基于无线传感网络的路灯采集系统

基于无线传感器网络系统的路灯节能设计摘 要路灯是与人们日常生活紧密相关的市政公共设施，既关系到夜间行人和交通的安全，又承担着美化市政、降低社会犯罪率的重任，确保按时、按需点亮每一盏灯，并能有效地节省路灯的用电电量、延长灯泡的寿命、降低维护和管理的成本是现代效能型社会追求的目标。根据道路照明系统的运行特点，在节能控制目标和保证可靠性的前提下，设计和分析合适的智能控制策略和控制网络拓扑结构选择。节能道路照明系统在智能照明控制策略的统一指导下运行，基于低功耗无线通信技术，实现节能照明。具体介绍和分析了有关的设计原理和方案选择，智能照明控制策略的选择和确定，控制系统网络结构，主控单元/现场节点的硬件/硬件构成和设计思想。分析表明，基于Ad Hoc无线网络通信实现节能道路智能照明策略控制是可行的。关键词：道路照明；节能控制；智能；Ad Hoc；无线网络 Design of Street lamp Energy-saving system based on wireless sensor networkAbstractStreet lamps is closely related to daily life of the municipal public facilities, both to pedestrians and traffic safety at night, but also bear the beautification of municipal services, reducing the crime rate of social responsibility, to ensure timely, on-demand light each lamp, and can effectively save electricity power street lights to extend lamp life, reduce maintenance and management costs and efficiency of modern society to pursue.According to the operating characteristics of road lighting system, control objectives and ensure the reliability of energy under the premise of intelligent design and analysis of appropriate control strategies and control of network topology options Energy-saving street lighting system in the intelligent lighting control strategy under the guidance of the unified operation, based on low-power wireless communication technology, energy-efficient lighting .This is detailed description and analysis of the relevant design principles and alternatives, smart lighting control strategy for the selection and determination, the control system network structure, the main control unit / scene node hardware / hardware and design Analysis showed that the Ad Hoc wireless network based on energy-saving strategy for road intelligent lighting control is feasible.Keywords：Road lighting；Energy Saving Control；Smart；Ad Hoc；Wireless Network目 录引 言1第1章 绪论21.1 研究背景和意义21.2 国内外相关研究31.3 研究内容4第2章 系统技术介绍52.1 Ad Hoc网络概述52.2 MoteWorks介绍82.3 Visual Studio Net概述10第3章 需求分析133.1 任务概述133.2 技术方案13第4章 系统详细设计164.1 系统总体结构设计164.2 数据库的设计与实现174.3 系统软件端详细设计与实现19第5章 系统测试345.1 用户登录模块测试345.2 用户账户管理模块测试365.3 路灯信息管理测试37结论与展望41致 谢42参考文献43附录A 引用的外文文献及其译文44附录B 主要参考文献题录57插图清单 图2-1 典型的Ad Hoc网络结构 5图2-2 Ad Hoc路由协议按驱动方式分类8图2-3 节点与基站10图4-1 系统总体结构17图4-2 登陆界面19图4-3 系统主界面21图4-4 用户管理模块22图4-5 添加管理员22图4-6 删除用户23图4-7 修改密码24图4-8 路灯信息管理模块26图4-9 信息查询26图4-10 添加信息28图4-11 修改信息32图5-1 用户名错误34图5-2 密码错误35图5-3 等级错误35图5-4 添加管理员36图5-5 修改密码37图5-6 删除管理员37图5-7 添加新路段38图5-8 添加路灯节点38图5-9 修改节点信息39图5-10 修改节点状态信息39图5-11 选择查询40图5-12 查询全部40表格清单表4-1 管理员表18表4-2 路段表18表4-3 节点表18表4-4 传感器信息表19表5-1 登录测试用例表34表5-2 添加管理员用例表36表5-3 修改密码用例表36表5-4 删除管理员用例表37表5-5 添加路灯用例表38引 言近年来，随着经济的不断发展，道路照明的规模和数量越来越大。