基于GPRS的太阳能路灯的无线监控

I毕业设计（论文）系别电子信息系专业名称电子信息工程班级学号508XXXX学生姓名XXX指导教师XXX2012年6月15日东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）I摘要太阳能是最环保的能源，利用太阳能来照明将是低碳生活的发展趋势。地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。太阳能路灯利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电。当某个路灯出现故障不能正常发光时，该路灯系统会通过ZIGBEE无线通信将此信息汇报给当地主机，主机再将此故障信息通过GPRS发送至远程主机监控系统，由此实现了现场无人值守的智能路灯无线监控系统。本系统路灯无线节点以意法半导体公司的STM32F103RBT6单片机为核心，通过检测路灯状态，并将路灯状态在当地无线网路汇总，再发送至远程主机进行监控。关键词ZIGBEE，GPRS，STM32，太阳能东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）IIABSTRACTSOLARENERGYISTHEMOSTENVIRONMENTALPROTECTIONENERGY,USETHESOLARENERGYTOLIGHTINGWILLBELOWCARBONLIFEDEVELOPMENTTRENDTHEEARTHSRESOURCES,THEINCREASINGLYSCARCE,BASICENERGYINVESTMENTCOSTISUP,ALLKINDSOFSAFETYANDPOLLUTIONHIDDENDANGERISEVERYWHERE,ANDSOLARENERGYASTHEONEKINDOF“MINE,ANINEXHAUSTIBLE“SAFETY,ENVIRONMENTALPROTECTIONNEWENERGYBYMOREANDMOREATTENTIONSOLARSTREETLAMPSUSETHESUNTOTHELIGHTOFTHEBATTERYLIFEVEFFECTPRINCIPLE,DURINGTHEDAYTHESUNBATTERYABSORBSOLARPHOTONENERGYTOPRODUCEELECTRICITY,THROUGHTHECONTROLLERINTHESTORAGEBATTERY,ANDWHENTHEDARKNIGHTCOMESAROUNDORLAMPSLIGHTISLOW,THEBATTERYTOPOWERSUPPLYBYTHECONTROLLERLIGHTSOURCEWHENASTREETLAMPMALFUNCTIONCANTNORMALLIGHT,THESTREETLAMPSYSTEMWILLTHROUGHTHEZIGBEEWIRELESSCOMMUNICATIONWILLTHISINFORMATIONREPORTTOTHELOCALHOST,HOSTTHEFAULTINFORMATIONAGAINBYGPRSSENTTOTHEREMOTEHOSTMONITORINGSYSTEM,THUSREALIZETHEUNATTENDEDWIRELESSMONITORINGSYSTEMOFINTELLIGENTSTREETLAMPTHISSYSTEMSTREETLAMPWIRELESSNODESTOSTMICROELECTRONICSCOMPANYSTM32F103RBT6MICROCONTROLLERASTHECORE,THEDETECTIONSTREETLAMPSTATEANDWILLSTATESTREETLAMPSINTHELOCALWIRELESSNETWORKSSTATED,ANDTHENSENTTOTHEREMOTEHOSTMONITORKEYWORDSZIGBEE,GPRS,STM32,SOLARENERGY东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）III目录摘要IABSTRACTII1绪论111太阳能路灯的发展趋势212太阳能路灯存在的问题213本课题的意义32无线通信技术521ZIGBEE技术概述5211本系统中无线节点示意图5212ZIGBEE技术发展5213ZIGBEE技术特点及应用823ZIGBEE网络拓扑结构10231星形网络10232树形网络11233网状网络1124ZIGBEE协议架构1125GPRS通信技术概述1426GPRS的技术优势143系统方案及硬件电路设计1631系统整体方案设计16311系统整体结构框图16312ZIGBEE组网方式1632路灯状态检测1933环境光检测20331光敏电阻电路20332光敏三极管电路2034控制器核心21341STM32结构概述21342STM32单片机特点2335本地无线通信24351CC2420基本结构及其特性25352CC2420引脚功能28353无线通信模块2936远程通信设计30东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）IV37电源设计314软件流程设计3441整体软件流程设计3542路灯开关软件流程图3543路等故障检测36结论37致谢38附录141附录243东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）11绪论随着太阳电池转换效率和生产技术的不断提高，太阳能光伏发电的应用越来越广泛，在照明领域，太阳能路灯作为光伏发电系统在国内的主要应用模式，被越来越多的所认识并接受。