基于ZigBee網絡的港口照明燈無線監控系統研究

許曉毅

【摘 要】針對港口照明分散性強，照度要求高的特點，研究一套港口作業照明燈無線監控系統。本系統以CC2430作為主控芯片，利用Z-Stack協議，結合光敏電阻作為監測子節點，并直接整合在高桿燈中，接收光照傳感器檢測的光照強度數據，同時將數據通過Zigbee無線網傳輸給路由子節點。最后協調器通過GPRS將數據傳輸給控制中心，實現整個系統。根據上傳的數據，維護人員可對外界光照強度進行遠程監控，及時鎖定照明異常區域，減少維護成本。

【關鍵詞】CC2430；ZigBee網絡；光敏電阻；GPRS

0 引言

港口夜間照明主要要采用路燈照明和場站燈塔照明。夜間工作的車輛和人員較多，路燈和燈塔的正常運行將直接影響到企業安全生產。現代化的無線照明監控系統逐漸應用于各個領域，本文研究的是基于ZigBee網絡的港口照明燈無線監控系統。外部設備對環境的光照強度進行實時監測，監測到的數據通過無線傳輸設備上傳至控制中心進行分析判斷，工作人員根據分析的結果對照明燈具的開關及外界光照強度進行遠程控制。本系統還可準確定位故障照明燈的位置、初步判斷故障原因，還可以自動檢測到損壞的燈具，通過無線監控系統通知維護人員，迅速準確的去進行修復，增加了照明系統的穩定性和可靠性。

1 系統總體設計方案

為了能夠實現上述的設計目標，對整個系統進行分解，該系統由安裝在作業燈桿上的監測子節點、負責整個網絡無線數據傳輸和中繼的路由節點以及負責整個網絡信息匯總的協調器節點與GPRS構成的網關構成。為了能夠實現網絡覆蓋范圍盡可能的大，網絡的穩定性和自愈合能力盡量的強，系統采用Mesh型網絡。系統利用監測子節點上光敏電阻采集到的光強信息與自動開啟閾值進行比較從而判斷該節點上的作業燈是否需要開啟。同時利用每個網絡節點上的MAC地址與綁定表中的地址進行比較，從而大致判斷出問題作業點在網絡中的位置，本文使用GPRS實現無線數據從個域網到廣域網的傳輸。

整個港口照明無線監控系統結構由監測子節點模塊、路由子節點模塊、協調器模塊和GPRS模塊四部分組成。

本體統的ZigBee網絡采用CC2430芯片，它內置控制器，支持Z-Stack協議棧，在組網方面有很大的優越性。不僅在軟件方面有優點，在硬件方面也有比其他設備優越的地方。CC2430的特性：

1.1 監測子節點模塊

監測子節點作為一個無線監控終端，由一個光強傳感器、光強控制器以及ZigBee核心控制器構成。監測子節點由高桿燈或者燈塔線路直接提供電源。CC2430通過光敏電阻所構成的分壓電路將5V電源進行分壓。并由其內部自帶的A/D進行處理，并將中值濾波所得的光強信息通過射頻方式發送至網關。

1.2 路由子節點模塊

Zigbee設備主要工作在2.4GHz頻段上，這一特性限制了Zigbee設備的數據傳輸距離，Zigbee解決這個問題的關鍵就是路由器。路由子節點利用Z-Stack協議棧自帶的AODV路由算法尋找路由路徑，并向其數據傳輸至協調器。由于 Zigbee無線網傳輸的距離有限，本文在路由器前端采用一個CC2591射頻器，用來增大信號的傳輸功率。不必考慮其功耗問題。

1.3 協調器網關模塊

協調器在整個網絡中要完成數據的收集、網絡的建立及分配網絡地址然后讓其他的路由器等加入這個網絡，因此協調器是整個ZigBee網絡中的第一個設備。

在本系統中，協調器與路由器的數據傳輸方式是通過Zigbee無線傳輸，因此在個域網與泛在網之間必須存在一種轉換設備，網關正是起到了該作用。利用CC2430中的51內核控制GPRS模塊來進行信息傳輸與轉換。本系統所選用的GPRS模塊是MC39i。

