鄔志鋒，王貴恩，鐘尚敏

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510650；2.廣州長豐電子科技有限公司，廣州 510801）

0 引言

道路照明是社會(huì)公共設(shè)施的重要組成部分，根據(jù)中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院相關(guān)研究，2020年我國城市道路照明燈桿保有量約為2 935萬盞[1]，若2020—2025年，我國城市道路照明燈桿數(shù)量保持5%的增速，預(yù)計(jì)2025年城市道路照明燈數(shù)量將達(dá)到3 923.4萬盞。為了解決道路照明系統(tǒng)存在的能源消耗大和運(yùn)維費(fèi)用高兩大痛點(diǎn)，部分路燈已經(jīng)通過采用電力線通信、4G-LTE、Lora、NB-IOT、ZigBee等通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化[2]，智能道路照明系統(tǒng)已經(jīng)成為了智慧城市的重要組成部分，數(shù)量龐大的街巷路燈智能化改造目前也已經(jīng)逐漸推開。

智能道路照明系統(tǒng)普遍存在通信時(shí)延大、易受天氣影響、不能進(jìn)行精準(zhǔn)控制等弊端[3]，如圖1所示，街巷路燈還會(huì)受到道路路線復(fù)雜、周邊建筑高度多變等因素的影響，導(dǎo)致智能道路照明系統(tǒng)的通信質(zhì)量進(jìn)一步惡化，控制系統(tǒng)難以使用，無法有效降低建造、運(yùn)營成本，嚴(yán)重制約了道路照明系統(tǒng)的智能化。

圖1 某街巷路燈分布圖示例

針對智能道路照明系統(tǒng)以上不足，本文融合UWB和自組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型智能道路照明系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）基于有限基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對全部路燈的自動(dòng)精確定位，距離誤差小于30 cm；

（2）設(shè)計(jì)了基于結(jié)點(diǎn)狀態(tài)的GPSR自組網(wǎng)路由算法，實(shí)現(xiàn)了所有街巷路燈自動(dòng)組成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)；

（3）實(shí)時(shí)采集環(huán)境光亮度、車流信息、行人信息，并據(jù)此調(diào)整路燈的亮度，實(shí)現(xiàn)路燈-環(huán)境協(xié)同。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

智能道路照明系統(tǒng)按照功能劃分層次結(jié)構(gòu)，自上而下分為三層：路燈管理中心、智能配電柜網(wǎng)關(guān)和LED單燈控制器終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)的工作原理：LED單燈控制器主要作用是使用UWB通信模塊形成自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，測量其與智能配電柜之間的距離，同時(shí)使用傳感器采集路燈的電能信息、周邊亮度等環(huán)境信息，輸出0~10 V調(diào)光信號(hào)控制LED燈具的亮度。智能配電柜是現(xiàn)場控制核心，主要作用作為UWB定位的已知參考點(diǎn)，同時(shí)作為單燈控制器的通信網(wǎng)關(guān)。路燈管理中心運(yùn)行在云服務(wù)器上，主要作用是根據(jù)各個(gè)單燈控制器上傳的距離信息對其進(jìn)行定位，提供實(shí)時(shí)路面狀態(tài)監(jiān)控、路燈狀態(tài)監(jiān)控、路燈資產(chǎn)管理、人員管理、實(shí)時(shí)告警等功能，實(shí)現(xiàn)路燈智能管理工作。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 LED單燈控制器

LED單燈控制器是安裝在路燈上的控制終端，是UWB定位系統(tǒng)的標(biāo)簽，其原理如圖3所示，該控制器以STM32F103微控制器為核心，使用UWB通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和空間定位，使用HT7017構(gòu)成的電能計(jì)量電路測量電壓、電流、功率因子，使用亮度傳感器獲取環(huán)境光亮度，使用微波傳感器獲取周圍的車流人流信息，使用PWM/電壓轉(zhuǎn)換電路輸出0~10 V調(diào)光信號(hào)控制LED燈具的亮度。

圖3 LED單燈控制器

LED單燈控制器使用DWM1000模塊實(shí)現(xiàn)UWB通信，DWM1000是DecaWave公司生產(chǎn)的一款基于DW1000芯片的超寬帶收發(fā)模塊，該模塊內(nèi)部集成了DW1000所需要的全部射頻電路、電源管理和時(shí)鐘電路以及天線，具有時(shí)間分辨率高、通信距離遠(yuǎn)、集成簡單等優(yōu)勢[4]，其電路如圖4所示。

圖4 UWB通信電路

2.2 智能配電柜

智能配電柜是現(xiàn)場控制核心，主要作為UWB定位系統(tǒng)的基站，同時(shí)作為LED單燈控制器的數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)關(guān)。智能配電柜以STM32F205微控制器為核心，硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，UWB通信模塊的作用是實(shí)現(xiàn)定位和與LED單燈控制器通信，上行DTU的作用是實(shí)現(xiàn)智能路燈配電柜與路燈管理中心的數(shù)據(jù)通信，GPS模塊的作用是提供UWB基站所需要的地理坐標(biāo)。

