基于Zigbee技术的无线路灯控制系统的设计-毕业论文.doc
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基于Zigbee技术的无线路灯控制系统的设计-毕业论文.doc
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青岛工学院
毕业论文(设计)
基于ZigBee技术的无线路灯控制系统的设计
学生姓名吴瑞琪学号201002405219
指导教师姜琴
学院信息工程学院
专业通信工程年级2010
答辩日期2014年月日
青岛工学院
基于ZigBee技术的无线路灯控制系统的设计
完成日期:
指导教师签字:
评阅教师签字:
答辩小组组长签字:
答辩小组成员签字:
摘要
随着科技的迅速发展,道路照明系统成为城市现代化程度的标志之一,其如何提高利用率,如何节能,已经受到人们的关注。
本论文针对目前路灯控制系统落后而出现的资源浪费现象,设计了一套基于ZigBee技术的无线路灯控制系统,成功实现了对路灯的实时监控、管理以及维护,确保路灯的高效稳定和长时间运行。
本论文对ZigBee网络特点,ZigBee中各层的协议,数据传输方式及网络拓扑结构进行了分析,根据系统需求提出了总体设计方案和系统硬件结构框架,完成了电源控制电路、串口通信电路、LED照明控制电路、时钟电路、光强采集电路等硬件设计。
软件客户端设计了底层串口通信方法,人机交互界面,以及根据自定义的通信协议设计各功能模块。
因此,本论文设计的无线路灯控制系统相比于传统路灯系统有更多的优势,具有很好的应用前景。
关键词:
ZigBee;路灯;节能;软硬件设计
Abstract
Withtherapiddevelopmentoftechnology,roadlightingsystemhasbecomeoneofthehallmarksofurbanmodernizationlevel.Howtoimproveroadlighting’savailabilityandenergysavinghasarisenmuchattention.Aimingtoreducethewasteofsourcesinstreetlightscontrolsystematpresent,thisthesisdesignsasetofwirelessstreetlightscontrolsystembasedonZigBeewirelessinformationtransmissiontechnology,whichsuccessfullyachievesthefunctionsofreal-timemonitoring,managingandmaintaining,toensurehighlyefficiency,stableandlong-runningoperation.
InthisthesisthenetworkcharacteristicsofZigBee,protocolsbetweenlayers,datatransmissionandnetworktopologieswereanalyzed.basedonthesystemrequirements,theoveralldesignandhardwarearchitectureframeworkofsystemwasputforwardwhichaccomplisheshardwaredesignofpowercontrolscircuit,serialcommunicationsinterfacecircuits,LEDlightscontrolcircuit,clockcircuit,lightintensitycollectscircuit.Softwareclientincludesstreetlightscontrolprogram,clientinterface,operationmodulebasedonZigBeeprotocolstackandcommunicationprotocolect.Therefore,wirelessstreetlightscontrolsystemismoresuperiorandpracticalthanTraditionalstreetsystem.
