一種基于ZigBee的城市智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張 濤

1.引言

道路照明是城市公共設(shè)施的重要組成部分，目前國內(nèi)的道路照明系統(tǒng)大部分沒有采用網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理，只能以區(qū)域為單位對照明設(shè)備進行簡單的開關(guān)燈控制，多數(shù)城市路燈的開關(guān)控制仍由傳統(tǒng)變壓器(配電箱)分散控制，不能對路燈進行有效監(jiān)控，缺乏靈活多變的操作系統(tǒng)，因此存在著一系列的問題：如系統(tǒng)復(fù)雜，難以統(tǒng)一管理；路燈覆蓋面廣，維護困難；開關(guān)控制效率低，電能浪費嚴重等。針對目前城市對路燈照明控制和管理水平的不足，筆者設(shè)計了一套路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)，能對城市路燈實現(xiàn)智能化控制并有效節(jié)約電能。本系統(tǒng)主要分為三層，分別是具有人機交互界面功能的路燈管理中心、匯聚路燈節(jié)點信息和發(fā)送路燈控制命令的路燈監(jiān)控子站以及采集路燈節(jié)點信息的路燈控制終端。采用GPRS通信和ZigBee無線通信相結(jié)合的技術(shù)手段，取代了傳統(tǒng)的有線傳輸。其中，路燈管理中心和路燈監(jiān)控子站之間的通信采用GPRS技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、傳輸速率高的特點，且能實現(xiàn)遠程異地操作；路燈監(jiān)控子站和路燈控制終端以及路燈控制終端之間的通信采用ZigBee技術(shù)。

2.路燈監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計采用GPRS技術(shù)與ZigBee技術(shù)相結(jié)合的方案，結(jié)合兩者的優(yōu)點，既節(jié)約成本，又降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。系統(tǒng)采用“路燈管理中心一一路燈監(jiān)控子站一一路燈控制終端”三層模式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對路燈的遠程控制操作。其中，路燈管理中心與路燈監(jiān)控子站之間的通信采用GPRS技術(shù)，路燈監(jiān)控子站與路燈控制終端以及路燈控制終端之間的通信采用ZigBee技術(shù)。系統(tǒng)操作的對象是城市道路成千上萬盞路燈，通過管理系統(tǒng)，負責監(jiān)測路燈的各項運行狀況，如監(jiān)測當前路燈節(jié)點的電壓、電流、功率等指標是否符合規(guī)范，并且能實現(xiàn)對路燈開關(guān)的簡單控制。整個路燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 ZIGBEE組網(wǎng)意示圖

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可分為三類：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過對ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的分析，考慮到路燈監(jiān)控覆蓋范圍面廣，所處的自然環(huán)境易受天氣、障礙物和電磁輻射等的影響，難免會出現(xiàn)終端節(jié)點失效的情況，星形網(wǎng)絡(luò)和樹形網(wǎng)絡(luò)都不宜采用。因此，本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀形ZigBee網(wǎng)絡(luò)，它具備較大的通信范圍，能實現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)的功能，當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，能自動修復(fù)實現(xiàn)愈合，從而大大提高了整個監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使用路由功能傳輸。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在一個路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)中，包含有多個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，一條街道附近區(qū)域的路燈就組成一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。由于路燈均勻分布于道路兩旁，且每兩盞燈的間距一般為25~30m。所以，本系統(tǒng)首先要選取一個合適的地點安置ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責建立網(wǎng)絡(luò)，通常情況下，用ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器實現(xiàn)路燈監(jiān)控子站的功能，負責維護街道上路路燈節(jié)點的運行狀況。路由節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)后，路燈監(jiān)控系統(tǒng)中控制終端的角色。實際應(yīng)用中，為了方便管理，每一個路燈控制終端只能加入一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)單燈控制。當所有的路由器節(jié)點都成功加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器根據(jù)網(wǎng)狀形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為路由節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器主要由GPRS通信單元、微處理器、通信單元和電源模塊組成。協(xié)調(diào)器負責組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息的收發(fā)處理工作，需要不斷地采集監(jiān)控中心發(fā)來的各種指令下達給控制終端，同時將終端及線路信息反饋給監(jiān)控中心。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。處理器使用基于ARM7的微處理器模塊，通過串口TTL電平和GPRS通信模塊進行數(shù)據(jù)傳遞，通過SPI串口連接通信模塊，電源模塊通過220V交流轉(zhuǎn)換為5V為處理器、GPRS通信模塊和通信模塊供電。通信模塊采用TI公司的ZigBee射頻芯片cc2530，主要技術(shù)指標包括：工作頻段為2.4GHz；信道為16個；發(fā)射功率為4.5dBm；接收靈敏度為-97dBm。

