李建兵 王江永 陳穎

摘 要：城市照明設(shè)施與城市居民的日常生活及城市交通安全存在密切聯(lián)系。隨著城市路燈數(shù)量、規(guī)模的不斷擴增，傳統(tǒng)路燈開關(guān)控制方式已經(jīng)無法滿足實際需求，傳統(tǒng)模式不僅電能利用率較低，而且需要頻繁的人工巡檢及維護，一定程度上造成了人力資源及能源浪費。在這種背景下，城市照明自動化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生，并愈來愈受到關(guān)注?；诖?，本文對基于ZigBee的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)進行了綜合性分析，并提出了相關(guān)設(shè)計觀點，以供參考。

【關(guān)鍵詞】ZigBee 城市照明監(jiān)控 系統(tǒng)設(shè)計

1 ZigBee概述

ZigBee是一種典型的段距離、低功耗無線通信技術(shù)，該技術(shù)是以基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。ZigBee復(fù)雜程度較低、數(shù)據(jù)速率偏低，適用于自動控制及遠(yuǎn)程控制，具有良好的兼容性，可嵌入多種設(shè)備當(dāng)中。相對于其他無線網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)而言，ZigBee盡管功能性一般，但整體成本較低，全功能主節(jié)點僅需要32kB代碼，而子功能節(jié)點僅需4kB代碼。另外，ZigBee免除了協(xié)議專利費，進一步降低了組網(wǎng)成本。對于城市照明監(jiān)控系統(tǒng)而言，ZigBee與其要求正好匹配，具有良好的適用性。

2 ZigBee組網(wǎng)設(shè)計分析

ZigBee組網(wǎng)過程中，主要涵蓋了兩種不同類型的設(shè)備，即FFD（全功能設(shè)備）與RFD（精簡功能設(shè)備），這兩種類型設(shè)備是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的基本組成單元。其中FFD可用作局域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、路由器或終端節(jié)點，并且一個FFD可與若干個FFD或RFD進行數(shù)據(jù)交互。而RFD受自身功能所限，只能作為終端節(jié)點，并且只能與協(xié)調(diào)器進行通信。但相對于FFD而言，RFD應(yīng)用結(jié)構(gòu)較為簡單，且數(shù)據(jù)傳輸量較小，空間資源占有量小，利用RFD進行組網(wǎng)可降低整體成本及功耗，具有經(jīng)濟實用的特點。通常情況下ZigBee主要支持三種類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)狀形網(wǎng)絡(luò)?？紤]到城市路燈監(jiān)控覆蓋范圍較大，并且路燈易受到自然環(huán)境、天氣氣候、電磁輻射等影響，部分情況下會出現(xiàn)個別節(jié)點失效的情況。網(wǎng)狀形網(wǎng)絡(luò)與上述要求正好相契合。網(wǎng)狀形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通信范圍較大，并且具備了路由發(fā)現(xiàn)功能。當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時，網(wǎng)狀形網(wǎng)絡(luò)可進行自我修復(fù)，保證了監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實際組網(wǎng)過程中，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點上限為65535個，各節(jié)點可分別與另外254個節(jié)點進行通信。但考慮到節(jié)點數(shù)量過多會增加網(wǎng)絡(luò)深度，導(dǎo)致通信延時上升。因此，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，需合理篩選網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，并控制節(jié)點數(shù)量，先通過協(xié)調(diào)器構(gòu)建出一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，再將其他路由節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，并保證所有的ZigBee設(shè)備都具備加入功能與離開功能。

3 城市照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計分析

3.1 硬件模塊設(shè)計

城市照明監(jiān)控系統(tǒng)硬件模塊主要涵蓋了兩個部分，即為無線通信模塊及單燈測控模塊，具體如下：

3.1.1 單燈測控模塊

單燈測控模塊中，節(jié)點控制器采用CC2530射頻芯片，該芯片可支持ZigBee通信標(biāo)準(zhǔn)。處射頻芯片外，模塊當(dāng)中還包含了若干子模塊如采集模塊、控制模塊、射頻模塊及電源模塊等。單燈測控模塊以分層模式構(gòu)建，同一電路板當(dāng)中容納了主控芯片與射頻匹配電路，并留有接口。電源模塊、控制模塊及采集模塊電路均至于底板上，并留有相應(yīng)的接口。將底板與另一塊電路板插在一起便可讓單燈測控模塊正常運行。

