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ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFSOCIETYANDECONOMY,THEREQUIREMENTOFCITYLIGHTINGSYSTEMHASBEENIMPROVINGINTHEMUNICIPALCONSTRUCTIONTHETRADITIONALSTREETLIGHTCONTROLTECHNOLOGYANDMAINTENANCEMETHODAREMANYSHORTCOMINGSANDABUSES,INCLUDINGCONSTRUCTIONCOMPLEX,FLEXIBILITYISPOOR,EXISTINGENERGYWASTE,LOWDEGREEOFINTELLIGENCE,COMMUNICATIONSTABILITYETC,CANTADAPTTOTHENEEDSOFTHEDEVELOPMENTOFTHECITYMODERNIZATIONZIGBEETECHNOLOGYISANEWKINDOFWIRELESSNETWORKCOMMUNICATIONTECHNOLOGY,THECOMMUNICATIONTECHNOLOGYANDTRADITIONALCOMPAREDWITHTHEPERFORMANCE,COST,ANDINTHESCALEOFNETWORKHASALOTOFADVANTAGES,USEDININTELLIGENTHOUSEHOLD,INDUSTRIALCONTROLANDMEDICALCONTROL,ETCTHEPURPOSEOFTHISPAPERISTOSOLVETRADITIONALSTREETLIGHTCONTROLSYSTEM,THEPROBLEMSOFDESIGNBASEDONZIGBEETECHNOLOGYLEDSTREETLAMPMONITORINGSYSTEMFIRSTOFALL,THETHOROUGHANALYSISCURRENTSTREETLIGHTCONTROLAPPLICATIONBACKGROUNDANDLAMPCONTROLTECHNOLOGYATHOMEANDABROADPRESENTSITUATIONOFTHESTUDYACCORDINGTOTHEDEFICIENCYOFTHETRADITIONALSTREETLIGHTCONTROLTECHNOLOGYANDDISADVANTAGES,THISPAPEREXPOUNDSTHEZIGBEETECHNOLOGYINTHESTREETLAMPCONTROLAREASOFDEVELOPMENTPROSPECTSSECOND,DETAILEDINTRODUCESZIGBEETECHNOLOGYLOWPOWERCONSUMPTION,LOWCOSTSANDNETWORKCAPACITYCHARACTERISTICSANDMEETZIGBEECOMMUNICATIONPROTOCOLCC2430HARDWAREDEVELOPMENTPLATFORMFINALLY,COMPLETELEDSTREETLAMPMONITORINGSYSTEMOFHARDWAREDESIGNANDSOFTWAREFLOWCHARTOFTHEDESIGNSTREETLIGHTCONTROLSYSTEMHARDWAREPARTISCC2430ASCONTROLCORE,PLUSSOMEPERIPHERALCIRCUITCOMPOSITIONCONTROLSYSTEM,INCLUDINGPHOTOCONDUCTIVERESISTANCEDETECTIONCIRCUIT,STREETLAMPWORKINGSTATEDETECTIONCIRCUIT,CONTROLCIRCUITANDOTHERBRANCH,ANDREALIZETHESTREETLAMPACCORDINGTOTHERADIALLIGHTANDSHADEAUTOMATICALLYSWITCH,DETECTIONSTREETLIGHTWORKOFTHESTATE,ANDOTHERFUNCTIONSSOFTWAREOFMAINSTREETISTHEDESIGNOFTHEFLOWCHARTOFTHECONTROLSYSTEM,ADETAILEDDESCRIPTIONOFTHEWHOLESYSTEMWORKINGPROCESSKEYWORDSZIGBEECC2430STREETLAMPMONITORING目录摘要IABSTRACTII1绪论111课题研究的背景与意义112路灯控制技术的研究现状12ZIGBEE技术及应用421短距离无线通信技术的比较4211REID技术4212蓝牙技术4213红外技术4214UWB超宽带技术5215ZIGBEE技术522ZIGBEE技术简介523ZIGBEE网络设备及其拓扑结构624ZIGBEE协议栈体系结构9241物理层9242媒体接入控制层10243ZIGBEE网络层10244ZIGBEE应用层1225ZIGBEE和LED技术的优势1226ZIGBEE技术的应用领域133ZIGBEE技术开发使用的硬件平台1531无线通信芯片的选择