基于ZigBee的路灯监控系统设计

基于ZigBee的路灯监控系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 摘要 随着社会经济的不断发展，人们对市政建设中城市照明系统的要求不断提高。传统的路灯控制技术与维护方法存在着很多缺点和弊端，包括施工复杂，灵活性差，存在能源浪费、智能化程度低、通信稳定度差等，无法适应城市现代化发展的需求。 Zigbee技术是一种新兴的无线网络通信技术，与传统的有线系统相比，其在性能、成本以及组网规模等方面具有很大的优势，适用于智能家居、工业控制和医疗控制等领域。本文为解决传统路灯控制系统存在的不足，设计出基于Zigbee 灯监控系统。 技术的LED路 首先，深入分析当前路灯控制技术的应用背景和国内外路灯控制技术的研究现状。针对传统路灯控制技术的不足与弊端，阐述了Zigbee技术在路灯控制领域的发展前景。 其次，详细介绍Zigbee技术低功耗、低成本以及网络容量大等特点和符合Zigbee通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 的硬件开发平台CC2430。 最后，完成LED路灯监控系统的硬件设计以及软件流程图的设计。路灯控制系统的硬件部分是以CC2430为控制核心，加上一些外围电路组成控制系统，包括光敏电阻检测电路、路灯工作状态检测电路、支路控制电路等，实现路灯根据光线明暗自动开关，检测路灯工作状态等功能。软件部分主要是路灯控制系统流程图的设计，详细描述整个系统的工作过程。 关键词:Zigbee CC2430 路灯监控 Abstract With the development of society and economy, the requirement of city lighting system has been improving in the municipal construction. The traditional street light control technology and maintenance method are many shortcomings and abuses, including construction complex, flexibility is poor, existing energy waste, low degree of intelligence, communication stability etc, can't adapt to the needs of the development of the city modernization. Zigbee technology is a new kind of wireless network communication technology, the communication technology and traditional compared with the performance, cost, and in the scale of network has a lot of advantages, used in intelligent household, industrial control and medical control, etc. The purpose of this paper is to solve traditional street light control system, the problems of design based on Zigbee technology LED street lamp monitoring system. First of all, the thorough analysis current street light control application background and lamp control technology at home and abroad present situation of the study. According to the deficiency of the traditional street light control technology and disadvantages, this paper expounds the Zigbee technology in the street lamp control areas of development prospects. Second, detailed introduces Zigbee technology low power consumption, low costs and network capacity characteristics and meet Zigbee communication protocol CC2430 hardware development platform. Finally, complete LED street lamp monitoring system of hardware design and software flow chart of the design. Street light control system hardware part is CC2430 as control core, plus some peripheral circuit composition control system, including photoconductive resistance detection circuit, street lamp working state detection circuit, control circuit and other branch, and realize the street lamp according to the radial light and shade automatically switch, detection street light work of the state, and other functions. Software of main street is the design of the flow chart of the control system, a detailed description of the whole system working process. Keywords: Zigbee CC2430 street lamp monitoring 目 录 摘要荆僭辩栗撄却旌吡萍远江荸崩哟.................................................................................I Abstract兴赭茎嫫拭萦弧导鲡俺诤骓鲧季 ..........................................................................II 1 绪论惫秭式馈戏潮癀醌涎熬辈删庾期 ............................................................................ 1 1.1 课题研究的背景与意义嗉愫洙劂刃狯挖柒妻蚨侠蒗涧猛 ...................................... 1 1.2 路灯控制技术的研究现状福贵荆芗崞嚼胰仁鞣讠掎蹀鳓铩 ................................... 1 2 Zigbee技术及应用搛沽碍屡暌幽擂讦遒佬轿婿逐蝗 ...................................................... 4 2.1 短距离无线通信技术的比较诳辙工究癖龄鸭耪磊艉汲郊蜗刨 ............................... 4 ............................................... 4 2.1.1 REID技术訾馑廿挤嵬惋企垄王虱眦雎绸丞 2.1.2 蓝牙技术钼馇税碱坎床氆锄尤懵斥捐凹户 .................................................. 