Keywords:
ZigBee;streetlight;energyconservation;softwareandhardwaredesign
目录
1绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2国内外路灯控制系统现状及分析 1
1.3关键技术介绍 2
1.3.1ZigBee无线通信技术 2
1.3.2ZigBee组网及网络拓扑 3
1.3.3ZigBee与其他无线网络的对比 3
1.4论文的主要内容和工作 5
2系统总体设计方案 6
2.1设计控制系统的要求 6
2.2无线路灯控制系统组成 6
2.3系统核心技术分析 7
2.3.1CC2530芯片简述 7
2.3.2软件客户端的核心技术 8
3无线路灯控制系统的硬件设计 10
3.1硬件电路设计 10
3.1.1电源硬件电路设计 10
3.1.2CC2530核心板电路设计 11
3.1.3光强传感器电路 11
3.1.4路灯控制电路 12
3.1.5DS1302时钟电路 13
3.1.6UART串口通信电路 13
3.2硬件系统设计 14
3.2.1Z-Stack及软件环境 14
3.2.2网络中协调器的设计 15
3.3系统外围电路的驱动设计 19
3.3.1BH1750FVI的驱动设计 19
3.3.1DS1302的驱动设计 20
3.4系统的组网设计 22
3.4.1网络拓扑及联网设计 22
3.4.2系统中通信协议的设计 23
4无线路灯控制系统的软件客户端设计 25
4.1客户端设计的关键技术 25
4.1.1客户端功能设计 25
4.1.2客户端界面设计 26
5系统测试与结果分析 27
5.1系统组网测试 28
5.2系统控制测试 28
6总结与展望 30
参考文献 31
致谢 32
附录 33
33
基于ZigBee技术的无线路灯控制系统的设计
1绪论
1.1课题研究背景
随着地区发展与基础建设步伐的加快,各城市之间道路照明的建设规模越来越大,但是介于传统路灯系统耗能高等缺点,传统的路灯控制系统已经不符合当今社会低能耗、低碳的能源观发展需求。
首先,控制路灯的系统功能少,技术落后,灵活性差;其次,由于道路照明规模的增加,路灯控制需要的人力资源、财力比以前大大增加,仍然难以高效率地发挥其所具有效能;另外,传统的路灯控制系统更新难度大,不能利用远程技术控制和巡查路灯,需要人员去实地巡查,才能知道路灯的实时状况,不仅工作量庞大,而且效率低下[1]。
目前我国大部分地区的路灯控制系统的应用技术不高,还在使用传统的简单的人员控制,碍于这种控制系统由于没有采用无线通信技术,路灯的工作状态无法通过实时数据获知,维修和管理要依靠人员巡查等传统方法,导致无法实现对路灯的集中监控、操作和数据统计,这导致了白天亮灯,夜间不亮灯的现象经常发生,不但造成电力资源,人力资源的浪费,又会给人民的出行带来一定的安全风险[2]。
1.2国内外路灯控制系统现状及分析
无线路灯控制系统是一个分散式控制和集中式数据采集系统,集计算机技术、现代信息技术和系统控制技术于一体的高科技系统,利用计算机编程和借助特定的通信方式,可以对路灯等照明设施的工作状态、环境信息等实施监控的控制系统。
就目前世界路灯系统的发展程度而言,国外在路灯控制方面的所使用的技术明要比国内的更先进,并且在使用规模和技术水平上远远优于国内。
在计算机运用技术普遍发展,方案成熟的当今社会,利用计算机实现路灯各方面的控制,已经成为了常用方法,英国、美国、澳大利亚、法国等国家使用电脑程序控制路灯的自动开闭以及故障路灯的检测,使得管理路灯所消耗的资源成本大大降低。
和国外相比较,我国的无线路灯控制系统的发展还处于起步阶段,大部分地区路灯的控制由分散管理的控制器进行控制,分散性高、排障率低,仍处在人工直接现场控制阶段。
由于系统中缺少远程通信和传感器采集数据功能,管理人员无法统一进行控制,导致路灯的实时控制结果不能集中监测、记录和统计,大部分管理部门采用人员巡察形式,设备是否健康运行主要取决于白天巡查线路,夜晚检查路灯,在耗费大量的财力和人力的同时,实时性也差,维修故障的效率很低,难以满足当今社会大面积建设路灯要求[3]。