1532CC2430芯片介绍16321I/O端口线引脚功能17322CC2430芯片电源线引脚功能17323控制线引脚功能1833CC2430芯片典型应用电路1934ZIGBEE天线系统设计2035RS232DB9MAX23220351RS232DB9引脚定义21352MAX232原理2136GPRS模块解决方案224路灯监控系统的硬件设计2341终端硬件电路的设计与实现23411直流稳压电源的供电电路设计24412光敏检测电路25413支路控制电路的设计26414工作电流检测电路2742协调器硬件电路的设计与实现28421MAX232串口通信电路设计285路灯监控系统的软件流程图设计3051网络协调器流程图设计3052路由器程序流程图设计3153终端节点流程图设计326结论与展望3461总结3462展望34致谢36参考文献37附录3911绪论11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。12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2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3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。13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。42ZIGBEE技术及应用21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。211REID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。212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24GHZ,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。213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5无法完成通信，所以该技术只能在两台设备之间进行通信。214UWB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5M10M，瞬时速率甚至可达1GBP/S，实现高速率通信。215ZIGBEE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。22ZIGBEE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（PERSONALAREANETWORKPAN）和无线个人区域网络（WIRELESSPERSONALAREANETWORKWPAN）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6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ZIGBEE2007SPECIFICATION。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。23ZIGBEE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。1ZIGBEE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。2ZIGBEE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7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。3ZIGBEE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21所示。协调器终端设备图21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8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。协调器路由器简单功能节点图22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。9终端设备路由器协调器图23网状网拓扑结构24ZIGBEE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24所示。应用层网络层MAC层物理层IEEE802154ZIGBEE协议图24ZIGBEE体系结构10241物理层IEEE802154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24GHZ5。