4 2.1.3 红外技术氨擐罡嬲壬七秸彤慌痴跣鹬晷腴 .................................................. 4 2.1.4 UWB超宽带技术蟛诘浅揣铮糯裆芦气垌遥舡乞抓 ...................................... 5 2.1.5 Zigbee技术隗笪类填楚撅珲捶甏帛溘哐积拂 ............................................... 5 2.2 Zigbee技术简介凯姒泠钙獾旱胲殒未甘轲堵焊磐 .............................................. 5 2.3 Zigbee网络设备及其拓扑结构透曦覆这赭督偶币梅沽固怂声杪 ............................ 6 2.4 Zigbee协议栈体系结构娉栲蟹拉腙炭激鸸逭能绞芗尸妊 .................................... 9 2.4.1 物理层苦末螅抒菏鸵扛骚迟奕鱼酒搀鹫 ..................................................... 9 2.4.2 媒体接入控制层(MAC)忙捅讽馑哜倔朝龌阂艰孜珂狼蟠 ......................... 10 2.4.3 Zigbee网络层谍刷溜限泸髯悌慈若咆糟差吝蜃.......................................... 10 2.4.4 Zigbee应用层醋誓坟偷噻霆扩兴媵倭粗国禺肃.......................................... 12 2.5 Zigbee和LED技术的优势馓滗淳僧奢飕饽探楣帐拶盾员箕 ................................ 12 2.6 Zigbee技术的应用领域怼诿艚市枇搭瘴哺悠沫浪识哲挲................................... 13 ................................ 15 3 Zigbee技术开发使用的硬件平台棱鲭绍骺聿悲跤曷柄戚熨酴诼炯 3.1 无线通信芯片的选择侗填奁秣缶暝谅匾厕缸润椰咆燔 ...................................... 15 3.2 CC2430芯片介绍蒈蚝里郾经旅矛泡载革华秤讦秣 ............................................ 16 3.2.1 I/O端口线引脚功能偻瑷状认蛄杲谴食愤孩蜀狩恕暗 .............................. 17 3.2.2 CC2430芯片电源线引脚功能斋础夥澹脱飞幼擒趑省筐尉妣汲 ................ 17 髑黎酽箩狈鄙擐蹩梗莎菱听窦隧....................................................................... 18 3.2.3 控制线引脚功能茌阊楼棺宁犬卉罔尔郝讴苄蜀娱 ..................................... 18 表2 控制线引脚功能耍卖懒踹反嘲猝喊肉问哂苜枭酞 ...................................... 18 3.3 CC2430芯片典型应用电路哗艘愍歪溟岽遁腌璇伐脯综糊舣 ............................. 19 3.4 Zigbee天线系统设计蚣贯且贲肚娃觯螵,豚瑕谮雩弗........................................ 20 3.5 RS232 (DB9) MAX232倥旎獯痞牦滑瞌任胨哩疤窆鸳蝾 ................................... 21 3.5.1 RS232 (DB9)引脚定义洞朗泫强称裾糗暌奄瑗臆叠礅设 ............................. 21 3.5.2 MAX232原理岚蝽擂酩箔塬郸礼怿匕筛亲椁殖 ....................................... 22 3.6 GPRS模块解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 瘭邈甸藤瘁赁散碘殷久讽邯瞑浒 ....................................... 22 4 路灯监控系统的硬件设计 彖辽璃胜匚屑特探八凯的颡淀贸 .................................. 23 4.1 终端硬件电路的设计与实现濡牺怫椭东霖容榈臀周牿峥重冷 ............................. 24 4.1.1直流稳压电源的供电电路设计糌渭蓝付撤缥绅氘衬镆螓棵咻谌 ................. 25 4.1.2 光敏检测电路萎飙皂坎踮夜伙拇虬阉庆邱锕询 ......................................... 26 4.1.3支路控制电路的设计 统辑怖瞥锯瓯鲎宰凄赐昀娄吊鸥....... 27 4.1.4 工作电流检测电路葛廉抚弘颍瘅瑷励叭莞擘逖栅玉 .................................. 28 4.2 协调器硬件电路的设计与实现甙瘳饶疚堆闹汜怆晋框猓扯椒坭 .......................... 29 4.2.1 MAX232串口通信电路设计杜肟藉忑笸瘕茜捻泯奉红袜瞳荤 .................. 29 5 路灯监控系统的软件流程图设计饯侦赔忻览索函筷蛛粒悦槁绚贾 ................................ 31 5. 1 网络协调器流程图设计嚯绚诧瞻舴廓灾迤杏襦邃纤若印.................................... 31 5.2 路由器程序流程图设计媸眉皇蒿虑济阙孀黻搁勰遮挞蠲 .................................... 32 5.3 终端节点流程图设计浩菊玳蹑讵蔺忘汐埤游铝衅蝙岳 .................................... 33 藤侯次漫跑帱被浍楸胤愫箝囤圉..................................................................................... 34 6 结论与展望琅殊整拟兜赁碜刻笋霁犸椟脉顼................................................................ 35 6.1 总结爪吖睦蛔俐乩移冈略辅绞辎悟酚 ................................................................ 35 6.2 展望浞馇暴牛蓼宄揩害缛售樽诺镩糨 ................................................................ 35 .............................................................................. 37 致谢鲱熔耥造耙瓦预咱阕箴畎乡环椭 参考文献嘿捎恕宵树祚诬谣辅诶姻全继谏....................................................................... 38 附录岽橹嘘桑肫柏卯暑建吃吹贡杨曛.............................................................................. 40 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 1 绪论 1.1 课题研究的背景与意义 随着我国城市化水平的不断提高，在推进城市公共照明工程的过程中，城市道路照明和灯饰工程等逐渐受到人们重视，照明光源和调控设备也得到迅速发展。同时，城市公共照明的迅速发展，节能环保和提高路灯照明系统的管理水平逐渐成为人们的共识。目前大多数城仍然采用传统的路灯控制技术，使用有线方式组建网络，不仅施工难度大，而且智能化程度低、通信稳定度差以及控制灵活性差等，给城市照明系统的日常维护和管理带来很大困难。近年来随着人们对短距离无线通信要求的不断提高和Zigbee技术的迅速发展，给城市路灯控制系统提供了新的技术解决方案，而将Zigbee技术应用于路灯控制系统也逐渐成为人 们新的研究课题。 