3.1.2 無線通信模塊

無線通信模塊是單燈網(wǎng)絡(luò)的主要控制節(jié)點，可作為Internet與單燈網(wǎng)絡(luò)之間的接口網(wǎng)關(guān)。無線通信模塊以LPC2368芯片作為控制單元，同時應(yīng)用CC2530射頻芯片可進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。采用LPC2368芯片可從一定程度上降低外圍硬件電路的復(fù)雜程度，有利于節(jié)約開發(fā)成本，GPRS模塊則選用GTM900C，該模塊集成性較好，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議模塊。通信模塊工作期間，由CC2530作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳遞至GPRS數(shù)據(jù)處理模塊，底板則采取用LPC2368作為控制單元。

3.2 軟件設(shè)計

城市照明監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建過程中，除了要對ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件部署外，還需要進行相應(yīng)的軟件開發(fā)。在實際應(yīng)用過程中，嵌入式軟件程序在整個系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)揮了重要的作用，軟件的穩(wěn)定性將直接關(guān)系到系統(tǒng)能否發(fā)揮實時監(jiān)控作用。本研究中，系統(tǒng)主要分為單燈測控模塊與無線通信模塊兩個部分，這兩個模塊當(dāng)中又包含了若干個子模塊，相互之間既獨立存在，又互有聯(lián)系，這種分層次結(jié)構(gòu)為程序編寫及調(diào)試提供了便捷。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控協(xié)議過程中，為了讓網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀控制、編碼、解碼流程更為方便，可將數(shù)據(jù)幀設(shè)為定長，以此來簡化程序設(shè)計與協(xié)議設(shè)計，但相關(guān)功能并不會缺失。數(shù)據(jù)幀主要包括命令幀與狀態(tài)幀，其中命令幀會將命令字段定義在幀中，并可傳輸至相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，再由節(jié)點執(zhí)行命令即可。主控程序主要可實現(xiàn)GPRS模塊數(shù)據(jù)檢測、TCP虛鏈接處理、定時輪詢路段單燈狀態(tài)，以保證監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮實質(zhì)性作用。

4 結(jié)語

基于ZigBee的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)城市路燈自動化控制，適用于各類照明設(shè)備如白熾燈、高壓鈉燈、LED燈等。當(dāng)然，對于不同類型的照明設(shè)備需進行差異化設(shè)計。總體上來看，ZigBee具有低功耗、低成本的特征，并且能夠完全滿足城市監(jiān)控系統(tǒng)的需求，具有較好的適用性。同時，利用多線程異步機制進行軟件開發(fā)，可降低開發(fā)復(fù)雜度，并保證軟件穩(wěn)定性，為監(jiān)控系統(tǒng)正常運作提供保障。

參考文獻

[1]鄭煊，劉萌.基于Zigbee和GPRS的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].照明工程學(xué)報，2011（04）：21-25.

[2]何賽，陳小平.ZigBee技術(shù)在城市照明監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011（11）：135-138.

[3]張世一，黃華，劉永平.基于ZigBee和LabVIEW的智能照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2014（05）：63-66.

[4]何賽，陳小平.GPRS與ZigBee的城市照明系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（01）：27-29+41.

作者簡介

李建兵（1974-），男，江蘇省常州市人。大學(xué)本科學(xué)歷、學(xué)士學(xué)位。現(xiàn)為常州市金壇區(qū)路燈管理所工程師。研究方向為城市照明。

作者單位

1.常州市金壇區(qū)路燈管理所 江蘇省常州市 213200

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