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242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（CSMACA）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。11（5）在两个通信设备对等MAC实体间提供数据通信链路。243ZIGBEE网络层网络层主要是为确保正确操作IEEE802154MAC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NLME6。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PDUNPDU（2）指定传输路由（3）确保无线通信的机密性和安全性MLDESAPMLMESAP网络等数据实体网络层管理实体MCPSSAPMLMESAP上层实体MAC层实体图25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12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。244ZIGBEE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；设备成本很低，传输的数据量很小；设备体积很小，不容许防止较大的充电电池或者电源模块；只能使用一次性电池，没有充足的电力支持；无法做到频繁更换电池或反复充电；需要覆盖的范围较大，网络内需要容纳的设备较多，网络主要用于检测或控制。ZIGBEE设备对象是处于协议栈中应用层上的为满足实际应用需求的一种解13决方案，为协议栈中的各层提供初始化服务。25ZIGBEE和LED技术的优势ZIGBEE技术是一种新兴的短距离无线通信技术，使用IEEE802154协议作为通信标准，具有低速率、低功耗、高容量、延时短、安全性高以及免执照频段等特点8；LED路灯以发光二极管为光源，具有节能环保等优点。两种技术的结合为现代城市照明系统的发展和节能环保提供了可能的技术手段，用ZIGBEE技术和LED路灯组建的无线路灯控制系统从成本、功能以及运营管理等方面都具有很大的优势。基于ZIGBEE技术的LED路灯控制系统在节能和环保方面技术优势明显1低功耗LED路灯的功率选择根据不同场合的实际照明需求，通常选用50W到200W的功率。路灯照明用高压钠灯功率一般在250W，特殊场合可使用高达450W的高压钠灯；ZIGBEE模块在低功耗模式下工作时普通干电池就可保证芯片长时间工作。2寿命长平均每盏LED路灯的设计使用寿命为大约50000小时，有时甚至更高，远远超过高压钠灯的使用寿命，在节约成本和维护上具有很大优势。3照明效率高LED路灯采用独特的二次光学设计，将灯光照射到需要照明的区域，提高光照效率，节约能源，LED灯光具有单向性，光源没有漫射，保证照明效率；LED光源具有环保特性，不含汞，无污染，属于新兴绿色照明光源8。4成本低拥有精简的通信协议，减少对微控制器的要求。5容量大ZIGBEE网络采用不同的拓扑结构可以极大的扩充无线通信网络的容量，由系统的协调器管理路由节点和终端设备。26ZIGBEE技术的应用领域ZIGBEE技术适用于距离范围小和对通信速率要求不高的场合，在工业现场的各种电子设备中应用广泛，其常见的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和重复低反应时间数据等，其目标功能是自动化控制9；ZIGBEE技术使用两14个频段的工作频率，分别为欧洲使用的868MHZ和美国、澳大利亚使用的915MHZ的低频段，24GHZ为全球通用的高频段，ZIGBEE技术的有效通信范围为10M75M如果数据传输速率降至28KBS时，其有效通信范围甚至可以增加到134M，极大的提高了通信的可靠性9；ZIGBEE联盟认为该技术日后必将在工业控制、汽车控制、现代农业等领域得到广泛应用。在工业控制中，传感器通过ZIGBEE网络采集各种信息，并通过无线网络将信息及时传送到系统进行数据分析与处理，为决策者提供及时准确的参考信息，使得整个工业控制过程更加高效。例如对火灾现场的环境探测，工业设备运行状况的监测等。在汽车控制中，由于大部分传递消息的通用传感器只能内置在监测对象内部，所以要求使用的无线通信模块的供电电池具有较长的寿命，且能够克服恶劣的环境和各种金属结构对电磁信号的干扰。在现代农业控制中，无线信号的传播特性良好，但是由于通信区域较大，需要使用的大量的传感器设备组成复杂的控制网络10。采用传感器和ZIGBEE技术相结合的无线监控系统后，农业控制系统逐渐向智能化数字化方向发展。传感器可以收集到各种信息，包括土壤的湿度、PH值、温度以及降水量等，这些信息将通过ZIGBEE网络上传至监控中心供决策者参考，可以及早的发现农场中的问题，从而做出调整以提高农作物的产量。在医学应用中，通过各种传感器和基于ZIGBEE技术的通信网络，准确实时的监测每个病人的状况，包括体温、血压以及心跳等，从而减少相关医务人员的工作量，有助于合理利用医疗资源。智能化家居是ZIGBEE最具潜力的市场。据推测，在未来的智能化家居中，每个家庭需要数十个ZIGBEE终端设备，可以联网的设备包括录像机、PC机、安全门、窗户以及空调等。