Zigbee技术是一种面向低传输速率的近距离无线通信技术，具有低功耗、 [1]低成本、低复杂度、抗干扰能力强、网络容量大等特性。作为一项新的技术 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，Zigbee技术的发展前景极为广阔，因此获得了众多大公司的支持。Zigbee协议栈是由IEEE批准通过的有关组网、安全和应用软件的技术标准。随着各种支持Zigbee协议芯片的推出，该技术已被广泛应用于数字家庭、医疗护理和环境监测等领域。从路灯控制系统的成本、智能化、可靠性和可维护性等方面考虑，结合路灯控制的实际应用需求和Zigbee技术的自身特点，本课题设计了一套基于Zigbee网络的路灯监控系统，对路灯进行远程数据采集、控制与调节，提高路灯控制系统的管理水平，实现根据实际需要开关路灯。 1.2 路灯控制技术的研究现状 道路照明系统的控制技术直接影响着系统的管理水平和照明系统的节能效果，很早就得到许多国家尤其是一些欧美发达国家的重视，并提出多种不同的解决方案。国内对道路照明控制技术的研究较少，但近年来得到迅速发展。为解决 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 不同场合的实际照明需求，人们研究出各种不同的控制方式，主要为光照控制、 [2]集中监控、和单灯控制。 目前应用最多的转同控制方法依然是光照控制和事件控制，在一些乡镇地区仍然广泛使用。传统控制方式有着很大的弊端，无法根据实际需要及时对路灯的开关进行控制，工作人员也无法及时了解路灯工作状况进行及时的维护，且故障率高维修困难。随着城市化化进程的不断推进，人们对照明要求也越来越高，照明范围越来越大，现行控制方式已无法满足当下对道路照明系统的智能化管理。 目前国内很多城市路灯的开、关控制仍由配电箱分散控制，很少对路灯进行远程监控，缺乏灵活多变的操作方式，无法根据实际需要开关路灯，很多时候造成能源浪费，因此寻在着一系列的问题: (1) 通信系统采用有线方式布局，系统复杂，管理困难。 (2) 照明系统覆盖范围广，工作人员难以及时有效的进行维护，效果不理 想。路灯运行状态不能及时反馈到控制中心，无法及时维护，当路灯 发生故障时，给行人也带来不便。 (3) 无法根据实际需求开关路灯，造成能源浪费。 (4) 存在安全隐患，工作人员无法及时掌握路灯情况，无法保障安全。 针对上述传统控制技术存在的缺点，利用ZigBee技术与LED路灯的结合能很好解决路灯的监控和节能问题。主要原因如下: (1) ZigBee技术的网络容量大且组网简单，理论上拥有一个协调器的网 络可拥有多达65535个节点，每个路由器也能容纳255个节点。这和 其他技术相比拥有极大的优势。一般情况下，一个区域的路灯用一个 协调器及可进行控制。 (2) 在对路灯进行监控时，需要进行传输的数据不多，只需要每隔几分钟 发送一次数据即可。 (3) ZigBee网络是一种自组织网络，网络拓扑结构可以根据实际需要随 意变动，而且ZigBee网络具有自愈功能，网络不会因为一个或几个 节点失去联系而瘫痪。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 (4) Zigbee技术的低功耗、低成本、低复杂度和网络容量大等特性成为路 灯控制系统的最佳技术方案，而且可以在监控中心对路灯进行远程无 线控制，操作更加灵活。 1.3 论文的组织和安排 第一章 绪论。介绍课题研究背景及意义，以及国内外研究现状。阐述本设计具有的经济和环保意义及市场前景。在研究了国内外研究现状的基础上，总结出路灯控制技术的发展趋势。 第二章 Zigbee技术及应用。详细介绍本设计所采用的技术方案，阐述了Zigbee协议栈、拓扑结构及应用领域等，对Zigbee体系结构进行了详细的介绍。 第三章 Zigbee技术开发使用的硬件平台。详细介绍了本设计所采用的硬件平台，对CC2430的功能及格引脚进行介绍。 第四章 路灯监控系统的硬件设计。在分析应用需求的基础上，设计硬件实现方式，包括光敏检测电路、支路控制电路、路灯工作状态检测电路等。 第五章 软件流程图设计。该部分有助于理解整个系统的工作过程，主要从协调器、路由器以及终端设备三个方面，详细介绍了路灯的信息采集和控制过程。 第六章 结论与展望。总结整个系统的设计过程及功能，针对系统目前功能上的不足与缺点，对进一步完善与改进进行了探讨。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 2 Zigbee技术及应用 2.1 短距离无线通信技术的比较 目前，用于短距离无线通信的技术主要有RFID技术、蓝牙技术、红外技术、UWB超宽带技术以及Zigbee技术等。 2.1.1 REID技术 射频识别技术是一种非接触自动识别技术。该技术利用射频信号通过交变磁场实现无线接触进行数据传输，并根据传递的信息来识别的目的。RFID技术不需要精确定位即可以实现对大量数据进行实时采集、传递、核对、更新等，避免 人为操作中的错扫、漏扫和重扫等差错。 2.1.2 蓝牙技术 蓝牙技术(Bluettooth)是一种语音通信与无线数据的开放性全球规范。蓝牙技术的工作频率为2.4GHz,其数据有效传输范围在10m左右。在有效通信范围内，所有使用蓝牙技术的多台设备都可以进行无线联网，数据传输速度大约1Mb/s。随着蓝牙技术的逐渐成熟、芯片价格以及功耗不断降低，蓝牙技术已经成为许多手持设备主要的短距离通信方式。 2.1.3 红外技术 IrDA(红外线)是一种使用红外线进行点对点通信的无线通信方式，该技术的主要优点是不需要申请频率使用权，故红外通信成本低。此外，红外设备还具有体积小、功耗低、连接方便以及操作简单的特点。红外技术的不足之处在于这是一种视距传输技术，两个通信设备之间不得有其他物体，否则无法完成通信，所以该技术只能在两台设备之间进行通信。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 2.1.4 UWB超宽带技术 UWB(Ultra Wide Band，超宽带技术)是一种新发展起来的短距离无线通信技术。它通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。由于该技术未采用载波调制技术，因此无需混频、过滤和射频/中频转换模块，从而实现低成本、低功耗和高宽带性能。理论上的有效通信距离为5m-10m，瞬时速率甚至可达1Gbp/s，实现高速率通信。 2.1.5 Zigbee技术 Zigbee技术是新近提出的一种短距离无线通信技术，该技术具有功耗低、成本低、网络容量大且组网简单等特点。与蓝牙技术相比，Zigbee技术因其更低的功耗和更大的网络容量等特点必将获得更为广阔的发展前景，由于其具有更高的可靠性，该技术在工业控制、智能家居以及安全系统等方面有着广泛的应用。 通常情况下，通信设备的成本和复杂度都会随着通信距离和网络容量的增加而增加。本文通过对现有无线通信技术的优缺点进行比较，鉴于本设计要求低功耗和无线组网的要求，我们采用Zigbee技术作为本文的技术方案。 2.2 Zigbee技术简介 随着人们对通信的要求越来越高，人们提出了在短范围内的无线通信要求，于是就出现了个人区域网络(Personal Area Network:PAN)和无线个人区域网络 [3](Wireless Personal Area Network:WPAN)的概念。WPAN网络为近距离范围内的通信设备组建无线网络，把通信范围内的多个设备通过无线连接方式连接，使这些设备之间可以互相通信甚至接入LAN或者互联网。Zigbee技术则作为一种低成本、低功耗的近距离无线通信技术得到了快速发展。 目前，Zigbee标准由Zigbee联盟来维护，采用这一标准化的无线通信技术有如下优点: (1) 各种不同功能的无线网络节点要能互相交流、互相沟通，就需要保证 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 网络节点的互通性，即网络协议的标准化。 (2) 各种功能的无线网络节点可以组成多种不同的网络拓扑结构，包括星 状网络、树状网络和网状网结构。随着网络拓扑的复杂化，就必须用 大量的软件代码实现，需要大量的人力物力投入来进行开发，对公司 [3]开发新产品的要求非常高。因此，Zigbee网络实现的软件代码，都 由国际标准组织和Zigbee联盟这样的机构协助组织完成，然后以软件 库、源代码库的方式提供给产品设计人员，由产品设计人员编写自己 的应用程序进行程序调用。 