圖5 智能配電柜

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的主要作用是使用UWB模塊測量各路燈與參考點(diǎn)（已知地理位置的路燈）的距離并獲取通信狀態(tài)信息，利用距離計(jì)算各路燈的地理位置，然后結(jié)合通信狀態(tài)和地理位置信息使用GPSR協(xié)議形成自組網(wǎng)，路燈、智能配電柜使用自組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)信息，最終實(shí)現(xiàn)道路照明系統(tǒng)的智能化控制。

3.1 UWB定位原理

準(zhǔn)確定位路燈是形成自組網(wǎng)、故障快速定位、維護(hù)保養(yǎng)的基礎(chǔ)，目前工程上使用的主要方法是使用GPS定位工具逐一測量路燈的位置，然后標(biāo)注在電子地圖上，此方法需要耗費(fèi)大量的人力資源，本文利用了UWB精確測量路燈到已知地理坐標(biāo)的參考點(diǎn)的距離，然后進(jìn)行再對其進(jìn)行定位，如圖6所示。

圖6 UWB定位原理

圖中定位基站A1（x1，y1）、A2（x2，y2）、A3（x3，y3）、A4（x4，y4）為已知位置的定位基站，B（x，y）為待定位的標(biāo)簽點(diǎn)，利用UWB通信模塊DWM1000使用TOA方法精確測量B點(diǎn)與基站Ai的距離di，即：

即：

其中d0i為B到參考點(diǎn)Ai的實(shí)際距離值，ei為誤差。由式（2）可得：

記為：

其中：A=[(x i-x i+1) (y i-y i+1)]，

使用最小二乘法即可求解公式（3），結(jié)果為：

3.2 路燈定位

由于已知位置的基站數(shù)量有限，根據(jù)UWB定位原理本文設(shè)計(jì)使用了迭代定位的方法對全部路燈進(jìn)行定位的方法，如圖7所示，其中Ai（i=1，2，3，4）為使用GPS定位后的已知位置的路燈，作為定位基站，Bi（i=1，2，3，…，13）為待定位的路燈，受環(huán)境影響，Bi（i=6，7，8，…，11）等處于基站視距外的待定位路燈。

圖7 路燈定位

本文使用的迭代定位方法即以通過GPS定位的基站作為一級基站，對視距范圍內(nèi)的路燈進(jìn)行定位，然后將其視為已知位置的二級基站，再以一級、二級基站對其他路燈定位，直至完成全部路燈的定位。

根據(jù)UWB定位原理可知定位精度主要受基站間時(shí)鐘同步精度和測距誤差影響[5]，其中測距誤差主要由非視距（Non-Line-of-Sight，NLOS）因素和多徑傳播造成[6]，所以選擇最佳定位基站是提高定位的關(guān)鍵，本文使用了基站層級、距離均方差、信號(hào)接收強(qiáng)度作為基站選擇標(biāo)準(zhǔn)。定義路燈i使用基站j時(shí)的定位質(zhì)量系數(shù)為：

其中，gj為基站的定位層級，dij為路燈i與基站j之間的距離均方差，Rij為接收信號(hào)強(qiáng)度，Kg為基站層級權(quán)重，Kd為距離均方差權(quán)重，Ks為信號(hào)接收強(qiáng)度權(quán)重。定位的程序流程如圖8所示。

圖8 路燈定位程序流程

3.3 自組網(wǎng)算法

道路照明系統(tǒng)中LED單燈控制器、智能配電柜必須形成通信網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行智能控制，實(shí)際測試表明道路機(jī)動(dòng)車、天氣、道路形狀、周邊建筑高度等環(huán)境因素以及路燈工作狀態(tài)都會(huì)影響該通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性[7]，必須根據(jù)各種影響因素實(shí)時(shí)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成健壯的自組網(wǎng)，才能提高通信質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)道路照明系統(tǒng)智能化。在復(fù)雜道路或者城市立體交通的場景下，基于地理位置的貪婪周邊無狀態(tài)路由協(xié)議（Geo?graphic Perimeter Stateless Routing，GPSR）應(yīng)用非常廣泛[8]，GPSR協(xié)議是將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)盡量轉(zhuǎn)發(fā)給最靠近的鄰居中繼節(jié)點(diǎn)，不僅可以減少轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，提高轉(zhuǎn)發(fā)效率減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載[9]，而且其協(xié)議簡單可以有效降低LED單燈控制器的成本。但是GPSR協(xié)議只考慮了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，所以存在局部最優(yōu)、路由空洞等弊端[10]，容易造成丟包率過高、延時(shí)過大等問題。此外，傳統(tǒng)的基于測距無線定位技術(shù)未考慮接收的信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）值的分布特性也容易造成室內(nèi)定位效果欠佳[11]。針對以上的不足，本文在實(shí)施過程加入了由應(yīng)答時(shí)延、處理器使用率、接收信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）與歐拉距離4個(gè)參數(shù)共同構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)周邊節(jié)點(diǎn)狀態(tài)向量選擇最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，從而提高了數(shù)據(jù)發(fā)送成功率。具體做法如下。

