基于zigbee的路灯节能控制系统研.docx
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基于zigbee的路灯节能控制系统研
目录
第1章概述1
1.1课题研究背景和意义1
1.2路灯控制系统国内和国外研究现状1
1.3本文主要内容2
第2章ZigBee技术3
2.1ZigBee技术概述3
2.2ZigBee技术特点及应用5
2.3Zigbee网络设备中的分类7
2.4Zigbee网络拓扑结构8
2.5ZigBee协议架构9
2.6ZigBee网络的新建与加入14
2.7本章小结15
第3章系统硬件设计16
3.1系统总体设计方案16
3.2控制模型及基本策略16
3.3路灯控制器的设计17
3.4网络协调器及终端设备的设计22
3.5本章小结25
第4章系统软件设计26
4.1控制器节点软件设计26
4.2网络协调器及终端设备的软件设计27
4.3软件调试29
4.4本章小结31
结论32
参考文献33
致谢35
附录36
第1章概述
1.1课题研究背景和意义
目前各大城市道路照明系统存在一个普遍的问题——能源效率不高、管理维护困难。
路灯系统是城市基础设施的组成部分，是与人们日常生活紧密相关的市政公共设施。
同时绿色照明是当今照明界的必然趋势，随着城市化进程的加快和城市规模和数量的扩大，照明消耗，照明电费日益高涨，加剧了我国日趋紧张的能源供应。
鉴于我国电力主要来自于火力发电，因此照明节能不单是涉及能源供应和经济效益，而且还关乎环境保护。
为了在保证照明效果的前提下节约电能，一方面可以采用高效节能灯具，如LED灯，另一方面需要对路灯进行科学的监控与管理，实现按需照明。
特别是随着我国城市化水平的不断提高，城市路灯照明系统的不断扩大，设计一种可靠性好、智能化程度高的路灯控制系统成为城市发展的迫切需要，而以ZigBee技术为代表的无线传感器网络技术的发展为实现这样的系统提供了一种新的方案[1]。
ZigBee技术是一种面向低传输速率的短距离无线通信技术，具有低成本、低功耗、低复杂度、自组织、自愈合、抗干扰能力强、网络容量大等特性[5]。
作为一项技术标准，ZigBee技术获得了众多大公司的支持，随着各种支持ZigBee的芯片的推出，ZigBee技术已经被广泛应用于环境监测、数字家庭和医疗护理等领域。
从路灯控制系统的成本、信息化、可靠性和可维护性等方面考虑，结合路灯控制应用实际和ZigBee技术自身特点，本课题设计了一套基于ZigBee网络的路灯控制系统，对路灯进行远程数据采集、控制与调节，提升了路灯控制系统的智能化水平，实现了按需照明，取得了良好的节能效果。
1.2路灯控制系统国内和国外研究现状
1.2.1国内研究现状
目前我国市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要有以下几类情况：
采用自耦变压器及磁饱和变抗器的降压技术[2]。
其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区，容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则不能避免灯具受到市电的瞬时高压冲击，对灯具的保护能力较差,相对来说稳压功能较差。
针对磁饱和电抗器来说，除上述不足外，其效率也普遍较低。
采用电子器件构成的可控硅式设备[6]。
该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是元件易发热烧坏，由于采用相控技术产生谐波污染电网，使荧光灯及气体灯小停闪动，减损灯具寿命及相关附件的使用寿命，降低照明质量，不绿色不环保，主要是净化电网，补充无功功率，补偿电网，而对有功电度表计量系统，缺少实际节电效果。
1.2.2国外研究现状
近20年来，美国和日本照明节能集中在使用紧凑型荧光灯（CFL）和荧光灯采用镇流器两个方面，两个国家中用新技术替换老产品的过程有点不同：
2001年美国销售的镇流器中电子的占53%，而日本只有36%。
而两个国家在销售CFL灯占白炽灯的比例中，美国只占3%，而日本占了15%。
两个国家的国家、省和地方都在立法，鼓励和普及活动这三方面做文章，旨在推动节能产品的使用。
国外照明节能技术的发展具有以下特点：
（1）大力推动绿色照明，在光源的材料，使用规范上加以有效管理，出台了一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围。
（2）不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。
通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因素。
1.3本文主要内容