目前我国大部分城市路灯都采用“全夜灯恒照度”方式，此方式的能源利用率不高，主要存在以下几个方面的不足：第一，系统难以及时反馈路灯运行或故障信息，无法进行远程控制和处理，现场也只能采取传统的人工巡查方式。第二，在后半夜车流量较小，依然保持前半夜的“恒照度”会造成资源的大量浪费。第三，在天色还未完全黑之前，将所有路灯都打开，也会造成电力资源的大量浪费。随着“节约型社会”观念深入人心，以及节能减排纳入国家“十二五”规划内容，提高路灯控制系统的管理水平，解决传统模式的能源高消耗、维护高成本，实现智能化的节能照明已成为解决城市美化和能源紧张的最佳选择。由于无线传感器网络在路灯监控方面应用的产品还不多见，其特点非常适合路灯的监控要求，将无线传感器网络的节点与路灯检测、调光、控制集成在一起，实现对每个路灯的单独控制，通过无线传感器网络的自组网实现对所有路灯的远程节能监控。因此WSN路灯节能和控制系统实现了路灯全面智能化，实现了“分时”、“分路段”、“分情景”的合理光源分布；各种节能手段的综合运用，实现了路灯有效管理，即节省了能源方便补给能源短缺的地方，又对城市绿化起到了促进作用，对于提高能源利用效率具有重要意义。第1章 绪论 1.1 研究背景和意义1.1.1 研究背景目前我国大部分城市路灯都采用“全夜灯恒照度”方式，此方式的能源利用率不高，主要存在以下几个方面的不足：第一，在后半夜车流量较小，依然保持前半夜的“恒照度”会造成资源的大量浪费；第二，后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而会更亮，而我国现行70%的道路照明使用的高压钠灯，此类电网电压的波动致使灯泡的实际使用寿命不超过1年，因此会带来高频的维修费和材料费；第三，系统难以及时反馈路灯运行或故障信息，无法进行远程控制和处理，现场也只能采取传统的人工巡查方式。随着“节约型社会”观念深入人心，以及节能减排纳入国家“十二五”规划内容，提高路灯控制系统的管理水平，解决传统模式的能源高消耗、维护高成本，实现智能化的节能照明已成为解决城市美化和能源紧张的最佳选择1。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。无线传感器网络（WSN ）是由多个节点组成的面向任务的无线网络，它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多种领域技术， 通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌 入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络 将信息传送至远程用户。这一技术具有十分广阔的应 用前景，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医 疗、环境监测、抢险救灾、防恐、反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值3。1.1.2 研究意义“十一五”是我国全面建设小康社会、加快推进社会主义现代化的关键时期，也是加快建设资源节约型社会的重要时期。要坚持开发与节约并举、节约优先的方针，紧紧围绕实现经济增长方式的根本性转变，以提高能源资源利用效率为核心，以节能、节水、节地、节材、能源资源综合利用和发展循环经济为重点，把节约能源资源工作贯穿于生产、流通、消费各个环节和经济社会发展各个领域中，加快形成节约型生产方式和消费方式，提高全社会能源资源利用水平，力争在较短的时间内取得明显进展。路灯是与人们日常生活紧密相关的市政公共设施，既关系到夜间行人和交通的安全，又承担着美化市政、降低社会犯罪率的重任，确保按时、按需点亮每一盏灯，并能有效地节省路灯的用电电量、延长灯泡的寿命、降低维护和管理的成本是现代效能型社会追求的目标。目前，全国大部分城市的照明控制和管理仍采用传统的模式，道路路灯和城市夜景亮化的开关由每台箱变或配电柜独立时钟控制，无法做到精确的统一性控制和管理，除了部分实现了路灯变压器的监测外，大部分路灯设施均靠人工巡检的传统管理模式，从而造成路灯电缆、灯具等城市路灯设施失窃和人为损坏严重，与“分时间、分路段、分情景”的科学亮灯模式的管理目标相去甚远；特别是集中亮灯时电流、电压的瞬间剧烈变化对专用变压器和灯具造成的巨大冲击，时常造成设备的损害，大大缩短了设备的使用寿命，增加了城市照明的维护成本2。同时，无线传感器网络在路灯监控方面应用的产品还不多见，其特点非常适合路灯的监控要求，将无线传感器网络的节点与路灯检测、调光、控制集成在一起，实现对每个路灯的单独控制，通过无线传感器网络的自组网实现对所有路灯的远程节能监控。因此WSN路灯节能和控制系统实现了路灯全面智能化，实现了“分时”、“分路段”、“分情景”的合理光源分布；各种节能手段的综合运用，实现了路灯精确管理，可实现30%以上的路灯节能效果，对于提高能源利用效率，缓解能源紧张状况具有重要意义。1.2 国内外相关研究目前大多数已经建设了所谓“城市照明监控系统”的城市未能实现真正的路灯全网智能监控,大多数的路灯监控厂家还在不断向未使用该系统的城市路灯管理部门推荐传统意义上的“城市照明控制箱（变压器）监控系统”，因为在近的不断建设、推广、普及的进程中，均遇到了一个难以服的工程技术问题，即如何才能在投资和维护费用有限的前提下，实现监控系统所必需的基础数字通信网络。