（1）發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包請求周圍節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)

周邊節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是節(jié)點(diǎn)選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的重要依據(jù)，路燈上電定位后不了解周邊的其他節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，所以需要通過廣播REQ數(shù)據(jù)包請求附近的節(jié)點(diǎn)發(fā)送其狀態(tài)，REQ數(shù)據(jù)包的格式如表1所示。

表1 REQ數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

（2）周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)送Hello數(shù)據(jù)包宣告狀態(tài)

Hello數(shù)據(jù)包的作用是向周邊的節(jié)點(diǎn)宣告自身的工作狀態(tài)，該數(shù)據(jù)包按照每分鐘一次周期性發(fā)送，或者接收到REQ數(shù)據(jù)包后發(fā)送，其結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 Hello數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

路燈B j在接收到路燈B i的Hello數(shù)據(jù)包之后，建立如（6）所示的狀態(tài)向量。

其中di是路燈Bi與配電柜之間的距離，在經(jīng)典GPSR協(xié)議中希望每次轉(zhuǎn)發(fā)的距離越遠(yuǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)距離終點(diǎn)越近越好；Adi為路燈Bi與配電柜上一次通信的時(shí)延，該值越小表示該節(jié)點(diǎn)所選擇的通信線路越好；Rji為路燈B j接收路燈Bi時(shí)發(fā)送的Hello數(shù)據(jù)包時(shí)候的RSSI值，該值越大表示路燈Bi和路燈Bj之間的通信越可靠；Ui為路燈Bi的轉(zhuǎn)發(fā)路徑表使用率，該值越小表明路燈的數(shù)據(jù)被成功轉(zhuǎn)發(fā)的概率越大。

各路燈在上電一段時(shí)間后形成周邊節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表，如圖9所示。

圖9 周邊節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表

（3）選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)

GPSR協(xié)議是是由中繼節(jié)點(diǎn)逐級轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)直至其到達(dá)目的地址，所以GPSR協(xié)議的關(guān)鍵是確定最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)[12]。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息所包含的4個(gè)變量都會(huì)影響通信質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)表明只以其中某一個(gè)參數(shù)為指標(biāo)計(jì)算出來的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)不一定是最佳的。本文提出了使用優(yōu)先級來表明節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)的度量方法，當(dāng)路燈需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先計(jì)算節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表里面每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)優(yōu)先級，按照優(yōu)先級從高到低選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。優(yōu)先級的計(jì)算方法如公式（7）所示：

S ji為路燈Bj記錄到的路燈Bi的狀態(tài)向量，W為權(quán)重。發(fā)送數(shù)據(jù)的流程如圖10所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先計(jì)算節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表中所有節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級，然后選擇優(yōu)先級最高的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)出后啟動(dòng)時(shí)延定時(shí)器，等待服務(wù)器應(yīng)答。如果服務(wù)器未能在設(shè)定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)應(yīng)答，則標(biāo)記該節(jié)點(diǎn)不可達(dá)，將其優(yōu)先級置為-1，并重新選取優(yōu)先級最大的結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。如果服務(wù)器在設(shè)定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)應(yīng)答，則表明數(shù)據(jù)發(fā)送成功，并記錄此次通信的時(shí)延，然后發(fā)送Hello數(shù)據(jù)包給周邊的節(jié)點(diǎn)，更新周邊節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表。如果遍歷完節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表中所有的節(jié)點(diǎn)還無法發(fā)送數(shù)據(jù)，說明節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表中的所有節(jié)點(diǎn)均已失效，在清空節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表后發(fā)送REQ數(shù)據(jù)包，向周邊節(jié)點(diǎn)重新請求節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，重構(gòu)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表。

圖10 發(fā)送數(shù)據(jù)

（4）轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑

管理中心服務(wù)器在收到路燈發(fā)送的數(shù)據(jù)后需要發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包，各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)需要按照其來源該應(yīng)答數(shù)據(jù)包的發(fā)送目的地址，所以各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)需要在緩存相關(guān)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，包括該數(shù)據(jù)包的源節(jié)點(diǎn)編號(hào)、數(shù)據(jù)包號(hào)和入口節(jié)點(diǎn)編號(hào)，格式如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)發(fā)路徑格式

