基于zigbee路灯监控系统设计

Zigbee技术的ED路灯系统。Zigbee技术在路灯控制领ZigbeeZigbee通信协议的硬件开发平台CC2430。最后，完成LED路灯系统的硬件设计以及流程图的设计。路灯控制系统的硬件部分是以CC2430为控制，加上一些电路组成控制系统，据光线明暗自动开关，检测路灯工作状态等功能部分主要是路灯控制系统。 Withthedevelopmentofsocietyandeconomy,therequirementofcitylightingsystemhasbeenimprovinginthemunicipalconstruction.Thetraditionalstreetlightcontroltechnologyandmaintenancemethodaremany ingsandabuses,includingconstructioncomplex,flexibilityispoor,existingenergywaste,lowdegreeofincommunicationstabilityetc,can'tadapttotheneedsoftheofthecityZigbeetechnologyisanewkindofwirelessnetworkcommunicationtechnology,thecommunicationtechnologyandtraditionalcomparedwiththeperformance,cost,andinthescaleofnetworkhasalotofadvantages,usedininligenthousehold,industrialcontrolandmedicalcontrol,ThepurposeofthispaperistosolvetraditionalstreetlightcontroltheproblemsofdesignbasedonZigbeetechnologyLEDstreetlampmonitoringsystem.ofall,thethoroughysiscurrentstreetlightcontrolapplicationbackgroundandlampcontroltechnologyathomeandabroadpresentsituationofthestudy.Accordingtothedeficiencyofthetraditionalstreetlightcontroltechnologyanddisadvantages,thisexpoundstheZigbeetechnologyinthestreetlampcontrolareasofdevelopmentprospects.Second,detailedintroducesZigbeetechnologylowpowerconsumption,lowcostsandnetworkcapacitycharacteristicsandmeetZigbeecommunicationprotocolCC2430hardwaredevelopmentFinally,completeLEDstreetlampmonitoringsystemofhardwaredesignandsoftwareflowchartofthedesign.StreetlightcontrolsystemhardwarepartisCC2430ascontrolcore,plussomeperipheralcompositioncontrolsystem,includingphotoconductivedetectioncircuit,streetlampworkingstatedetectioncircuit,controlcircuitandotherbranch,andrealizethestreetlampaccordingtoradiallightandshadeautomaticallyswitch,detectionstreetlightworkofthestate,andotherfunctions.Softwareofmainstreetisthedesignoftheflowchartofthecontrolsystem,adetaileddescriptionofthewholesystemworkingprocess.Keywords:ZigbeeCC2430streetlamp ...................................................... 绪 课题研究的背景与意 路灯控制技术的研究现 Zigbee技术及应 短距离无线通信技术的比 REID技 蓝牙技 红外技 UWB超宽带技 Zigbee技 Zigbee技术简 Zigbee网络设备及其拓扑结 Zigbee协议栈体系结 物理 接入控制 Zigbee网络 Zigbee应用 Zigbee和LED技术的优 Zigbee技术的应用领 Zigbee技术开发使用的硬件平 无线通信的选 CC2430介 I/O端口线引脚功能 CC2430电源线引脚功能 CC2430典型应用电路ZigbeeRS232(DB9)MAX232 RS232DB9) MAX232GPRS4系统的硬件设计4.1.14.1.24.1.34.1.4工作电流检测电路 MAX232串口通信电路设计5系统的流程图设计5.结论与展 总 展 致 参考文 附 Zigbee技术的迅速发展，给城市路灯控制系统Zigbee技术应用于路灯控制系统也逐渐成为人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、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、安全和应用的技术标准。随着各种支持Zigbee协议的推出，该技术已被广泛应用于数字家庭、医疗护理和环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网络的路灯系统，对路灯进行、控制与调节，提高，开关进行控制也无法及时了解路灯工作状况进行及时的，且故障明范围越来越大，现行控制方式已当下对道路照明系统的智能化管理，通信系统采用有线方式布局，系统复杂，管理，照明系统覆盖范围广难以及时有效的进行，效果不理，ZigBeeLED路灯的结合能很好解决路灯的和节能问题。主要原因如下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ZigBee网络具有自愈功能，网络不会因为一个或几个灯控制系统的最佳技术方案，而且可以在中心对路灯进行无第一章绪论。介绍课题研究背景及意义，以及国内外研究现状。阐述本设 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第四章路灯系统的硬件设计。在分析应用需求的基础上，设计硬件实 UWB超宽带技术以及ZigbeeREID技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技术不蓝牙技蓝牙技术（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、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。红外技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。UWB超宽带技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。Zigbee技Zigbee技术是新近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，采用Zigbee技术作为本文的技术方案。于是就出现了个人区域网络（alAreaNetwork:PAN）和无线个人区域网络。（WirelessalAreaNetwork:N）的概念[3]N网络为近距离范围内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。目前，Zigbee标准由Zigbee来采用这一标准化的无线通信技术有开发新产品的要求非常高[3]。因此，Zigbee网络实现的代码，都由国际标准组织和Zigbee这样的机构协助组织完成，然后以2006版的标准。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，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。Zigbee协调器，其他设备的通信首先协调器建立一个无线网络网络中的无线信号，，Zigbee路由器Zigbee终端设备（EndZigbeeZigbee有三种网络拓扑结构:星形网、树状网和网状网[3]须经过协调器进行数据转发[4]2-1所示。协调器终端设备