在欧美等发达国家，与国内一样，同样存在着通信平台的瓶颈，路灯监控系统实现单灯监控的程度也不高。即使实现单灯监控，也因电力污染较小而采用电力载波方式实现通信，但随时太阳能（风能）技术和新型光源（如LED路灯）的不断推广，城市道路照明的电力供电系统将逐步萎缩，电力载波的通信方式并不适合今后的发展方向。因此，建立一个能够将智能管理延伸到“路灯网络”神经末梢，即每一盏单灯的智能路灯监控系统的关键是找到一个适应未来城市照明发展趋势，一次性投资小，管理方便，并维护成本低的崭新的通信网络搭建模式。而无线传感器网络正是为这种应用而诞生的新一代通信技术4。由于Ad Hoc网络的特殊性，传统固定网络和移动通信网中使用的各种协议和技术无法被直接使用，因此，需要为Ad Hoc网络设计专门的协议和各种算法，还需要对Ad Hoc网络的应用、组网、管理等进行专门研究。许多国家的无线通信技术研究人员在这方面开展了大量的研究工作，尤其是在美国，最初源于美军通信的需要，目前已有很多学校和研究机构都加入了Ad Hoc网络技术的研究中。目前，国际上在移动Ad Hoc网络方面研究较为活跃的几个研究机构有：加州大学洛杉矶分校Mario Gerla教授所领导的“无线自适应移动性实验室”（The WAM(Wireless Adaptive Mobility Lab,http:/wwwcsuclaedu/NRL/wireless/）。研究方向包括Ad Hoc网络路由协议、多播协议、多跳网络QoS、MAC协议、功率控制、蓝牙网络等。 康奈尔大学Zygmunt JHass教授所领导的“无线网络实验室”（Wireless Networks Laboratory,http:/wnlececornelledu/）。研究方向包括Ad Hoc网络重构、MAC协议、路由协议、网络安全等。 伊利诺基大学Urbana-Champaign分校Nitin Vaidaya教授所领导的Ad Hoc网络研究小组（现在伊利诺大学Urbana-Champaign分校ECE系）。研究方向包括Ad Hoc网络的定向MAC协议、定向路由协议、网络调度等。其他比较关注Ad Hoc网络技术的组织包括美国陆军、海军的一些研究机构。鉴于Ad Hoc网络的特殊性和重要性，自20世纪90年代后期开始，国内的一些大学和研究所也开始关注Ad Hoc网络技术，并对它进行了一些研究。比如：解放军理工大学、清华大学、西安电子科技大学、北方交通大学等。目前国内对Ad Hoc网络进行研究的现状是比较零散，缺乏统一的规划和协调，没有相应地官方或民间组织来协调大家的研究工作。由于Ad Hoc网络技术在民用领域尚无广泛的应用，国家对Ad Hoc网络技术研究的关注和支持力度有限10。1.3 研究内容本课题主要研究基于无线传感器网络的路灯节能系统，以上位机为控制端，主要负责显示和设置控制路灯信息，而各移动节点则形成一个无线网络(Ad Hoc)，网络内部通过路由协议与网关通信，由网关将接收的数据传送给上位机显示。整个设计和实现功能主要包括： 1上位机显示通过在上位机搭建数据库，使得数据库可以不断从网关中读取和存储路灯节点数据，然后交由上位机显示，管理员可通过对上位机中显示信息对路灯节点状况进行远程监控和分析判断。 2数据录入自动组成Ad Hoc网络的传感器节点之间通过相互传递把实时的数据信息传给网关节点，网关节点将采集的数据信息再传给上位机数据库，就达到了数据录入的目的。 3通信MICAz控制板上集成有无线收发模块，工作在 24GHz 频段。MICAz 传感器板上面有温度、声音、光线传感器。MIB510可以通过RS232接口直接和PC机相连，也可以将MICAz控制板与MIB510通过插口直接相连，通过MIB510将PC机上的程序下载到节点上，或者将节点上的数据读取到PC机上。节点之间可以相互通信，每一个节点上的数据都可以通过基站传到PC机上显示出来。节点之间的通信距离在 50 米左右。第2章 系统技术介绍2.1 Ad Hoc网络概述Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络。Ad Hoc网络中所有节点的地位平等，无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。当通信的源节点和目的节点不在直接通信范围之内时，他们可以通过中间节点转发报文进行通信。有时节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发，即报文要经过多跳（Hop）才能到达目的地，这是Ad Hoc网络与其他移动通信网络的最根本区别。Ad Hoc网络的节点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现网络的自动组织和运行。因此它又被称为多跳无线网、自组织网络或无固定设施的网络10。2.1.1 Ad Hoc网络的产生Ad Hoc网络的前身是分组无线网。对分组无线网的研究源于军事通信的需要，并已经持续了近。早在1972年，美国DARPA就启动了分组无线网项目，研究分组无线网在战场环境下数据通信中的应用。对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。成立于1991年5月的IEEE80211标准委员会采用了“Ad Hoc网络”一词来描述这种特殊的自组织、对等式、多跳无线移动通信网络，Ad Hoc网络就此诞生。IEIF则将Ad Hoc网络称为移动Ad Hoc网络。