基于ZigBee的路灯监控系统设计毕业设计论文.docx
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基于ZigBee的路灯监控系统设计毕业设计论文
基于ZigBee的路灯监控系统设计
摘要
随着社会经济的不断发展，人们对市政建设中城市照明系统的要求不断提高。
传统的路灯控制技术与维护方法存在着很多缺点和弊端，包括施工复杂，灵活性差，存在能源浪费、智能化程度低、通信稳定度差等，无法适应城市现代化发展的需求。
Zigbee技术是一种新兴的无线网络通信技术，与传统的有线系统相比，其在性能、成本以及组网规模等方面具有很大的优势，适用于智能家居、工业控制和医疗控制等领域。
本文为解决传统路灯控制系统存在的不足，设计出基于Zigbee技术的LED路灯监控系统。
首先，深入分析当前路灯控制技术的应用背景和国内外路灯控制技术的研究现状。
针对传统路灯控制技术的不足与弊端，阐述了Zigbee技术在路灯控制领域的发展前景。
其次，详细介绍Zigbee技术低功耗、低成本以及网络容量大等特点和符合Zigbee通信协议的硬件开发平台CC2430。
最后，完成LED路灯监控系统的硬件设计以及软件流程图的设计。
路灯控制系统的硬件部分是以CC2430为控制核心，加上一些外围电路组成控制系统，包括光敏电阻检测电路、路灯工作状态检测电路、支路控制电路等，实现路灯根据光线明暗自动开关，检测路灯工作状态等功能。
软件部分主要是路灯控制系统流程图的设计，详细描述整个系统的工作过程。
关键词：
ZigbeeCC2430路灯监控
Abstract
Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,therequirementofcitylightingsystemhasbeenimprovinginthemunicipalconstruction.Thetraditionalstreetlightcontroltechnologyandmaintenancemethodaremanyshortcomingsandabuses,includingconstructioncomplex,flexibilityispoor,existingenergywaste,lowdegreeofintelligence,communicationstabilityetc,can'tadapttotheneedsofthedevelopmentofthecitymodernization.
Zigbeetechnologyisanewkindofwirelessnetworkcommunicationtechnology,thecommunicationtechnologyandtraditionalcomparedwiththeperformance,cost,andinthescaleofnetworkhasalotofadvantages,usedinintelligenthousehold,industrialcontrolandmedicalcontrol,etc.Thepurposeofthispaperistosolvetraditionalstreetlightcontrolsystem,theproblemsofdesignbasedonZigbeetechnologyLEDstreetlampmonitoringsystem.
Firstofall,thethoroughanalysiscurrentstreetlightcontrolapplicationbackgroundandlampcontroltechnologyathomeandabroadpresentsituationofthestudy.Accordingtothedeficiencyofthetraditionalstreetlightcontroltechnologyanddisadvantages,thispaperexpoundstheZigbeetechnologyinthestreetlampcontrolareasofdevelopmentprospects.
Second,detailedintroducesZigbeetechnologylowpowerconsumption,lowcostsandnetworkcapacitycharacteristicsandmeetZigbeecommunicationprotocolCC2430hardwaredevelopmentplatform.
Finally,completeLEDstreetlampmonitoringsystemofhardwaredesignandsoftwareflowchartofthedesign.StreetlightcontrolsystemhardwarepartisCC2430ascontrolcore,plussomeperipheralcircuitcompositioncontrolsystem,includingphotoconductiveresistancedetectioncircuit,streetlampworkingstatedetectioncircuit,controlcircuitandotherbranch,andrealizethestreetlampaccordingtotheradiallightandshadeautomaticallyswitch,detectionstreetlightworkofthestate,andotherfunctions.Softwareofmainstreetisthedesignoftheflowchartofthecontrolsystem,adetaileddescriptionofthewholesystemworkingprocess.