1.4 系統外圍電路模塊

本系統的外圍電路模塊包括串口電路、JATG接口和電平轉換電路[2]。串口電路主要使用了MAX232芯片，給CC2430中的8051MCU下載程序，結構相對簡單。同時將PC機的TTL電平轉化為232電平方便MCU和PC機的連接。

JATG接口作用就是調試程序。

此系統分別使用了兩種電平轉化電路，一種是AMS1117ADJ即可控型，另一種就是AMS1117固定電平轉換電路，電平轉換主要是為了CC2430和MC39i的使用，CC2430的引腳需要的電平分別是3.3V和1.8V。而另外作為GPRS模塊的MC39i的工作電壓為3.3V到4.8V，3.3V是個臨界值自然為了保險起見不能直接使用3.3V的電平來驅動MC39i，而固定的1117電平轉換沒有這種特殊值，因此就必須使用可控型的AMS1117。其輸出電壓的計算公式為：VOUT=VREF（1+R8＼R7）+IADJ*R8。（VREF為R7兩端電壓值，IADJ為1號腳的輸出電流）根據此公式和需要的輸出電平值就可以計算出R7和R8的電阻值，最終其輸出電平值大概在4V。固定的AMS1117就不需要接電阻來分壓調整輸出電平值，只需要保證穩定的電壓輸出就行了。

2 軟件程序設計

通過前面系統設計分析可知整個ZigBee網絡采用Mesh網絡，其中層深以及最大路由數等按照ZigBee2006協議棧默認的值，使用規范的協議棧體系。網絡協調器相當于負責建立和管理網絡的控制中心，能夠定時檢測系統有無按鍵按下，同時顯示相關控制電源的狀態信息，并執行相應的電源開關的命令。在沒有收到指令信息時，網絡協調器會自動檢測周邊的無線電信號，判斷網絡是否有新節點增加的信息，有則為其分配網絡地址[3]。路由節ROUTER通常處于監控狀態，可作為用來判斷照明燈打開和關斷RFD節點，可設置在道路兩旁，達到遠程控制的目的。本系統終端控制RFD節點，采用光敏電阻的返回值確定路燈的開關。

在ZigBee網絡中，網絡協調器具有建立一個網絡、維護鄰居設備表、對邏輯網絡地址進行分配、允許設備MAC層/應用層的連接或斷開網絡的功能。當一個網絡建立成功后，路由節點和RFD節點開始掃描信道找到協調器并申請加入網絡，獲取協調器的地址，并將自己的地址發送給協調器，通過調用aplJoinNetwork（）函數加入到協調器建立的網絡中。網絡加入成功后，網絡節點則進人休眠狀態，直到有命令或數據發送時才被喚醒[5]。

3 結論

本文基于ZigBee的港口作業照明燈無線監控系統，可以實現對現有照明燈具監護和管理，對燈光照度和用電能耗的進行實時監控。本系統運用先進的無線通信傳輸技術，采用CC2430新型單片機控制，利用無線傳感器便攜的組網特性進行數據采集和傳輸，減少了繁雜網絡布線。因此新系統施工安裝簡單，維護方便，適合老企業照明設備更新換代。

【參考文獻】

[1]高守瑋，吳燦陽.Zigbee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社2009.

[2]王俊.基于GPS與GPRS的高速公路車速實時檢測系統設計[Z].2009.

[3]余向陽.無線傳感器研究綜述[Z].單片機嵌入式系統應用.

[4]CC2430Data Sheet.http//www.ti.com/CC2430[OL].

[5]王東東，郭文成.基于ZigBee技術的路燈無線網絡控制系統設計[S].天津工業大學學報，2015.

[責任編輯：張濤]