2.1.2 Ad Hoc网络的定义 “Ad Hoc”一词源自拉丁语，其含义为“For the specific purpose only”，翻译为中文的意思是“特别的，临时的”。由于翻译后的名字很难描述该网络的特点，为了避免引起歧义，我们仍使用“Ad Hoc”一词来称呼这种特殊的无线网络。Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统。网络中的移动终端具有路由和B报文转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。这种网络可以独立工作，也可以接入Internet或蜂窝无线网络。在后一种情况中，Ad Hoc网络通常是以末端子网的形式接入现有网络。考虑到带宽和功率的限制，Ad Hoc网络一般不适于作为中间承载网络。它只允许产生于或目的地是网络内部节点的信息进出，而不让其他信息穿越本网络，从而大大减少了与现有的Internet互操作的路由开销。图2-1 典型的Ad Hoc网络结构 Ad Hoc网络中，每个移动终端兼路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在Ad Hoc网络中，节点间的路由通常由多跳组成。由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往会通过多个中间节点的转发来实现通信。所以，它又被称为多条无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。Ad Hoc网络同时具备移动通信网络和计算机网络的特点，可以看作是一个特殊的移动计算机网络。如图2-1所示为一个典型的图Ad Hoc网络。图中，终A和终端I无法直接通信，但可以通过路径ABGI进行通信10。2.1.3 Ad Hoc网络的特点Ad Hoc网络具有以下特点：1.独立组网：Ad Hoc网络具有独立组网能力，即网络的布设无需依赖于任何预先架设的网络设施。节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。2.无中心：Ad Hoc网络采用无中心结构，所有节点的地位平等，组成一个对等式网络，其中的节点可以随时加入和离开网络，任意节点的故障不会影响整个网络的运行。与有中心的网络相比，Ad Hoc网络具有很强的抗毁性。3.多跳路由：由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围是有限的。当要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发，即要经过多跳。4.动态拓扑：Ad Hoc网络中，移动终端能够以任意可能的速度和移动模式移动，并且可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。5.自组织：Ad Hoc网络没有严格的控制中心，所有节点通过分层的网络协议和分布式算法协调各自的行为。无中心和自组织特点使得Ad Hoc网络可以实现快速自动组网。6.特殊的无线信道特征：Ad Hoc网络采用无线传输技术，由于无线信道本身的特性，它所能提供的网络宽带相对于有线信道要低得多，并且无线信道的质量较差。考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等因素，移动终端获得的实际带宽远远小于理论上的最大带宽，并且会随时间动态地发生变化。在Ad Hoc网络中，节点的发送功率受限，一个节点的发送，只有其一跳相邻节点可以听到，而此范围之外的其他节点察觉不到。这一特征一方面提高了信道的空间复用度，另一个方面使得报文的冲突与节点所处的地理位置相关。此外，地形或发射功率等因素使得Ad Hoc网络中可能存在单向无线信道。例如，车载终端的发送功率大于手持终端，手持终端可以收到来自车载终端的信号，而车载终端无法收到来自手持终端的信号，即存在从车载终端到手持终端的单向通道。2.1.4 Ad Hoc网络的应用场合 Ad Hoc网络的应用可以归纳为以下几类：1.军事应用：军事应用是Ad Hoc网络技术的主要应用领域。因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，Ad Hoc网络已成为数字化战场通信的首选技术。近年来得到迅速发展的美军战术互联网中，Ad Hoc网络技术是它的核心技术。为了满足信息战和数字化战场的需要，美军研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场合，并大量装备部队。美军的近期数字电台（NTDR）和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了Ad Hoc网络技术。据报道，在最近的伊拉克战争中，移动Ad Hoc网络得到了有效的应用。2.传感器网络：分散的传感器通过Ad Hoc网络技术组成一个网络，可以实现传感器之间和控制中心之间的通信。这种网络在军事应用、道路交通、工业制造、生物医药以及各种安全场合都具有非常广阔的应用前景。3.紧急场合：在发生了地震、水灾、火灾或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施可能全部损毁或无法正常工作。这时就需要Ad Hoc网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术，在这些恶劣和特殊的环境下提供通信支持，这对抢险和救灾工作具有非凡意义。4.偏远野外：当处于偏远或野外地区时，无法依赖固定或预设的网络设施通信，Ad Hoc网络技术具有单独组网能力和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。