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基于ZigBee技术的路灯无线网络控制系统设计.pdf

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第 28卷 第 1期  2009年 2月  天  津  工  业  大  学  学  报  JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITY  V01-28  No.1  February  2009  基 于 ZigBee技 术 的 路灯 无 线 网络控 制 系统 设计  王 东 东 ,郭文 成  (天 津 工业 大 学 计 算 机 技 术 与 自动 化学 院 ,天津 300160)  摘  要 :介 绍 了 ZigBee技 术 的特 点 ,对 ZigBee的 网络 架构 和 原 理 进 行 了 分析 ,应 用 CC2430作 为 控 制 核 心 ,设 计 了  基 于 ZigBee技 术的 路 灯 无线 控 制 系统.详 细介 绍 了 系统 的 网络 拓扑 实现 和硬 件 节点 的 设 计 方案 ,给 出 了相  应的 软 硬 件 设计 和组 网算 法,实现 了路 灯 的 无 线 网络 控 制 .试 验 结 果 表 明 ,在 单 协 调 器 单 节 点 组 网时 ,组 网  用 时 20 s,对 l6个 信 道 进 行 扫 描 节 点 的 接 入 平 均 用 时 为 150 s.在 室 内 10 m 左 右 距 离的 数 据 传 输 速 率 为  250 kbps:室 外 30~75 m 距 离速 率 为 40 kbps,300 m 速 率 为 20 kbps.系统 在 发 射 状 态 下耗 电 为 25.7 mA,接  收 时 为 29.3 mA,休 眠 状 态 下 仅 为 2.5  A.  关 键 词 :ZigBee协 议 ;网 络 架 构 ;CC2430;无 线 网 络 ;路 灯 控 制  中 图分 类 号 :TP273  文 献 标识 码 :A  文 章编 号 :1671—024X(2009)O1—0084—05  Design of wireless street lam p control system based on ZigBee  W ANG Dong—dong,GUO W en—cheng  (School of Computer Technology and Automation,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300 1 60,China)  A bstract: The characters of the ZigBee technology are introduced,and the network f ramework and principle of the  ZigBee network are analysed.By applying to the CC2430 as the control core of control system ,a street lamp  wireless Control System is designed base on ZigBee technolog y .The network topolog y and hardware node  design are mainly introduced.Based on the principle of the control system ,the corresponding software and  hardware design are proposed.The experimental results show that the network time is 20 S under the condition  of single synchronizer single—node network;when scanning node to 16 channel,the average network time is  150 S.The data transfer rate is 250 kbps distance of around 