智能化家居引入ZIGBEE技术后，将在很大程度上提高人们生活环境的舒适度。同时使用ZIGBEE技术的遥控器可以实现全球漫游和无缝使用，从而降低设备的车本，有利于在未来进行大规模的推广应用10。153ZIGBEE技术开发使用的硬件平台31无线通信芯片的选择通过对ZIGBEE技术的了解我们得知，选择一款支持ZIGBEE通信协议的芯片是硬件电路设计中的重点。选择和比较不同芯片的优缺点以便能够设计出低成本、低功耗并且可以根据实际需求进行适当升级的电路。本文重点研究无线通信的组网，在目前使用的诸多无线芯片中，片上系统因为低功耗、低成本和多功能成为本设计的首选。随着ZIGBEE技术的发展，无线单片机模块也在不断发展，功能更加丰富，种类也不断增加，各大公司纷纷开发相应的无线单片机模块。目前，支持ZIGBEE通信协议的芯片有很多，其中在市场上获得良好效果的主要有以下几种（1）FREESCALE系列。FREESCALE公司推出的MC13191芯片，应用成本相对低廉，其支持的通信协议为IEEE802154，该公司向开发设计人员提供MAC软件，设计人员通过该软件即可组建相对简单的星形网络。FREESCALE的后续产品在功能上不断加强，设计人员可根据实际需要选择不同的开发平台。（2）EMBER的EM250和EM260均支持ZIGBEE通信协议，也可根据实际需求组建星形网、树状网以及网状网。除此之外，该系列芯片还有丰富的配套设施，保证整个系统的可靠性和稳定性。16（3）ATMEL的AT86RF230射频芯片该芯片的工作频率为24GHZ且支持ZIGBEE协议栈，因其将射频收发器各模块都集成在一个芯片上，故拥有较高的稳定度、灵敏度和传输功率，可以有效减少网络中节点数量，降低成本。（4）TI公司的CC2430CC2430是首款真正意义上的片上系统，它完美结合ZIGBEE协议栈，是一款可以满足ZIGBEE低成本低功耗要求的解决方案。CC2430内部集成了一个增强型8051控制器和RF射频收发器，三种不同大小的FLASH内存（分别是32/64/128KB），8KB的RAM,以及ADC、DMA、看门狗定时器等10,因其优异的性能广泛应用于各种传感器网络。通过对目前几种主流无线通信芯片的比较分析，CC2430因其低功耗、低成本、低复杂度和网络容量大等优点成为本方案的首选硬件平台。32CC2430芯片介绍CC2430是TI（德州仪器）公司收购CHIPCON后推出的首款真正意义上的片上系统。该芯片可以满足工作在24GHZ的ZIGBEE通信协议，除了集成一个24GHZ的RF射频收发器，还包括一个增强型8051单片机、。CC2430使用018MCMOS制造工艺，工作时电流损耗只有27MA，在接收模式下，电流损耗低于27MA，在发射模式下，电流损耗则低于25MA。CC2430芯片有一些主要特点与性能如下所示11（1）功耗低、性能高的增强型8051微控制器。（2）基于24GHZ符合IEEE802154协议的RF射频收发器。（3）较强的抗干扰性能和优良的接收灵敏度。（4）芯片在休眠模式时仅有09A的电流损耗，使用外部中断或者RTC唤醒系统。在待机时，电流损耗更低于06UA，使用外部中断唤醒系统。（5）硬件支持CSMA/CA功能。（6）输入电压范围较宽（2036V）。（7）支持数字化的RSSI/LOI和DMA功能。（8）能够监测电池和感测温度功能。17（9）芯片集成了14位的ADC数模转换模块。（10）集成有AES安全协处理器。（11）带有2个可支持多组协议的USART。（12）带有4个定时器1个符合IEEE802154标准的MAC计时器；1个常规的16位计时器以及2个8位计时器。（13）提供21个I/O口，其中有两个I/O口具有20MA的驱动能力，其他接口有4MA的驱动能力。（14）具有灵活和功能全面的开发工具。CC2430芯片采用7MM7MMQLP封装，共有48个引脚。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。321I/O端口线引脚功能CC2430一共有21个可编程的I/O口，其中P0、P1端口是8位的，P2端口只有5个引脚。通过软件配置相关特殊功能寄存器，可使引脚作为通用输入输出引脚、片内外设使用引脚或外部中断使用引脚11。I/O口关键特性如下可设置为通用I/O口，也可设置为片内外设使用的I/O口。输入口的状态可以设置成上拉、下拉或者三态。所有I/O引脚都能够响应外部中断，中断用来将芯片从睡眠状态唤醒。16脚（P1_2P1_7）对外设提供4MA的驱动能力。8，9脚（P1_0，P1_1）具有20MA的驱动能力。1118脚（P0_0P0_7）对外设提供4MA的驱动能力。43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）对外设提供4MA驱动能力。