基于GPRS+ZigBee的遠程路燈控制系統的設計

孔曉紅 李瑞華 何軍和

摘要：設計一種基于GPRS+ZgiBee的遠程路燈監控系統。系統采用ZigBee無線自組織網絡技術和GPRS技術進行數據傳輸，各個節點把采集的信息實時發送回來，顯示在上位機上，可以實時監測當前的光照強度和各個路燈的運行情況，同時可以根據當前光照強度調節合適的照明亮度。

關鍵詞：無線通信技術；ZigBee；GPRS；遠程控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）06-0026-05

目前使用的傳統路燈的照明管理系統存在不足之處，如浪費電量大、路燈使用壽命短、不能進行遠程控制、無法自動識別故障路燈、人工作業量大等。近年來，隨著無線通信技術的發展，無線傳感器網絡應用范圍越來越廣泛[1-2]。基于ZigBee技術的無線組網通信技術是一種新興技術，其用無線通信方式對路燈節點進行管理，具有通訊頻段多、組網能力強、無通訊費用、硬件成本低、功耗低等優點[3-5]。ZigBee無線傳感器網絡具有省電、可靠、安全等優點，能夠對路燈進行實時監控，降低管理成本，而且系統容易組建、便于擴展[6]。

本課題設計一種基于GPRS+ZigBee的遠程路燈監控系統。控制系統采用ZigBee無線自組織網絡技術和GPRS技術進行數據傳輸，各個節點把采集到的信息實時發送回來，通過串口傳送到上位機，可以清楚地看到當前光照強度和各個路燈的運行情況，同時可根據實際情況的不同提供靈活的控制策略，從而使照明系統更智能化、更可靠，并能達到節能環保的目的。

1 系統硬件設計

系統采用監控中心通過GPRS公網連接到各條道路的現場控制器（GPRS模塊），從而實現對遠程數據傳輸，上位機發送控制指令，通過GPRS網絡將控制指令傳輸到現場控制器，GPRS模塊通過RS-232接口與ZigBee協調器連接，將數據傳給ZigBee協調器，ZigBee協調器采取廣播的方式將控制指令發送給各個ZigBee路由器模塊和ZigBee終端節點模塊，通過控制與之相連的繼電器模塊的通斷，實現遠程控制路燈的功能。同時，ZigBee終端節點定時監測各個設備的工作狀態，并且實時上傳到ZigBee協調器，協調器將收到的數據通過GPRS模塊傳到監控中心，上位機軟件對收到的數據進行分析，并且實時將各個設備的工作狀態顯示出來，最終達到遠程監控的目的。系統的硬件主要由最小系統、串口接口電路、仿真器接口電路、恒流驅動電路、GPRS模塊、路燈工作狀態監測電路、光照強度監測電路組成。系統總體框圖如圖1所示。

1.1 最小系統

最小系統的設計如圖2所示。采用以CC2530芯片為主要元件構成的硬件平臺，并將Z-Stack協議棧移植到該硬件平臺，可以實現無線網絡的自組網以及網絡節點間的數據傳遞。

1.2 串口通信接口

串口接口電路如圖3所示。協調器和GPRS模塊之間采用RS232接口通訊，使用簡單方便。

1.3 恒流驅動

恒流驅動是指通過LED的電流為一個合適的恒定值，使用恒流驅動旨在提高LED的發光效率和穩定度，減少LED的光衰度[7]。大功率LED都是采用恒流驅動方式。

LED恒流驅動電源采用的是兩級變換器，第一級采用UCC28810轉換電路，目的是將AC轉換成36 V的DC電源。第二級采用UCC2811模式，目的是將恒壓源轉換為0.9 A恒流源。此方案電源的轉化效率更高，保證了系統的高效率。此方案使用TI公司生產的UCC28810EVM-002評估板。恒流驅動模塊如圖4所示。

1.4 GPRS模塊

GPRS模塊的作用是實現遠程數據傳輸，可以與管理者之間進行短信的收發，并與ZigBee協調器之間進行無線通信，當現場出現故障時，以最快的速度將故障信息傳輸給管理者或用戶。GPRS模塊內部結構框圖如圖5所示。

