基于ZIGBEE和GPRS的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭煊 劉萌

(1.山東凱文科技職業(yè)學(xué)院信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200;2.齊魯師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)系，山東 濟(jì)南 250200)

1 引言

隨著移動通信技術(shù)GPRS的發(fā)展，移動電話除了具有移動語音通話的基本功能之外，還可以發(fā)送文字信息，這個(gè)技術(shù)很快就被應(yīng)用到城市照明監(jiān)控系統(tǒng)之中，事實(shí)證明，在通信效率和通信覆蓋這兩樣重要技術(shù)指標(biāo)上，短信方式與其他方式相比，具有明顯的優(yōu)越性，但是短信方式又存在著資費(fèi)高昂等問題［1］。

Zigbee是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，具有近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本、安全等優(yōu)點(diǎn)。近兩年來，Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，結(jié)合各行業(yè)實(shí)際取得了許多成果，極大地推動了社會發(fā)展。在路燈控制方面，Zigbee技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)同樣可以解決傳統(tǒng)控制方法中存在的問題［2］。

本文旨在利用移動通信GPRS并借助于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)研制一套自動化程度高、運(yùn)行可靠、高效節(jié)電、使用維護(hù)方便的路燈監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照路燈遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和要實(shí)現(xiàn)的功能，我們將本系統(tǒng)大體分為中央控制室、集中控制器和路燈控制器三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［3］。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示:

第一層中央控制室是一臺PC服務(wù)器，負(fù)責(zé)整個(gè)城市路燈的監(jiān)控，第二層的集中控制器負(fù)責(zé)一條街上的全部路燈控制，第三層路燈控制器負(fù)責(zé)同一燈桿上的所有燈具。其中，一層與二層之間使用了GPRS無線通訊網(wǎng)，這兩層之間距離遠(yuǎn)，雖然通信成本較高，但通訊成員少。二層與三層應(yīng)用了Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，幾乎沒有運(yùn)行成本，特別適合距離短、通訊對象多的情況。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

另外，本設(shè)計(jì)還具有電量計(jì)量等功能，由電壓互感器和電流互感器對各路段路燈的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲或者通過監(jiān)控中心的巡檢把現(xiàn)場各路段工作參數(shù)包括電壓、電流、開關(guān)量等傳回監(jiān)控中心。監(jiān)測終端能自動檢測到跳閘、斷路、電壓異常、供電故障、開關(guān)燈控制異常等突發(fā)事件并及時(shí)將報(bào)警數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心，以供監(jiān)控中心值班人員及時(shí)了解情況做出處理。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控中心與無線數(shù)據(jù)采集監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)傳輸通道，選用固定IP地址方式通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將所采集到的工作參數(shù)主動、及時(shí)上傳到監(jiān)控中心［3］。

2.2 系統(tǒng)的工作過程

中央控制室可根據(jù)預(yù)置序列指令通過集中控制器自動或手動完成對整個(gè)城市或任一區(qū)域、任一線路的控制。當(dāng)需要對某一終端進(jìn)行監(jiān)測或控制時(shí)，由中央控制室發(fā)送規(guī)定好的命令給CMS91模塊，CMS91收到命令后，解釋該命令。解釋完命令后發(fā)給集中控制器的Zigbee無線射頻模塊，由該模塊把命令發(fā)給相應(yīng)的路燈控制器，路燈控制器收到命令后做出相應(yīng)的動作。

當(dāng)路燈控制器收到命令后會有兩種動作:一種是做出相應(yīng)的動作后向上層做出應(yīng)答，二是把上層需要的數(shù)據(jù)通過Zigbee無線射頻模塊傳給集中控制器，再由集中控制器把收到的路燈控制器的信息，通過CMS91模塊以短信形式反饋到中央控制室。

當(dāng)某盞路燈發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)以及子站的移動通信 (GPRS)傳輸信息，能快速提供壞燈的編號、位置，利于工作人員及時(shí)、準(zhǔn)確地更換，節(jié)約了大量查詢壞燈的資源。若路燈以及電纜線路被破壞，同樣可以在監(jiān)控中心及時(shí)報(bào)警。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 GPRS 模塊設(shè)計(jì) ［1］

系統(tǒng)的GPRS模塊設(shè)計(jì)選用Cellon公司的CMS91，它是一種雙頻段GSM/GPRS10級模塊，主要優(yōu)點(diǎn)有:低功耗、接口簡單、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10、開發(fā)多媒體應(yīng)用、價(jià)格較低等。同時(shí)，它也提供SMS(短消息服務(wù))和語音功能。圖2給出了由CMS91構(gòu)成的GPRS模塊的電路原理圖。