跨入21世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已有很大进步。但是，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。为了适应现代化城市照明系统的建设需求，本文提出了一种利用太阳能为能源，以STM32为控制核心，通过ZIGBEE进行本地无线组网，将网内路灯节点的状态信息进行汇总，汇总后的信息东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）2再通过GPRS传输至远程主机的智能无线路灯监控系统。11太阳能路灯的发展趋势1高效率化发展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。这也是现在城市大力发展太阳能路灯的原因，因此，太阳能路灯的效率是非常重要的一项指标，随着科学技术的发展，一大批高性能的电力电子元器件和技术被广泛使用，这些器件都有着高效率，低成本等优势，合理的应用新技术和新产品，可以将太阳能路灯的高效率推到一个更高的层次。2智能化发展作为城市的基础设施，路灯系统影响着城市里的每一个人，它的意外故障甚至威胁到市民的生命健康，因此，现在的太阳能路灯系统都向着智能化的方向发展，例如本系统设计，每个路灯节点都有一个路灯故障检测器，当路灯出现意外故障时，该节点会将此信息向当地主机汇报，主机再将信息发送至远程主机，这样，一旦某个路灯出现故障，远程监控人员便能迅速明确具体故障地点，并及时安排维修人员，保证路灯系统的正常运行，为市民的生活提供最大的方便。3环保化发展太阳能路灯之所以受到重视，除了缓解能源供应紧张的问题，另一个重要原因就是太阳能路灯具有非常好的环保性能，它的能源提供不需要任何化石燃料，仅仅需要安全无污染的太阳能，因此，太阳能路灯是一种环保的路灯系统，为了保证太阳能路灯系统的环保性，其配套设计也需要同样保持环保性能，所以在设计太阳能路灯系统时，采用环保器件和方法十分重要。12太阳能路灯存在的问题太阳能路灯系统作为一种环保节能，智能化的路灯系统，已经得到世界各国的重视并正在进行大力发展和应用推广，随着相关技术的迅速发展，太阳能路灯的发展也日新月异，具有越来越多其他系统所无法比拟的优势，但是在太阳能路灯的实际应用中，其由于自身特点也暴露出一些问题，这些问题主要表现在1、成本较高，太阳能智能路灯系统有着很多技术和功能上的优势，但在拥东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3有这些优势的同时，它也具有另外一个较大的缺陷，那就是使用成本较高，不论从能源获取的太阳能电池板上来看，还是每个路灯节点控制系统的设计来看，太阳能路灯系统都有着一定的成本劣势，虽然随着科学技术发展，这些成本正在快速下降，但在现阶段，太阳能路灯发展的最大阻碍就是成本问题，不过随着能源危机越来越严重，技术发展大力降低成本，太阳能路灯的发展必然是时代的趋势，太阳能路灯的相关技术研究仍然十分必要。2、能源利用率较低，太阳能路灯的能源全部由太阳能电池板提供，而现阶段受生产技术的限制，太阳能电池板的光能利用率还不是太高，在阴雨天气，太阳能电池白天所存储的电能可能还不够晚上的电能消耗，这也限制了太阳能路灯的大规模使用，现在的普遍解决方案就是增大太阳能电池板的面积，提高整体功率保证其正常使用，但是这样的做法一是增加了成本，二是浪费了太阳能电池板资源，不符合其环保特性，另外过大的太阳能电池板面积还会导致产品面积过大，影响安装方便性，增大了故障率等，因此在太阳能路灯推广应用阶段，解决太阳能电池板效率十分重要，这也需要科学技术的进一步发展。3、集成度不高，作为一个智能太阳能路灯系统，每个路灯的控制系统相对来讲是比较复杂的，里面涉及到很多功能电路，比如路灯检测，路灯开关控制，本地无线网络信息传输，GPRS远程信息传输等，现在的大部分路灯方案，这些功能电路相对来讲是比较分离的，他们都是使用的自身专用芯片，再将其组合成为一个完整的路灯控制系统，系统集成度很低，这样的缺点主要在于系统电路设计较为复杂，电路板面积较大，故障率较高，成本较高，功耗较高，导致这个问题的主要原因还是太阳能路灯还没有得到真正广泛的推广应用，所以相关的高集成度控制芯片还很少，随着太阳能路灯的大规模应用，此问题也将得到较好的解决。13本课题的意义跨入21世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。主要表现为以下几个方面1能源短缺。常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需求。从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。2环境污染。燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）4入天空，是大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。3温室效应。化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化。地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。随着城市化进程的大力推进，作为城市发展的基础设施，路灯系统也会向着智能化，绿色化，高效化的方向发展，在这个过程中，太阳能路灯系统作为一种非常符合未来路灯发展趋势的方案，必然会得到大力的发展和应用。