随着科技进步,物联网技术越来越成熟,各行业取得了许多实际研究成果,极大的推动了信息技术的发展。
未来的路灯控制系统的发展方向应该更集中、无线化、更智能。
对于管理人员来说,只要在控制中心,就能监测到整个路灯系统的实时状况;对于维修人员来说,能迅速知道故障路灯位置和故障形式;对于民众来说,更好的控制系统是出行的安全保证。
ZigBee技术能真正的做到这一切。
1.3关键技术介绍
1.3.1ZigBee无线通信技术
ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术,它从下到上分别为:
PortPhysicalLayer(物理层)、MediaAccessControl(媒体访问控制层)、TransportLayer(传输层)、NetworkLayer(网络层)、ApplicationLayer(应用层)等。
其中物理层位于协议的最底层,并且遵循IEEE802.15.4标准的规定,拥有具有低功耗、易开发、成本低的优点。
MAC层主要用来建立节点间无线通信的链路以及维护和结束,同时实现信标管理、信道接入、时限管理、发送与接收帧结构数据、提供准确的安全机制等。
传输层、网络层则建立在PHY和MAC之上,主要由软件实现,主要功能有建立新的网络、添加节点、删除节点、实时调整网络中节点的通信方式、管理PAN的网络ID、将地址分配给刚加入网络的节点、实时监控终端的同步运行、实时管理网络中的路由节点、对信息进行管理和防护网络安全等。
应用层则负责建立功能函数开发接口(API),提供对设备配置子层ZDC和设备对象ZDO的支持,从而达到管理整个硬件系统的功能。
此外,ZigBee协议还提供了安全功能层,可以选择32/64/128位的秘钥,对传输的信息进行加密处理,以确保通信数据的安全传输,同时为网络层、应用层提供可靠安全的服务[4]。
ZigBee协议结构如图1-1所示:
图1-1ZigBee协议结构图
ZigBee共可使用的通信频率有3个,分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段。
在ISM频段的信道有16个,欧洲频段信道有1个,美国频段的信道有10个。
中国采用免申报和免专利费的频段是2.4GHz频段,频段长度为2.405GHz—2.480GHz,以5M作为划分,共有16个信道可供使用,同时还具有很强的信道抗干扰性能。
在物理层采用高处理增益的直序/频率快变DS/FA技术(DirectSequence/FrequencyAgility),使得ZigBee在低信噪比的环境下具有很强的抗干扰性能。
无线的传输带宽在20-250KB/s范围,适合传感器数据采集和控制数据的传输,这样对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。
目前ZigBee的应用领域非常广泛,主要有无线数据采集、无线设备控制、可穿戴电子设备、汽车智能控制、智能家庭和楼宇网络、移动互联网远程控制等场合[5]。
1.3.2ZigBee组网及网络拓扑
ZigBee协议定义了3种设备,即全功能设备(FullFunctionDevice,FFD)、精简功能设备(ReducedFunctionDevice,RFD)和网络协调器设备。
网络协调器实际上是拥有运算能力更快和资源更加丰富的一种FFD设备。
RFD在组网拓扑中通常作终端设备,仅仅使用8位的MCU和4K的片上资源就能完成ZigBee协议的功能,但终端RFD相互之间是不能直接用无线通信的,所以每一个ZigBee网络中必须至少拥有一个FFD协调器设备,来管理和维持网络的数据传递、建立网络等功能。
ZigBee的网络拓扑一般有3种形式,分别为:
星型网络拓扑、链状网络拓扑和网状网络拓扑。
其网络拓扑结构如图1-2所示:
图1-2ZigBee网络拓扑
星状网络拓扑的组网结构最为简单,全部的终端节点都与协调器连接通信。
链状型网络拓扑中采用FFD作为协调器与终端间传递数据的路由节点,能够进一步延伸网络通信的范围。
网状型网络拓扑是ZigBee组网中使用的最复杂也是最可靠的网络拓扑结构,当某个节点出现问题而不能通信时,数据能通过其他链路传到协调器,从而发现网络中的故障,具有自修复、抗干扰等优点。