其应用包括野外科考队、边远矿山作业、边远地区执行任务分队的通信等。5.临时场合：Ad Hoc网络的快速、简单组网能力使得它可以用于临时场合的通信。比如会议、庆典、展览等场合，可以免去布线和部署网络设备的工作。在室外临时环境中，工作团体的所有成员可以通过Ad Hoc方式组成一个临时网络来协同完成一项大任务，或协同完成某个计算机任务。在室内办公环境中，办公人员携带的包含Ad Hoc收发器的PDA，可以通过无线方式自动从台式机上下载电子邮件，更新工作日程表等。6.动态场合：对于像执行运输任务的汽车队这样的动态场合，Ad Hoc网络技术也可以提供很好的通信支持。美国加州大学伯克利分校和哈弗大学正在研究如何将Ad Hoc网络技术应用于高速公路上自动驾驶汽车间的通信，并取得了初步的研究成果。7.个人通信：个人局域网是Ad Hoc网络技术的又一大领域，用于实现PDA、手机、掌上电脑等个人电子通信设备之间的通信，并可以构建虚拟教室和讨论组等崭新的移动对等应用。考虑到辐射问题，个人局域网通信设备的无线发射功率应当尽量小，这样，Ad Hoc网络的多跳通信能力将再次展现它的过人之处。8.商业应用：使用Ad Hoc网络技术可以组建家庭无线网络、移动医疗监护系统，开展移动和可携带计算等。比如未来装备Ad Hoc收发设备的机场预约和登机系统可以自动地和乘客携带的个人无线Ad Hoc设备通信，完成目前的换登机牌等手续，节省排队等候的时间。9.其他场合：由于Ad Hoc网络的特殊特点，它的应用领域还有很多，这需要我们进一步发掘。比如它可以用于扩展现有蜂窝移动通信系统的覆盖范围，实现地铁和隧道等场合的无线覆盖；构建未来的无线城域网和自组织广域网等。2.1.5 Ad Hoc网络的路由协议分类在Ad Hoc网络中，由于节点的移动以及无线信道的衰耗、干扰等原因造成了网络拓扑结构的频繁变化，同时考虑到单向信道问题以及无线传输信道较窄等因素，在Ad Hoc网络中，其路由问题与固定网络相比要复杂得多。针对Ad Hoc网络的这些特点，要求路由协议必须采用分布式操作，能够尽量支持单向链路，同时应避免路由环路现象。考虑到无线节点的特性，路由协议还应尽量简单，能够保持节点的“休眠”操作以节省电源，能够提供安全性保护等机制。自20世纪70年代美军DARPA资助研究的分组无线网项目开展以来，国内外的许多研究人员从不同的角度提出了一系列的Ad Hoc网络路由协议。这些协议必须处理好Ad Hoc网络的典型局限，包括能力消损、低带宽、高误码率等。根据发现路由的驱动模式的不同，可以将这些路由协议分为表驱动路由协议和按需路由协议；根据网络拓扑结构的差异，又可以将它们分为平面结构的路由协议和分簇路由协议。图2-2 Ad Hoc路由协议按驱动方式分类2.2 MoteWorks介绍2.2.1 MoteWorks概述MoteWorks是第一款用于工业可开房源代码的，基于标准平台和支持OEM设备与系统开发的软件平台。此软件平台支持多种无线传感器。MoteWorks的灵活性和可选性帮助开发人员选择最好的网络拓扑结构，电源管理模式以及应用宽带。特别适用于低功耗操作的网络。MoteWorks的先进设计使用户自行开发硬件称为可能。2.2.2 CrossBow快速上手指南本文主要是利用Visual Studio 和数据库开发技术模拟MoteView开发界面，实现上位机的显示和查询功能。主要包括以下内容： MoteView软件安装 MIB网关驱动安装 MoteView客户端程序演示1.MoteView软件安装MoteView支持以下系统平台:Windows XP HomeWindows XP ProfessionalWindows with SP41)PC接口不同型号的MIB网关使用不同的接口，MoteView也是用相应地接口1. MIB510串口网关：RS-232串口2. MIB520 USB网关：USB接口3. MIB600 以太网网关：带以太网接口的路由器或交换机2)安装MoteView 2. MIB网关驱动安装MIB510驱动：将MIB510直接连接值PC的DB9串口，如果没有DB9串口，可选用USB转串口线。MIB520驱动：安装MIB520的USB虚拟串口驱动，将MIB520插入PC机，Windows会检测到新硬件，选择“在指定目录安装驱动”,点击“浏览”，将文件夹指向MIB520的驱动根目录；PC机会自动完成相应地驱动安装，该操作可能要重复几次直到PC机虚拟出两个串口；可以通过设备管理器查看虚拟出来的串口号（右键“我的电脑”-“管理”-“设备管理器”-端口（COM&LPT）；MIB520的两个虚拟串口分别为COMn和COM(n+1)，其中COMn用于烧写程序，COM(n+1)用于数据通信；MIB600有两种方式可连接：a连接到局域网的路由器或交换机；b使用交叉线直接连接到PC机的以太网口。3.MoteView 客户端程序演示； 需要的设备：至少2 个Mote 节点至少1 个传感器板1 个MIB510 网关 装了MoteView 的PC 机； 步骤：a打开MoteView 软件 MoteView 首次打开可能需要几分钟的时间，与PC 机的配置有关； b将已编译的演示程序烧写到Mote 节点的Flash 中c使用MoteView 客户端程序查看无线传感器网络数据2.2.3 传感器MRP与网关MIB 如图2-3所示。MICAz控制板上集成有Chipcon公司的 CC2420 无线收发模块，工作在 24GHz 频段。MICA 传感器板上面有温度、声音、光线传感器。MIB510可以通过RS232接口直接和PC机相连，也可以将MICAz控制板与MIB510通过插口直接相连，通过MIB510将PC机上的程序下载到节点上，或者将节点上的数据读取到PC机上。