在进行系统设计时，所要完成的主要任务是搭建ZigBee无线网络，而本文根据在设计基于ZigBee的路灯节能控制系统时所需要的相关技术，介绍了ZigBee无线通信技术的相关内容，并将其与其他热门无线技术进行对比，从频率、覆盖范围、传输速率、复杂性以及应用范围等各方面综合考虑并进行比较，说明了在照明系统中选用ZigBee无线网络进行通信的原因[3]。
接下来介绍了ZigBee的特点及应用，网络拓扑结构，以及ZigBee节点设备的分类等。
开始进行系统设计时，给出了系统总体设计方案，介绍了系统主要芯片CC2430的各方面相关内容，包括其内部结构以及关键的收发模块等，并在此基础上进行了系统硬件原理图的设计，还有各设备主程序流程图的设计，最终完成系统的总体设计，实现系统所需要的功能。
第2章ZigBee技术
2.1ZigBee技术概述
随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围内通信的要求，这样就出现了个人区域网络（PersonalAreaNetwork:
PAN）和无线个人区域网络（WirelessPersonalAreaNetwork:
WPAN）的概念。
WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使他们可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。
目前，短距离无线通信技术主要有IrDA技术、蓝牙技术、Wi-Fi技术、ZigBee技术和UWS技术等。
而ZigBee技术则作为一种廉价、低功耗的近距离组网通信技术得到了快速的发展[4]。
“ZigBee”一词源自蜜蜂群在发现花粉，通过跳zigzag形舞蹈来告知同伴食物的位置、距离和方向等信息。
因此，是一种小动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通，人们借此来称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。
ZigBee技术主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能，十分适合用作于无线传感器网络等分布式系统。
其与其他一些无线技术的区别如表2-1所示：
表2-1几种无线技术比较
名称
标准
ZigBeeTM
802.15.4
GPRS／GSM
1XRTT／CDMA
Wi-FiTM
802.11b
BluetoohTM
802.15.1
频段
868、915MHz、
2.4GHz
0.8-1GHz
2.4GHz
2.4GHz
系统资源需求
4KB-32KB
16MB+
1MB+
250KB+
电池寿命（天）
100-1000+
1-7
0.5-5
1-7
网络规模
接近无限（264）
1
32
7
带宽（KB／S）
20-250
64-128+
11000+
720
传输距离（米）
1-100+
1000+
1-50
1-10+
缺点
距离有限，数据率有限
拨号连接，只能点对点通信，数据率低
距离短，耗电，软件复杂，有线点组网
距离短，复杂，有限点组网
优点
价位低，功耗低，即插即用，容量大，保密性高
网络覆盖
可有限点组网，数据率高
可有限点组网，即插即用
ZigBee技术从诞生到现在只有几年的时间。
它是在2002年由英国Invensys、日本三菱电气、美国Motorola、荷兰Philips等几家公司宣布成立ZigBee联盟，合力推动ZigBee技术的。
到2004年底，ZigBee1.0版标准正式公布。
2004年底到2006年不到两年时间，ZigBee联盟已经由最初的十多家公司发展到有全世界150多家知名厂商加盟的商业团体。
在众多厂商的追捧之下，ZigBee技术正呈现蓬勃的发展态势。
目前，ZigBee标准由ZigBee联盟维护，采用这样一种标准化的无限组网通信技术，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、相互沟通，就需要保证网络节点的互通性，即网络的标准化。
比如在智能家居的应用中，家居中的各种电器作为独立存在的节点需要相互通信，而它们很可能出自不同的厂家。
只有确定了一个各个厂家都遵循的标准，这些节点才能相互进行信息交流。
2）各种功能的无线网络节点可以组成星状网络、树状网络或网状网络结构。
随着网络拓扑的复杂化，就必须用大量的软件代码实现，也需要对无线通信技术
的精通和大量的人力物力投入来进行开发，对公司的要求非常高。
因此，ZigBee网络实现的代码，都是由国际标准组织和ZigBee联盟这样的机构协助组织完成的，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高层调用。
ZigBee产品开发中，各层次所对应的维护者如图2-1所示：
图2-1ZigBee层级结构
ZigBee联盟维护的最新版本是2007版：
ZigBee-2007Specification。