Keywords:
ZigbeeCC2430streetlampmonitoring
1绪论
1.1课题研究的背景与意义
随着我国城市化水平的不断提高，在推进城市公共照明工程的过程中，城市道路照明和灯饰工程等逐渐受到人们重视，照明光源和调控设备也得到迅速发展。
同时，城市公共照明的迅速发展，节能环保和提高路灯照明系统的管理水平逐渐成为人们的共识。
目前大多数城仍然采用传统的路灯控制技术，使用有线方式组建网络，不仅施工难度大，而且智能化程度低、通信稳定度差以及控制灵活性差等，给城市照明系统的日常维护和管理带来很大困难。
近年来随着人们对短距离无线通信要求的不断提高和Zigbee技术的迅速发展，给城市路灯控制系统提供了新的技术解决方案，而将Zigbee技术应用于路灯控制系统也逐渐成为人们新的研究课题。
Zigbee技术是一种面向低传输速率的近距离无线通信技术，具有低功耗、低成本、低复杂度、抗干扰能力强、网络容量大等特性[1]。
作为一项新的技术标准，Zigbee技术的发展前景极为广阔，因此获得了众多大公司的支持。
Zigbee协议栈是由IEEE批准通过的有关组网、安全和应用软件的技术标准。
随着各种支持Zigbee协议芯片的推出，该技术已被广泛应用于数字家庭、医疗护理和环境监测等领域。
从路灯控制系统的成本、智能化、可靠性和可维护性等方面考虑，结合路灯控制的实际应用需求和Zigbee技术的自身特点，本课题设计了一套基于Zigbee网络的路灯监控系统，对路灯进行远程数据采集、控制与调节，提高路灯控制系统的管理水平，实现根据实际需要开关路灯。
1.2路灯控制技术的研究现状
道路照明系统的控制技术直接影响着系统的管理水平和照明系统的节能效果，很早就得到许多国家尤其是一些欧美发达国家的重视，并提出多种不同的解决方案。
国内对道路照明控制技术的研究较少，但近年来得到迅速发展。
为解决不同场合的实际照明需求，人们研究出各种不同的控制方式，主要为光照控制、集中监控、和单灯控制[2]。
目前应用最多的转同控制方法依然是光照控制和事件控制，在一些乡镇地区仍然广泛使用。
传统控制方式有着很大的弊端，无法根据实际需要及时对路灯的开关进行控制，工作人员也无法及时了解路灯工作状况进行及时的维护，且故障率高维修困难。
随着城市化化进程的不断推进，人们对照明要求也越来越高，照明范围越来越大，现行控制方式已无法满足当下对道路照明系统的智能化管理。
目前国内很多城市路灯的开、关控制仍由配电箱分散控制，很少对路灯进行远程监控，缺乏灵活多变的操作方式，无法根据实际需要开关路灯，很多时候造成能源浪费，因此寻在着一系列的问题：
（1）通信系统采用有线方式布局，系统复杂，管理困难。
（2）照明系统覆盖范围广，工作人员难以及时有效的进行维护，效果不理想。
路灯运行状态不能及时反馈到控制中心，无法及时维护，当路灯发生故障时，给行人也带来不便。
（3）无法根据实际需求开关路灯，造成能源浪费。
（4）存在安全隐患，工作人员无法及时掌握路灯情况，无法保障安全。
针对上述传统控制技术存在的缺点，利用ZigBee技术与LED路灯的结合能很好解决路灯的监控和节能问题。
主要原因如下：
（1）ZigBee技术的网络容量大且组网简单，理论上拥有一个协调器的网络可拥有多达65535个节点，每个路由器也能容纳255个节点。
这和其他技术相比拥有极大的优势。
一般情况下，一个区域的路灯用一个协调器及可进行控制。
（2）在对路灯进行监控时，需要进行传输的数据不多，只需要每隔几分钟发送一次数据即可。
（3）ZigBee网络是一种自组织网络，网络拓扑结构可以根据实际需要随意变动，而且ZigBee网络具有自愈功能，网络不会因为一个或几个节点失去联系而瘫痪。
（4）Zigbee技术的低功耗、低成本、低复杂度和网络容量大等特性成为路灯控制系统的最佳技术方案，而且可以在监控中心对路灯进行远程无线控制，操作更加灵活。
1.3论文的组织和安排
第一章绪论。
介绍课题研究背景及意义，以及国内外研究现状。
阐述本设计具有的经济和环保意义及市场前景。
在研究了国内外研究现状的基础上，总结出路灯控制技术的发展趋势。
第二章Zigbee技术及应用。
详细介绍本设计所采用的技术方案，阐述了Zigbee协议栈、拓扑结构及应用领域等，对Zigbee体系结构进行了详细的介绍。