3.2 LED路燈控制模塊

在路燈控制終端中，它的硬件組成部分主要包括MCU微控制器單元、電壓電流等信息監(jiān)測單元、射頻模塊單元、LED路燈驅(qū)動控制單元和電源模塊。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。作為路燈控制終端設(shè)備的CPU，要完成與射頻模塊的通信、數(shù)據(jù)包收發(fā)的處理和存儲等功能，除要求MCU微控制器具有足夠的存儲空間外，還要具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。本文采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位系列單片機，型號為STM32F103RBT6，采用LQFP(輕薄方型扁平式)封裝結(jié)構(gòu)，有64個管腳，外觀大小只有l(wèi)0mmXl0mm，價格在10元一20元人民幣之間。供電電壓為2-3.6V，一般采用3.3V供電，具有2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持7通道的DMA控制器。模塊引腳圖如圖5所示。

圖4 LED路燈控制模塊硬件結(jié)構(gòu)

圖5 STM32F103RBT6模塊引腳圖

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

圖5中，MCU共有三個串口，分別是UART1，UART2和UART3，用來實現(xiàn)和其他模塊之間的通信。管腳42和43作為DART 1串口的發(fā)送和接收引腳，與GPRS模塊相連，從而實現(xiàn)CPU和GPRS模塊之間的通信，這種連接方式主要針對監(jiān)控子站設(shè)備，而路燈控制終端設(shè)備并不連接GPRS模塊。管腳16和17作為UART2串口的發(fā)送和接收引腳，與射頻模塊相連接，從而實現(xiàn)CPU和射頻模塊之間的通信。管腳29和30作為UART3串口的接收和發(fā)送引腳，主要實現(xiàn)RS485通信，與LED控制板相連接，從而實現(xiàn)CPU對LED控制板的驅(qū)動。MCU的14管腳作為RS485的使能信號，與485轉(zhuǎn)換芯片相連接，根據(jù)接收到的485通信協(xié)議，實現(xiàn)對LED驅(qū)動控制板作為收發(fā)轉(zhuǎn)換設(shè)備的處理。MCU的15管腳輸出PWM信號，調(diào)節(jié)電流大小，從而實現(xiàn)對LED路燈的亮度調(diào)節(jié)。MCU的管腳21和22連接至檢測單元的安全門接口，用來實現(xiàn)防盜報警的功能。

4.軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計

本文采用MDK作為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的編譯環(huán)境，支持ARM7架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核處理器，自動配置啟動代碼，集成Flash燒寫模塊、具有強大的Simulation設(shè)備模擬、性能分析功能。本系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的軟件層分為三個層次：硬件抽象層、系統(tǒng)服務(wù)層和應(yīng)用層。其中，硬件抽象層移植了COS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)，為上層屏蔽了硬件細節(jié)，同時為硬件單元如電源模塊、MCU微處理器模塊和射頻通信模塊等提供了驅(qū)動程序。系統(tǒng)服務(wù)層主要實現(xiàn)操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度功能，通過修改OS_CPU_A.S檔，用匯編語言實現(xiàn)CPU的開/關(guān)中斷和任務(wù)的切換，并且支持傳輸通信協(xié)議，完成路由算法的實現(xiàn)。應(yīng)用層主要根據(jù)使用者的定義，實現(xiàn)上位機軟件的設(shè)計功能。

本文根據(jù)數(shù)據(jù)流傳輸方向的不同，把數(shù)據(jù)傳輸分為上報和下發(fā)。上報是指路燈控制終端通過射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到達路燈監(jiān)控子站，最終由路燈監(jiān)控子站通過GPRS傳輸至路燈管理中心；所謂下發(fā)是指路燈管理中心發(fā)出的命令通過GPRS傳輸至路燈監(jiān)控子站，再由路燈監(jiān)控子站發(fā)送至需要執(zhí)行操作命令的路燈控制終端。

如圖6所示為系統(tǒng)主程序流程圖。節(jié)點一旦上電，首先完成初始化操作，主要包括MCU控制模塊的通用I/O口、串口、定時器以及射頻模塊的初始化配置等。接著初始化操作系統(tǒng)，當執(zhí)行操作系統(tǒng)后，系統(tǒng)就進入了一個無限循環(huán)狀態(tài)，初始化時，為了減少節(jié)點的功率損耗，每個節(jié)點都進入休眠狀態(tài)。當中斷產(chǎn)生時，就觸發(fā)了待要執(zhí)行的任務(wù)，這時，CPU會為該任務(wù)分配資源，并執(zhí)行相應(yīng)的通信服務(wù)子程序。例如，協(xié)調(diào)器收到了來自路燈管理中心發(fā)送的命令，代表協(xié)調(diào)器收到了一個中斷請求，節(jié)點從休眠狀態(tài)被啟動，執(zhí)行通信服務(wù)子程序，接收來自管理中心下發(fā)的數(shù)據(jù)包，當接收數(shù)據(jù)完成后，還要對數(shù)據(jù)進行校驗，如果校驗失敗，則丟棄該幀；否則，還要繼續(xù)判斷是否是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包，如果不是，協(xié)調(diào)器需要將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去，接著協(xié)調(diào)器節(jié)點會從接收狀態(tài)變成發(fā)送狀態(tài)，等發(fā)送成功后，會產(chǎn)生中斷請求，并再次進入休眠狀態(tài)，等待下一次節(jié)點狀態(tài)的啟動。

