基于ZigBee的城市路灯无线监控系统研究

摘要

路灯作为城市照明中必不可少的公共基础设施，与人们的日常生活和城市交通安全有着密不可分的联系，路灯控制和管理水平的高低则是检验一个城市现代文明的标志。传统的路灯开/关和巡检方式已逐渐显露出弊端，不但电能利用率低，且增添了不少人工巡检和维护的麻烦，造成了能源和人力资源的过度浪费。
　　本文针对目前大多数城市对路灯照明控制和管理水平的不足，在日益发展的无线通信技术趋势下，设计了一套路灯无线监控系统。本系统主要分为三层，分别是具有人机交互界面功能的路灯管理中心、汇聚路灯节点信息和发送路灯控制命令的路灯监控子站以及采集路灯节点信息的路灯控制终端。采用GPRS通信和ZigBee短距离无线通信相结合的技术手段，取代了传统的有线传输。其中，路灯管理中心和路灯监控子站之间的通信采用GPRS技术，具有覆盖范围广、传输速率高的特点，且能实现远程异地操作;路灯监控子站和路灯控制终端以及路灯控制终端之间的通信采用ZigBee技术。
　　本文将从ZigBee协议栈的体系结构、ZigBee节点设备的基本类型和ZigBee网络拓扑结构等方面进行整个系统的规划设计，重点对ZigBee媒介访问控制层和网络层进行详细研究，介绍了ZigBee路由协议和RS485通信协议。路由协议是各路灯节点之间通信传输的可靠性机制，路由是节点之间传递信息经过的可靠路径，本文针对常用ZigBee路由算法的不足，提出了一种改进型路由算法——ZBR算法，使得整个系统的稳定性和网络可靠性都得到了提高。路灯控制终端MCU和LED驱动控制板之间的通信则采用RS485通信技术，取代了传统的RS232通信，具有传输距离远、传输速率高的优点。
　　硬件设计介绍了各单元模块的选型和原理图分析，利用微控制器处理单元的三个串口，分别实现与GPRS模块、射频模块和LED驱动控制模块数据传输通信的功能。软件设计移植了μCOS-Ⅱ操作系统，对系统的传输数据任务进行优先级排序，合理利用CPU资源，解决了信号传输冲突问题。照明灯具采用太阳能板LED路灯，利用蓄电池为整个系统供电，保证了为节点供电的可靠性。根据软件设计中MCU管脚输出的PWM波实现亮度调节，采用分时段控制机制，经过计算分析，与传统的高压钠灯相比，能够有效节约电能。路灯管理中心则采用C/S架构的服务器模式，通过GPRS通信技术，可以实现远程对路灯的控制操作。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 无线传感网络的系统设计

2．1 系统结构

2．2 短距离无线通信技术方案的选择

2．2．1 Wi-Fi技术

2．2．2 蓝牙技术

2．2．3 ZigBee技术

2．2．4 路灯监控系统采用ZigBee技术的优势

2．3 无线通信协议设计

2．3．1 ZigBee协议栈结构

2．3．2 路灯无线监控系统的物理层设计

2．3．3 路灯无线监控系统的媒介访问控制层设计

2．3．4 路灯无线监控系统的应用层设计

2．4 本章小结

3 路灯无线监控系统的组网与路由方案设计

3．1 ZigBee网络设备类型

3．2 ZigBee网络拓扑结构的选择

3．2．1 星形网络

3．2．2 树形网络

3．2．3 网状形网络

3．2．4 网络拓扑选择

3．2．5 路灯监控网络的拓扑规划

3．3 ZigBee组网方案设计

3．3．1 协调器建立网络

3．3．2 路由节点加入网络

3．3．3 网络地址的分配机制

3．4 路灯监控网络的具体化组网流程

3．4．1 ZigBee节点的IEEE地址设置

3．4．2 ZigBee节点的IEEE地址登记

3．4．3 ZigBee节点的入网认证

3．5 路由方案的选择

3．5．1 ZigBee路由算法的设计目标

3．5．2 Cluster-Tree算法路由选择分析

3．5．3 AODV算法路由选择分析

3．5．4 AODVjr算法路由选择分析

3．6 路由算法的设计

3．6．1 路由成本计算

3．6．2 改进的ZBR算法设计

3．7 本章小结

4 路灯无线监控系统的软硬件设计

4．1 路灯控制终端的硬件设计

4．1．1 MCU微控制器单元

4．1．2 射频单元

4．1．3 LED路灯驱动控制单元

4．1．4 存储单元

4．1．5 电源模块

4．2 路灯无线监控系统的软件设计

4．2．1 系统软件的总体设计

4．2．2 路灯监控子站处理信息流程

4．3 本章小结

5 系统实验结果与评估

5．1 系统通信性能测试

5．1．1 协调器建立网络测试

5．1．2 路由算法仿真结果分析

5．2 路灯管理中心的主要功能及组成

5．3 系统实验结果评估

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