第三章Zigbee技术开发使用的硬件平台。
详细介绍了本设计所采用的硬件平台，对CC2430的功能及格引脚进行介绍。
第四章路灯监控系统的硬件设计。
在分析应用需求的基础上，设计硬件实现方式，包括光敏检测电路、支路控制电路、路灯工作状态检测电路等。
第五章软件流程图设计。
该部分有助于理解整个系统的工作过程，主要从协调器、路由器以及终端设备三个方面，详细介绍了路灯的信息采集和控制过程。
第六章结论与展望。
总结整个系统的设计过程及功能，针对系统目前功能上的不足与缺点，对进一步完善与改进进行了探讨。
2Zigbee技术及应用
2.1短距离无线通信技术的比较
目前，用于短距离无线通信的技术主要有RFID技术、蓝牙技术、红外技术、UWB超宽带技术以及Zigbee技术等。
2.1.1REID技术
射频识别技术是一种非接触自动识别技术。
该技术利用射频信号通过交变磁场实现无线接触进行数据传输，并根据传递的信息来识别的目的。
RFID技术不需要精确定位即可以实现对大量数据进行实时采集、传递、核对、更新等，避免人为操作中的错扫、漏扫和重扫等差错。
2.1.2蓝牙技术
蓝牙技术（Bluettooth）是一种语音通信与无线数据的开放性全球规范。
蓝牙技术的工作频率为2.4GHz,其数据有效传输范围在10m左右。
在有效通信范围内，所有使用蓝牙技术的多台设备都可以进行无线联网，数据传输速度大约1Mb/s。
随着蓝牙技术的逐渐成熟、芯片价格以及功耗不断降低，蓝牙技术已经成为许多手持设备主要的短距离通信方式。
2.1.3红外技术
IrDA（红外线）是一种使用红外线进行点对点通信的无线通信方式，该技术的主要优点是不需要申请频率使用权，故红外通信成本低。
此外，红外设备还具有体积小、功耗低、连接方便以及操作简单的特点。
红外技术的不足之处在于这是一种视距传输技术，两个通信设备之间不得有其他物体，否则无法完成通信，所以该技术只能在两台设备之间进行通信。
2.1.4UWB超宽带技术
UWB（UltraWideBand，超宽带技术）是一种新发展起来的短距离无线通信技术。
它通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。
由于该技术未采用载波调制技术，因此无需混频、过滤和射频/中频转换模块，从而实现低成本、低功耗和高宽带性能。
理论上的有效通信距离为5m-10m，瞬时速率甚至可达1Gbp/s，实现高速率通信。
2.1.5Zigbee技术
Zigbee技术是新近提出的一种短距离无线通信技术，该技术具有功耗低、成本低、网络容量大且组网简单等特点。
与蓝牙技术相比，Zigbee技术因其更低的功耗和更大的网络容量等特点必将获得更为广阔的发展前景，由于其具有更高的可靠性，该技术在工业控制、智能家居以及安全系统等方面有着广泛的应用。
通常情况下，通信设备的成本和复杂度都会随着通信距离和网络容量的增加而增加。
本文通过对现有无线通信技术的优缺点进行比较，鉴于本设计要求低功耗和无线组网的要求，我们采用Zigbee技术作为本文的技术方案。
2.2Zigbee技术简介
随着人们对通信的要求越来越高，人们提出了在短范围内的无线通信要求，于是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[3]。
WPAN网络为近距离范围内的通信设备组建无线网络，把通信范围内的多个设备通过无线连接方式连接，使这些设备之间可以互相通信甚至接入LAN或者互联网。
Zigbee技术则作为一种低成本、低功耗的近距离无线通信技术得到了快速发展。
目前，Zigbee标准由Zigbee联盟来维护，采用这一标准化的无线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、互相沟通，就需要保证网络节点的互通性，即网络协议的标准化。
（2）各种功能的无线网络节点可以组成多种不同的网络拓扑结构，包括星状网络、树状网络和网状网结构。
随着网络拓扑的复杂化，就必须用大量的软件代码实现，需要大量的人力物力投入来进行开发，对公司开发新产品的要求非常高[3]。
因此，Zigbee网络实现的软件代码，都由国际标准组织和Zigbee联盟这样的机构协助组织完成，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程序调用。