在本文的应用中，由于开题的时间节点和相应的芯片选型，仍采用2006版的标准。
ZigBee规范定义了3种类型的设备，每种都有自己的功能要求。
1）ZigBee协调器（Coordinator）
它是启动和配置网络的一种设备，负责网络正常工作以及保持同网络其他设备的通信。
协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其他活动。
一个ZigBee网络只能有一个ZigBee协调器。
2）ZigBee路由器（Router）
它是只用支持关联的设备，能够将消息转发到其他设备。
ZigBee星状网络不支持ZigBee路由器，树状和网状网络可以有多个ZigBee路由器。
3）ZigBee终端设备（EndDevice）
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，而不需要维护繁多的网络信息。
上述3种设备根据功能完整性可以分为全功能设备（FFD）和半功能设备（RFD）。
其中，全功能设备可以用作协调器、路由器和终端设备，半功能设备只能用作终端设备。
一个FFD可以与多个RFD或其他FFD设备通信，而一个RFD只能与一个FFD通信。
2.2ZigBee技术特点及应用
ZigBee技术主要有以下特点:
1）低速率
ZigBee根据不同的工作频段，其数据传输速率会有所不同，但都处于较低的速率。
在2.4GHz频段，有16个速率为250kbps的信道；在915MHz频段，有10个40kbps的信道；在868MHz频段，有1个20kbps的信道。
从能量消耗的成本、效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。
2）低功耗
在工作模式下，由于ZigBee技术的传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收/发时间短；而在非工作模式下，ZigBee节点又处于休眠模式。
加之设备的搜索、休眠激活和信道接入时延都很短，使得ZigBee节点非常省电。
3）低成本
由于ZigBee协议栈相对于蓝牙、Wi-Fi要简单得多（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，因此可以采用8位单片机和规模很小的存储器，大大降低了器件成本。
预计ZigBee模块初期成本在几十元左右，广泛应用后可降到10-20元；且由于ZigBee协议免专利费用，因此可进一步降低软件的应用费用。
4）短时延
ZigBee的通信时延以及从休眠状态激活的时延都非常短。
典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延为15ms，活动设备信道接入的时延为15ms，因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的工业控制等场合。
5）免许可无线通信频段
ZigBee采用的物理、MAC层协议是IEEE802.15.4，而它正是工作在2.4GHz或565/915MHz的工业科学医疗（ISM）频段，对全球2.4GHz频段均免许可使用，868MHz在欧洲，915MHz在北美被免许可使用。
在ISM频段工作不仅免除了ZigBee器件的频率使用限制，而且还为许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的机会。
6）多种组网方式
ZigBee网络可以通过网络协调器组成星状、树状、网状等多种网络拓扑。
组网方式灵活，并可通过节点设备的加入和退出使网络呈现动态变化的特点。
7）近距离通信
由于低功耗的特点，ZigBee设备的发射功率极小。
一般相近的两个ZigBee节点间的通信距离在10-100m内，在加大发射功率后，也可增加到1-3km；但通过相邻节点的接续通信传输，建立起ZigBee设备的多跳通信链路，还可使ZigBee的实际通信距离大幅度增加。
8）可靠数据传输
ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用CSM/CA（载波侦听/冲突避免）接入算法，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。
MAC层支持确认的数据传输模式，要求每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果在传输过程中出现问题可以进行重发，从而建立起可靠的数据通信模式。
9）大容量网络
ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。
如以星形组网方式，一个ZigBee网络最多可包括254个ZigBee子网节点，整个网络最多可以支持65000个节点。
10）自配置
在可通信的距离内，ZigBee通过网络协调器自动建立网络，采用CSM/CA方式进行信道接入，对节点设备可随时加入和退出，是一种自配置、自组织的组网模式。