10 m indoors.W hen outdoor at 30 -75 m  distance.the rate is the 40 kbps.at 300 m distance the rate is 20 kbps.The system power consumption is  25.7 m A under the launching state.the power consum ption is 29.3 mA under the receive state.the power  consumption just is 2.5 p,A under the dormant state.  K ey w ords:ZigBee protocol;network fram ework;CC2430;wireless network;street lamp control  目前 现 有 的城 市 路 灯控 制 系 统 大 多 采 用 有 线 网  络布 局 ,不 仅施 工 复杂 ,灵 活性 差 ,而且存 在 能源 浪 费  的 问题 .近 年来 随着 ZigBee无线 技 术 的发展 和广泛 应  用 .于是 提 出 了将 ZigBee技 术 应 用 于城 市 的路 灯 控  制 .这种 方法 不但 方便 灵 活 ,而 且 无需考 虑 布线 问题 .  维 护简单 .并且 通 过与 各种 新 型传感 器 、功 率 控制 器  的结合 ,可 以远 距离 实 现 路 灯智 能 控 制 ,达 到大 量 节  约 电力和 能源 的 目的.本 文应用 ZigBee技术 。设计 了  一 种新 的路灯 无线控 制 系统 .  1  ZigBee协 议  ZigBee是 一 种 新兴 的短 距 离 、低 功耗 、低 成 本 的  无 线 传感 器 网络 技 术.ZigBee技 术并 不 是 完 全独 有 、  全 新 的标 准.它 的物 理层 、MAC层 和 数据 链 路层 采 用  了 IEEE 802.15.4标 准 ,并 在此 基础 上 由 Zigbee联 盟  制 定 了应用 会 聚层 、应用 层规 范 (API)和 网络 层 ,组 成  了 Zigbee协议 标准【1].整 个协议 架构 如图 1所 示.  ZigBee协 议 定 义 了 3种 设 备 12] 即 全 功 能 设 备  收 稿 日期 :2008—05—22  作 者 简 介 :王 东 东 (1984一 ),男 ,硕 士 研 究 生 ;郭 文成 (1955一 ),男 ,副教 授 ,导 师.E—mail:forwd@126.con  第 1期  王 东 东 ,等 :基 于 ZigBee技 术 的路 灯 无 线 网络 控 制 系 统 设 计  一 85一   用户代码  ZigBcc Stack  }IEEE 802.15.4  一一一一一一  图 1  ZigBee协 议架构  Fig.1  Architecture of ZigBee protocol  (FFD)、精 简 功 能设 备 (RFD)和 网络 协 调 器设 备 .网络  协 调器 实 际上 是 FFD设 备 的一 种 .只是拥 有 更 多 的计  算 能 力 和 系 统 资源 .RFD 在 网络 中通 常 作 终 端 设 备 .  仅通 过 简单 的 8位微处 理 器和 4 K的 系统 资源就 能 完  成 其协 议 功 能 .但 RFD相 互 之 间不 能 直 接 通信 .只 能  与 FFD设 备 和协 调器 通信 .FFD设备 可 以担 任 网络 协  调 者 ,形 成 网络 ,并 与其 它 的 FFD或 RFD 装 置 连 接 ,  具备 控制 器 的功 能.  2 系统的硬件设计  2.1  系统组 成及 工作 原理  基 于 ZigBee技 术 的 路 灯无 线 控 制 系统 由安 装 在  路灯 杆 上 的微 处 理 器 系统 (RFD)、控 制 中心监 控 系 统  和实 现 网络 互联 的无 线 通讯 系统 (ROUTER)组成 f  31.安  装 在 路灯 杆 上 的微 处 理器 系 统是 由一 个光 线 传感 器 、  路 灯 调 光 控 制 器 、通 讯 控 制 系 统 、直 流 电源 等 组 成 的  终 端 控制 系 统.