Zigbee联盟维护的最新版本是2007版：
Zigbee-2007Specification。
在本设计中，由于相应的硬件平台选择原因，仍采用2006版的标准。
2.3Zigbee网络设备及其拓扑结构
Zigbee系统的网络设备按照其实现的不同功能可分为两类：
具有完整功能的全功能设备（FFD）和只具有部分简单功能的简单功能设备（RFD）[4]。
其中RFD功能简单较易于实现，在整个网络中因其功能简单只可作为终端设备采集数据，也只能和一个特定的FFD进行通信。
全功能设备可以作为路由器转发数据、扩充网络容量，也可作为整个系统的协调器，控制整个网络，一个Zigbee系统至少要有一个FFD作为协调器。
FFD也可以作为终端设备来使用。
（1）Zigbee协调器（Coordinator）
它是建立和配置网络的一种设备，负责网络的正常工作以及保持网络和其他设备的通信。
首先，协调器建立一个无线网络，监听网络中的无线信号，接受其他设备加入网络的请求，同时发送指令给其他节点，控制整个网络。
一个中央协调器就可控制整个网络。
（2）Zigbee路由器（Router）
路由器是一个用来转发消息的设备，作用是用来增加网络覆盖范围，保证无线通信的稳定性。
首先，路由器加入协调器组建的网络后接收来自终端节点的信号，然后发送给协调器，同时也会接收来自协调器的命令，转发给终端节点。
Zigbee星状网络不支持Zigbee路由器，树状网和网状网可以有多个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，而不需要维护复杂的网络信息。
终端设备要其他设备进行通信只可以通过路由器转发。
当网络需要覆盖范围较大时，Zigbee可以组建不同的网络拓扑结构来增加网络覆盖范围。
Zigbee有三种网络拓扑结构:
星形网、树状网和网状网[3]。
（1）星形网络
在星形拓扑结构中，通信是在终端设备和一个中心协调器之间进行的，该网络的通信范围受到限制，只适用于范围较小的场合。
协调器可以作为发起设备，也可以是终端设备。
中心协调器具有对本地网络进行管理的功能，负责建立网络、分配网络地址以及成员的加入等情况，同时还负责维护和更新各种设备和数据，通常情况下协调器具有稳定的电能供给，无需考虑能耗问题。
终端节点因其只具有一些简单功能，所以只可以和协调器进行通信，与网络中其他设备的通信则必须经过协调器进行数据转发[4]。
星形网络拓扑结构如图2-1所示。
图2-1星形网络拓扑结构
（2）树状网
在树状网络中，RFD可以选择加入Zigbee路由器或者协调器，路由器用来扩大整个网络的覆盖范围。
路由器可以向整个网络提供两种功能的服务：
一是增加整个网络的节点数，二是扩展网络覆盖范围[5]。
加入路由器后，终端设备可以通过路由器连接到协调器上，保证整个网络的通信，而不需要在协调器的射频范围内才可以加入网络。
在一些通信范围较大的场合中，树状网的拓扑结构可以有效解决通信范围不足问题。
树状网中大部分节点是全功能设备，而简单功能设备则处于树状网的末端。
图2-2树形网络拓扑结构
（3）网状网
网状网是一种相对自由的拓扑结构，根据实际需要来设置相应的应用，对环境具有很强的适应能力。
与其他两种网络拓扑结构不同的是，网状网中的节点大多数都是全功能设备，都可以自由的与网络中的其他设备进行通信，可以构成相对比较复杂的网络结构。
网状网中设备之间进行通信时，为了扩大网络的通信范围和通信的稳定性，应尽可能的利用路由器进行数据的转发[4]。
在该网络中，数据传输的路径相对自由灵活，可以任意选择新的路由器而不必使用协调器。
图2-3网状网拓扑结构
2.4Zigbee协议栈体系结构
Zigbee协议栈体系结构是由一组称为层的块组成，每个层为上一层提供指定的服务。
数据实体为上层提供数据传输的服务，管理实体则为上层提供其他所有服务。
每个服务实体都通过服务接入点（SAP）为上层提供服务[5]。
Zigbee协议栈体系结构共分为四层，分别是物理层（PHY）、媒体接入控制层（MAC）子层、网络层和应用层[4]。
Zigbee体系结构如图2-4所示。
图2-4Zigbee体系结构
2.4.1物理层
IEEE802.15.4有两个不同的物理层，分别作用于两个不同的频率范围：
