体步骤为查找网络协调器，发送关联请求命令，等待协调器处理及发送数据请求命令；c）当zigbee无线网络组建完成并确认信号可以正常传输后，在网络内部自动完成网络ID的自动配置后，各模块开始通过无线网络发送接收数据信息。
[0030] 本发明在完成硬件配备后，通过软件编程完成组网任务。
[0031] 所述的各模块通过无线网络发送接收数据信息，其数据的传输采用链式传送方式，系统根据发送数据的终端控制单元和目标单元的ID判断出两个节点的距离，当为相邻节点时，直接发送到目标单元即可；当发送数据的节点距离目的节点中间具有间隔节点，系统将计算出传送的最优路径，发送数据的节点将需要发送的信息传送距离目标单元最近的相邻无线节点，再由相邻节点继续进行上述链式发送的方式逐级发至目的节点；由于发送的数据中，含有原发送节点和目的发送节点的ID，其他节点通过对数据的解码后可根据ID信息对该条信息进行相应处理。另外，发送的链路有多条路径，可以有效保证传输的可靠性，不会出现丢失信息的情况。主控制器通过上述无线的传输方式可以和网络内部的无论远近的任一无线节点上的终端控制器完成信息的交换和控制命令的收发，可以随时发送对一个或者多个设备的亮度调节、电源开关及故障检测命令，以及接收节点发送的灯具运行状态、实时功率及故障类型及ID等信息。利用zigbee无线自组网支持大量节点及网络复杂度低的优势将底层的大量公共照明设备和控制中心进行信息互联，常见的ZigBee网络拓扑结构具有树形、星型和网络型。本文利用ZigBee无线自组网优势，采用全新的链式组网结构，该结构可以大大的拓展ZigBee通信的距离和数据传输可靠性对无线传输信号进行加密处理，将 ZigBee协调器通过对信道能量的检测和扫描，跳转到干扰更小的信道来进行通信；对所要传输的数据进行特定的加密处理，以保证传输内容的数据格式的唯一性，当接收端收到传来的信息后通过校验码之后方可完成数据解码，否则则要求数据重发。
[0032] 由于当前社会的网络
覆盖率大大提高，所以使用无线通信可能会受到的干扰较以往更为复杂。为提高系统无线传输的抗干扰能力，在通信中加入了加密步骤，设计一种抗干扰的无线通信方法，使无线公共照明控制能顺利实行。
[0033] 所述的加密处理是指在通信中加入了加密步骤，具体实施方法如下：首先，将需要发送的64位明文信息和64位秘钥信息，每个第八位是奇偶校验位，实际有效秘钥是56位，其具体步骤为：①将需要加密的64位数据信息进行初始置换；②将置换后的数据分为各32位的左右两部分；③进行16轮迭代．在每一轮中，右半部分在子密钥的作用下进行变换，得到的32位数据与左半部分按位异或，产生的32位数据作为下一轮迭代的右半部分，原右半部分直接作为下一轮迭代的左半部分，但第16轮（最后一轮）不进行左右互换。④对经过16轮迭代后的64位数据进行逆初始置换，所得结果即为密文。具体算法的流程图如图6所示。
[0034] 而无线传输过程中的解密算法与加密算法相同，只是各子密钥的顺序相反，即为K16，K15，…，K1，解密时把64位密文当作明文输入，而且第1次解密迭代使用子密钥K16，第2次解密迭代使用K15，……，第16次解密迭代使用K1，最后的输出便是64位明文，采用上述算法对数据进行处理后，采取跳频传输的方式对数据进行传输，防止了部分频段遇到干扰时发生的部分丢帧现象。
[0035] 本发明的优点在于：系统适用范围广，安装施工难度低，无线通信抗干扰性强，可以有效提高公共照明系统的维修效率和降低巡检的成本，同时降低公共照明灯具和能源的能耗。