Zigbee联盟维护的最新版本是2007版:Zigbee-2007 Specification。在本设计中，由于相应的硬件平台选择原因，仍采用2006版的标准。 2.3 Zigbee网络设备及其拓扑结构 Zigbee系统的网络设备按照其实现的不同功能可分为两类:具有完整功能的 [4]全功能设备(FFD)和只具有部分简单功能的简单功能设备(RFD)。其中RFD功能简单较易于实现，在整个网络中因其功能简单只可作为终端设备采集数据，也只能和一个特定的FFD进行通信。全功能设备可以作为路由器转发数据、扩充网络容量，也可作为整个系统的协调器，控制整个网络，一个Zigbee 系统至少要有一个FFD作为协调器。FFD也可以作为终端设备来使用。 (1) Zigbee协调器(Coordinator) 它是建立和配置网络的一种设备，负责网络的正常工作以及保持网络和 其他设备的通信。首先，协调器建立一个无线网络，监听网络中的无线信号， 接受其他设备加入网络的请求，同时发送指令给其他节点，控制整个网络。 一个中央协调器就可控制整个网络。 (2) Zigbee路由器(Router) 路由器是一个用来转发消息的设备，作用是用来增加网络覆盖范围，保证无线通信的稳定性。首先，路由器加入协调器组建的网络后接收来自终端节点的信号，然后发送给协调器，同时也会接收来自协调器的命令，转发给终端节点。Zigbee星状网络不支持Zigbee路由器，树状网和网状网可以有多个Zigbee路由器。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 (3)Zigbee终端设备(End Device) 作为一种终端设备，它可以执行自己的相关功能，通过网络与其他设备通信，而不需要维护复杂的网络信息。终端设备要其他设备进行通信只可以通过路由器转发。 当网络需要覆盖范围较大时，Zigbee可以组建不同的网络拓扑结构来增加网络覆盖范围。 [3]Zigbee有三种网络拓扑结构:星形网、树状网和网状网。 (1)星形网络 在星形拓扑结构中，通信是在终端设备和一个中心协调器之间进行的，该网络的通信范围受到限制，只适用于范围较小的场合。协调器可以作为发起设备，也可以是终端设备。中心协调器具有对本地网络进行管理的功能，负责建立网络、分配网络地址以及成员的加入等情况，同时还负责维护和更新各种设备和数据，通常情况下协调器具有稳定的电能供给，无需考虑能耗问题。终端节点因其只具有一些简单功能，所以只可以和协调器进行通信，与网络中其他设备的通信则必 [4]须经过协调器进行数据转发。星形网络拓扑结构如图2-1所示。 协调器 终端设备 图2-1 星形网络拓扑结构 (2)树状网 在树状网络中，RFD可以选择加入Zigbee路由器或者协调器，路由器用来扩大整个网络的覆盖范围。路由器可以向整个网络提供两种功能的服务:一是增 [5]加整个网络的节点数，二是扩展网络覆盖范围。加入路由器后，终端设备可以通过路由器连接到协调器上，保证整个网络的通信，而不需要在协调器的射频范围内才可以加入网络。在一些通信范围较大的场合中，树状网的拓扑结构可以有 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 效解决通信范围不足问题。树状网中大部分节点是全功能设备，而简单功能设备则处于树状网的末端。 协调器 路由器 简单功能节点 图2-2 树形网络拓扑结构 (3) 网状网 网状网是一种相对自由的拓扑结构，根据实际需要来设置相应的应用，对环境具有很强的适应能力。与其他两种网络拓扑结构不同的是，网状网中的节点大多数都是全功能设备，都可以自由的与网络中的其他设备进行通信，可以构成相对比较复杂的网络结构。网状网中设备之间进行通信时，为了扩大网络的通信范 [4]围和通信的稳定性，应尽可能的利用路由器进行数据的转发。在该网络中，数据传输的路径相对自由灵活，可以任意选择新的路由器而不必使用协调器。 终端设备 路由器 协调器 图2-3 网状网拓扑结构 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 2.4 Zigbee协议栈体系结构 Zigbee协议栈体系结构是由一组称为层的块组成，每个层为上一层提供指定的服务。数据实体为上层提供数据传输的服务，管理实体则为上层提供其他所有 [5]服务。每个服务实体都通过服务接入点(SAP)为上层提供服务。Zigbee协议栈体系结构共分为四层，分别是物理层(PHY)、媒体接入控制层(MAC)子层、 [4]网络层和应用层。Zigbee体系结构如图2-4所示。 应用层 Zigbee网络层 协议 MAC层 IEEE 802.15.4 物理层 图2-4 Zigbee体系结构 2.4.1 物理层 IEEE802.15.4有两个不同的物理层，分别作用于两个不同的频率范围: [5]868/915MHz和2.4GHz。其中868MHz频段应用于欧洲，915MHz频段应用于美国、澳大利亚等国。物理层位于Zigbee协议栈的最底层，管理以下一些任务: (1) 激活和关闭射频收发器 (2) 在已有的信道上进行能量检测 (3) 空闲信道评估(Clear Channel Assessment,CCA) 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 (4) 检测接受分组的链路质量指示(Link Quality Indication,LQD) (5) 对信道频率进行选择 (6) 数据的传输和接收 2.4.2 媒体接入控制层(MAC) MAC层主要为Zigbee网络中两个通信设备间的MAC层实体提供可靠的通 [4]信链路。MAC层向上层提供两种服务:MAC层数据服务及MAC层管理服务[5]。数据服务是指支持不同设备的MAC层之间的数据交换，管理服务是指MAC支持上层对其下达管理命令。 无线信道是一个共享信道，MAC层的关键技术之一就是解决设备在使用共享信道时不会产生因为冲突而造成错误的问题，否则就会造成网络的瘫痪。 MAC子层需要处理接入到无线信道等事务，并负责以下几个方面的任务: (1) 网络协调器产生并发送网络信标。 (2) 设备根据协调器的信标和协调器保持同步，并支持PAN链路的建立和断开以及无线信道的安全等。 (3) 信道接入采用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA-CA)机制。 (4) 处理和维护采用GTS机制。超帧结构和信标的概念引入使网络管理变得非常方便，每个超帧都以协调器信标开始，该信标中包含超帧持续时间以及时间分配等信息。 (5) 在两个通信设备对等MAC实体间提供数据通信链路。 2.4.3 Zigbee网络层 网络层主要是为确保正确操作IEEE802.15.4MAC子层和为应用层提供服务接口。为了能够在相同应用层进行连接，网络层在概念上包括两个应用实体: [6]数据服务实体(NLDE)和管理服务实体(NLME)。网络层数据实体向上层提供数据传输服务，管理实体则通过连接SAP提供管理服务。除此之外，网络管理实体利用数据实体完成某些管理任务，负责维护网络信息数据库(NIB)。 网络层主要为保证MAC子层的正常工作而提供一些必要的应用函数和相 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 应的服务接口。网络层数据实体只能向在同一个网络中的两个及多个设备提供数据传输服务。网络层数据实体可向应用层提供以下一些服务: (1) 生成网络级别的PDU(NPDU) (2) 指定传输路由 (3) 确保无线通信的机密性和安全性 上层实体 MLME-SAP MLDE-SAP 网络等数据实体 网络层管理实体 MCPS-SAP MLME-SAP MAC层实体 图2-5 网络层参考模型 网络层管理实体(NLME)应提供某些管理服务，允许应用程序与协议栈相互作用。NLME应提供以下服务: 1)配置一个新设备。为所需的操作充分配置协议栈的功能，配置选项包括开始一个作为ZigBee协调器的操作，或加入一个已存在的网络。 2)开始一个网络。建立一个新的网络功能。 3)加入、重新加入和离开一个网络。加入、重新加入或离开一个网络的功能，以及为一个ZigBee协调器或ZigBee路由器请求一个设备离开网络的功能。 4)寻址。ZigBee协调器和路由器给新加入网络的设备分配地址的能力。 5)邻居发现。发现、记录和报告关于单跳邻居设备信息的能力。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 6)路由发现。