11）三级安全模式
ZigBee提供了基于CRC（循环冗余校验）的数据包完整性校验，支持鉴权和认证，并在数据传输中提供了三级安全处理。
第一级是无安全方式：
适用于安全并不重要或者上层己经提供了足够的安全保护的应用。
第二级安全处理：
设备可以使用ACL（接入控制列表）来防止非法设备获取数据。
第三极安全处理：
在数据传输中采用属于高级加密标准（AES-128）的对称密码，AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法设备。
不同的应用可以灵活确定其安全属性。
针对ZigBee技术的如上特点，其在无限传感器网络、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理等方面可以得到广泛的应用，以下分别列出部分:
1）智能家居
二十世纪70年代后，计算机技术的广泛应用促使了家电技术的提升。
随着各种信息化家电的面世，智能家居的概念逐渐被人们所接受。
ZigBee的特点使其成为智能家居系统非常理想的传输方式之一[7]。
通过ZigBee网络，人们可以随时收集家居的各种信息，通过遥控实现远程控制的目的，各种家居之间也能通过相互交流实现自动化、网络化和智能化。
2）工业应用
通过ZigBee网络可以自动收集厂区各种设备信息，并将信息送达中央控制系统进行数据处理与分析。
这样，不仅使信息收集更加灵活机动，而且通过用无线网络替代原有的总线结构，可以在管道、线缆和人工使用方面大大消减成本。
3）智能交通
沿街道、高速公路等地方布置大量ZigBee节点设备，能够使人们免于迷路。
虽然GPS（全球定位系统）也能提供类似的服务，但这种新的分布式系统可以提供更加精确、具体的信息。
即使在GPS系统不能覆盖的楼内或地下，ZigBee系统仍然能够继续工作。
同样，基于ZigBee的系统，可以实现动态监控公交车辆位置，实时报站等功能，使城市生活更加便捷舒适。
4）医院应用
在医院，ZigBee网络可以帮助医生及时、准确地收集急诊病人的信息和检查结果，快速准确地作出诊断。
携带ZigBee终端的病人无论在何处都可以得到24小时的对体温、脉搏等参数的监控，从而进一步维护人们的健康。
2.3Zigbee网络设备中的分类
ZigBee是ZigBee联盟在IEEE802.15.4定义的物理层（PHY）和媒质访问控制层（MAC）基础之上制定的一种低速无线个域网（LR-WPAN）技术规范。
对于ZigBee网络中的节点的分类IEEE802.15.4和ZigBee联盟制定的标准分别有不同的定义方法。
IEEE802.15.4根据设备功能的不同，把网络中的设备分为全功能节点（FFD：
FullFunctionDevice）和简化功能节点（RFD：
ReducedFunctionDevice），其中FFD实现全部IEEE802.15.4协议，而RFD则根据特定的应用需求实现部分IEEE802.15.4协议[21]。
个域网（PAN：
PersonalAreaNetwork）根据设备在网络中承担的任务不同，可分为PAN协调器、协调器和一般设备。
一个IEEE802.15.4网络中只有一个PAN协调器，PAN协调器和协调器是FFD，其他设备都为一般设备可以是FFD或RFD。
RFD用于简单的应用，传输的数据量小，一般只与一个FFD相关联，所以RFD可用较少的资源来实现。
ZigBee联盟把IEEE802.15.4中定义的PAN协调器、协调器、一般设备分别称作ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端。
2.4Zigbee网络拓扑结构
（a）星型结构（b）树形结构（c）网状结构
ZigBee协调器ZigBee终端ZigBee路由器
图2-2Zigbee三种拓扑结构
ZigBee标准规定了三种拓扑结构：
星形、树形和网状网络。
如图2-2所示为ZigBee三种拓扑结构。
下面具体对三种结构进行介绍。
2.4.1星形网络
星形网络是一种发散状的网络，如图2-2（a）所示，在ZigBee网络中星形拓扑结构是以ZigBee协调器为中心，所有的ZigBee终端只能与协调器相通信，ZigBee协调器由FFD来充当。
FFD首先发出组网请求，如果网络中没有协调器，则该节点充当网络的协调器负责组建网络。
如果FFD得知ZigBee网络中有协调器，则该节点就加入到网络。
如果两个节点需要相互通信，都先将数据发送给协调器节点，再转发给对方。
星形网络的最大优点是：
结构简单、设备成本低、没有路由管理。
中心节点是分布式处理的中心因此负担会比较重。
缺点是：
节点之间的灵活性差、网络的覆盖范围有限、节点数量较少。
2.4.2树形网络
树形网络如图2-2（b）所示，同样需要协调器节点来创建网络，然而与星形网络相比，协调器的功能不是转发数据而是完成网络中节点的注册和网络管理的功能。