在該設(shè)計(jì)中，CMS91模塊相當(dāng)于一個(gè)無線調(diào)制解調(diào)器用戶的應(yīng)用系統(tǒng)，由于該模塊已經(jīng)集成了一個(gè)無線接收機(jī)模塊，實(shí)際使用時(shí)需接入SIM卡插座。GPRS終端是通過RS232接口與設(shè)備進(jìn)行通訊的，利用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)了微處理器的TTL電平與 RS232電平的轉(zhuǎn)化。MAX232能滿足TIA/EIA-232-F和1TU v.28標(biāo)準(zhǔn)的要求，其工作電源電壓為3伏至5.5伏，具有一個(gè)驅(qū)動器和一個(gè)接收器，數(shù)據(jù)速率最多可達(dá)250kbit/s，該芯片具有靜電保護(hù)功能和自動掉線特點(diǎn)。

圖2 GPRS模塊電路設(shè)計(jì)

圖3 Zigbee模塊的電路原理圖

3.2 Zigbee 模塊設(shè)計(jì) ［4］

在RF收發(fā)器上，本設(shè)計(jì)選用了Chipcon公司的CC2420射頻收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn) Zigbee協(xié)議的物理層(PHY)及媒體訪問控制器 (MAC)層，具備65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)通道并可隨時(shí)擴(kuò)充，以及低耗電、250kbps傳輸速率、快速喚醒時(shí)間 (＜30ms)、CSMA-CA通道狀態(tài)偵測等特性。

CC2420只需要極少的外圍元器件，其外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗。Zigbee模塊的電路原理圖如圖3所示。［4］

3.3 CC2420與微處理器的連接

CC2420可以通過 4線 SPI總線 (SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制 FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì)，通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘/定時(shí)信息的輸入。

系統(tǒng)主控制器采用Samsung公司基于ARM公司的S3C2410。S3C2410采用了ARM920T內(nèi)核，它的低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用，S3C2410與CC2420的引腳連接如圖 4 所示。［5］

圖4 S3C2410與CC2420的引腳連接

系統(tǒng)選用PICl8LF4620單片機(jī)作為分控制器的MCU。PLC單片機(jī)是Micorchip公司的產(chǎn)品，以其優(yōu)良的性能，極高的穩(wěn)定性，在智能儀表，醫(yī)療設(shè)備，保安系統(tǒng)等領(lǐng)域己經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。PICl8LF4620與CC2420的引腳連接如圖5所示。［6］

圖5 PICl8LF4620與CC2420的引腳連接

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)利用C語言進(jìn)行編程，采用“嵌入式操作系統(tǒng)”加“應(yīng)用程序的開發(fā)”模式，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主控制器和分控制器分開設(shè)計(jì)。主控制器軟件設(shè)計(jì)平臺基于S3C2420嵌入Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本是2.4.18，分控制器軟件開發(fā)則以MPLAB V6.40為開發(fā)平臺，采用ICD2進(jìn)行在線調(diào)試。

圖6 GPRS收發(fā)子程序流程圖

4.1 GPRS收發(fā)子程序設(shè)計(jì)

CMS91加電后，應(yīng)用程序需通過 IO口操作CMS91的ON/OFF控制位，使CMS91正式啟動啟動過程大約3～5秒，若 CMS91接有有效的 SIM卡，CMS91將附著在 GPRS網(wǎng)絡(luò)。［2］對 CMS91的串口讀寫操作仍然是由中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)，GPRS收發(fā)子程序流程圖如圖6所示。

4.2 Zigbee收發(fā)子程序設(shè)計(jì)

在對 Zigbee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置時(shí)，使用Chipcon公司提供的開發(fā)套件，該套件包括各種高性能的Zigbee軟件工具，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)置器、協(xié)議追蹤調(diào)試工具等［3］。Zigbee收發(fā)子程序流程圖如圖7所示。

圖7 Zigbee收發(fā)子程序流程圖

5 結(jié)論

本文完成了采用GPRS無線通信模塊CMS91與新一代無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) Zigbee芯片CC2420相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了通過手機(jī)短信對城市照明設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)相對于以往的時(shí)鐘以及光電控制路燈，能夠?qū)β窡艟€路進(jìn)行有效的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遙控、遙測和遙信功能，而且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該設(shè)計(jì)采用GPRS和Zigbee進(jìn)行通信，無需重新鋪設(shè)線纜和構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行成本很低。經(jīng)檢驗(yàn)，該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，應(yīng)用前景廣闊。

［1］鐘章．GPRS通用分組無線業(yè)務(wù) ［M］．人民郵電出版社，2001.9．

［2］田亞．基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．同濟(jì)大學(xué)工學(xué)碩士論文，2007年3月．

［3］王剛．路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究 ［D］．南京:南京理工大學(xué)，2004．

［4］王銳華等．淺析Zigbee技術(shù) ［J］．電視技術(shù)，2004年第6期，P33～35．

［5］吳學(xué)智，戚玉華等．基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā) ［M］．北京:人民郵電出版社，2007年9月第1版．

［6］李學(xué)海．PIC單片機(jī)實(shí)用教程——基礎(chǔ)篇 ［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002年2月．