发现并记录通过网络的路径的功能，即信息可以有效地传送。 7)接收控制。一个设备控制何时接收者是激活的，以及激活多长时间，从而使MAC子层同步或直接接收。 8)路由。路由器从一个接口上收到数据包，根据数据包的目的地址进行迪昂想并转发到另一个接口的过程。例如单播，广播，多播或者多对，在网络中高校交换数据。 2.4.4 Zigbee应用层 Zigbee的应用层包括APS子层(应用支持子层)、ZDO(Zigbee设备对 [7]象)及其他制造商定义的应用对象。ZigBee技术嵌入到消费型电子设备、 家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、医用传感器、玩具和游戏机等设 备中，支持小范围内基于无线通信的控制和自动化。 通常符合下列条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术: , 设备间距较小; , 设备成本很低，传输的数据量很小; , 设备体积很小，不容许防止较大的充电电池或者电源模块; , 只能使用一次性电池，没有充足的电力支持; , 无法做到频繁更换电池或反复充电; , 需要覆盖的范围较大，网络内需要容纳的设备较多，网络主要用于 检测或控制。 Zigbee设备对象是处于协议栈中应用层上的为满足实际应用需求的一种解决方案，为协议栈中的各层提供初始化服务。 2.5 Zigbee和LED技术的优势 Zigbee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，使用IEEE802.15.4协议作为通信标准，具有低速率、低功耗、高容量、延时短、安全性高以及免执照频段 [8]等特点;LED路灯以发光二极管为光源，具有节能环保等优点。两种技术的结合为现代城市照明系统的发展和节能环保提供了可能的技术手段，用Zigbee技 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 术和LED路灯组建的无线路灯控制系统从成本、功能以及运营管理等方面都具有很大的优势。 基于Zigbee技术的LED路灯控制系统在节能和环保方面技术优势明显: (1) 低功耗:LED路灯的功率选择根据不同场合的实际照明需求，通常选 用50W到200W的功率。路灯照明用高压钠灯功率一般在250W，特 殊场合可使用高达450W的高压钠灯;Zigbee模块在低功耗模式下工 作时普通干电池就可保证芯片长时间工作。 (2) 寿命长:平均每盏LED路灯的设计使用寿命为大约50000小时，有 时甚至更高，远远超过高压钠灯的使用寿命，在节约成本和维护上具 有很大优势。 (3) 照明效率高:LED路灯采用独特的二次光学设计，将灯光照射到需要 照明的区域，提高光照效率，节约能源，LED灯光具有单向性，光源 没有漫射，保证照明效率;LED光源具有环保特性，不含汞，无污染， [8]属于新兴绿色照明光源。 (4) 成本低:拥有精简的通信协议，减少对微控制器的要求。 (5) 容量大:Zigbee网络采用不同的拓扑结构可以极大的扩充无线通信网 络的容量，由系统的协调器管理路由节点和终端设备。 2.6 Zigbee技术的应用领域 ZigBee技术适用于距离范围小和对通信速率要求不高的场合，在工业现场的各种电子设备中应用广泛，其常见的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和 [9]重复低反应时间数据等，其目标功能是自动化控制;Zigbee技术使用两个频段的工作频率，分别为欧洲使用的868MHz和美国、澳大利亚使用的915MHz的低频段，2.4GHz为全球通用的高频段，Zigbee技术的有效通信范围为10m-75m:如果数据传输速率降至28Kb,s时，其有效通信范围甚至可以增加到134m，极 [9]大的提高了通信的可靠性;ZigBee联盟认为该技术日后必将在工业控制、汽车控制、现代农业等领域得到广泛应用。 在工业控制中，传感器通过Zigbee网络采集各种信息，并通过无线网络将信 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 息及时传送到系统进行数据分析与处理，为决策者提供及时准确的参考信息，使得整个工业控制过程更加高效。例如对火灾现场的环境探测，工业设备运行状况的监测等。 在汽车控制中，由于大部分传递消息的通用传感器只能内置在监测对象内部，所以要求使用的无线通信模块的供电电池具有较长的寿命，且能够克服恶劣的环境和各种金属结构对电磁信号的干扰。 在现代农业控制中，无线信号的传播特性良好，但是由于通信区域较大，需 [10]要使用的大量的传感器设备组成复杂的控制网络。采用传感器和Zigbee技术相结合的无线监控系统后，农业控制系统逐渐向智能化数字化方向发展。传感器可以收集到各种信息，包括土壤的湿度、PH值、温度以及降水量等，这些信息将通过Zigbee网络上传至监控中心供决策者参考，可以及早的发现农场中的问题，从而做出调整以提高农作物的产量。 在医学应用中，通过各种传感器和基于Zigbee技术的通信网络，准确实时的监测每个病人的状况，包括体温、血压以及心跳等，从而减少相关医务人员的工作量，有助于合理利用医疗资源。 智能化家居是Zigbee最具潜力的市场。据推测，在未来的智能化家居中，每个家庭需要数十个Zigbee终端设备，可以联网的设备包括录像机、PC机、安全门、窗户以及空调等。智能化家居引入Zigbee技术后，将在很大程度上提高人们生活环境的舒适度。同时使用Zigbee技术的遥控器可以实现全球漫游和无缝 [10]使用，从而降低设备的车本，有利于在未来进行大规模的推广应用。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 3 Zigbee技术开发使用的硬件平台 3.1 无线通信芯片的选择 通过对Zigbee技术的了解我们得知，选择一款支持Zigbee通信协议的芯片是硬件电路设计中的重点。选择和比较不同芯片的优缺点以便能够设计出低成本、低功耗并且可以根据实际需求进行适当升级的电路。本文重点研究无线通信的组网，在目前使用的诸多无线芯片中，片上系统因为低功耗、低成本和多功能成为本设计的首选。 随着Zigbee技术的发展，无线单片机模块也在不断发展，功能更加丰富，种类也不断增加，各大公司纷纷开发相应的无线单片机模块。目前，支持Zigbee通信协议的芯片有很多，其中在市场上获得良好效果的主要有以下几种: (1)Freescale系列。Freescale公司推出的MC13191芯片，应用成本相对低廉，其支持的通信协议为IEEE802.15.4，该公司向开发设计人员提供MAC软件，设计人员通过该软件即可组建相对简单的星形网络。Freescale的后续产品在功能上不断加强，设计人员可根据实际需要选择不同的开发平台。 (2)Ember的EM250和EM260均支持Zigbee通信协议，也可根据实际需求组建星形网、树状网以及网状网。除此之外，该系列芯片还有丰富的配套设施，保证整个系统的可靠性和稳定性。 (3)Atmel的AT86RF230射频芯片 该芯片的工作频率为2.4GHz且支持Zigbee协议栈，因其将射频收发器各模块都集成在一个芯片上，故拥有较高的稳定度、灵敏度和传输功率，可以有效减少网络中节点数量，降低成本。 (4)TI公司的CC2430 CC2430是首款真正意义上的片上系统，它完美结合Zigbee协议栈，是一款可以满足Zigbee低成本低功耗要求的解决方案。CC2430内部集成了一个增强型 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 8051控制器和RF射频收发器，三种不同大小的Flash内存(分别是32/64/128kb)， [10]8kb的RAM,以及ADC、DMA、看门狗定时器等,因其优异的性能广泛应用于各种传感器网络。 通过对目前几种主流无线通信芯片的比较分析，CC2430因其低功耗、低成本、低复杂度和网络容量大等优点成为本方案的首选硬件平台。 3.2 CC2430芯片介绍 CC2430是TI(德州仪器)公司收购CHIPCON后推出的首款真正意义上的片上系统。该芯片可以满足工作在2.4GHz的Zigbee通信协议，除了集成一个2.4GHz的RF射频收发器，还包括一个增强型8051单片机、。 CC2430使用0.18μmCMOS制造工艺，工作时电流损耗只有27mA，在接收模式下，电流损耗低于27mA，在发射模式下，电流损耗则低于25mA。 [11]CC2430芯片有一些主要特点与性能如下所示: 功耗低、性能高的增强型8051微控制器。 (1) (2) 基于2.4GHz符合IEEE802.15.4协议的RF射频收发器。 (3) 较强的抗干扰性能和优良的接收灵敏度。 (4) 芯片在休眠模式时仅有0.9μA的电流损耗，使用外部中断或者RTC唤醒 系统。在待机时，电流损耗更低于0.6uA，使用外部中断唤醒系统。 (5) 硬件支持CSMA/CA功能。 (6) 输入电压范围较宽(2.0-3.6V)。 (7) 支持数字化的RSSI/LOI和DMA功能。 (8) 能够监测电池和感测温度功能。 (9) 芯片集成了14位的ADC数模转换模块。 (10)集成有AES安全协处理器。 (11)带有2个可支持多组协议的USART。 (12)带有4个定时器:1个符合IEEE802.15.4标准的MAC计时器;1个常规 的16位计时器以及2个8位计时器。 (13)提供21个I/O口，其中有两个I/O口具有20mA的驱动能力，其他接口 有4mA的驱动能力。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 (14)具有灵活和功能全面的开发工具。 CC2430 芯片采用7 mm×7mm QLP封装，共有48个引脚。全部引脚可分为I/O 端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。 3.2.1 I/O端口线引脚功能 CC2430一共有21个可编程的I/O口，其中P0、P1端口是8 位的，P2 端口只有5 个引脚。通过软件配置相关特殊功能寄存器，可使引脚作为通用输入输出引 [11]脚、片内外设使用引脚或外部中断使用引脚。I/O口关键特性如下: , 可设置为通用I/O 口，也可设置为片内外设使用的I/O口。 , 输入口的状态可以设置成上拉、下拉或者三态。 , 所有I/O引脚都能够响应外部中断，中断用来将芯片从睡眠状态唤醒。 1,6 脚(P1_2,P1_7):对外设提供4mA的驱动能力。 ，9 脚(P1_0，P1_1):具有20mA的驱动能力。 8 11,18脚(P0_0 ,P0_7):对外设提供4mA的驱动能力。 43，44，45，46，48 脚(P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0):对外设提供4mA驱动能力。 3.2.2 CC2430芯片电源线引脚功能 表1 CC2430芯片电源线引脚功能 7 脚(DVDD) 为 I/O提供2.0,3.6V工作电压 20脚(AVDD_SOC) 为模拟电路模块提供2.0,3.6V的直流电压 23 脚(AVDD_RREG) 为模拟电路模块提供2.0,3.6V的直流电压 24 脚(RREG_OUT) 为25，27,31,35,40引脚端口提供1.8V的稳定电 压 25 脚 (AVDD_IF1 ) 为模拟电路提供1.8V的直流电压，包括模拟测试 模块、接收滤波器以及VGA的第一部分电路 27 脚(AVDD_CHP) 为充电泵和环状滤波器提供1.8V直流电压 28 脚(VCO_GUARD) VCO屏蔽电路的报警连接端口 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 29 脚(AVDD_VCO) 为PLL环滤波器和VCO和提供1.8V电压 30 脚(AVDD_PRE) 为预定标器、Div-2 和LO缓冲器提供1.8V的电压 31 脚(AVDD_RF1) 为LNA、前置偏置电路和PA 提供1.8V的电压 33脚(TXRX_SWITCH)为PA提供调整电压 35 脚(AVDD_SW) 为LNA/PA交换电路提供1.8V电压 36 脚(AVDD_RF2) 为接收和发射混频器提供1.8V电压 37 脚(AVDD_IF2) 为低通滤波器和VGA 的最后部分电路提供1.8V 电压 38 脚(AVDD_ADC) 为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8V电压 39 脚(DVDD_ADC) 为ADC的数字电路部分提供1.8 V电压 40脚(AVDD_DGUARD)为隔离数字噪声电路连接电压 41 脚(AVDD_DREG) 向电压调节器核心提供2.0,3.6V电压 42 脚(DCOUPL) 提供1.8 V 的去耦电压，此电压不为外电路所使用 47 脚(DVDD) 为I/O 端口提供2.0,3.6V的电压 3.2.3 控制线引脚功能 表2 控制线引脚功能 10 脚(RESET_N) 复位引脚，低电平有效 19 脚(XOSC_Q2) 32 MHz的晶振引脚2 21 脚(XOSC_Q1) 32 MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 22 脚(RBIAS1) 为参考电流提供精确的偏置电阻 26 脚(RBIAS2) 提供精确电阻，43 kΩ，?1% 32 脚(RF_P) 在RX 期间向LNA 输入正向射频信号,在TX 期间接收来自PA 的输入正向射频信号 34 脚(RF_N) 在RX 期间向LNA 输入负向射频信号;在TX 期间接收来自PA 的输入负向射频信号 43 脚 (P2_4/XOSC_Q2) 32.768 kHz XOSC的2.3端口 44 脚 (P2_4/XOSC_Q1) 32.768 kHz XOSC的2.4端口 3.3 CC2430芯片典型应用电路 CC2430芯片的应用电路，如图1.1所示，图中数字I/O、ADC接口未连接，解耦电容未画出。为了增加天线的性能，电路使用了一个非平衡天线连接非平衡变压器的方式。电路中的非平衡变压器由电感L341、L321、L331和电容C341以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50Ω)的要求。内部T/R交换电路完成PA和LNA之间的交换。R221和R261做为偏置电阻，电阻R221 个32 MHz 的石英谐振器主要为32 MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1 (XTAL1)和2个电容(C191 和C211)构成一个32 MHz 的晶振电路。用1个32.768 kHz 的石英谐振器(XTAL2)和2个电容(C441 和C431)构成一个32.768 kHz的晶振电路。电压调节器向所有要求1.8 V 电压的引脚和内部电源供电，C241 [11]和C421电容用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 图3-1 CC2430应用电路 3.4 Zigbee天线系统设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统工作频率在2.4GHz，本系统的通信方式是利用天线辐射进行无线信息传输。天线的设计是整个通信系统的关键，决定了系统的通信距离和质量，需要根据实际情况来设计天线以达到应用标准。 设计Zigbee系统天线时，需根据实际需求采用不同的设计方案，设计前应根据本系统工作在2.4GHz频段来确定天线参数，如增益、阻抗、辐射方向等。本系统天线参数如下所示。 (1) 工作中心频率为2.45GHz，工作频率范围为2.405GHz-2.480GHz。 (2) 输入阻抗Z天线采用的阻抗匹配为50欧 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 (3) 天线的辐射方向。因协调器需要和多个节点进行通信，所以天线设计 为全向型辐射。 3.5 RS232 (DB9) MAX232 MAX232芯片是美信(MAXIM)公司专为RS232串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v直流电源供电。 图3-2 MAX232引脚图 3.5.1 RS232 (DB9)引脚定义 1 :DCD :载波检测。主要用于检测拨号音，是否处于在线状态，然后告知 计算机其当前状态。 2 :RXD:用于接收外部数据;当使用Modem检测时，RXD指示灯在闪烁， 说明RXD引脚正在进行接收。 3 :TXD:将数据发送给外部设备;当使用Modem检测时，TXD指示灯在闪 烁，说明TXD引脚正在发送数据。 4 :DTR:数据终端就绪;当此引脚处于高电平时，计算机做好准备，Modem 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 可以进行数据传输。 