系 统通 过 具有 自动路 由功 能 的无 线 通  讯 控 制 器 (ROUTER)将 RFD节 点 和 监 控 中心 进 行 无  线 连接 ,从而 实 现对路 灯 的无线 自动控制 .  本 系统采 用 串状无 线 网络 结构[41,如 图 2所示 .  网络 协 调 器   图 2  路灯 无 线 网络 结构  Fig.2  Architecture of street lamp wireless network  系统 里有 1个 网络协 调器 (COORD),其 作用 相 当  于控 制 中 心监 控 系 统.若 干 个 路 由节 点 ROUTER,以  及若 干个终 端控 制 RFD节 点 .网络 协调 器 负责 建立 和  管理 网络 .显示 相 关控 制 信 息和 当前 路 灯 无线 网络 的  系统 状 况 .以及控 制 整个 网络 电源 的 开关 状 态 .路 由  节 点 ROUTER可 以安装 在道 路旁 边 等任 何地 方 ,作 为  无 线 节点 的中继 控 制器 ,以 达到 远程 控 制 的 目的.同  时 它 自己也 可 以作 为 RFD节 点使 用 ,用来 控制 路 灯打  开 和关 断.而 RFD节点 只需 接 收无线 信号 指令 来 控制  自己 的路 灯状 态.  整个 系统 网络 由网络 协 调器 控 制 ,路 由节点 传 递  信号 并且 控制 自己的路 灯 ,而 RFD节点 只是接 收信 号  并 根 据 信 号控 制 自己的路 灯 .也 可 以不用 RFD 节点 .  只 由 网络 协 调 器 和 路 由节 点 组 成 .不 过 为 了 降低 成  本 ,在 道路 的尽 头地 方 可 以放 置一 些 RFD节 点.  2.2 节 点 硬 件 电 路 设 计  本 系 统 采用 的 无 线 收 发 器 是 CC2430.它 出 自挪  威 Chipcon公 司 ,是 符 合 IEEE802.15.4标 准 的 片 上  ZigBee产 品 .它 在 单 个 芯 片 上 整 合 了 ZigBee射 频  (RF)前 端 、内存 和微 控制 器 .它 使 用 1个 8位 MCU  (8051)、并具 有 128 kb可编程 闪存 和 8 kb的 RAM,还  包 含 模 拟 数 字 转 换 器 (ADC)、4个 定 时 器 (Timer)、看  门狗定 时器 、32 kHz晶振 的休 眠模 式 定 时器 、上 电复  位 电路 、掉 电检测 电路 .以及 21个 可 编程 I/O 引脚 .  CC2430只需 要 极 少 的外 围元 器件 ,其外 围 电路  包括 晶振 时钟 电路 、射频 输 入/输 出匹配 电路 两 部分 l  5I.  芯 片本 振信 号 既 可 由外 部有 源 晶体 提 供 ,也可 由 内部  电路 提供 .射 频输 入/输 出匹配 电路 主要 用来 匹 配芯 片  的输 入输 出阻抗 ,同 时为 芯 片 内部 的 PA及 LNA提供  直 流 偏 置 .  图 3为 CC2430芯 片 的硬 件 应 用 电路 .该 电路 使  用 1个非 平 衡 天线 连接 非 平衡 变 压 器 ,可使 天 线性 能  更 好 .电路 中 的 非 平 衡 变 压 器 由 电 容 C341和 电 感  L341、L321、L331以及 1个 PCB微 波 传 输 线 组 成 ,整  个 结 构 满 足 RF输 人/输 出 匹配 电阻 (50 Q)的要 求 .  R221和 R261为偏 置 电阻 .电阻 R221主要 用来 为 32  MHz的 晶 振 提 供 1个 合 适 的 工 作 电 流 .用 1个 32  MHz的石 英 谐 振 器 (X1)和 2个 电 容 (C191和 C211)  构 成 1个 32 MHz的 晶振 电路 .用 1个 32.768 kHz的  石英 谐振 器 (X2)和 2个 电容 (C441和 C431)构 成一 个  32.768 kHz的晶振 电路 .电压 调节 器为 所有 要求 1.8 V  电压 的引 脚 和 内部 电源供 电 ,C241和 C421是 去 耦合  电容 ,用来 实 现 电源滤 波 .以提高 芯片 工作 的稳定 性.  对 于模 拟 部分 设 计 ,为 了 降低 其他 部 分 的 干扰 ,  提 高 RF性 能 ,需 要 采 取 抗 干 扰措 施 .