1.3.3ZigBee与其他无线网络的对比
ZigBee是遵循IEEE802.15.4标准的低速率无线网络协议,图1-3是ZigBee与其他无线技术的工作距离和速率对比图,由图可知与它具有相似特性的无线网络有:
蓝牙(Bluetooth)、Wifi、NFC以及移动蜂窝网(Cellular),它们都有各自的特点,分别应用于不同的场合。
ZigBee工作的频段分别是:
2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),对应的最大传输速率为250Kbps、40Kbps和20Kbps。
由此能了解到ZigBee技术的最初目的就是为了满足对低数据传输率的工业控制、数据采集、传感器应用领域的开发需求[6]。
图1-3网络速率、距离特性对比图
表1-1网络详细数据对比
规范
频段
速率(Mbps)
数据/语音
最大功耗
传输方式
连接
设备数
安全措施
主要用途
ZigBee
868/915Mhz
2.4Ghz
0.02/0.040.25
数据
1-3mW
点对多
65535
32/64秘钥
控制网络/传感器网络
蓝牙
2.4Ghz
1/2/3
语音
数据
100mW
点对多
8
跳频/秘钥
近距离遥控
Wifi
2.4Ghz
11-54
数据
100mW
点对多
255
WEP加密
无线局域网
红外
820nm
1.52/4/16
数据
1-3mW
点对点
2
IrDA
个人局域网
综合各数据,与其他无线技术相比,ZigBee有以下几点优势:
(1)成本低廉:
ZigeBee的协议栈大小只有有蓝牙的十分之一,约为30kb,这使得开发的周期与成本大大降低。
ZigBee所使用的无线频段为免牌照频段,工作节点只有2种,其中大多数是廉价的RFD节点,这使得开发成本进一步降低。
(2)组网能力强:
ZigBee协议能支持庞大数量的节点同时组网,和3种组网方式,能构建极其复杂的网络拓扑,在大规模组网应用中,向比于蓝牙、Wifi等无线技术,有着无可比拟的优势。
(3)功耗低:
ZigBee模块所采用的硬件的工作电流和速率都比较低,还能支持多种睡眠模式,在无数据收发的时候,会进入睡眠状态,从而减少能耗。
(4)有效范围小:
节点间直接通信的距离能达到100m,在使用射频功率放大器增加发射功率后,节点间直接通信的距离能增加到数千米。
1.4论文的主要内容和工作
本论文以ZigBee无线技术和路灯控制系统为研究内容,主要对无线路灯控制系统和软件控制客户端进行研究并完成整个系统的设计。
在硬件方面,选用了TI公司的CC2530作为核心芯片,在Z-STACK的基础上开发出用于无线控制路灯的系统。
软件方面,使用Microsoft公司运行于.NETFramework之上的设计语言C#开发软件客户端。
论文共分六个章节:
第一章绪论,简要阐述了本课题研究的背景和意义,介绍了无线远程路灯控制的必要性,介绍了ZigBee技术的参数、特点与优势,说明了项目研究的目的和意义。
第二章介绍整个系统的组成部分,介绍项目核心芯片和软件编写语言的技术要点与特点,对整个系统作出了合理的规划。
第三章详细介绍了路灯控制系统各模块的硬件电路设计,以及各模块的功能以及工作流程。
第四章详细阐述了系统的软件设计,介绍了整个软件系统的工作流程和功能。
第五章介绍系统调试的整个过程和系统运行测试结果。
第六章对全文进行了总结和展望。
2系统总体设计方案
本章以ZigBee技术为基础,研究实际路灯控制的需求,确定无线路灯控制系统的总体设计方案,并会分析设计过程中一些关键的技术要点,其中包括CC2530芯片、ZigBee协议栈等。
2.1控制系统设计的要求
在了解ZigBee技术的基础上,确定系统的框架和所具有的功能,其应该满足以下的一些要求:
(1)具有实用性:
设计出的系统要以用户为基本,整个系统在能实现预期功能外,还要做到体积小,安装方便、便携,贯彻以人为本的理念。
(2)管理方便性:
整个路灯控制系统,必须要有良好的操作界面,让管理人员迅速掌握控制的方法。
维修人员能根据客户端反应的情况,针对问题的所在之处,来进行维修。
(3)运行可靠性:
