基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的港口照明燈無線監(jiān)控系統(tǒng)研究

許曉毅

【摘 要】針對港口照明分散性強(qiáng)，照度要求高的特點(diǎn)，研究一套港口作業(yè)照明燈無線監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)以CC2430作為主控芯片，利用Z-Stack協(xié)議，結(jié)合光敏電阻作為監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)，并直接整合在高桿燈中，接收光照傳感器檢測的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過Zigbee無線網(wǎng)傳輸給路由子節(jié)點(diǎn)。最后協(xié)調(diào)器通過GPRS將數(shù)據(jù)傳輸給控制中心，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)，維護(hù)人員可對外界光照強(qiáng)度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)鎖定照明異常區(qū)域，減少維護(hù)成本。

【關(guān)鍵詞】CC2430；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；光敏電阻；GPRS

0 引言

港口夜間照明主要要采用路燈照明和場站燈塔照明。夜間工作的車輛和人員較多，路燈和燈塔的正常運(yùn)行將直接影響到企業(yè)安全生產(chǎn)?，F(xiàn)代化的無線照明監(jiān)控系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，本文研究的是基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的港口照明燈無線監(jiān)控系統(tǒng)。外部設(shè)備對環(huán)境的光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸設(shè)備上傳至控制中心進(jìn)行分析判斷，工作人員根據(jù)分析的結(jié)果對照明燈具的開關(guān)及外界光照強(qiáng)度進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)還可準(zhǔn)確定位故障照明燈的位置、初步判斷故障原因，還可以自動檢測到損壞的燈具，通過無線監(jiān)控系統(tǒng)通知維護(hù)人員，迅速準(zhǔn)確的去進(jìn)行修復(fù)，增加了照明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

為了能夠?qū)崿F(xiàn)上述的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分解，該系統(tǒng)由安裝在作業(yè)燈桿上的監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)、負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)傳輸和中繼的路由節(jié)點(diǎn)以及負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息匯總的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。為了能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍盡可能的大，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和自愈合能力盡量的強(qiáng)，系統(tǒng)采用Mesh型網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)利用監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)上光敏電阻采集到的光強(qiáng)信息與自動開啟閾值進(jìn)行比較從而判斷該節(jié)點(diǎn)上的作業(yè)燈是否需要開啟。同時(shí)利用每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的MAC地址與綁定表中的地址進(jìn)行比較，從而大致判斷出問題作業(yè)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置，本文使用GPRS實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)從個(gè)域網(wǎng)到廣域網(wǎng)的傳輸。

整個(gè)港口照明無線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)模塊、路由子節(jié)點(diǎn)模塊、協(xié)調(diào)器模塊和GPRS模塊四部分組成。

本體統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用CC2430芯片，它內(nèi)置控制器，支持Z-Stack協(xié)議棧，在組網(wǎng)方面有很大的優(yōu)越性。不僅在軟件方面有優(yōu)點(diǎn)，在硬件方面也有比其他設(shè)備優(yōu)越的地方。CC2430的特性：

1.1 監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)模塊

監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)無線監(jiān)控終端，由一個(gè)光強(qiáng)傳感器、光強(qiáng)控制器以及ZigBee核心控制器構(gòu)成。監(jiān)測子節(jié)點(diǎn)由高桿燈或者燈塔線路直接提供電源。CC2430通過光敏電阻所構(gòu)成的分壓電路將5V電源進(jìn)行分壓。并由其內(nèi)部自帶的A/D進(jìn)行處理，并將中值濾波所得的光強(qiáng)信息通過射頻方式發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。

1.2 路由子節(jié)點(diǎn)模塊

Zigbee設(shè)備主要工作在2.4GHz頻段上，這一特性限制了Zigbee設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸距離，Zigbee解決這個(gè)問題的關(guān)鍵就是路由器。路由子節(jié)點(diǎn)利用Z-Stack協(xié)議棧自帶的AODV路由算法尋找路由路徑，并向其數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器。由于 Zigbee無線網(wǎng)傳輸?shù)木嚯x有限，本文在路由器前端采用一個(gè)CC2591射頻器，用來增大信號的傳輸功率。不必考慮其功耗問題。

1.3 協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)模塊

協(xié)調(diào)器在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中要完成數(shù)據(jù)的收集、網(wǎng)絡(luò)的建立及分配網(wǎng)絡(luò)地址然后讓其他的路由器等加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備。