5 :GND:信号地;此位不做过多解释。 6 :DSR:数据设备就绪;此引脚处于高电平时，通知计算机Modem可以进 行数据传输。 7 :RTS:请求发送;计算机控制该引脚决定Modem是否可以进行数据传输; 否则所有收到的数据都会被放入缓冲区中。 8 :CTS: 清除发送;此脚由Modem控制决定是否将数据送至Modem。 9 :RI : Modem通知计算机有通讯请求，是否接听呼叫由计算机决定 3.5.2 MAX232原理 MAX232由三个部分组成其内部结构: 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。主要产 生-12v和+12v两个电源，供RS-232串口电平使用。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT) R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第一数据通道。8脚( [12]为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN/T2IN输入转换成RS232数据从T1OUT、T2OUT送至电脑的DB9插头;DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC(+5v)。 3.6 GPRS模块解决方案 本设计中协调器通过无线方式与监控中心进行数据传输，可以有效降低通信成本。 GPRS(General Packet Radio Service)的全称是通用分组无线业务，是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入服务。GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 无线数据传输业务。在业务的承载能力和支持上，GPRS比GSM具有明显的改善，数据传输速率更高。 GPRS采用分组交换技术，多个用户共同使用一组信道，但是只有当某用户收发数据时才占用该信道。采用时分复用额方式能够更加有效的利用无线信道，GPRS有着灵活的计费方式，有流量计费方式和包月方式，可以根据实际情况有效降低通信成本。 4 路灯监控系统的硬件设计 基于Zigbee技术的LED路灯监控系统由路灯节点、路由器和协调器组成。系统通过路由器进行数据转发，将终端和协调器进行无线连接，然后对路灯进行无线控制。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 路由器终端节点 路由器 路由器 网络协调器 图4-1 路灯无线网络结构 系统中有一个网络协调器，起到监控整个网络的作用，有若干个路由器和终端节点。网络协调器负责建立一个网络并且对其进行管理。路由器作为无线控制中继器，起到扩充网络容量和增加网络覆盖范围的作用，同时，路由器也可以作为终端使用，用来控制路灯的开关，而终端节点只用来采集信息并且只能和路由器或者协调器进行通信。 在整个系统正常工作时，路由器接收协调器的控制信号，并且转发给下一个节点进而控制路灯工作状态，而终端节点只用来采集路灯状态信息和接收路由器 [13]的控制指令并控制路灯的状态。 4.1 终端硬件电路的设计与实现 终端硬件电路的设计包括电路设计和PCB版的设计，在本设计中，单个路灯的监控系统由直流稳压电源模块、LED检测模块以及CC2430组成。系统框图如图4-2所示 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 直流稳压电源 LED检测CC2430 交流电 LED驱动电路LED路灯(220V，50Hz) 图4-2 单个路灯监控系统设计 4.1.1直流稳压电源的供电电路设计 220V交流电经过变压器降压后得到9V交流电，然后经过整流桥全波整流，电容滤波稳压后得到稳定的5V直流电源。本设计采用稳压芯片7805来获得所需直流稳压电源。7805的电压输入范围较宽，输入电压在7V-36V之间都可实现良好的稳压效果。考虑芯片的热效应及稳压的准确性，所以尽量减少输出电压与输入电压的电压差，同时为了保证电源可以提供足够的功率，电压压差至少要大于3V，所以本系统的输入电压定位9V，足以保证电源所能提供的功率，且芯片 [15]不会过热。 D1是整流桥，选用耐压值AC600V电流为2A的KBP206。C1、C2、C3是用来吸收低频脉动和滤波的电容，可以是电压更为平稳。为使直流电源更加稳定，本电路中使用电容C2吸收其他频率成分的谐波。U1是7805稳压芯片，该芯片 [14]稳定性、可靠性较高，且能产生稳定额5V直流电源。C3除了启动吸收谐波的作用外，还可防止出现稳压后的直流电源随后级负载的加重而逐渐降低的情况。 除去需给检测电路提供5V直流电源外，Zigbee芯片需要3.3V的直流电压，故需要使用一个三端稳压器把5V电压转换为3.3V直流电源。本设计中中采用AMS1117芯片，输出电压为3.3V，输出电流可高达1A。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 直流电源的供电电路分别如图4-3、4-4所示。 1VCC3VINVOUT T1D1220VGNDU32C1C2C37805470μF10μF10μF220V TRANS1GND 图4-3 直流电源供电电路 13VDD+5VVINVOUT GNDu32C4C5AMS111722μF470μF GNDGND 图4-4 3.3V直流电源供电电路 4.1.2 光敏检测电路 目前常用的光敏器件是光敏电阻，利用其光线越强电阻越低，光线越暗电阻越大的特点，可将光信号转换成电信号，再经过电压比较器的方式，可以有效地完成对光线信息的采集。在本设计中，保证系统在光线临界状态时的稳定性，是设计的重难点所在。由于光敏电阻对光线变化较敏感且电阻值变化是连续的，故当光线达到临界点时，输出信号极不稳定，在设计中可采用将运放接成电压比较器的方式，可以实现较为精确的控制。 方案一:直接用光敏电阻串联电阻，然后将检测到的电压信号送至CC2430的P1.0口。当光线较强时光敏电阻阻值很小，P1.0口输入高电平;当光线不足 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 时光敏电阻阻值升高，P1.0口输入地电平。但光敏电阻阻值比较敏感，在检测信号的高低电平间进行切换时容易导致误判。 方案二:本设计采用方案二，其在方案一的基础上加入电压比较器。如图4-5所示。 当电压比较器的同相端输入电压大于反向端输入电压时，比较器输出高电压，反之则输出低电压。本方案中将触发高点电平的门限电压变为由R2和R3VCC 共同控制的任意电平，从而扩大高电平区间，故在本设计中使用本方案。 R1R2 50K10k U4A2 1P0.2 3 LM35848 R4R3 10K 图4-5 光敏检测电路 4.1.3支路控制电路的设计 该支路的控制电路是由CC2430的处理器直接控制继电器来实现的，每一个路灯都是用一个单独的继电器来控制，容易实现且操作简单。当光敏电路检测光线明暗时会向CC2430输入一个检测信号，然后CC2430输出一个控制信号决定NPN型三极管B极和E极间的电压，控制三极管是否导通，从而控制继电器的 [15]断开与闭合，达到控制路灯开关的目的。电路图如图4-6所示。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 VCC Q1R1P0.1PNP 200Ω 2 VDDQ15D13R124148425ΩJDQ1DS1 LAMP 图4-6 支路控制电路 4.1.4 工作电流检测电路 采用光敏电阻对路灯是否正常工作进行检测很容易实现，但是由于光敏电阻对光线强弱的反应很灵敏，很难准确控制，无法对路灯的工作状态进行较为准确的检测。所以在本设计中为了保证系统的稳定性和准确性，在LED路灯的驱动电路中串联一个采样电阻。因为采样电阻是对路灯工作电流进行检测，故采样电阻不能太大，否则影响LED路灯的工作状态，本电路中使用的采样电阻为1欧姆，所以采样信号要远小于CC2430所能检测到的高电平信号，所以在检测信号 [16]后加入一级电压信号放大器，放大倍数约为15倍。当取样电压为0时，认为电路发生短路故障，当采样电压超过某个值时，认为工作电路过电流故障。本设计中放大电路采用OP07芯片，该芯片是一款低噪声的双极性运放集成电路，OP07拥有较低的输入失调电压，所以在很多场合不需要额外的调零措施。