节点之间可以相互通信，每一个节点上的数据都可以通过基站传到PC机上显示出来。节点之间的通信距离在 50 米左右。 （a）MPR2400（Micaz） （b）MTS310CA（c）MIB510CA 图2-3 节点与基站2.3 Visual Studio Net概述2.3.1 Visual Studio开发工具简介Visual Studio是一套完整的开发工具，用于生成ASPNET Web应用程序、XML Web services、桌面应用程序和移动应用程序。Visual Basic、Visual C# 和 Visual C+都使用相同的集成开发环境(IDE)，这样就能够进行工具共享，并能够轻松地创建混合语言解决方案。另外，这些语言使用NET Framework的功能，它提供了可简化ASP Web 应用程序和 XML Web services 开发的关键技术。2.3.2 Visual Studio 的特点1.C# 40中的动态类型和动态编程； 2.多显示器支持； 3.使用Visual Studio 的特性支持TDD； 4.支持Office ； 5.Quick Search特性； 6.C+ 0x新特性； 7.IDE增强； 8.使用Visual C+ 创建Ribbon界面； 9.新增基于NET平台的语言 F#；2.3.3 C#技术介绍C# 是一种简洁、类型安全的面向对象的语言，开发人员可以使用它来构建在 NET Framework 上运行的各种安全、可靠的应用程序。 您可以使用 C# 来创建传统的 Windows 客户端应用程序、XML Web services、分布式组件、客户端/服务器应用程序、数据库应用程序等等。 Visual C# 提供了高级代码编辑器、方便的用户界面设计器、集成调试器和许多其他工具，使您可以更轻松地在 C# 语言 40 版和 NET Framework 4 版的基础上开发应用程序。 C# 语法表现力强，而且简单易学。 C# 的大括号语法使任何熟悉 C、C+ 或 Java 的人都可以立即上手。 了解上述任何一种语言的开发人员通常在很短的时间内就可以开始使用 C# 高效地进行工作。 C# 语法简化了 C+ 的诸多复杂性，并提供了很多强大的功能，例如可为 null 的值类型、枚举、委托、lambda 表达式和直接内存访问，这些都是 Java 所不具备的。 C# 支持泛型方法和类型，从而提供了更出色的类型安全和性能。C# 还提供了迭代器，允许集合类的实施者定义自定义的迭代行为，以便容易被客户端代码使用。 语言集成查询 (LINQ) 表达式使强类型查询成为了一流的语言构造。 作为一种面向对象的语言，C# 支持封装、继承和多态性的概念。 所有的变量和方法，包括 Main 方法（应用程序的入口点），都封装在类定义中。 类可能直接从一个父类继承，但它可以实现任意数量的接口。重写父类中的虚方法的各种方法要求 override 关键字作为一种避免意外重定义的方式。在 C# 中，结构类似于一个轻量类；它是一种堆栈分配的类型，可以实现接口，但不支持继承。 除了这些基本的面向对象的原理之外，C#还通过几种创新的语言构造简化了软件组件的开发，这些结构包括： 封装的方法签名（称为“委托”），它实现了类型安全的事件通知。 属性，充当私有成员变量的访问器。 特性，提供关于运行时类型的声明性元数据。 内联 XML 文档注释。 语言集成查询 (LINQ)，提供了跨各种数据源的内置查询功能。 在 C# 中，如果必须与其他 Windows 软件（如 COM 对象或本机 Win32 DLL）交互，则可以通过一个称为“互操作”的过程来实现。 互操作使 C# 程序能够完成本机 C+ 应用程序可以完成的几乎任何任务。 在直接内存访问必不可少的情况下，C# 甚至支持指针和“不安全”代码的概念。 C# 的生成过程比 C 和 C+ 简单，比 Java 更为灵活。 没有单独的头文件，也不要求按照特定顺序声明方法和类型。 C# 源文件可以定义任意数量的类、结构、接口和事件。 2.3.4 NET Framework4NET Framework 是支持生成和运行下一代应用程序和 Web 服务的内部 Windows 组件。 NET Framework 的关键组件为公共语言运行时 (CLR) 和 NET Framework 类库（包括 ADONET、ASPNET、Windows 窗体和 Windows Presentation Foundation (WPF)）。 NET Framework 提供了托管执行环境、简化的开发和部署以及与各种编程语言的集成。 NET Framework 是一个集成在 Windows 中的组件，它支持生成和运行下一代应用程序与 XML Web Services。 NET Framework 旨在实现下列目标： 1.提供一个一致的面向对象的编程环境，而无论对象代码是在本地存储和执行，还是在本地执行但在 Internet 上分布，或者是在远程执行的。2.提供一个将软件部署和版本控制冲突最小化的代码执行环境。3.提供一个可提高代码（包括由未知的或不完全受信任的第三方创建的代码）执行安全性的代码执行环境。4.提供一个可消除脚本环境或解释环境的性能问题的代码执行环境。5.使开发人员的经验在面对类型大不相同的应用程序（如基于 Windows 的应用程序和基于 Web 的应用程序）时保持一致。6.按照工业标准生成所有通信，以确保基于 NET Framework 的代码可与任何其他代码集成。NET Framework 具有两个主要组件：公共语言运行时和 NET Framework 类库。 公共语言运行时是 NET Framework 的基础。 