當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到來自服務(wù)器端的數(shù)據(jù)包時(shí)，如果其目的地址不是自身，則從轉(zhuǎn)發(fā)路徑表查找該數(shù)據(jù)包的入口節(jié)點(diǎn)編號(hào)，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給該入口節(jié)點(diǎn)處理。

4 系統(tǒng)測試

本文構(gòu)建了如圖11所示的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，A1、A2、A3、A4點(diǎn)為已知位置點(diǎn)，其中A1為原點(diǎn)，其他3點(diǎn)通過激光測距儀確定其坐標(biāo)，配電箱主機(jī)和A1（原點(diǎn)）位置相同，A5為原點(diǎn)可視范圍內(nèi)的點(diǎn)，A6為混凝土間隔的近距離點(diǎn)，A7為混凝土間隔的遠(yuǎn)距離點(diǎn)，A8、A9、A10為多重混凝土間隔的遠(yuǎn)距離點(diǎn)。設(shè)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照30 s的時(shí)間間隔上傳數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)主要測試了A6、A8和A10點(diǎn)的分組投遞率和平均應(yīng)答延時(shí)兩個(gè)性能指標(biāo)。

圖11 實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境

4.1 分組投遞率

分組投遞率（Packet Delivery Fractions，PDF）是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收的分組總數(shù)Nreceice與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組總數(shù)Nsend之比[13]，考慮到本文所提及的系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)頻率較低，所以使用了累計(jì)分組投遞率，計(jì)算放方法如式（8）所示。

分組投遞率越大說明數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)某晒β试礁撸瑏G失的數(shù)據(jù)越少，意味著網(wǎng)絡(luò)的可靠性更好，能更好保證節(jié)點(diǎn)之間的正常通信；反之，節(jié)點(diǎn)之間通信容易出現(xiàn)通信中斷或數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象[14]。

測試結(jié)果如圖12所示，3個(gè)測試點(diǎn)的分組投遞率隨時(shí)間逐步升高，說明各節(jié)點(diǎn)通過Hello數(shù)據(jù)包逐漸學(xué)習(xí)到了周圍其他節(jié)點(diǎn)的情況，逐步完善了周邊節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級的排序，從而提高了數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性也隨時(shí)間逐步提高。但是各節(jié)點(diǎn)情況也有所不同，A6作為混凝土間隔的近距離點(diǎn)，其與配電箱主機(jī)的通信為直連方式，只是在在開始的時(shí)候出現(xiàn)了少量數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗，而后來發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)包越來越少。A10作為最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，其與配電箱主機(jī)之間的通信需要經(jīng)過中間的多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)，是一個(gè)多跳通信點(diǎn)，所以受到剛開始發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)包較多，分組投遞率上升的也比較慢。

圖12 分組投遞率

4.2 平均端到端時(shí)延

平均端到端時(shí)延（Average End-to-End Delay，AED）是數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所需的平均時(shí)間，用于表示網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性[15]，計(jì)算方法如公式（9）所示。

其中tout為源節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)的時(shí)間，trec為目的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包的時(shí)間，平均端到端時(shí)延越小，說明數(shù)據(jù)包從發(fā)出到被應(yīng)答所經(jīng)過的鏈路上的節(jié)點(diǎn)耗費(fèi)的時(shí)間越少，數(shù)據(jù)包傳遞的速度越快，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性越好。

測試結(jié)果如圖13所示，可見3個(gè)點(diǎn)的平均端到端時(shí)延大小以抖動(dòng)都與其地理位置密切相關(guān)，距離配電箱主機(jī)最近的A6點(diǎn)時(shí)延、抖動(dòng)最小，最遠(yuǎn)的A10點(diǎn)時(shí)延、抖動(dòng)最大，主要原因是距離近的A6點(diǎn)是直接與配電箱主機(jī)通信，而距離遠(yuǎn)的A10點(diǎn)需要通過多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)才能與配電箱主機(jī)通信，從而造成其平均端到端時(shí)延較大。

圖13 平均應(yīng)答時(shí)延

5 結(jié)束語

本文以UWB通信技術(shù)為基礎(chǔ)，使用加入結(jié)點(diǎn)狀態(tài)優(yōu)化了的GPSR協(xié)議使智能配電柜、LED單燈控制器形成了自組網(wǎng)，測試表明本系統(tǒng)的直聯(lián)通信點(diǎn)的分組投遞率超過了95%，多跳通信點(diǎn)的分組投遞率超過了90%，單跳平均延時(shí)小于150 ms，具有定位精準(zhǔn)、組網(wǎng)穩(wěn)定可靠、通信實(shí)時(shí)性高、遠(yuǎn)程調(diào)控響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，有效解決了目前道路照明智能化過程中存在的路燈定位不準(zhǔn)、通信質(zhì)量不佳、智能化不足等問題，為提高智能交通設(shè)備的通信質(zhì)量和解決道路照明智能化不足等問題提供了參考。