322CC2430芯片电源线引脚功能表1CC2430芯片电源线引脚功能7脚（DVDD）为I/O提供2036V工作电压20脚（AVDD_SOC）为模拟电路模块提供2036V的直流电压23脚（AVDD_RREG）为模拟电路模块提供2036V的直流电压1824脚（RREG_OUT）为25，2731,3540引脚端口提供18V的稳定电压25脚AVDD_IF1为模拟电路提供18V的直流电压，包括模拟测试模块、接收滤波器以及VGA的第一部分电路27脚（AVDD_CHP）为充电泵和环状滤波器提供18V直流电压28脚（VCO_GUARD）VCO屏蔽电路的报警连接端口29脚（AVDD_VCO）为PLL环滤波器和VCO和提供18V电压30脚（AVDD_PRE）为预定标器、DIV2和LO缓冲器提供18V的电压31脚（AVDD_RF1）为LNA、前置偏置电路和PA提供18V的电压33脚（TXRX_SWITCH）为PA提供调整电压35脚（AVDD_SW）为LNA/PA交换电路提供18V电压36脚（AVDD_RF2）为接收和发射混频器提供18V电压37脚（AVDD_IF2）为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供18V电压38脚（AVDD_ADC）为ADC和DAC的模拟电路部分提供18V电压39脚（DVDD_ADC）为ADC的数字电路部分提供18V电压40脚（AVDD_DGUARD）为隔离数字噪声电路连接电压41脚（AVDD_DREG）向电压调节器核心提供2036V电压42脚（DCOUPL）提供18V的去耦电压，此电压不为外电路所使用47脚（DVDD）为I/O端口提供2036V的电压323控制线引脚功能表2控制线引脚功能10脚（RESET_N）复位引脚，低电平有效1919脚（XOSC_Q2）32MHZ的晶振引脚221脚（XOSC_Q1）32MHZ的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚22脚（RBIAS1）为参考电流提供精确的偏置电阻26脚（RBIAS2）提供精确电阻，43K，132脚（RF_P）在RX期间向LNA输入正向射频信号,在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号34脚（RF_N）在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号43脚P2_4/XOSC_Q232768KHZXOSC的23端口44脚P2_4/XOSC_Q132768KHZXOSC的24端口33CC2430芯片典型应用电路CC2430芯片的应用电路，如图11所示，图中数字I/O、ADC接口未连接，解耦电容未画出。为了增加天线的性能，电路使用了一个非平衡天线连接非平衡变压器的方式。电路中的非平衡变压器由电感L341、L321、L331和电容C341以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻50的要求。内部T/R交换电路完成PA和LNA之间的交换。R221和R261做为偏置电阻，电阻R221主要为32MHZ的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32MHZ的石英谐振器（XTAL1）和2个电容（C191和C211）构成一个32MHZ的晶振电路。用1个32768KHZ的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（C441和C431）构成一个32768KHZ的晶振电路。电压调节器向所有要求18V电压的引脚和内部电源供电，C241和C421电容用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性11。20图31CC2430应用电路34ZIGBEE天线系统设计基于ZIGBEE网络的路灯监控系统工作频率在24GHZ，本系统的通信方式是利用天线辐射进行无线信息传输。天线的设计是整个通信系统的关键，决定了系统的通信距离和质量，需要根据实际情况来设计天线以达到应用标准。设计ZIGBEE系统天线时，需根据实际需求采用不同的设计方案，设计前应根据本系统工作在24GHZ频段来确定天线参数，如增益、阻抗、辐射方向等。本系统天线参数如下所示。（1）工作中心频率为245GHZ，工作频率范围为2405GHZ2480GHZ。（2）输入阻抗Z天线采用的阻抗匹配为50欧（3）天线的辐射方向。因协调器需要和多个节点进行通信，所以天线设计为全向型辐射。2135RS232DB9MAX232MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS232串口设计的单电源电平转换芯片，使用5V直流电源供电。图32MAX232引脚图351RS232DB9引脚定义1DCD载波检测。主要用于检测拨号音，是否处于在线状态，然后告知计算机其当前状态。2RXD用于接收外部数据；当使用MODEM检测时，RXD指示灯在闪烁，说明RXD引脚正在进行接收。3TXD将数据发送给外部设备；当使用MODEM检测时，TXD指示灯在闪烁，说明TXD引脚正在发送数据。4DTR数据终端就绪；当此引脚处于高电平时，计算机做好准备，MODEM可以进行数据传输。5GND信号地；此位不做过多解释。226DSR数据设备就绪；此引脚处于高电平时，通知计算机MODEM可以进行数据传输。7RTS请求发送；计算机控制该引脚决定MODEM是否可以进行数据传输；否则所有收到的数据都会被放入缓冲区中。