例如 ,模 拟 电 源  输人 端 增 加 磁 珠 或 电感 ;模 拟 地 和 数字 地 要 分 开 布  线 ,并在 一 点接 地 ;为 了减小 分 布参 数 的影 响 ,铺地 要  尽 可能 大 .并 且 要 适 当打 上 过 孑L;滤 波用 的 电容 要 尽  量 靠 近芯 片 .另外 要 注意 阻抗 匹配.  86一   一 天 津 丁 业 大 学 学 报  第 28卷  ● h ● I_] ● h  l h   C4  C审l c411 lC20l  T  卜  1  0  0  ≥ 口  >  C44  C431 一  一L 4  一   =  广_X2  寸 0 ● H0 ● 口  U昙 >  0  口  >_  0  口  >  __.  .《  寸 寸   寸  - 寸_    篇 r、  C5388r  一l__J一 ●   卜1● T h :  口  0  DVDr l一7  )D  — R101  r .一   一 。   -  。  1   1  2  3  4  5  6  7  R  9 1o  一   11  12  卜_  SK  、l  36  VDD 一RF2  35  -f  L321  34  33  32  31  AVDD—RF1  — 3o  工  29  Z  28  T  rv、M 丫  L331  .  ’  ’  27  AVDD—CHP  26  25  AVDD—IF1  3-  '2 呈呈 i l i薹l童  葛  高  U  D  一 ●  白  星  VI!D  蚤  妄  — — _1-  — —   ●一 X1 }_ —_. RI 2 ( ] 【  C19ll   q--  C2 21  一  — —  一 ——  lc231  C241  一 T 一  R261I  ] 7  图 3  CC2430硬 件应 用 电路  Fig.3  Diagram of CC2430 hardware application circuit  路 灯 无 线 网 络 控 制 系 统 的 网 络 协 调 器 需 要 显 示  当前 网络 状态 ,所 以 网络协 调器 由 CC2430、串 口部  分 、按 键和 液晶显示 组成.电路框 图如 图 4所 示.RFD  节点 和 ROUTER节点 由 CC2430、光 敏 电阻 、串 口扩 展  接 口 、路灯调 光控制 电路组 成 ,如 图 5所 示.  网络 协调 器利 用 CC2430的 I/O 口直接 控 制液 晶  显 示 。并通 过 串 口进行 数 据输 出和程 序调试 ,由 Sl和  S2来 控制 整个 网络路 灯 的开关状 态.它还 随时监 控按  键 ,如 有 按键 按 下 ,它 将 通 过 网 络发 送 数 据 到各 个 路  灯控 制节点 ,并显 示 当前 整个 网络 的电源开关 情况 .  RFD节 点 和 ROUTER节 点也 可 以检 测 自己当前  的光 线情 况 ,通 过判 断光 线 情 况来 决 定 是 否 打开 路  灯 ,实现 节能控 制.  取 消  图 4 网络 协 调 器 电 路 框 图  Fig.4  Diagram of COORD circuit  第 1期  王 东 东 等 :基 于 ZigBee技 术 的 路 灯 无 线 网 络 控 制 系统 设 计  一 87一   初 始 化  建立一个新 的网络  显示网络的 ID号、频道号等  进入无 线监控状态  图 5  RFD 节点 和 RoUTER 节 点 电 路 框 图  Fig.5  Diagram  of R FD & RO UTER  circuit  3 软件程序设计  加入网2络 /   \ /  给 该 节 点 分 配 网 络  号 ,并显示加入 节  点 的 网 络 号  N  描有无按键>   \ /  l  Y  发送按键命令 ,显示路灯状态  图 6 网 络协 调 器 流 程 图  Fig.6  Flow chart of Co o RD  初始化  本文 应用 IAR Embedded Workbench开 发环 境 .在  TI提供 的 ZStack一1.4.2一1.1.0协议栈 的基础 上 ,编写 了  本 系统 的应 用 程序 代 码 .ZStack协 议栈 提 供 了一 些应  用 接 口 , 如 aplFormNetwork ()、aplJoinNetwork()、  aplSendMSG()等 函数 ,用 户可 以通过 调 用 这些 函数来  编写 自己的开 发与应 用 程序 .  