1.5 路燈工作狀態監測電路

狀態監測電路主要對路燈的狀態進行監測，可以讓值班人員實時看到路燈系統的工作狀態，如果發生故障方便及時處理。系統主要是通過監測路燈的工作電流來進行監控的[8]，采用電流檢測技術和精密型霍爾磁敏傳感器，當檢測到路燈出現故障不能正常工作時，ZigBee網絡立即發送報警信號到主控端，通知管理人員采取相應的措施。電流型電壓測量電路如圖6所示。

2 系統軟件設計

系統的軟件主要包括：ZigBee協調器，ZigBee路由器，ZigBee終端節點，GPRS模塊和上位機。系統軟件設計框圖如圖7所示。

2.1 ZigBee協調器軟件設計

協調器負責選擇一個信道和一個網絡ID（也稱為PAN ID，即Personal Area Network ID）來建立整個網絡。網絡建立完成后開始進行數據的傳輸，并將現場和監控中心之間的數據進行傳遞，根據信號類型的不同調用相應的處理函數進行處理。網絡建立過程如圖8所示。

2.2 ZigBee路由器軟件設計

路由器模塊的功能為：允許其他終端節點設備加入網絡，多跳路由和協助它自己的終端設備的通訊。基本路由算法如圖9所示。

2.3 ZigBee終端節點軟件設計

終端節點用來發送及接收協調器和路由器發來的消息，它可以在睡眠或者喚醒狀態之間進行切換。對于新加入的節點，首先搜索所在區域可用的父節點，當檢測到可用的網絡之后，查找網絡中深度最淺的節點，并發出請求加入網絡的信號，該父節點收到信號后，發出網絡關聯的命令。終端節點加入網絡開始工作之后，實時檢測現場數據，當檢測到設備工作不正常時，把故障設備通過GPRS以短信的形式發送給工作人員的監控設備，以便快速處理，提高工作效率。終端節點工作流程如圖10所示。

2.4 GPRS模塊初始化

在對GPRS模塊進行初始化時，需要對以下幾部分進行相應的設置：接通電源，設置串口的波特率，對短信中心號碼的設置，對短信收發格式的設置，設置終端進行編碼字符等。初始化流程如圖11所示。

2.5 GPRS模塊軟件設計

GPRS模塊通過串口芯片與ZigBee協調器之間進行無線通信，并且實現數據的遠程傳輸，當現場出現異常時，能夠將信息及時準確地發送給工作人員或用戶。當GPRS模塊通電后，串口監視和數據發送兩個功能模塊分別進入監視和監聽狀態，對數據緩沖區和串口進行實時檢測。當串口監聽到有數據時，立即將其數據寫到緩沖區當中；當數據發送線程監測到有數據寫入緩沖區時，GPRS網絡會將緩沖區的數據發送出去。GPRS模塊軟件流程如圖12所示。

2.6 上位機軟件設置

本系統可以設置為手動控制方式和自動控制方式，其中自動控制方式只需要配置好相關參數即可，控制方便靈活。同時，可以查看各個區域街道的路燈工作狀態，并將系統數據自動保存下來，方便查看。路燈管理控制系統如圖13所示。

3 結論

設計一種基于GPRS+ZigBee的遠程路燈控制系統，利用GPRS技術和ZigBee無線組網技術實現了對路燈控制系統的實時監控和網絡化的管理。系統的網絡擴展性好，現場安裝簡單方便，操作界面顯示現場數據，有利于用戶的遠程操作，具有較好的使用價值。

參考文獻

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[2] 陳鴻飛.基于ZigBee與GPRS的遠程無線抄表系統智能終端設計[D].長沙：中南大學，2009.

[3] 蔡型，張思全.短距離無線通信技術綜述[J].現代電子技術，2004，20（3）：38-66.

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[5] 董樂.基于無線網絡的智能家居系統網絡節點和網關的設計與實現[D].天津：天津工業大學，2012.

[6] 閆沫.ZigBee協議棧的分析與設計[D].廈門：廈門大學，2007.

[7] 金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業出版社，2008.

[8] 鄭相全.無線自組網技術使用教程[M].北京：清華大學出版社，2004.

Abstract： A remote street lamp monitoring system was designed based on GPRS+ZigBee in this paper. The system uses ZigBee wireless self-organizing network technology and GPRS technology in data transmission， and each node sends back the information collected in real time， which is shown on the upper machine. It can monitor the current light intensity and the operation situation of the street lamp in real time， and also can regulate the suitable illuminating brightness according to the current illumination intensity.

Key words： wireless communication technique； ZigBee； GPRS； remote control