8CTS清除发送；此脚由MODEM控制决定是否将数据送至MODEM。9RIMODEM通知计算机有通讯请求，是否接听呼叫由计算机决定352MAX232原理MAX232由三个部分组成其内部结构第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。主要产生12V和12V两个电源，供RS232串口电平使用。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道12。TTL/CMOS数据从T1IN/T2IN输入转换成RS232数据从T1OUT、T2OUT送至电脑的DB9插头；DP9插头的RS232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC（5V）。36GPRS模块解决方案本设计中协调器通过无线方式与监控中心进行数据传输，可以有效降低通信成本。GPRS（GENERALPACKETRADIOSERVICE的全称是通用分组无线业务，是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入服务。GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线数据传输业务。在业务的承载能力和支持上，GPRS比GSM具有明显的改善，数据传输速率更高。23GPRS采用分组交换技术，多个用户共同使用一组信道，但是只有当某用户收发数据时才占用该信道。采用时分复用额方式能够更加有效的利用无线信道，GPRS有着灵活的计费方式，有流量计费方式和包月方式，可以根据实际情况有效降低通信成本。4路灯监控系统的硬件设计基于ZIGBEE技术的LED路灯监控系统由路灯节点、路由器和协调器组成。系统通过路由器进行数据转发，将终端和协调器进行无线连接，然后对路灯进行无线控制。24网络协调器路由器路由器路由器终端节点图41路灯无线网络结构系统中有一个网络协调器，起到监控整个网络的作用，有若干个路由器和终端节点。网络协调器负责建立一个网络并且对其进行管理。路由器作为无线控制中继器，起到扩充网络容量和增加网络覆盖范围的作用，同时，路由器也可以作为终端使用，用来控制路灯的开关，而终端节点只用来采集信息并且只能和路由器或者协调器进行通信。在整个系统正常工作时，路由器接收协调器的控制信号，并且转发给下一个节点进而控制路灯工作状态，而终端节点只用来采集路灯状态信息和接收路由器的控制指令并控制路灯的状态13。41终端硬件电路的设计与实现终端硬件电路的设计包括电路设计和PCB版的设计，在本设计中，单个路灯的监控系统由直流稳压电源模块、LED检测模块以及CC2430组成。系统框图如图42所示25直流稳压电源交流电（220V，50HZ）LED检测CC2430LED驱动电路LED路灯图42单个路灯监控系统设计411直流稳压电源的供电电路设计220V交流电经过变压器降压后得到9V交流电，然后经过整流桥全波整流，电容滤波稳压后得到稳定的5V直流电源。本设计采用稳压芯片7805来获得所需直流稳压电源。7805的电压输入范围较宽，输入电压在7V36V之间都可实现良好的稳压效果。考虑芯片的热效应及稳压的准确性，所以尽量减少输出电压与输入电压的电压差，同时为了保证电源可以提供足够的功率，电压压差至少要大于3V，所以本系统的输入电压定位9V，足以保证电源所能提供的功率，且芯片不会过热15。D1是整流桥，选用耐压值AC600V电流为2A的KBP206。C1、C2、C3是用来吸收低频脉动和滤波的电容，可以是电压更为平稳。为使直流电源更加稳定，本电路中使用电容C2吸收其他频率成分的谐波。U1是7805稳压芯片，该芯片稳定性、可靠性较高，且能产生稳定额5V直流电源14。C3除了启动吸收谐波的作用外，还可防止出现稳压后的直流电源随后级负载的加重而逐渐降低的情况。除去需给检测电路提供5V直流电源外，ZIGBEE芯片需要33V的直流电压，故需要使用一个三端稳压器把5V电压转换为33V直流电源。本设计中中采用AMS1117芯片，输出电压为33V，输出电流可高达1A。直流电源的供电电路分别如图43、44所示。26220V220VT1TRANS1VIN1VOUT3GND2U37805D1C1470FC210FC310FVCCGND图43直流电源供电电路5VGNDVIN1VOUT3GND2U3AMS1117C422FC5470FVDDGND图4433V直流电源供电电路412光敏检测电路目前常用的光敏器件是光敏电阻，利用其光线越强电阻越低，光线越暗电阻越大的特点，可将光信号转换成电信号，再经过电压比较器的方式，可以有效地完成对光线信息的采集。在本设计中，保证系统在光线临界状态时的稳定性，是设计的重难点所在。由于光敏电阻对光线变化较敏感且电阻值变化是连续的，故当光线达到临界点时，输出信号极不稳定，在设计中可采用将运放接成电压比较器的方式，可以实现较为精确的控制。方案一直接用光敏电阻串联电阻，然后将检测到的电压信号送至CC2430的P10口。当光线较强时光敏电阻阻值很小，P10口输入高电平；当光线不足时光敏电阻阻值升高，P10口输入地电平。但光敏电阻阻值比较敏感，在检测信