ZigBee协议栈在路灯控制系统中的应用研究

摘要

随着城市化进度的加快，路灯的安装数量和规模越来越大，对路灯的智能管理和节能控制成为一个非常重要的课题。现代智能路灯控制系统的技术实现手段很多，如光照控制、太阳能供电、电力载波通信控制等方式，但由于实际效果较差、系统成本高、技术瓶颈等问题，这些技术很难达到实际应用的要求。基于物联网中智能城市的发展需求，使用无线网络技术实现路灯智能管理和节能控制成为当前的研究热点。
　　 在物联网的各种无线通信技术中，ZigBee技术具有低成本、低功耗、组网灵活等特点，广泛应用于无线控制系统。ZigBee路灯控制系统的实现采用ZigBee协议栈，因此，对协议栈的应用研究是本文的重点和难点。订公司的ZigBee协议栈ZStack集成了ZigBee协议的所有特性，是ZigBee技术实现的最佳选择。
　　 本文认真分析了ZigBee技术在路灯控制系统中的应用现状，提出了目前的几个应用难题，如ZigBee节点通信距离较短、网络容量（多跳）较小、网络安全性低和网络维护难等问题。首先，分析了ZigBee路灯控制系统的系统需求，提出了系统设计目标和系统设计方案;然后，根据路灯系统的ZigBee组网和控制需求，进行ZigBee核心模块和路灯控制底板的硬件设计;其次，研究分析系统使用的TI ZigBee协议栈ZStack，对路灯控制系统中的ZigBee网络应用问题进行解决实现;同时，对系统中的的网关节点（协调器）和路灯节点（路由器和终端设备）进行详细的软件设计实现;最后，在实际环境中安装本文设计的ZigBee路灯控制系统，对系统进行详细的功能测试和性能测试，并分析测试效果。
　　 本文的重点和创新点是对ZigBee协议栈在路灯系统中的应用问题的解决实现，特别是对网络容量多跳、节点通信距离、网络加密和空中下载等问题的研究与实现。通过对系统各项功能和性能的测试与验证发现，本文设计的ZigBee路灯控制系统网络容量大、安全性高、系统方便维护。使得ZigBee技术在路灯控制系统中的实际应用推广具有现实意义，对ZigBee大型网络的通信研究有很好的参考价值。

目录

声明

摘要

插图和附表清单

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 研究现状

1．3 论文的主要工作

1．4 论文的结构安排

第二章 ZigBee路灯控制系统需求分析

2．1 系统设计目标

2．2 系统设计思路

2．3 系统总体框架

2．4 系统研究开发环境

2．5 本章小结

第三章 ZigBee路灯控制系统硬件设计

3．1 系统硬件设计方案

3．2 ZigBee核心模块硬件设计

3．2．1 ZigBee核心模块电路设计

3．2．2 射频天线选型与设计

3．3 路灯控制底板硬件设计

3．4 本章小结

第四章 路灯控制系统中ZigBee协议栈应用研究

4．1 TI ZigBee协议栈分析

4．1．1 ZigBee协议栈架构

4．1．2 ZStack协议栈

4．2 网络容量多跳分析

4．2．1 ZigBee多跳组网流程分析

4．2．2 网络容量多跳改进

4．3 板载天线节点通信距离分析

4．3．1 影响节点通信距离的因素分析

4．3．2 节点通信距离改进

4．4 网络加密分析与实现

4．4．1 网络PANID加密实现

4．4．2 网络数据加密实现

4．5 空中下载分析与实现

4．5．1 空中下载通信协议

4．5．2 空中下载应用实现

4．6 本章小结

第五章 ZigBee路灯控制系统软件设计

5．1 协调器软件设计

5．1．1 协调器建立网络

5．1．2 串口通信

5．2 节点软件设计

5．2．1 路由器加入网络

5．2．2 指令处理

5．2 管理通信协议

5．4 本章小结

第六章 系统的应用与测试

6．1 系统测试平台

6．1．1 系统总体框图

6．1．2 后台监控中心

6．1．3 GPRS无线网关

6．1．4 ZigBee路灯节点

6．2 系统功能测试

6．3 系统性能测试

6．3．1 节点通信距离测试

6．3．2 网络容量多跳测试

6．3．3 系统稳定性测试

6．4 测试结果分析

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的研究成果