您可以将运行时看作一个在执行时管理代码的代理，它提供内存管理、线程管理和远程处理等核心服务，并且还强制实施严格的类型安全以及可提高安全性和可靠性的其他形式的代码准确性。 事实上，代码管理的概念是运行时的基本原则。 以运行时为目标的代码称为托管代码，而不以运行时为目标的代码称为非托管代码。 NET Framework 的另一个主要组件是类库，它是一个综合性的面向对象的可重用类型集合，您可以使用它开发多种应用程序，这些应用程序包括传统的命令行或图形用户界面 (GUI) 应用程序，也包括基于 ASPNET 所提供的最新创新的应用程序（如 Web 窗体和 XML Web Services）。 NET Framework可由非托管组件承载，这些组件将公共语言运行时加载到它们的进程中并启动托管代码的执行，从而创建一个可以同时利用托管和非托管功能的软件环境。NET Framework不但提供若干个运行时宿主，而且还支持第三方运行时宿主的开发。 第3章 需求分析 3.1 任务概述3.1.1 目标 目前，我国大中城市的地域规模不断扩展，城市照明路灯的数量越来越多，其用电量占城市总用量的比例不断增加。这种方式存在着许多不足：在用电高峰期供电电压低于额定值，在用电低谷期供电电压又高于额定值，当电压高时不但影响照明设备的使用寿命，而且耗电量也会大幅增加，因此，在不影响人车行进的情况下，可将路灯的照明亮度适当降低。同时，随着无线技术的快速发展，利用无线网络进行路灯控制更为灵活方便，而且无须考虑控制布线的问题，维护也很简单，通过和各种新型传感器、功率控制器相结合，可以实现路灯智能控制，达到大量节约电能的目的。开发无线路灯传感器路灯节能系统不仅不需要人工巡查的传统的管理模式，而且每年还可以节约大量的电力以及可以对多路段的路灯进行实时监测。3.1.2 用户的特点 本软件的最终用户是路灯管理部门的工作人员，部门有专职的路灯管理员，具有一定的计算机操作知识；系统的维护人员是部门信息中心的信息维护员，对网络和数据库的操作比较熟悉，同时对C#编程有一定的经验；管理员需要负责查看各路段的路灯状态信息，可以对某些易发生交通事故的路段的坏灯进行及时的检修。3.2 技术方案3.2.1 照明系统建设的必要性1）现行的控制方法 现在采用控制方法以分散时控方式为主，即在路灯配电箱中安装定时器，按预定的时间自行开、关灯；而有些景观灯开关通常是人工手动控制方法。 2）现行控制方法的缺陷 现行的方法既不能及时调整开/关灯的时间，更无法及时反映照明设施的运行情况，并且故障率高、维修困难。随着城市的不断发展，控制范围越来越大，现行的控制方法无法及时反映照明设施的运行情况，使得维修工作十分被动。运行过程中的故障只有等待巡视人员到达现场才能发现，或者被动地等待市民的电话反映，因此难以做到及时维修。在遇到一些接待首长、迎接国宾、举办大型活动等特殊任务时，由于缺乏灵活的控制手段，必须临时派出大量的人员到现场手动操作照明开关箱或者临时通知各景观灯单位，因此在时间十分紧迫的情况下，无法满足领导和市民的要求。此外，由于缺乏灵活的控制手段，花费大量经费建设起来的各类景观灯，难以充分发挥应有的效能。 3.2.2 城市照明监控系统的效益分析及方案优点 1.社会效益分析 随着社会文明的不断发展，路灯已不再局限于街道照明，而是发展为表现城市景观、体现城市形象的重要标志。因此，现代社会对路灯的管理和维护也提出了越来越高的要求，这些要求包括根据光照度变化及时开/关灯、随时调整景观灯的开/关灯时间并进行应急调度、及时发现故障并立即进行修复等。 目前各城市管理部门所采用的控制方式已很难保证城市照明系统的正常开关灯和运行，特别是当照明控制箱或线路出现问题时，就有可能造成大面积灭灯，产生较坏的影响。同时由于缺少实时监测手段，无法实现故障的及时发现和维修。随着府政和市民对照明管理和维护要求越来越高，照明管理部门的管辖范围也越来越大，为了及时发现故障并立即进行修复，仍然采用检修车上街巡灯的方法越来越难以胜任。采用城市照明自动化监控系统以后，全市范围的全夜灯、半夜灯和景观灯的开/关均可实现自动控制。同时，由于照明自动化监控系统具有自动报警和巡测、选测功能，调度人员可以在故障发生后的数秒钟内及时了 解故障的地点和状态，为及时进行修复提供了有力的保障。路灯维护及时，可以极大地减少对照明管理部门的投诉、减少道路交通事故的发生，有利于城市的治安，产生极大的社会效益，从而进一步提高城市的形象。 2.方案优点 1)节约路灯维护费用 路灯自动化监控系统将传统的“巡灯查找故障”改为“值班等待报警”，不仅减少了“巡灯”人员和车辆损耗，降低了维修成本；而且在检修车出所之前已经知道了故障的准确地点和基本状态，因而缩短了维修时间、提高了检修效率；由此将产生了极大的经济效益。 2)节约大量的电费支出 无线照明监控系统能提高开/关灯的可靠性和可检查性，避免白天亮灯情况的出现；同时，系统采用光控和时控相结合的控制方案，在预置的时间区段内根据光照度决定路灯的开或关，既能在阴雨天自动延长照明时间，又能在晴好天气自动缩短照明时间；这些措施既可满足市民对道路照明的需求，又避免了路灯的无谓开启，减少了开灯时间，从而节约了大量的电能。如果通过对照明线路的改进，增加路灯的半夜灯控制方案或景观灯在非节假日采用只开部分景观灯的控制方案，因此可节约大量的电费支出。 3)提高灯具寿命，降低运行成本 在降低运行成本以外由于减少了开灯时间，延长了灯具寿命，降低运行成本，进一步提高了经济效益。 4)可靠性 由于系统的服务对象是广大市民，稍有差错即会产生严重的社会后果；同时监控设备长期在野外运行，工作环境极为恶劣；因此必须充分考虑系统的可靠性，要求监控系统能够长期稳定地运行；同时要求监控系统在个别设备出现故障的情况下仍能稳定运行，不影响或者少影响照明系统的按时开启和关闭。 