本课题正是在此背景下，提出了一种智能路灯系统方案，并对软硬件进行设计，从理论上分析验证了此方案的可行性。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）52无线通信技术21ZIGBEE技术概述211本系统中无线节点示意图本系统中无线节点的分布示意图如图21所示。节点节点节点主机节点远程主机图21无线节点分布示意图此结构主要由三部分组成节点此处的节点就是系统中的实际路灯杆，每一个路灯都是一个节点，并且每个节点内都包含一个ZIGBEE的无线通信功能模块，各个节点可以互相通信，即可将本节点路灯的故障信息通过其他节点传送至主机。主机此处的主机就是本地无线网络中的本地主机，它和其它节点路灯的唯一不同就是其内部包含了一个可以向远程主机发送信息的GPRS通信模块，在工作时，本地的节点所有的故障信息都通过节点中转后发送到主机，主机再将这些故障信息一并发送至远程主机上。远程主机前两部分就组成了本地路灯的无线通信系统，能够将系统内所有的信息转发至本地主机内，而远程主机与路灯节点的距离可能很远，他们之间无法通过ZIGBEE通信进行信息发送，而是通过GPRS通信方式，而它接受的信息就是本地网络中的主机通过GPRS发送的信息。212ZIGBEE技术发展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PERSONALAREANETWORKPAN和无线个人区域网络东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）6WIRELESSPERSONALAREANETWORKWPAN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、WIFI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。“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21所示表21几种无线技术比较名称标准ZIGBEETM802154GPRSGSM1XRTTCDMAWIFITM80211BBLUETOOHTM802151频段868、915MHZ、24GHZ081GHZ24GHZ24GHZ系统资源需求4KB32KB16MB1MB250KB电池寿命（天）10010001705517网络规模接近无限（264）1327带宽（KBS）202506412811000720传输距离（米）11001000150110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，ZIGBEE10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东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）7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22所示应用程序应用程序界面网络层数据链接层MAC层MAC层物理层硅ZIGBEE栈应用顾客IEEEZIGBEE联盟图22ZIGBEE层级结构ZIGBEE联盟维护的最新版本是2007版ZIGBEE2007SPECIFICATION。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，同时还能设东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）8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。213ZIGBEE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24GHZ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、WIFI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1020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IEEE802154，而它正是工作在24GHZ或565/915MHZ的工业科学医疗ISM频段，对全球24GHZ频段均免许东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）9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10100M内，在加大发射功率后，也可增加到13KM；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AES128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。随着东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）10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。23ZIGBEE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路由器东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）11图23ZIGBEE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23所示为ZIGBEE三种拓扑结构。