基于ZigBee的无线智能路灯系统研究

摘要

随着我国城市化水平的不断提高，城市的路灯照明系统不断扩大，然而，由于恶劣天气情况的影响，时常出现断电、供电量不足等问题，同时，节约电能、提高路灯控制器的使用率，已经是城市路灯照明系统急需解决的问题。目前各大城市的路灯能源利用率普遍不高，路灯电费高昂，增加了管理和使用单位的经济负担，而传统路灯控制器存在着智能化程度低、通讯稳定程度差、管理控制不方便、路面照度分布不均等问题。
　　本课题设计的无线智能路灯系统，采用ZigBee无线自组织网络技术，可以实现路灯节能控制系统的智能化、信息化，而且具有可靠性高、成本低的优势。本系统由三部分组成:上位机系统管理软件、无线路灯网关和无线路灯控制器。无线路灯网关作为ZigBee网络协调器，可安置在监控机房，一方面负责ZigBee网络的建立和配置，另一方面通过以太网与上位机连接，实时反馈网络状态和接收上位机控制指令。无线路灯控制器作为ZigBee网络路由器，安置在灯杆内部，可对照明电路电压、电流、功率等参数进行监测，并控制路灯的智能开启和关闭。在ZigBee网络中，它的功能是允许其他设备加入网络和多跳路由维护。
　　论文首先介绍了课题研究背景、研究状况以及目的和意义;其次分析了ZigBee技术标准，ZigBee网络的设备类型，详细介绍了ZigBee协议层组成，包括物理层、介质访问控制层、网络层和应用层;接着进行无线路灯智能系统总体设计，研究了系统网络拓扑、路由协议等，本系统采用网状网，Cluser-Tree算法和AODVjr算法相结合的路由协议，并在NS2平台上进行了仿真分析，结果表明，重新设计的智能路灯路由协议性能优于前两者;随后设计了基于CC2530的ZigBee射频模块，给出了原理图和PCB设计中的注意事项;接着，进行ZigBee协议栈的软件开发，重点研究了Z-Stack协议栈的各个模块和运行机制，设计了ZigBee模块的启动流程，并且实现了API接口的功能开发;最后在陕西渭南进行系统安装和测试，共安装控制器93个，其中1个无线路灯网关，92个无线路灯控制器，实际运行结果表明系统运行良好，具有很高的推广价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究状况

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 论文主要工作及章节安排

2 IEEE 802．15．4／ZigBee标准介绍

2．1 ZigBee技术及特征

2．2 ZigBee设备类型

2．3 ZigBee协议层组成

2．3．1 ZigBee协议层概述

2．3．2 物理层

2．3．3 介质访问控制层

2．3．4 网络层

2．3．5 应用层

2．4 本章小结

3 无线智能路灯系统总体设计

3．1 无线智能路灯系统设计

3．2 网络拓扑

3．2．1 星型拓扑

3．2．2 树状拓扑

3．2．3 网状拓扑

3．3 路由协议

3．3．1 树路由算法

3．3．2 AODVjr路由算法

3．3．3 无线智能路灯路由原理

3．4 路由协议仿真

3．4．1 NS2平台介绍

3．4．2 NS2模拟平台搭建

3．4．3三种路由协议仿真与分析

3．5 本章小结

4 ZigBee射频模块硬件设计

4．1 关键器件选型

4．2 基于CC2530的射频模块设计

4．2．1 CC2530芯片简介

4．2．2 原理图和PCB设计

4．2．3 设计中的注意事项

4．3 本章小结

5 ZigBee协议栈开发

5．1 IAR开发环境介绍

5．2 Z-Stack协议栈

5．2．1 系统初始化

5．2．2 OSAL任务

5．3 Z-Stack的API开发

5．3．1 Z-Stack MT API介绍

5．3．2 MT帧格式

5．4 ZigBee射频模块软件开发

5．4．1 启动程序设计

5．4．2 API软件功能设计

5．5 本章小结

6 测试与安装

6．1 系统实物及参数

6．2 安装环境

6．3 运行结果

6．4 本章小结

7 总结与展望

参考文献

作者简历

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