4.2 路燈監(jiān)控子站處理信息流程

路燈監(jiān)控子站不僅要與路燈管理中心建立GPRS網(wǎng)絡(luò)，還要與路燈控制終端建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，在路燈監(jiān)控子站節(jié)點上，既裝有GPRS通信模塊，又搭載了射頻模塊。當自身設(shè)備的MCU初始化完成后，通過串口對GPRS模塊進行初始化，按照GPRS協(xié)議接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，接著進入了主程序循環(huán)任務(wù)。首先掃描ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信信道，當ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信鏈路成功后，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。如圖7所示為路燈監(jiān)控子站主程序流程圖。

圖7 監(jiān)控子站主程序流程圖

在圖7中，監(jiān)控子站初始化完成后，進入了系統(tǒng)主程序的循環(huán)任務(wù)中，任務(wù)循環(huán)的主要功能就是監(jiān)測MCU串口上是否有數(shù)據(jù)上報和下發(fā)。當串口UART 1收到來自路燈管理中心的監(jiān)控命令后，監(jiān)控子站經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過射頻模塊路由至目的節(jié)點，目的節(jié)點收到監(jiān)控命令時執(zhí)行操作。當串口UART2收到來自路燈控制終端上報的節(jié)點狀態(tài)信息時，監(jiān)控子站經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送至路燈管理中心，下發(fā)監(jiān)控命令，完成對路燈節(jié)點的開/關(guān)操作，亮度值的設(shè)置和電壓、電流信息上報的時間設(shè)置等。上報節(jié)點狀態(tài)信息可以完成對路燈節(jié)點的過壓、過流、欠壓、欠流和防盜報警操作等。

5.路燈管理中心的主要功能及組成

路燈管理中心負責監(jiān)管路燈的運行狀態(tài)，控制路燈節(jié)點的操作，通過GPRS與每一條街道的路燈監(jiān)控子站進行通信，監(jiān)控子站負責搜集路燈節(jié)點信息并進行匯總處理，傳送給路燈管理中心的顯示接口，通過顯示接口可以執(zhí)行對路燈各個節(jié)點的控制操作，并及時獲得路燈節(jié)點運行狀態(tài)信息。如果出現(xiàn)報警信息，立即通過顯示接口的網(wǎng)頁和聲音提示，告知工作人員出現(xiàn)故障的地理位置，以便及時作出響應(yīng)處理。

路燈管理中心的主要功能包括：

(1)實現(xiàn)各路燈節(jié)點的單獨控制

用戶可以在路燈管理中心的主接口上操作任一路燈的開/關(guān)，在系統(tǒng)界面中對應(yīng)的路燈節(jié)點上會顯示出開/關(guān)狀態(tài)，并且根據(jù)MCU管腳輸出的PWM波實現(xiàn)對路燈的亮度值調(diào)節(jié)，能實現(xiàn)從0-100%的亮度值變化。

(2)路燈節(jié)點狀態(tài)信息顯示

若前臺路燈節(jié)點都處于運行狀態(tài)時，在主接口上會顯示出節(jié)點的電壓、電流和功率等信息，并且能夠查詢到任意一個路燈節(jié)點的任意時間段內(nèi)的運行狀態(tài)信息，并以此繪出一張曲線圖，根據(jù)曲線圖能夠更好地對節(jié)點運行的穩(wěn)定性作出科學(xué)評估。

(3)故障及防盜報警功能

若某一時刻，傳感器模塊監(jiān)測到前臺出現(xiàn)了過壓、過流等情況的故障報警和電纜線被切割、控制板塊被盜等情況的防盜報警，主接口會第一時間向路燈管理中心的工作人員發(fā)出報警信息，且出現(xiàn)報警后，主接口上會彈出新的“地圖”接口，顯示出報警節(jié)點的地理位置，以便工作人員能方便地去處理。

6.總結(jié)

本文針對城市現(xiàn)有路燈系統(tǒng)的不足，提出了一種以GPRS+ZigBee通信技術(shù)相結(jié)合的無線路燈監(jiān)控系統(tǒng)方案。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對路燈數(shù)字化的信息管理，能夠遠程控制路燈的開/關(guān)，并實時監(jiān)測路燈狀態(tài)信息，體現(xiàn)了現(xiàn)代化控制技術(shù)和智能化管理。與傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)相比，能有效杜絕了“全夜燈”和“后夜燈”現(xiàn)象，從而大大降低了能源開銷，能獲得巨大的經(jīng)濟效益。同時，通過對全部路燈的實時監(jiān)控和管理，能大大減少后期人力、物力和財力的投入，極大地提高了工作效率。

[1]吳亮.應(yīng)用于城市路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)中的無線通信技術(shù)[J].2010,6(2).

[2]于宏毅.無線移動自組織網(wǎng)[M].北京:人們郵電出版社,2006.

[3]喻金錢,喻斌.短距離無線通信詳解[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[4]彭木根,王英杰,王文博.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中興通訊技術(shù),2005.

[5]馮志芬.基于無線通信的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2008.

[6]王勝平.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].廣州:華南理工大學(xué),2010.