下面具体对三种结构进行介绍。231星形网络星形网络是一种发散状的网络，如图23A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。232树形网络树形网络如图22B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。233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22C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。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）1224ZIGBEE协议架构ZIGBEE协议栈结构（图24）是基于标准OSI七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层。图24ZIGBEE协议栈IEEE802154定义了两个物理层标准，分别是24GHZ物理层和868/915MHZ物理层。两者均基于直接序列扩频（DIRECTSEQUENCESPREADSPECTRUM，DSSS）技术。868MHZ只有一个信道，传输速率为20KB/S；902MHZ928MHZ频段有10个信道，信道间隔为2MHZ，传输速率为40KB/S。以上这两个频段都采用BPSK调制。24GHZ24835GHZ频段有16个信道，信道间隔为5MHZ，能够提供250KB/S的传输速率，采用OQPSK调制。为了提高传输数据的可靠性，IEEE802154定义的媒体接入控制（MAC）层采用了CSMACA和时隙CSMACA信道接入方式和完全握手协议。应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZIGBEE网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。物理层物理层提供的服务是由硬件和软件共同实现的，定义了物理无线信道对于24GHZ频段，有16个信道，编号为1126和MAC子层之间的接IZL，提供物理层数据服务PLDE和物理层管理服务PLME。通过该接13可以唤醒层管理服务功能，同时也负责维护与物理层相关的一些管理对象的数据库PIB。物理层通过物理层数据服务接入点PDSAP和物理层管理实服务接入点FPLMESAP与MAC层通信，PDSAP支持在对等的MAC层实体间进行MAC协议数据单元传送，PLMESAP则在MAC层管理实体之间提供管理命令的传送。物理层主要完成如下任务1无线收发机的激活与关闭2当前信道的能量检澳1ENERGYDETECT，ED；3接受数据包的链路质量标识LQI；4为载波侦听多路访问冲突防_FLZCSMSCA提供空闲信道评估CCA5工作信道选择；6数据发送和接收。信道能量检测为网络层提供信道选择依据，其值取值范围是0X000XFF。它东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）13主要测量目标信道中接受信号的功率强度，链路质量标识为网络层或应用层提供接受数据帧无线信号的强度和质量信息。MAC层与物理层类似，MAC层也包括管理实体MLME和数据实体MLDE。MAC层管理实体提供可以唤醒MAC层管理服务的服务接口，同时也维护一个与MAC层相关的管理对象数据库MIB。MAC层与物理层之间通过PLMESAP和PDSAP进行通信，通过MAC数据实体服务点MLDESAP和MAC层管理实体服务接入点MLMESAP向QLT务相关子层提供MAC层数据和管理服务。另外，MAC层能支持多种LLC标准，通过业务相关会聚子层SSCS协议承载8022类型的LLC标准。MAC层功能如下1当节点为网络协调器时，产生信标BEACON帧；2在信标帧之间进行同步；3支持个人区域网PAN的关联与解关联；4支持节点安全机制；5对信道接入使用CSMACA机制；6处理和维护有保证的时隙GTS机制；7在两个对等的MAC实体问提供可靠的链接。ZIGBEE中的MAC和物理层协议是网状网络的应用基础，高容错和低功耗的特点能保证网状网络所必须考虑基于拓扑控制和功率控制的网络白组特性。而且对于经典的隐藏终端和暴露终端问题、协议的接入公平性问题、服务质量问题等都有良好的解决。在网状网络中，MAC层的传输调度策略会影响数据包延迟、带宽等性能，影响网络层路由性能，所以网络层必须感知MAC层性能的变化，才可以自适应的方式改变路由，改善网络性能。网络层网络层对于ZIGBEE协议栈非常重要，每一个ZIGBEE节点都包含网络层，ZIGBEE网络层主要实现组建网络，为新加入网络访分配地址、路由发现、路由维护等。另外网络层还提供一些必要的函数，确保ZIGBEE的MAC层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口，这种结构使得网状网络的应用基本能够实现。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为网络数据服务实体NLDE和管理服务实体NLME。NLDE通过网络层数据服务实体服务接入点NLMESAP提供数据传输服务，网络层管理实体NLME通过网络层管理实体服务接入点NLMESAP提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）14信息庠NIBL的维护和管理。应用层ZIGBEE应用层由三个部分组成应用子层APS、ZDO包含ZDO管理寸骨和制造商定义的应用对象APPOBJ。