系统所使用的硬件和软件,都要符合长时间工作的要求,不容易出现崩溃的情况。
通过选取一些优良的电子元器件,和设计出良好的算法,是维护系统稳定的2个重要的方法。
(4)经济适用性:
本设计的目的是针对当前现实生活中,路灯控制系统的不足进行的重新设计,必须要满足实际工作的要求。
要使用最小的系统方案,达到减少工程开支的目的,使整个设计更有性价比。
2.2无线路灯控制系统组成
本设计共由2大部分组成:
一是以CC2530为核心的用于控制路灯的控制器。
二是提供良好可视化界面的软件客户端。
控制器和客户端之间,通过USB串口进行数据通信。
其整体框如图2-1所示:
软件客户端
串口通信
协调器节点
无线通信
终端节点
终端节点
终端节点
控制控制控制
路灯
路灯
路灯
图2-1系统整体框图
管理人员可以使用客户端向协调器发送命令,来控制整个路灯系统。
协调器在接受到命令以后,会将命令进行解析,如果命令只是控制协调器,则不会将数据无线发送出去,相反如果命令是全局性的,则以广播的方式,向周围节点发送数据。
同时,终端节点会使用AF无把将采集到的光强等信息传输给协调器,协调器收到信息后,会将数据发送给客户端,这样管理人员就能清楚了解实时路灯控制信息。
2.3系统核心技术分析
本设计采用CC2530芯片作为每一个路灯的控制终端,CC2530能将每一个路灯的信息采集到内存中,然后经过数据的初步处理,通过2.4Ghz的无线通信传递给网络中的协调器,协调器再将采集到的要上传到客户端的信息通过RS-232串口发送到客户端软件,这样管理人员就可以方便快捷的管理所有的路灯,而不需要上传的数据则根据特定算法处理后,再发送给终端控制器。
2.3.1CC2530芯片简述
CC2530是由挪威公司Chipcon推出的一个真正的用于IEEE802.15.4和ZigBee应用的片上系统(SoC)解决方案。
CC2530片上不仅集成了一颗增强型的8051为处理器,还整合了RF硬件无线收发器,具有最高256Kb的闪存(Flash),和8kb的运存(RAM)。
片内资源分别有:
8路输入和12位分辨率的模数转换器(ADC);2个支持多种串行通信协议的串口(USART);-97分贝的接收灵敏度和抗环境干扰能力,通过编程使得输出功率高达4.5dBm的RF信号收发器;5个强大的DMA通道;21个通用I/O引脚;看门狗定时器[7]。
本设计主要用到的资源分别为:
8051内核;定时器;通信串口;I/O口;和RF无线通信模块,其基本介绍如下。
Ø增强型8051核心:
CC2530中的MCU是一个单周期工作的8051兼容微处理器。
它使用3种不同功能的内存用来访问总线,分别为SFR,DATA和CODE/XDATA。
它的核心程序与标准的8051内核程序是相互兼容的,只需修改少量的特殊代码,就可以将程序移植到CC2530上。
Ø定时器:
CC2530中共有4个定时器,编号分别是Timer1(16位)、Timer2(16位)、Timer3(8位)、Timer4(8位)。
其中Timer2为MAC定时器,其余为常用的定时器。
Ø通信串口:
CC2530内部有2个强大的USART,可以设置成普通串口模式和SPI模式,它们都有自己的波特率发生器,在使用时不占用定时器资源。
ØI/O口:
CC2530共有P0、P1、P23组共21个引脚,通过相关的功能寄存器,实现串口、DMA、外部中断等等功能。
ØRF无线:
频段在2.4Ghz-2.4835GHz的一个IEEE802.15.4兼容无线收发器;接收灵敏度和抗干扰能力都很强,适合中距离传输;通过软件可调节输出功率达4.5dBm;内部支持自动帧格式生成、同步插入数据与检测数据、10位CRC校验机制、电 检测、MAC层的自动保护[8]。
CC2530内部硬件接口如图2-2所示:
图2-2CC2530内部硬件接口[9]
2.3.2软件客户端的核心技术
C#是微软公司在2000年7月发布的一种全新且简单、安全、面向对象的程序设计语言,由微软公司研究员AndersHejlsberg主导开发[10]。
它吸收了C++、VisualBasic、Delphi、Java等语言的
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