868/915MHz和2.4GHz[5]。
其中868MHz频段应用于欧洲，915MHz频段应用于美国、澳大利亚等国。
物理层位于Zigbee协议栈的最底层，管理以下一些任务：
（1）激活和关闭射频收发器
（2）在已有的信道上进行能量检测
（3）空闲信道评估（ClearChannelAssessment,CCA）
（4）检测接受分组的链路质量指示（LinkQualityIndication,LQD）
（5）对信道频率进行选择
（6）数据的传输和接收
2.4.2媒体接入控制层（MAC）
MAC层主要为Zigbee网络中两个通信设备间的MAC层实体提供可靠的通信链路[4]。
MAC层向上层提供两种服务：
MAC层数据服务及MAC层管理服务[5]。
数据服务是指支持不同设备的MAC层之间的数据交换，管理服务是指MAC支持上层对其下达管理命令。
无线信道是一个共享信道，MAC层的关键技术之一就是解决设备在使用共享信道时不会产生因为冲突而造成错误的问题，否则就会造成网络的瘫痪。
MAC子层需要处理接入到无线信道等事务，并负责以下几个方面的任务：
（1）网络协调器产生并发送网络信标。
（2）设备根据协调器的信标和协调器保持同步，并支持PAN链路的建立和断开以及无线信道的安全等。
（3）信道接入采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA-CA）机制。
（4）处理和维护采用GTS机制。
超帧结构和信标的概念引入使网络管理变得非常方便，每个超帧都以协调器信标开始，该信标中包含超帧持续时间以及时间分配等信息。
（5）在两个通信设备对等MAC实体间提供数据通信链路。
2.4.3Zigbee网络层
网络层主要是为确保正确操作IEEE802.15.4MAC子层和为应用层提供服务接口。
为了能够在相同应用层进行连接，网络层在概念上包括两个应用实体：
数据服务实体（NLDE）和管理服务实体（NLME）[6]。
网络层数据实体向上层提供数据传输服务，管理实体则通过连接SAP提供管理服务。
除此之外，网络管理实体利用数据实体完成某些管理任务，负责维护网络信息数据库（NIB）。
网络层主要为保证MAC子层的正常工作而提供一些必要的应用函数和相应的服务接口。
网络层数据实体只能向在同一个网络中的两个及多个设备提供数据传输服务。
网络层数据实体可向应用层提供以下一些服务：
（1）生成网络级别的PDU（NPDU）
（2）指定传输路由
（3）确保无线通信的机密性和安全性
图2-5网络层参考模型
网络层管理实体（NLME）应提供某些管理服务，允许应用程序与协议栈相互作用。
NLME应提供以下服务：
1）配置一个新设备。
为所需的操作充分配置协议栈的功能，配置选项包括开始一个作为ZigBee协调器的操作，或加入一个已存在的网络。
2）开始一个网络。
建立一个新的网络功能。
3）加入、重新加入和离开一个网络。
加入、重新加入或离开一个网络的功能，以及为一个ZigBee协调器或ZigBee路由器请求一个设备离开网络的功能。
4）寻址。
ZigBee协调器和路由器给新加入网络的设备分配地址的能力。
5）邻居发现。
发现、记录和报告关于单跳邻居设备信息的能力。
6）路由发现。
发现并记录通过网络的路径的功能，即信息可以有效地传送。
7）接收控制。
一个设备控制何时接收者是激活的，以及激活多长时间，从而使MAC子层同步或直接接收。
8）路由。
路由器从一个接口上收到数据包，根据数据包的目的地址进行迪昂想并转发到另一个接口的过程。
例如单播，广播，多播或者多对，在网络中高校交换数据。
2.4.4Zigbee应用层
Zigbee的应用层包括APS子层（应用支持子层）、ZDO（Zigbee设备对象）及其他制造商定义的应用对象[7]。
ZigBee技术嵌入到消费型电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围内基于无线通信的控制和自动化。
通常符合下列条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术：
●设备间距较小；
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