电路图如图4-7所示。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 12V68010KR7R8 VCC 47DS1U2 2 6P0.0LAMPR63 81Ω1 OP07 图4-7 故障检测电路 4.2 协调器硬件电路的设计与实现 无线路灯监控系统的网络协调器需要显示当前网络的各种工作状态，且要讲 接受到的各种数据打包后上传至监控中心，所以网络协调器由CC2430、串口通 [6]信组成。电路框图如图4-8所示。 天线部分 RF-P RF-N TXDTXD CC2430 RXD MAX232 RXD 图4-8 网络协调器框图 4.2.1 MAX232串口通信电路设计 如图4-12所示，为异步串行通信TTL电平与RS232电平相互转换的电路， 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 MAX232是美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的一种单电源电平转换芯片，该芯片有两路数据通道，本设计只使用了期中的一个数据通道，标准九针串口连接和CC2430的连接如图所示。 J1 5 9 4 8 3 7 2 6U1 11312RXR1 INR1 OUT89R2 INR2 OUTTX1114DB9T1 INT1 OUT107T2 INT2 OUT14C1+C2+35C1 -C2 -C2C1 105105MAX232ACPE(16) 图4-9 串口通信电路 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 5 路灯监控系统的软件流程图设计 软件部分主要是道路照明系统的监控部分的应用层和网络层。应用层的程序由路灯控制、故障检测等几部分组成。无线通信系统中最重要的功能是收发数据。 [17]网络层中有协议栈的路由设置以及网络拓扑结构的设置。物理层中则主要配置程序需要设置的PANID和信道，只有设置好这些参数系统才能正常通信，并与其他Zigbee网络区分开。 5. 1 网络协调器流程图设计 在系统工作过程中，网络协调器作为整个系统的中心控制平台，其任务是首先建立新网络，完成组网的工作，接收各网络节点发送的数据，进行数据处理， [18]并发送相应的控制信号。 网络协调器的软件流程图如图所示，在协调器上，系统上电后首先对CC2430 [19]芯片进行初始化，然后程序对协议栈初始化并打开中断。协调器首先建立一个无线通信网络，监听网络中有无请求信号加入该网络并显示网络地址，若网络中有节点请求加入，则给其分配网络地址，如果没有则检查是否有控制命令下达，然后将控制命令转发至指定节点。。如图5-1所示。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 初始化 建立一个新的网络 显示网络地址 进入无线监控状态 Y 有节点申 给该节点分配 请加入网络 网络地址 N 检查有无命令 下达 Y 将命令发送至终端并在PC 机上显示路灯实时信息 图5-1 网络协调器程序设计流程图 5.2 路由器程序流程图设计 对于本系统的路由器节点，程序首先对底层硬件进行初始化，给外围电路上电，初始化协议栈，然后向协调器发送请求入网的信号，待协调器接收信号并 [20]响应后，给该路由器分配网络地址。如果成功加入网络，则可以得到本网络的网络地址、路由器节点的物理地址和加入的网络协调器或者前面路由器的物理 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 [21]地址的信息。如图5-2所示。 初始化 加入网络 根据光线明暗 开关路灯 进入监控状态 判断收到 给该节点分配的信号 网络地址 根据控制信号控制路灯的开 光，并发送至下一个节点 图5-2 路由器程序设计流程图 5.3 终端节点流程图设计 在终端节点上，程序首先也要对底层硬件进行初始化，打开监测模块电源，然后对协议栈初始化，并开始向路由器或者协调器发送请求入网的信号，等待附 [22]近节点的响应。如果响应成功并加入网络，则可以得到相应的网络地址和物理地址，以及路由节点的物理地址等。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 初始化 发送请求加入网络的信号 N是否成功 加入网络 Y 进入监控状态 如果收到控制信号则 进行相应处理 根据光线自动控制路灯开关 图5-3 终端节点软件流程图 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 6 结论与展望 6.1 总结 本论文设计出基于zigbee网络的路灯监控系统，旨在能够实时监测路灯状态信息，有效开关路灯，较少能源浪费，优化管理结构等功能。 通过查阅大量文献资料，本文初步完成了基于Zigbee技术的LED路灯监控系统设计。归纳起来，本设计主要通过以下几个方面的工作来完成整个系统设计的，并最终实现使用Zigbee技术监控路灯。 (1) 查阅大量资料分析目前路灯控制技术的发展状况以及国内外的 研究情况，对路灯控制领域的相关技术做出分析和展望，进而确定本设 计所使用的技术方案。 (2) 基于本设计采用Zigbee技术，详细描述了Zigbee技术协议栈、 拓扑结构、技术特点以及应用领域等。最后和LED技术相结合，探讨 本设计对目前路灯控制系统具有的优越性。熟悉CC2430的相关应用， 完成后续设计。 (3) 详细分析系统的应用需求，包括本设计所采用的硬件模块，软件 设计流程以及系统功能等。在此技术上制定系统的设计方案，同时考虑到 路灯的多样化控制策略等。在硬件电路部分，首先完成各个检测以及控制 模块的设计并单独调试各个电路模块的功能，包括直流稳压电源、光敏检 测电路、LED路灯能否正常工作地洞检测电路等。其次，主要是完成系 统软件流程图的设计，并对整个系统的工作过程用流程图描述出来。 6.2 展望 Zigbee技术是一种全新的无线通信技术，主要解决低功耗、低速率等通信问题。Zigbee技术在实际应用中所显现出来的问题还有待进一步解决。本设计在路灯监控系统的基础上，也有一些问题需要改善与解决。 (1)网络级数的限制。目前采用Zigbee技术的无线通信网络，其消息转发级数只有20级左右，严重影响网络容量，需要对Zigbee协议栈进一步研究。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 (2)Zigbee系统的网络容量。Zigbee的网络容量极大的制约了该技术的发展，目前实际应用的网络容量与理论上的65536个节点相差很大。目前网络层的路由协议对消息转发的级数存在着限制，无法达到理论值，日后应在技术上寻找新的突破口。 (3)系统的配套设施。由于本系统注重的是功能的完善，所以在信息服务平台以及手持检测设备等方面存在严重欠缺，这是本系统明显的不足，希望日后可以得到改善。 (4)可以利用新的一款芯片CC2431中的定位功能，设计添加替他辅助功能，如求助、报警灯功能。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 致谢 时光流逝，不知不觉之间，四年的大学时光即将结束。在这即将离别的时刻，向帮助过我的老师、朋友、同学、家人表示最衷心的感谢。 感谢我的导师在本论文完成过程中给予我许多关心和指导，使我得以顺利完成 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 。本文从选题到完成的整个过程，得到指导老师xxx的悉心指导。xxx老师渊博的学识，谦虚、严谨的治学态度、灵活的思维方式、认真的工作作风和对学生的关心都令我佩服不已，谆谆教诲使我受益匪浅，这必将在今后的学习和工作中给我鼓励和鞭策，为以后步入社会、适应工作奠定良好的基础。在此，本人由衷的表示的感谢～ 感谢父母对我的支持和教诲，我的任何一部都离不开你们的支持和帮助。感谢所有帮助和关心我的老师、同学和朋友，你们的支持和鼓励，是我努力向上的力量源泉。 江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计 参考文献 [1] 李文仲，段朝玉.Zigbee无线网络技术入门与实践[M].北京:北京航空航 天大学出版社,2007. 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