3.1 软 件 流 程  在 系 统 工作 的 过程 中 ,网络 协 调器 会 定 时 检测 有  无 按键 按 下 ,用 以执行 相 应 的 电源 开 关命 令 .网络 协  调 器 处 于 空 闲 状 态 时 ,会 监 听空 中 的无 线 信 号 ,判 断  有 无 新 的节 点 要 加 入 网络 ,有 则 为其 分 配 网络 地 址 .  ROUTER节 点 通 常处 于 监控 状 态 ,如 果接 收 到 电源 开  关 的命 令 ,则 执 行命 令 ,并 确 定是 否 转 发 ,同时 根据 光  敏 电 阻 的返 回值 确定 路 灯 的开关 ,以到 达 智能 化 节 能  控 制.而 RFD节点 的功 能则 更 简单 。只需 随时监 听 ,根  据 光线 的强 弱 执行 命 令 .3种设 备 的通 信 流 程 图如 图  6、图 7、图 8所 示 .  网络 协 调 器 工作 首 先 初 始 化 CC2430和 液 晶屏 ,  然后 初 始化 协 议 栈并 打 开 中断.之 后 程 序 开始 格 式 化  一 个 网络 .如 果 网络 格 式 化 成 功 ,在 液 晶屏 上 显 示 相  应 的 网络 协 调器 的物 理 地址 、现 在 建立 网络 的 网络 ID  号 和频 道 号.此后 程 序 给予 发 送数 据 的地址 ,这 个 地  址是 可变 的 ,如需要 点亮 一段 路 灯 ,可对 此修 改.  对 于 路 由节点 ,程 序首 先 初 始 化 CC2430,然后 打  开传 感 器 电源 ,之后 初 始 化 协议 栈 ,并 开 始 发 送 加 入  网络 请求 信 号 ,等 待 网络 协 调器 或 前 面 的路 由器 节点  响应 ,并 给 自己分 配 网 络地 址.如 果加 入 网络成 功 ,通  过 串 口扩展 口可 以得 到 网络 的 网络地 址 、路 由节 点 自  加 入 网络   开关路灯  f  f  二进]=   I  入监控状态 l  I  ——磊1  ! 竺骘l ===薯=_ 耋=  — 、  工【 控制信号  根据信号控制路灯 l  开关 ,并转发到下 l  一 个节点  l  lL — 皇竺翌竺_兰二  图 7 路 由 器 流 程 图  Fig.7  Flow chart of ROUTER  初 始化   发送加入网络信号  会爱  \ /  l  Y  进 入 监 控 状 态  如 果 收 到 控 制 电 源  信 号 就 做 相 应 处 理  如果 电源 为打开状态 ,  根 据 光 线 控 制 路 灯 开 关  图 8  RFD 节 点 流 程 图  Fig.8  Flow chart of RFD  己 的物 理 地 址 和加 入 的 网 络协 调 器 或 前 面 路 由节 点  的物理 地址 等数 据.  一 88一   天 津 工 业 大 学 学 报  第 28卷  在 RFD节 点上 程 序 同样 首 先 初 始化 CC2430。打  开传 感 器 电源 .之后 初 始化 协 议 栈 ,并 开 始 发送 加 入  网 络请 求信 号 ,等待 前 面 的路 由器 节 点 响应 ,并 给 自  己分配 网络地 址 .如果 加 入 网络 成 功 ,同样 通 过 串 口  扩 展 口可 以得 到加 入 网络 的 网络 地址 、 自己 的物 理  地 址 和加入 的路 由器节 点 的物 理地 址 等数 据 信息 .  3.2 网 络 的 建 立  在 ZigBee网络 中 ,网络协 调 器 具 有建 立 一 个 网  络 、维护 邻居 设备 表 、对逻 辑 网络地 址进 行 分配 、允 许  设 备 MAC层/应用 层 的连 接 或断 开 网络 的功 能.网络  协调 器在进 行一 些初 始化之 后 ,调用 aplFormNetwork  ()来 建立 网络 .协 调器 通过 扫描 一个 空信 道 来建 立 一  个 新 的 网 络 .然 后 选 择 一 个 随 机 的 PANID 并 开 始 监 听  此信 道 .同时 协调 器 还 有 一个 目前 连 接 设备 的列 表 .  以支持 其他设 备加入 网络.