APS通过蚓络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全午口绑定提供服务，可以适配不同但兼容的霄点，并且提供了这样的接口在NWK层和APL层之间，从ZDO到供应商的应用对象的通用服务集。ZIGBEE中的应_|J框架APLFRAMEWORK是为驻扎在ZIGBEE节点巾的应用对象提供活动的环境。最多可以定义240个相对独立的应用程序对象ZDO，任何个对象的端点编号从L到240，端点号0固定用于ZDO数据接口，应用程序可以通过这个端点与ZIGBEE怫议栈的其它层通信另外一个端点255固定用于所有应用对象广播数数据的数据接口功能。端点241254保留给为了扩展使片，用户不能使用1451。25GPRS通信技术概述GPRS经常被描述成“25G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。26GPRS的技术优势（1）相对低廉的连接费用在GSM网络中，GPRS首先引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）15据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。在会话期间，许多应用往往有不少的空闲时段，如上INTERNET浏览、收发EMAIL等等。对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。实际上，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。（2）传输速率高GPRS可提供高达115KBIT/S的传输速率（最高值为1712KBIT/S，不包括FEC）。这意味着在数年内，通过便携式电脑，GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。（3）接入时间短分组交换接入时间缩短为少于1GPRS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股务。GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络（如支持TCPIP、X25等网络）之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线IP和无线X25业务。GPRS采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口上的TDMA帧中的8个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达164KB8GSM空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被GPRS数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为GPRS专用信道。要实现GPRS网络，需要在传统的GSM网络中引入新的网络接口和通信协议。目前GPRS网络引入GSN（GPRSSURPORTINGNODE）节点。移动台则必须是GPRS移动台或GPRSGSM双模移动台。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）163系统方案及硬件电路设计31系统整体方案设计311系统整体结构框图本设计的路灯控制系统主要完成以下任务根据环境光强度控制路灯的开关，检测路灯是否有故障，当路灯存在故障时，能够向本地主机汇报故障信息，本地主机需要将此故障信息发送至远程监控主机。系统整体方案结构图如图31所示，虚线部分为本地无线网络主机特有。STM32控制核心路灯状态环境光检测路灯控制本地无线通信电池监控图31系统整体方案结构图312ZIGBEE组网方式本系统中假定每个无线节点之间的距离是50M，而在一定范围内，只有一个主机负责向远程主机发送信息，所以该范围内的所有节点信息都应该通过转发最终发送到本地主机。组网方案设计组建一个完整的ZIGBEE网状网络包括两个步骤网络初始化、节点加入网络，其中节点加入网络又包括两个步骤通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网。网络初始化ZIGBEE网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个ZIGBEE节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求1节点是FFD节点，具备ZIGBEE协调器的能力；2节点还没有与其他网络连接，当节点已经与其他网络连接时，此节点只能作为该网络的子节点，因为一个ZIGBEE网络中有且只有一个网络协调器。网络初始化的流程如下东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）171确定网络协调器，首先判断节点是否是FFD节点，接着判断此FFD节点是否在其他网络里或者网络里是否已经存在协调器。通过主动扫描，发送一个信标请求命令（BEACONREQUESTCOMMAND），然后设置一个扫描期限（T_SCAN_DURATION），如果在扫描期限内都没有检测到信标，那么就认为FFD在其POS内没有协调器，那么此时就可以建立自己的ZIGBEE网络，并且作为这个网络的协调器不断地产生信标并广播出去。2进行信道扫描过程。