任何一个FFD都可以充当RFD或者协调器，所以在网络中绝大多数的节点为FFD。
在树形网络中子叶节点一般为RFD。
树形网络的优点是：
成本低、网络覆盖范围较大、路由方法简单。
缺点是：
结构相对固定，如果其中某个节点断开网络将会造成与其相关联的部分节点脱离网络，不适合动态变化的环境，稳定性较差。
2.4.3网状网络
在ZigBee网络中，最为复杂的结构就是网状网络。
网状网络是一种特殊的点到点的网络结构，其路由可自动建立和维护。
如图2-2（c）所示，在一个ZigBee网络中只有一个协调器，但是可以有若干个路由器，它们的地位都是平等的，可以与其通信范围内的所有节点直接通信，网络内部任何节点都可以相互访问。
可见网状网络的优点是：
如果网络中有节点失效离开网络，与其相关联的节点会自动找寻其它路由节点加入网络，实现路由修复和更新网络拓扑，不会引起网络分立。
节点可以通过多条路径传输数据，提高了网络的可靠性。
缺点是：
当节点数目增加时会加大消息传递的延迟和通信开销。
网络要求路由器节点上运行复杂的应用程序，实现路由修复和最佳路径选择，这样就使得节点应当具备较强的处理能力和较大的存储量。
2.5ZigBee协议架构
ZigBee协议栈架构是建立在IEEE802.15.4标准基础上的。
IEEE802.15.4标准定义了ZigBee的物理层（PHY）和媒质访问控制层（MAC）；ZigBee联盟在其基础上定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。
图2-3所示为ZigBee协议栈的结构，是以OSI七层参考模型为基础，只定义了其中与LR-WPAN应用相关的协议层[22]。
图2-3Zigbee协议栈的结构
ZigBee协议栈的每层都为其上层提供一套服务：
数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其它的服务。
每个服务实体和上层接口称作“服务访问点（SAP）”，通过SAP交换一组服务原语为上层提供相关服务功能。
在多个用户存在的网络中，如图2-4所示两个对等的用户L1-User、L2-User以及它们与P层通过原语对等的建立相连接的服务，其中L1-User、L2-User表示服务用户，P-Layer表示服务提供层，服务就是P-Layer向L1-User或L2-User提供的功能，然而服务用户的功能是建立在其下一层提供的服务基础上的。
层间信息流是一系列离散的事件，任何事件都是通过SAP发送服务原语来实现。
服务原语是一个抽象的概念，它仅仅指定了实现特定的服务需要传递的信息，而与实现具体的服务无关。
以下为四种服务原语：
（1）请求（request）。
请求原语由L1-User发送到它的P层，请求启动一项服务。
（2）指示（indication）。
指示原语由L1-User的第P层发送到对应的L2-User的相应层，用于同远端服务请求逻辑相关。
（3）响应（response）。
响应原语由L2-User发送到它的P层，完成此前提示原语启动的过程。
（4）证实（confirm）。
证实原语由P层发送到L1-User，传递此前服务请求原语的结果。
图2-4原语示意图
2.5.1物理层
物理层位于ZigBee协议架构的最底层，由射频收发器及底层控制模块构成。
PHY层定义了无线信道和MAC层之间的接口。
物理层参考模型如图2-5所示，物理层包括物理层数据服务（PLDE）和物理层管理实体（PLME）[23]。
PLME负责维护物理层PAN信息库（PHYPIB）。
物理层分别通过物理层数据服务访问点（PD-SAP）和物理层管理实体服务访问点（PLME-SAP）与MAC层通信，PD-SAP支持在两个对等的MAC层实体之间传输MAC协议数据单元，PLME-SAP允许在物理层和MAC层之间传输管理命令。
图2-5物理层参考模型
IEEE802.15.4定义物理层主要功能：
（1）无线发射机的激活和开启；
（2）当前信道上的能量检测（ED）；
（3）接收分组的链路质量指示（LQI）；
（4）基于CSMA-CA的空闲信道评估（CCA）；
（5）信道频率的选择；
（6）数据传输和接收。
2.5.2MAC层
MAC（MediaAccessControl媒质接入控制）层，从ZigBee协议栈体系结构来看，位于物理层和网络层之间，MAC层的作用与OSI参考模型中的数据链路层相类似，保证了ZigBee网络内点到点以及点到多点的连接。
ZigBee无线网络媒质接入是指当节点要发送数据时，节点如何占用信道连接到目的节点。
MAC层参考模型如图2-6所示，MAC层与物理层结构相似，同样也包括MAC层管理实体（MLME）和MAC层公共部分子层（MCPS），它们向网络层提供相应服务。
图2-6MAC层参考模型
MAC层公共部分子层服务访问点（MCPS-SA
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