2-1在树状网络中，RFDZigbee路由器或者协调器，路由器用来协调器路由器简单功能节点

图2- 终端设备路由器图2- 、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协议网络层和应用层[4]。Zigbee2-4所示。、物理物理MAC应用网络2-4Zigbee物理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：868/915MHz2.4GHz[5]868MHz频段应用于欧洲，915MHz、澳大利亚等国。物理层位于Zigbee空闲信道评估（ClearChannel检测接受分组的链路质量指示(LinkQuality接入控制层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：MACMAC层管理服务[5]数据服务是指支持不同设备的MAC层之间的管理服务是指MACMAC/信道接入采用载波侦听多 /在两个通信设备对等MACZigbee网络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据传输服务，管理实体则通过连接SAP提供管理服务。除此之络管理实（NIBMAC子层的正常工作而提供一些必要的应用函数和相确保无线通信的性和安全MAC2-5MAC作用。NLME开始一个作为ZigBee协调器的操作，一个已存在的网络。ZigBeeZigBee寻址。ZigBeeMACZigbee应用ZigbeeS（应用支持子层ZZigbee设备对象）及其他制造商定义的应用对象[7]。ZigBee家庭和建筑物自动化设备工业控制装置用传感器玩具和机等设备中，支持小范围内基于无线通信的控制和自动化。ZigBee只能使用电池，没有充足的电力支持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ZigbeeLEDZigbeeIEEE802.15.4协议作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，用Zigbee技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基于ZigbeeLED路灯控制系统在节能和环保方面技术优势明显(1)低功耗：LED50W200W的功率。路灯照明用高压钠灯功率一般在250W，特作时普通干电池就可保证长时间工作(2)长：平均每盏LED路灯的设计使用为大约50000小时，有照明效率高：LED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ZigBee重复低反应时间数据等，其目标功能是自动化控制[9]；Zigbee技术使用两个频段的工作频率，分别为欧洲使用的868MHz和、澳大利亚使用的915MHz的28Kb／s134m，极大的提高了通信的可靠性[9]；ZigBee认为该技术日后必将在工业控制、汽车在汽车控制中，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且能够克服恶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，无线信号的要使用的大量的传感器设备组成复杂的控制网络[10]Zigbee技术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网络上传至中心供决策者参考，可以及早的发现农场中的问个家庭需要数十个Zigbee终端设备，可以联网的设备包括机、PC机、安全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技术的可以实现全球漫游和无缝通过对Zigbee技术的了解得知，选择一款支持Zigbee通信协议类也不断增加，各大公司纷纷开发相应的无线单片机模块。目前，支持ZigbeeFreescale系列。Freescale公司推出的MC13191，应用成本相对低廉其支持的通信协议为IEEE802.15.4，该公司向开发设计提供MAC，设计通过该即可组建相对简单的星形网络Freescale的后续产品在功能EmberEM250EM260Zigbee通信协议，也可根据实际需该的工作频率为2.4GHz且支持Zigbee协议栈因其将射频收发器各模TI公司的可以满足Zigbee低成本低功耗要求的解决方案CC2430集成了一个增强型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通过对目前几种主流无线通信的比较分析，CC2430因其低功耗、低成CC2430TI（德州仪器）CHIPCON后推出的首款真正意义上的片上系统。该可以满足工作在2.4GHz的Zigbee通信协议，除了集成一2.4GHz的RF805127mA25mA。CC2430有一些主要特点与性能如下所示[11]：80512.4GHz符合IEEE802.15.4RF较强的性能和优良的接收灵敏度0.9μARTC唤醒0.6uA，使用外部中断唤醒系统。硬件支持CSMA/CA3.6V支持数字化的RSSI/LOI和DMA14ADCAES4个定时器：1IEEE802.15.4MAC计时器；1个常规1628位计时器。21I/OI/O20mA的驱动能力，其他接口4mA的驱动能力。CC2430采用7mm×7mmQLP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。I/O端口线引脚CC2430一共有21个可编程的I/O口，其中P0、P1端口是8位的，P2端口只可设置为通用I/O口，也可设置为片内外设使用的I/O输的状态可以设置成上拉、下拉或者三态1～6脚（P1_2～P1_7）：对外设提供4mA8，9脚（P1_0，P1_1）：具有20mA11～18脚（P0_0～P0_7）：对外设提供4mA43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：4mACC2430电源线引脚功表1 脚为I/O2.0～3.6V20脚2.0～3.6V23脚2.0～3.6V24脚2527～31,35～40压25(AVDD_IF11.8VVGA27脚1.8V28脚VCO电路的连接端29脚为PLL环滤波器和VCO1.8V30脚Div-2LO1.8V31脚为LNAPA1.8V33脚为PA35脚为LNA/PA1.8V36脚1.8V37脚为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供38脚ADCDAC1.8V39脚ADC1.8V40脚为数字噪声电路连接电41脚向电压调节器提供2.0～3.6V电42脚1.8V47脚为I/O2.0～3.6V控制线引脚功210脚19脚32MHz21脚32MHz122脚为参考电流提确的偏置电26脚提确电阻，4332脚RXLNA输入正向射频信号,在PA34脚RXLNA输入负向射频信号；在期间接收来自PA4332.768kHzXOSC2.34432.768kHzXOSC2.4CC2430典型应用电主要为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（XTAL1C211kHz的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（C441和C431）构成一个32.768kHz的晶振电路。电压调节器向所有要求1.8V电压的引脚和电源供电，C241和C421电容用来电源滤波,以提高工作的稳定性[11]。3-1CC2430基于Zigbee网络的路灯系统工作频率在2.4GHz，本系统的通信方式是输入阻抗Z50RS232(DB9)MAX232是美信（）公司专为RS232串口设计的单电源电平转换，使用+5v直流电源供电。3-2MAX232RS232(DB9)引脚定：DCD:载波检测。主要用于检测拨号音，是否处于状态，然后告知：RXD:Modem检测时，RXD指示灯在闪烁，说明RXD引脚正在进行接收。烁，说明TXD引脚正在发送数据。：DSR:Modem可以进：CTS:清除发送；此脚由Modem控制决定是否将数据送至Modem：RI:ModemMAX232原MAX232由三个部分组成其结构1、2、3、4、5、64只电容构成。主要产生-12v和+12vRS-232串口电平使用。7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数TTL/CMOST1IN/T2INRS232T1OUT、T2OUTDB9插头；DP9RS-232R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOSR1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15DNG、16脚VCC（+5v）GPRS（GeneralPacketRadioService)的全称是通用分组无线业务，是一GSMGPRSGPRS路灯系统的硬件设基于Zigbee技术的LED路灯系统由路灯节点、路由器和协调器组成。路由 终端节4-1PCB版的设计，在本设计中，单个路4-2所示直流稳直流稳压电LED路LED驱动电LED检LED路LED驱动电LED检交流直流稳压电源的供电电路设220V9V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7805来获得所需直流稳压电源。78057V-36V之间都可实现3V9V，足以保证电源所能提供的功率，且不会过热[15]D1AC600V2AKBP206。C1、C2、C3是本电路中使用电容C2吸收其他频率成分的谐波。U1是7805稳压，该稳定性、可靠性较高，且能产生稳5V直流电源[14]。C3除了启动吸收谐波除去需给检测电路提供5V直流电源外，Zigbee需要3.3V的直流电压，故需要使用一个三端稳压器把5V电压转换为3.3V直流电源。本设计采用AMS1117，输出电压为3.3V，输出电流可高达1A。4-3、4-4 224-3

