基于GPRS+ZigBee的遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孔曉紅 李瑞華 何軍和

摘要：設(shè)計(jì)一種基于GPRS+ZgiBee的遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZigBee無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各個節(jié)點(diǎn)把采集的信息實(shí)時發(fā)送回來，顯示在上位機(jī)上，可以實(shí)時監(jiān)測當(dāng)前的光照強(qiáng)度和各個路燈的運(yùn)行情況，同時可以根據(jù)當(dāng)前光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)合適的照明亮度。

關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù)；ZigBee；GPRS；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）06-0026-05

目前使用的傳統(tǒng)路燈的照明管理系統(tǒng)存在不足之處，如浪費(fèi)電量大、路燈使用壽命短、不能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、無法自動識別故障路燈、人工作業(yè)量大等。近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍越來越廣泛[1-2]?；赯igBee技術(shù)的無線組網(wǎng)通信技術(shù)是一種新興技術(shù)，其用無線通信方式對路燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，具有通訊頻段多、組網(wǎng)能力強(qiáng)、無通訊費(fèi)用、硬件成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有省電、可靠、安全等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)β窡暨M(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，降低管理成本，而且系統(tǒng)容易組建、便于擴(kuò)展[6]。

本課題設(shè)計(jì)一種基于GPRS+ZigBee的遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用ZigBee無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各個節(jié)點(diǎn)把采集到的信息實(shí)時發(fā)送回來，通過串口傳送到上位機(jī)，可以清楚地看到當(dāng)前光照強(qiáng)度和各個路燈的運(yùn)行情況，同時可根據(jù)實(shí)際情況的不同提供靈活的控制策略，從而使照明系統(tǒng)更智能化、更可靠，并能達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用監(jiān)控中心通過GPRS公網(wǎng)連接到各條道路的現(xiàn)場控制器（GPRS模塊），從而實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)發(fā)送控制指令，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將控制指令傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制器，GPRS模塊通過RS-232接口與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，將數(shù)據(jù)傳給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器采取廣播的方式將控制指令發(fā)送給各個ZigBee路由器模塊和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊，通過控制與之相連的繼電器模塊的通斷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制路燈的功能。同時，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)定時監(jiān)測各個設(shè)備的工作狀態(tài)，并且實(shí)時上傳到ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳到監(jiān)控中心，上位機(jī)軟件對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且實(shí)時將各個設(shè)備的工作狀態(tài)顯示出來，最終達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。系統(tǒng)的硬件主要由最小系統(tǒng)、串口接口電路、仿真器接口電路、恒流驅(qū)動電路、GPRS模塊、路燈工作狀態(tài)監(jiān)測電路、光照強(qiáng)度監(jiān)測電路組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.1 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示。采用以CC2530芯片為主要元件構(gòu)成的硬件平臺，并將Z-Stack協(xié)議棧移植到該硬件平臺，可以實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳遞。

1.2 串口通信接口

串口接口電路如圖3所示。協(xié)調(diào)器和GPRS模塊之間采用RS232接口通訊，使用簡單方便。

1.3 恒流驅(qū)動

恒流驅(qū)動是指通過LED的電流為一個合適的恒定值，使用恒流驅(qū)動旨在提高LED的發(fā)光效率和穩(wěn)定度，減少LED的光衰度[7]。大功率LED都是采用恒流驅(qū)動方式。

LED恒流驅(qū)動電源采用的是兩級變換器，第一級采用UCC28810轉(zhuǎn)換電路，目的是將AC轉(zhuǎn)換成36 V的DC電源。第二級采用UCC2811模式，目的是將恒壓源轉(zhuǎn)換為0.9 A恒流源。此方案電源的轉(zhuǎn)化效率更高，保證了系統(tǒng)的高效率。此方案使用TI公司生產(chǎn)的UCC28810EVM-002評估板。恒流驅(qū)動模塊如圖4所示。

1.4 GPRS模塊

GPRS模塊的作用是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，可以與管理者之間進(jìn)行短信的收發(fā)，并與ZigBee協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行無線通信，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)故障時，以最快的速度將故障信息傳輸給管理者或用戶。GPRS模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