包括能量扫描和主动扫描两个过程首先对指定的信道或者默认的信道进行能量检测，以避免可能的干扰。以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序，抛弃那么些能量值超出了可允许能量水平的信道，选择可允许能量水平的信道并标注这些信道是可用信道。接着进行主动扫描，搜索节点通信半径内的网络信息。这些信息以信标帧的形式在网络中广播，节点通过主动信道扫描方式获得这些信标帧，然后根据这些信息，找到一个最好的、相对安静的信道，通过记录的结果，选择一个信道，该信道应存在最少的ZIGBEE网络，最好是没有ZIGBEE设备。在主动扫描期间，MAC层将丢弃PHY层数据服务接收到的除信标以外的所有帧。3设置网络ID。找到合适的信道后，协调器将为网络选定一个网络标识符（PANID，取值100GPIO_RESETBITSGPIOB,GPIO_PIN_0GPIO_SETBITSGPIOB,GPIO_PIN_0IFAD_DATA250USART_SENDDATAUSART1,SLAVE_NUMIFSTATUSUSART_SENDDATAUSART2,SLAVE_NUM1东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）44VOIDUSART_INITXXUSART_INITSTRUCTUREUSART_BAUDRATE9600USART_INITSTRUCTUREUSART_WORDLENGTHUSART_WORDLENGTH_8BUSART_INITSTRUCTUREUSART_STOPBITSUSART_STOPBITS_1USART_INITSTRUCTUREUSART_PARITYUSART_PARITY_NOUSART_INITSTRUCTUREUSART_HARDWAREFLOWCONTROLUSART_HARDWAREFLOWCONTROL_NONEUSART_INITSTRUCTUREUSART_MODEUSART_MODE_RX|USART_MODE_TXUSART_INITUSART1,USART_CMDUSART1,ENABLEUSART_ITCONFIGUSART1,USART_IT_RXNE,ENABLEUSART_INITSTRUCTUREUSART_BAUDRATE9600USART_INITSTRUCTUREUSART_WORDLENGTHUSART_WORDLENGTH_8BUSART_INITSTRUCTUREUSART_STOPBITSUSART_STOPBITS_1USART_INITSTRUCTUREUSART_PARITYUSART_PARITY_NOUSART_INITSTRUCTUREUSART_HARDWAREFLOWCONTROLUSART_HARDWAREFLOWCONTROL_NONEUSART_INITSTRUCTUREUSART_MODEUSART_MODE_RX|USART_MODE_TXUSART_INITUSART2,USART_CMDUSART2,ENABLEUSART_ITCONFIGUSART2,USART_IT_RXNE,ENABLE东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）45大学毕业论文规范一、结构要求一份完整的本科生毕业论文档案袋内应包含两个部分内容1、毕业论文装订册；2、毕业论文附件材料。二、版面要求A4纸张，其中页边距上3CM，下、左25CM，右2CM；页脚175CM；每册的封面与封底需用白色的铜版纸张规格120G150G印制。三、毕业论文装订册组成部分与要求（一）封面。论文题目不得超过20个字，要简练、准确，可分为两行。（二）内容。1、毕业论文任务书。任务书由指导教师填写，经系部审查签字后生效。2、毕业论文开题报告；3、毕业论文学生申请答辩表与指导教师毕业论文评审表；4、毕业论文评阅人评审表；5、毕业论文答辩表；6、毕业论文答辩记录表；7、毕业论文成绩评定总表；8、学位论文原创性声明及版权使用授权书；9、中英文题目与作者；10、中英文内容摘要和关键词。（1）摘要是论文内容的简要陈述，应尽量反映论文的主要信息，内容包括研究目的、方法、成果和结论，不含图表，不加注释，具有独立性和完整性。中文摘要一般为200400字左右，英文摘要应与中文摘要内容完全相同。（2）关键词是反映毕业论文主题内容的名词，是供检索使用的。主题词条应为通用技术词汇，不得自造关键词。关键词一般为35个，按词条外延层次（学科目录分类），由高至低顺序排列。关键词排在摘要正文部分下方。11、目录；目录按三级标题编写，要求层次清晰，且要与正文标题一致。主要包括绪论、正文主体、结论、致谢、主要参考文献及附录等。12、正文。论文正文部分包括绪论（或前言、序言）、论文主体及结论。（1）绪论。综合评述前人工作，说明论文工作的选题目的和意义，国内外文献综述，以及论文所要研究的内容。（2）论文主体。论文的主要组成部分，主要包括选题背景、方案论证、过程论述、结果分析、结论或总结等内容。要求层次清楚，文字简练、通顺，重点突出，毕业论文文字数，本科生论文一般应不少于5000字（或20个页码），专科生论文不少于3000字。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）46中文论文撰写通行的题序层次采用以下格式1111111111（3）结论（或结束语）。作为单独一章排列，但标题前不加“第XXX章”字样。结论是整个论文的总结，应以简练的文字说明论文所做的工作，一般不超过两页。13、参考文献及引用资料目录（规范格式见件四）。14、致谢。对导师和给予指导或协助完成