网络建立 程序 如下 :  void nlain(void){  hallnit():  apllnit();  //硬 件初 始 化  //初 始化 协 议 栈模 块  aplFormNetwork();  //建立 网络  while(apsBusy()){apsFSM();} //等待 网络 建 立成 功  while(1)  fapsFSM();  //运 行 协 议 栈  }  while(1){apsFSM();}//运 行 协 议 栈  4 实验 结 果  实验 主要 对系统 的组 网延 时 、数 据传 输速 率 以及  通信距 离对数 据传输 的影 响等方 面进行测试 .  组 网延 时 :在单 个 协调 器 ,单个节 点 的情 况下 ,组  网用 时 20 S,对 l6个 信 道进行 扫 描节点 的接 人平 均用  时 150 S.第一 次接入 用时较 长 ,主要是等待 信标 帧 .确  定协 调器 的信道 ,在 室 内无遮 挡物 环境 下 8 m左 右 的  距 离感 觉不 到延时 .  数 据传 输 速率 :在 室 内 10 m 左 右距 离 ,无遮 挡物  环境 下速率 为 250 kbps:室外空 旷环境 下 30~75 m距  离速 率为 40 kbps;300 m 速率 为 20 kbps.  通信距 离 对数 传 输 的影 响 :距 离 150 m 时通 信 的  误码 率可小 于 1%.  耗能情 况 :系统 在 发射 状态 下耗 电 为 25.7 mA,接  收 时为 29.3 mA,休 眠状态下 仅 为 2.5 A.  以上 测试 结果 表 明 ,ZigBee技 术应 用 于路 灯控 制  系 统 中是完 全可 以胜任 的.  5  结 束 语  }  3.3 网络 的 加 入  当一 个 网 络 建立 成 功 后 ,便 要 考 虑 路 由节 点 和  RFD节 点 如 何加 入 到 网络 中 去.路 由节 点 和 RFD节  点通 过 调用 aplJoinNetwork()函数 加入 到 协 调器 建 立  的 网络 中.路 由节点 和 RFD节点扫 描信道 找 到协调 器  并 申请 加入 网络 ,获 取 协 调 器 的地 址 ,同 时将 自己的  地 址 发 送 给 协 测 器 .网 络 加 入 成 功 后 , 网 络 节 点 则 进  入 休 眠状态 ,直到 有命 令或 数 据发 送 时才被 唤 醒.网  络加入 程序 如下 :  void main(void){  hallnit()://硬 件初 始 化  apllnit()://初 始化 协 议 栈 模 块  d0f  aplJoinNetwork():IIDli入 网 络  while(apsBusy()){apsFSM();},/等 待 格式 化 网络 完 成  }  while(aplGetStatus()=WXLPAN—STATUS—SUCCESS);  本 文 创 新 点 是 将 新 型 短 距 离 无 线 通 信 技 术  ZigBee运用 于城 市路 灯控 制 网络 设计 中 .从而 省掉 了  系 统 布 线 ,使 传 感 器 安装 快 捷 、组 网容 易 、维 护 方 便 .  运 用 CC2430新 型单 片机 控制 ,可 提高 传感 器 的灵 敏  度 和 可靠 性 .本 系统 具有 低 成 本 、低 功 耗 、实 施 简单 、  维 护方 便 的特点 ,其 在 城市路 灯 的管 理控 制方 面将 会  有广 泛 的应 用.  参 考文献 :  … 李 文 仲 ,段 朝 玉.ZigBee无线 网络 技术 A fl与实 践[M].北 京 :  北 京航 空航 天 大 学 出版 社 .2007.  [2] 江 修 波 .ZigBee技 术 及 其 应 用 【JJ.低 压 电器 ,2005(7):27—  33.  [3] 詹 杰 ,吴伶 锡 ,唐 志 军 .基 于 ZigBee的智 能 照 明控 制 系统  设 计 与 实现 Ⅲ.电力 电子 技 术 ,2007(10):25—26.  [4] 原 羿 ,苏 鸿 根 .基 于 ZigBee技 术 的 无 线 网络 应 用 研 究 【JJ.  计 算机 应 用 与软 件 ,2004(6):89—91.  [5] 杨 雪 峰 ,胡 荣 强 .基 于 CC2430实 现 ZigBee通 信 IJ1.工 业 控  制 技 术 ,2007(7):85—88. 

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