5)先进性和实用性 设备须符合相关国内、国际标准，整个系统应是目前国内最先进的，并长期处于国内较为先进的水平。同时，应以实用为原则，不可脱离实用性而盲目追求先进性，从而造成华而不实、浪费资金，降低可靠性。 6)可维修性 系统的设备模块化设计，并且各单元部件具有故障定位指示，便于设备维修。 7)可扩展性 硬件采用模块化设计，软件采用组态化设计，使得系统扩展、升级均不必改变现有设备的状态。 8)通用性 硬件设备具有通用性，通过不同的软件参数设置，可以实现不同的功能。 3.2.3 系统方案介绍1.照明控制方案 1)分组控制方案系统可以根据不同类型的照明控制要求，把全市路灯分成若干组，分别采用时控方案或时控和光控相结合的控制方案，自动遥控开/关全夜灯、半夜路灯；也可以手动对全夜 灯、半夜路灯进行遥控开/关操作；在特殊情况下，可以实现白天亮灯。 2)时控和光控相结合的路灯控制方案 目前,路灯控制方案主要有时控法和光控法两种。时控法的主要缺点是不考虑天气对光照度的影响，每天在固定的时间开/关灯；从而造成阴雨天光照度严重不足但没有开灯，或者晴朗天气虽然到了固定开灯时间但光照度仍然充足，白白浪费电力；关灯时间的固定不变，同样出现类似的不合理现象。此外，随着季节的变化，定时器需要人工频繁地调整。光控法的主要缺点是在光线不足的 白天，或者夜晚有强光照射时都有可能发生误动作。 2.节能方案 随着移动终端性能的提升和功能的加强，对电能的需求不断提高，因此在Ad Hoc网络中采用各种节能机制成为延长其工作时间的一种主要手段，另外，从降低网络运行成本和节约自然资源的角度来说，采用节能机制是一项意义重大的措施。 传感器网络通常是由大量传感器构成的一种特殊形式的Ad Hoc网络，它的特点是：一旦传感器在预设低于布设好之后，一般都固定不动。通常，传感器需要传输的数据量不太大，由自身携带的电池供电。在传感器网络方面，人们关心的问题是节能性能和自组织性。而公平性、时延性能则关注较少，一般也不用考虑移动路由方面的问题。传感器网络可以通过周期性进入睡眠状态或采用功率控制机制来节省能量消耗。 当前，Ad Hoc网络中的节能机制主要包括两大类，一类是无限网卡动态关闭机制，另一类是功率控制机制。无线网卡动态关闭机制是指当节点既不需要发送又不需要接收时，将无线网卡置于睡眠模式直到适当的时候再唤醒它，以此来节省能量消耗。这类方法适用于由携带无线网卡的节点构成的一些通信距离较近、信号发射功率较小的网络。通常收发功耗差别不是太大，发送功耗不到接收功耗2倍。功率控制机制通过调节信号发射功率，在保证一定通信质量的情况下通过尽量降低发射功率来节省能量消耗。这类方法适用于由携带无线电台的移动节点等构成的通信距离较远、信号发射功率较大的网络。通常其收发功耗差别非常大，发送功耗甚至可以比接收功耗高出一个数量级以上。 第4章 系统详细设计4.1 系统总体结构设计4.1.1 系统的功能需求 1.用户账户管理模块：该模块包括添加、删除管理员和修改密码等功能，其中添加管理员主要是为了方便不同管理员对同一系统的管理，删除用户只有超级管理员有权限，修改密码对超级管理员和普通管理员都适用。 2.路灯信息模块：该模块主要包括查询、修改和添加三大功能，其中查询是管理员对路灯信息分析最重要的功能，修改功能包含对名称的修改和对节点状态的修改，添加功能包含对新路段添加新节点和对已知路段添加节点。 3.Ad Hoc无线网络通信模块1) Ad Hoc网络的搭建至少需要一个网关、两个传感器节点、RS-232串口线和电脑。2) Ad Hoc网络的搭建可以实现网络可传感器节点自动组网，节点之间可以根据多跳的路由协议将各自采集的数据以及邻居信息存在一个表中存储起来，然后再向邻节点转发，最后将数据传送给网关，由网关将数据传送给上位机数据库。 4.节能模块：在节点控制方面，为了节约用电储备能源，控制端可以通过操作路灯的显示方式，使得路灯按不同的时间段显示不同。例如在天黑还未完全黑之前，通过采集流明度值，可以先让偶数个灯先亮，等到流明度超过某个值之后，再让所有路灯全亮，这样就可以节约部分电力。在软件协议上，Ad Hoc网络的特点是个节点地位平等，能自由移动，并且通过无线信道进行通信。由于移动终端本身由电池供电，而电池的容量有限和电池制造技术一直没有取得突破性进展，所以在Ad Hoc网络中采用各种节能机制成为延长其工作时间的一种主要手段。因此，针对节点通信子系统的无线收发部分，可以设计不同的软件协议来达到节能的目的。4.1.2 系统设计原则和思想 Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络。Ad Hoc网络中所有节点的地位平等，无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。当通信的源节点和目的节点不在直接通信范围之内时，他们可以通过中间节点转发报文进行通信。有时节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发，即报文要经过多跳（Hop）才能到达目的地，Ad Hoc网络的节点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现网络的自动组织和运行。 网络搭建之后，每个网络中都有一个网关，网络中的节点将采集的数据经过多跳传送给网关，网关接收到节点传送过来的信息之后，通过RS-232串口线传送给上位机的后台数据库，数据库根据接收的数据进行实时的更新，当上位机发送命令时，数据库根据上位机的命令显示相应采集的数据，从而实现了上位机对各路段的路灯信息进行远程监控。4.1.3 系统的结构设计Ad hoc网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即是