ZigBee在城市照明監控系統設計中的應用分析

李建兵 王江永 陳穎

摘 要：城市照明設施與城市居民的日常生活及城市交通安全存在密切聯系。隨著城市路燈數量、規模的不斷擴增，傳統路燈開關控制方式已經無法滿足實際需求，傳統模式不僅電能利用率較低，而且需要頻繁的人工巡檢及維護，一定程度上造成了人力資源及能源浪費。在這種背景下，城市照明自動化監控系統應運而生，并愈來愈受到關注。基于此，本文對基于ZigBee的城市照明監控系統進行了綜合性分析，并提出了相關設計觀點，以供參考。

【關鍵詞】ZigBee 城市照明監控 系統設計

1 ZigBee概述

ZigBee是一種典型的段距離、低功耗無線通信技術，該技術是以基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。ZigBee復雜程度較低、數據速率偏低，適用于自動控制及遠程控制，具有良好的兼容性，可嵌入多種設備當中。相對于其他無線網組網技術而言，ZigBee盡管功能性一般，但整體成本較低，全功能主節點僅需要32kB代碼，而子功能節點僅需4kB代碼。另外，ZigBee免除了協議專利費，進一步降低了組網成本。對于城市照明監控系統而言，ZigBee與其要求正好匹配，具有良好的適用性。

2 ZigBee組網設計分析

ZigBee組網過程中，主要涵蓋了兩種不同類型的設備，即FFD（全功能設備）與RFD（精簡功能設備），這兩種類型設備是ZigBee網絡中的基本組成單元。其中FFD可用作局域網協調器、路由器或終端節點，并且一個FFD可與若干個FFD或RFD進行數據交互。而RFD受自身功能所限，只能作為終端節點，并且只能與協調器進行通信。但相對于FFD而言，RFD應用結構較為簡單，且數據傳輸量較小，空間資源占有量小，利用RFD進行組網可降低整體成本及功耗，具有經濟實用的特點。通常情況下ZigBee主要支持三種類型的網絡拓撲結構，即星形網絡、樹形網絡及網狀形網絡。考慮到城市路燈監控覆蓋范圍較大，并且路燈易受到自然環境、天氣氣候、電磁輻射等影響，部分情況下會出現個別節點失效的情況。網狀形網絡與上述要求正好相契合。網狀形網絡結構通信范圍較大，并且具備了路由發現功能。當出現網絡故障時，網狀形網絡可進行自我修復，保證了監控系統的穩定性。在實際組網過程中，由于ZigBee網絡的節點上限為65535個，各節點可分別與另外254個節點進行通信。但考慮到節點數量過多會增加網絡深度，導致通信延時上升。因此，在網絡規劃中，需合理篩選網絡覆蓋范圍，并控制節點數量，先通過協調器構建出一個ZigBee網絡，再將其他路由節點加入該網絡當中，并保證所有的ZigBee設備都具備加入功能與離開功能。

3 城市照明監控系統設計分析

3.1 硬件模塊設計

城市照明監控系統硬件模塊主要涵蓋了兩個部分，即為無線通信模塊及單燈測控模塊，具體如下：

3.1.1 單燈測控模塊

單燈測控模塊中，節點控制器采用CC2530射頻芯片，該芯片可支持ZigBee通信標準。處射頻芯片外，模塊當中還包含了若干子模塊如采集模塊、控制模塊、射頻模塊及電源模塊等。單燈測控模塊以分層模式構建，同一電路板當中容納了主控芯片與射頻匹配電路，并留有接口。電源模塊、控制模塊及采集模塊電路均至于底板上，并留有相應的接口。將底板與另一塊電路板插在一起便可讓單燈測控模塊正常運行。

3.1.2 無線通信模塊

無線通信模塊是單燈網絡的主要控制節點，可作為Internet與單燈網絡之間的接口網關。無線通信模塊以LPC2368芯片作為控制單元，同時應用CC2530射頻芯片可進行網絡數據傳輸。采用LPC2368芯片可從一定程度上降低外圍硬件電路的復雜程度，有利于節約開發成本，GPRS模塊則選用GTM900C，該模塊集成性較好，內置TCP/IP協議模塊。通信模塊工作期間，由CC2530作為網絡協調器，并將網絡數據信息傳遞至GPRS數據處理模塊，底板則采取用LPC2368作為控制單元。

3.2 軟件設計

城市照明監控系統構建過程中，除了要對ZigBee網絡硬件部署外，還需要進行相應的軟件開發。在實際應用過程中，嵌入式軟件程序在整個系統當中發揮了重要的作用，軟件的穩定性將直接關系到系統能否發揮實時監控作用。本研究中，系統主要分為單燈測控模塊與無線通信模塊兩個部分，這兩個模塊當中又包含了若干個子模塊，相互之間既獨立存在，又互有聯系，這種分層次結構為程序編寫及調試提供了便捷。在ZigBee網絡監控協議過程中，為了讓網絡數據幀控制、編碼、解碼流程更為方便，可將數據幀設為定長，以此來簡化程序設計與協議設計，但相關功能并不會缺失。數據幀主要包括命令幀與狀態幀，其中命令幀會將命令字段定義在幀中，并可傳輸至相應的網絡節點上，再由節點執行命令即可。主控程序主要可實現GPRS模塊數據檢測、TCP虛鏈接處理、定時輪詢路段單燈狀態，以保證監控系統發揮實質性作用。

4 結語

基于ZigBee的城市照明監控系統可實現城市路燈自動化控制，適用于各類照明設備如白熾燈、高壓鈉燈、LED燈等。當然，對于不同類型的照明設備需進行差異化設計。總體上來看，ZigBee具有低功耗、低成本的特征，并且能夠完全滿足城市監控系統的需求，具有較好的適用性。同時，利用多線程異步機制進行軟件開發，可降低開發復雜度，并保證軟件穩定性，為監控系統正常運作提供保障。

參考文獻

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作者簡介

李建兵（1974-），男，江蘇省常州市人。大學本科學歷、學士學位。現為常州市金壇區路燈管理所工程師。研究方向為城市照明。

作者單位

1.常州市金壇區路燈管理所 江蘇省常州市 213200

2.上海五零盛同信息科技有限公司 上海市 200063