ZigBee技术智能化控制城市LED路灯系统解析

蓝谱光电LED照明

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1.路灯监控网络的系统结构
GPRS技术与ZigBee技术相结合的方案，结合两者的优点，既节约成本，又降低了系统的复杂度。系统采用“路灯管理中心一一路灯监控子站一一路灯控制终端”三层模式结构，实现对路灯的远程控制操作。其中，路灯管理中心与路灯监控子站之间的通信采用GPRS技术，路灯监控子站与路灯控制终端以及路灯控制终端之间的通信采用ZigBee技术整个路灯监控系统结构图如图1所示。
[size=14.44444465637207px]图[size=14.44444465637207px]1 [size=14.44444465637207px]系统结构图

在一个路灯无线监控系统中，包含有多个ZigBee网络，一条街道附近区域的路灯就组成一个ZigBee网络。由于路灯均匀分布于道路两旁，且每两盏灯的间距一般为25~30m。所以，本系统首先要选取一个合适的地点安置ZigBee网络协调器，在ZigBee网络中，由ZigBee网络协调器负责建立网络，通常情况下，用ZigBee网络协调器实现路灯监控子站的功能，负责维护街道上路灯灯节点的运行状况。路由节点加入到网络后，路灯监控系统中控制终端的角色。

2.系统硬件设计

2.1 ZigBee协调器模块设计

[size=14.44444465637207px]ZigBee[size=14.44444465637207px]协调器主要由[size=14.44444465637207px]GPRS[size=14.44444465637207px]通信单元、微处理器、通信单元和电源模块组成。协调器负责组建[size=14.44444465637207px]ZigBee[size=14.44444465637207px]网络，实现信息收发处理工作，需要不断地采集监控中心发来的各种指令下达给控制终端，同时将终端及线路信息反馈给监控中心。模块结构图如图[size=14.44444465637207px]3[size=14.44444465637207px]所示。处理器使用基于[size=14.44444465637207px]ARM7[size=14.44444465637207px]的微处理器模块，通过串口[size=14.44444465637207px]TTL[size=14.44444465637207px]电平和[size=14.44444465637207px]GPRS[size=14.44444465637207px]通信模块进行数据传递，通过[size=14.44444465637207px]SPI[size=14.44444465637207px]串口连接通信模块，电源模块通过[size=14.44444465637207px]220V[size=14.44444465637207px]交流转换为[size=14.44444465637207px]5V[size=14.44444465637207px]为处理器、[size=14.44444465637207px]GPRS[size=14.44444465637207px]通信模块和通信模块供电。通信模块采用[size=14.44444465637207px]TI[size=14.44444465637207px]公司的[size=14.44444465637207px]ZigBee[size=14.44444465637207px]射频芯片[size=14.44444465637207px]cc2530[size=14.44444465637207px]，主要技术指标包括：工作频段为[size=14.44444465637207px]2.4GHz[size=14.44444465637207px]；信道为[size=14.44444465637207px]16[size=14.44444465637207px]个；发射功率为[size=14.44444465637207px]4.5dBm[size=14.44444465637207px]；接收灵敏度为[size=14.44444465637207px]-97dBm[size=14.44444465637207px]。

[size=14.44444465637207px]图[size=14.44444465637207px]3 ZigBee[size=14.44444465637207px]协调器模块

2.2 LED路灯控制模块

[size=14.44444465637207px]在路灯控制终端中，它的硬件组成部分主要包括[size=14.44444465637207px]MCU[size=14.44444465637207px]微控制器单元、电压电流等信息监测单元、射频模块单元、[size=14.44444465637207px]LED[size=14.44444465637207px]路灯驱动控制单元和电源模块。其硬件结构如图[size=14.44444465637207px]4[size=14.44444465637207px]所示。作为路灯控制终端设备的[size=14.44444465637207px]CPU[size=14.44444465637207px]，要完成与射频模块的通信、数据包收发的处理和存储等功能，除要求[size=14.44444465637207px]MCU[size=14.44444465637207px]微控制器具有足够的存储空间外，还要具有强大的数据处理能力[size=14.44444465637207px]。模块引脚图如图[size=14.44444465637207px]5[size=14.44444465637207px]所示。

[size=14.44444465637207px]路灯控制模块硬件结构

[size=14.44444465637207px]图[size=14.44444465637207px]5 STM32F103RBT6[size=14.44444465637207px]模块引脚图

[size=14.44444465637207px]图5中，MCU共有三个串口，分别是UART1，UART2和UART3。管脚42和43作为DART 1串口的发送和接收引脚，与GPRS模块相连，从而实现CPU和GPRS模块之间的通信，这种连接方式主要针对监控子站设备，而路灯控制终端设备并不连接GPRS模块。管脚16和17作为UART2串口的发送和接收引脚，与射频模块相连接，从而实现CPU和射频模块之间的通信。管脚29和30作为UART3串口的接收和发送引脚，主要实现RS485通信，与LED控制板相连接，从而实现CPU对LED控制板的驱动。MCU的14管脚作为RS485的使能信号，与485转换芯片相连接，根据接收到的485通信协议，实现对LED驱动控制板作为收发转换设备的处理。MCU的15管脚输出PWM信号，调节电流大小，从而实现对LED路灯的亮度调节。MCU的管脚21和22连接至检测单元的安全门接口，用来实现防盗报警的功能。

3.软件设计

[size=14.44444465637207px]3.1 系统软件的总体设计

[size=14.44444465637207px][size=14.44444465637207px]本系统无线传感网络的软件层分为三个层次：硬件抽象层、系统服务层和应用层。

[size=14.44444465637207px][size=14.44444465637207px]其中，硬件抽象层移植了[size=14.44444465637207px]COS-[size=14.44444465637207px]Ⅱ嵌入式实时操作系统，为上层屏蔽了硬件细节，同时为硬件单元如电源模块、[size=14.44444465637207px]MCU[size=14.44444465637207px]微处理器模块和射频通信模块等提供了驱动程序。系统服务层主要实现操作系统的任务调度功能，通过修改[size=14.44444465637207px]OS_CPU_A.S[size=14.44444465637207px]档，用汇编语言实现[size=14.44444465637207px]CPU[size=14.44444465637207px]的开[size=14.44444465637207px]/[size=14.44444465637207px]关中断和任务的切换，并且支持传输通信协议，完成路由算法的实现。应用层主要根据使用者的定义，实现上位机软件的设计功能。[size=14.44444465637207px]本文根据数据流传输方向的不同，把数据传输分为上报和下发。

[size=14.44444465637207px][size=14.44444465637207px]图[size=14.44444465637207px]6 [size=14.44444465637207px]系统主程序流程图

[size=14.44444465637207px]3.2 路灯监控子站处理信息流程

[size=14.44444465637207px][size=14.44444465637207px]　艾蓝谱路灯监控子站不仅要与路灯管理中心建立[size=14.44444465637207px]GPRS[size=14.44444465637207px]网络，还要与路灯控制终端建立[size=14.44444465637207px]ZigBee[size=14.44444465637207px]网络，在路灯监控子站节点上，既装有[size=14.44444465637207px]GPRS[size=14.44444465637207px]通信模块，又搭载了射频模块。当自身设备的[size=14.44444465637207px]MCU[size=14.44444465637207px]初始化完成后，通过串口对[size=14.44444465637207px]GPRS[size=14.44444465637207px]模块进行初始化，按照[size=14.44444465637207px]GPRS[size=14.44444465637207px]协议接入[size=14.44444465637207px]GPRS[size=14.44444465637207px]网络，接着进入了主程序循环任务。