1.5 路燈工作狀態(tài)監(jiān)測電路

狀態(tài)監(jiān)測電路主要對路燈的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可以讓值班人員實(shí)時看到路燈系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如果發(fā)生故障方便及時處理。系統(tǒng)主要是通過監(jiān)測路燈的工作電流來進(jìn)行監(jiān)控的[8]，采用電流檢測技術(shù)和精密型霍爾磁敏傳感器，當(dāng)檢測到路燈出現(xiàn)故障不能正常工作時，ZigBee網(wǎng)絡(luò)立即發(fā)送報警信號到主控端，通知管理人員采取相應(yīng)的措施。電流型電壓測量電路如圖6所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要包括：ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，GPRS模塊和上位機(jī)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)ID（也稱為PAN ID，即Personal Area Network ID）來建立整個網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立完成后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并將現(xiàn)場和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，根據(jù)信號類型的不同調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)進(jìn)行處理。網(wǎng)絡(luò)建立過程如圖8所示。

2.2 ZigBee路由器軟件設(shè)計(jì)

路由器模塊的功能為：允許其他終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的終端設(shè)備的通訊?；韭酚伤惴ㄈ鐖D9所示。

2.3 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)用來發(fā)送及接收協(xié)調(diào)器和路由器發(fā)來的消息，它可以在睡眠或者喚醒狀態(tài)之間進(jìn)行切換。對于新加入的節(jié)點(diǎn)，首先搜索所在區(qū)域可用的父節(jié)點(diǎn)，當(dāng)檢測到可用的網(wǎng)絡(luò)之后，查找網(wǎng)絡(luò)中深度最淺的節(jié)點(diǎn)，并發(fā)出請求加入網(wǎng)絡(luò)的信號，該父節(jié)點(diǎn)收到信號后，發(fā)出網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的命令。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)開始工作之后，實(shí)時檢測現(xiàn)場數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到設(shè)備工作不正常時，把故障設(shè)備通過GPRS以短信的形式發(fā)送給工作人員的監(jiān)控設(shè)備，以便快速處理，提高工作效率。終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖10所示。

2.4 GPRS模塊初始化

在對GPRS模塊進(jìn)行初始化時，需要對以下幾部分進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置：接通電源，設(shè)置串口的波特率，對短信中心號碼的設(shè)置，對短信收發(fā)格式的設(shè)置，設(shè)置終端進(jìn)行編碼字符等。初始化流程如圖11所示。

2.5 GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)

GPRS模塊通過串口芯片與ZigBee協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行無線通信，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)異常時，能夠?qū)⑿畔⒓皶r準(zhǔn)確地發(fā)送給工作人員或用戶。當(dāng)GPRS模塊通電后，串口監(jiān)視和數(shù)據(jù)發(fā)送兩個功能模塊分別進(jìn)入監(jiān)視和監(jiān)聽狀態(tài)，對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和串口進(jìn)行實(shí)時檢測。當(dāng)串口監(jiān)聽到有數(shù)據(jù)時，立即將其數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)當(dāng)中；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送線程監(jiān)測到有數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)時，GPRS網(wǎng)絡(luò)會將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。GPRS模塊軟件流程如圖12所示。

2.6 上位機(jī)軟件設(shè)置

本系統(tǒng)可以設(shè)置為手動控制方式和自動控制方式，其中自動控制方式只需要配置好相關(guān)參數(shù)即可，控制方便靈活。同時，可以查看各個區(qū)域街道的路燈工作狀態(tài)，并將系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動保存下來，方便查看。路燈管理控制系統(tǒng)如圖13所示。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)一種基于GPRS+ZigBee的遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)，利用GPRS技術(shù)和ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對路燈控制系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化的管理。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好，現(xiàn)場安裝簡單方便，操作界面顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)，有利于用戶的遠(yuǎn)程操作，具有較好的使用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張宏鋒.一個基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺[D].湖北：武漢理工大學(xué)，2006.

[2] 陳鴻飛.基于ZigBee與GPRS的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)智能終端設(shè)計(jì)[D].長沙：中南大學(xué)，2009.

[3] 蔡型，張思全.短距離無線通信技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，20（3）：38-66.

[4] 田金琴.基于ZigBee和GPRS技術(shù)的嵌入式家居報警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[5] 董樂.基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2012.

[6] 閆沫.ZigBee協(xié)議棧的分析與設(shè)計(jì)[D].廈門：廈門大學(xué)，2007.

[7] 金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[8] 鄭相全.無線自組網(wǎng)技術(shù)使用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Abstract： A remote street lamp monitoring system was designed based on GPRS+ZigBee in this paper. The system uses ZigBee wireless self-organizing network technology and GPRS technology in data transmission， and each node sends back the information collected in real time， which is shown on the upper machine. It can monitor the current light intensity and the operation situation of the street lamp in real time， and also can regulate the suitable illuminating brightness according to the current illumination intensity.

Key words： wireless communication technique； ZigBee； GPRS； remote control