在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器與路由器的數(shù)據(jù)傳輸方式是通過Zigbee無線傳輸，因此在個(gè)域網(wǎng)與泛在網(wǎng)之間必須存在一種轉(zhuǎn)換設(shè)備，網(wǎng)關(guān)正是起到了該作用。利用CC2430中的51內(nèi)核控制GPRS模塊來進(jìn)行信息傳輸與轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)所選用的GPRS模塊是MC39i。

1.4 系統(tǒng)外圍電路模塊

本系統(tǒng)的外圍電路模塊包括串口電路、JATG接口和電平轉(zhuǎn)換電路[2]。串口電路主要使用了MAX232芯片，給CC2430中的8051MCU下載程序，結(jié)構(gòu)相對簡單。同時(shí)將PC機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)化為232電平方便MCU和PC機(jī)的連接。

JATG接口作用就是調(diào)試程序。

此系統(tǒng)分別使用了兩種電平轉(zhuǎn)化電路，一種是AMS1117ADJ即可控型，另一種就是AMS1117固定電平轉(zhuǎn)換電路，電平轉(zhuǎn)換主要是為了CC2430和MC39i的使用，CC2430的引腳需要的電平分別是3.3V和1.8V。而另外作為GPRS模塊的MC39i的工作電壓為3.3V到4.8V，3.3V是個(gè)臨界值自然為了保險(xiǎn)起見不能直接使用3.3V的電平來驅(qū)動MC39i，而固定的1117電平轉(zhuǎn)換沒有這種特殊值，因此就必須使用可控型的AMS1117。其輸出電壓的計(jì)算公式為：VOUT=VREF（1+R8＼R7）+IADJ*R8。（VREF為R7兩端電壓值，IADJ為1號腳的輸出電流）根據(jù)此公式和需要的輸出電平值就可以計(jì)算出R7和R8的電阻值，最終其輸出電平值大概在4V。固定的AMS1117就不需要接電阻來分壓調(diào)整輸出電平值，只需要保證穩(wěn)定的電壓輸出就行了。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

通過前面系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析可知整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用Mesh網(wǎng)絡(luò)，其中層深以及最大路由數(shù)等按照ZigBee2006協(xié)議棧默認(rèn)的值，使用規(guī)范的協(xié)議棧體系。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相當(dāng)于負(fù)責(zé)建立和管理網(wǎng)絡(luò)的控制中心，能夠定時(shí)檢測系統(tǒng)有無按鍵按下，同時(shí)顯示相關(guān)控制電源的狀態(tài)信息，并執(zhí)行相應(yīng)的電源開關(guān)的命令。在沒有收到指令信息時(shí)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會自動檢測周邊的無線電信號，判斷網(wǎng)絡(luò)是否有新節(jié)點(diǎn)增加的信息，有則為其分配網(wǎng)絡(luò)地址[3]。路由節(jié)ROUTER通常處于監(jiān)控狀態(tài)，可作為用來判斷照明燈打開和關(guān)斷RFD節(jié)點(diǎn)，可設(shè)置在道路兩旁，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。本系統(tǒng)終端控制RFD節(jié)點(diǎn)，采用光敏電阻的返回值確定路燈的開關(guān)。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)鄰居設(shè)備表、對邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配、允許設(shè)備MAC層/應(yīng)用層的連接或斷開網(wǎng)絡(luò)的功能。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立成功后，路由節(jié)點(diǎn)和RFD節(jié)點(diǎn)開始掃描信道找到協(xié)調(diào)器并申請加入網(wǎng)絡(luò)，獲取協(xié)調(diào)器的地址，并將自己的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，通過調(diào)用aplJoinNetwork（）函數(shù)加入到協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)加入成功后，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則進(jìn)人休眠狀態(tài)，直到有命令或數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)才被喚醒[5]。

3 結(jié)論

本文基于ZigBee的港口作業(yè)照明燈無線監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有照明燈具監(jiān)護(hù)和管理，對燈光照度和用電能耗的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的無線通信傳輸技術(shù)，采用CC2430新型單片機(jī)控制，利用無線傳感器便攜的組網(wǎng)特性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，減少了繁雜網(wǎng)絡(luò)布線。因此新系統(tǒng)施工安裝簡單，維護(hù)方便，適合老企業(yè)照明設(shè)備更新?lián)Q代。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]CC2430Data Sheet.http//www.ti.com/CC2430[OL].

[5]王東東，郭文成.基于ZigBee技術(shù)的路燈無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[S].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015.

[責(zé)任編輯：張濤]