图4- 3.3V直流电源供电电光敏检测电P1.0口。当光线较强时光敏电阻阻值很小，P1.0口输入高电平；当光线不足4-5R2R3

81083

1 4 4104-5支路控制电路的设该支路的控制电路是由CC2430线明暗时会向CC2430输入一个检测信号，然后CC2430输出一个控制信号决定NPNBE极间的电压，控制三极管是否导通，从而控制继电器的断开与闭合，达到控制路灯开关的目的[15]4-6所示。 Q14 Q14 1工作电流检测电EDED1243015倍[16]0时，认为计中放大电路采用7，该是一款低噪声的双极性运放集成电路，7拥有较低的输入失调电压，所以在很多场合不需要额外的调零措施。电路4-7所示。77680680263814无线路灯系统的网络协调器需要显示当前网络的各种工作状态且要讲信组成[6]4-8所示。 4-8MAX232串口通信电路4-12所示，为异步串行通信TTLRS232MAX232RS232串口连接和CC2430的连接。5 9 8 726 8

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4-9部分主要是道路照明系统的部分的应用层和网络层应用层的程序网络层中有协议栈的路由设置以及网络拓扑结构的设置[7]。物理层中则主要配ID和信道，只有设置好这些参数系统才能正常通信，并与其他Zigbee网络区分开。，网络协调器的流程图在协调上系统上电后首先对2430进行初始化，然后程序对协议栈初始化并打开中断[9]。协调器首先建立一个无线通信网络网络中有无请求信号加入该网络并显示网络地址若网络51所示。，YYNY在PC进入无 状5-1地址的信息[21]5-2所示。进 状图5- 近节点的响应[22]。如果响应成功并加入网络，则可以得到相应的网络地址和物理地址，以及路由节点的物理地址等。NY进入状图5-3终端节点流程本设计出基于zigbee网络的路灯系统，旨在能够实时监测路灯状Zigbee技术的LED的，并最终实现使用Zigbee技术路灯。基于本设计采用Zigbee技术，详细描述了Zigbee技术协议栈、LED技术相结合，探讨，详细分析系统的应用需求，包括本设计所采用的硬件模块测电路、LED路灯能否正常工作地洞检测电路等。其次，主要是完成系，网络级数的限制。目前采用Zigbee技术的无线通信网络，其消息转发级数20级左右，严重影响网络容量，需要对Zigbee协议栈进