基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文基于ZigBee的路燈監控系統設計摘要隨著社會經濟的不斷發展，人們對市政建設中城市照明系統的要求不斷提高。傳統的路燈控制技術與維護方法存在著很多缺點和弊端，包括施工復雜，靈活性差，存在能源浪費、智能化程度低、通信穩定度差等，無法適應城市現代化發展的需求。Zigbee技術是一種新興的無線網絡通信技術，與傳統的有線系統相比，其在性能、成本以及組網規模等方面具有很大的優勢，適用于智能家居、工業控制和醫療控制等領域。本文為解決傳統路燈控制系統存在的不足，設計出基于Zigbee技術的LED路燈監控系統。首先，深入分析當前路燈控制技術的應用背景和國內外路燈控制技術的研究現狀。針對傳統路燈控制技術的不足與弊端，闡述了Zigbee技術在路燈控制領域的發展前景。其次，詳細介紹Zigbee技術低功耗、低成本以及網絡容量大等特點和符合Zigbee通信協議的硬件開發平臺CC2430。最后，完成LED路燈監控系統的硬件設計以及軟件流程圖的設計。路燈控制系統的硬件部分是以CC2430為控制核心，加上一些外圍電路組成控制系統，包括光敏電阻檢測電路、路燈工作狀態檢測電路、支路控制電路等，實現路燈根據光線明暗自動開關，檢測路燈工作狀態等功能。軟件部分主要是路燈控制系統流程圖的設計，詳細描述整個系統的工作過程。關鍵詞：ZigbeeCC2430路燈監控基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第1頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第1頁。AbstractWiththedevelopmentofsocietyandeconomy,therequirementofcitylightingsystemhasbeenimprovinginthemunicipalconstruction.Thetraditionalstreetlightcontroltechnologyandmaintenancemethodaremanyshortcomingsandabuses,includingconstructioncomplex,flexibilityispoor,existingenergywaste,lowdegreeofintelligence,communicationstabilityetc,can'tadapttotheneedsofthedevelopmentofthecitymodernization.Zigbeetechnologyisanewkindofwirelessnetworkcommunicationtechnology,thecommunicationtechnologyandtraditionalcomparedwiththeperformance,cost,andinthescaleofnetworkhasalotofadvantages,usedinintelligenthousehold,industrialcontrolandmedicalcontrol,etc.Thepurposeofthispaperistosolvetraditionalstreetlightcontrolsystem,theproblemsofdesignbasedonZigbeetechnologyLEDstreetlampmonitoringsystem.基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第2頁。Firstofall,thethoroughanalysiscurrentstreetlightcontrolapplicationbackgroundandlampcontroltechnologyathomeandabroadpresentsituationofthestudy.Accordingtothedeficiencyofthetraditionalstreetlightcontroltechnologyanddisadvantages,thispaperexpoundstheZigbeetechnologyinthestreetlampcontrolareasofdevelopmentprospects.基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第2頁。Second,detailedintroducesZigbeetechnologylowpowerconsumption,lowcostsandnetworkcapacitycharacteristicsandmeetZigbeecommunicationprotocolCC2430hardwaredevelopmentplatform.Finally,completeLEDstreetlampmonitoringsystemofhardwaredesignandsoftwareflowchartofthedesign.StreetlightcontrolsystemhardwarepartisCC2430ascontrolcore,plussomeperipheralcircuitcompositioncontrolsystem,includingphotoconductiveresistancedetectioncircuit,streetlampworkingstatedetectioncircuit,controlcircuitandotherbranch,andrealizethestreetlampaccordingtotheradiallightandshadeautomaticallyswitch,detectionstreetlightworkofthestate,andotherfunctions.Softwareofmainstreetisthedesignoftheflowchartofthecontrolsystem,adetaileddescriptionofthewholesystemworkingprocess.Keywords:Zigbee CC2430 基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第3頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第3頁。目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1課題研究的背景與意義 11.2路燈控制技術的研究現狀 12Zigbee技術及應用 42.1短距離無線通信技術的比較 42.1.1REID技術 42.1.2藍牙技術 42.1.3紅外技術 42.1.4UWB超寬帶技術 52.1.5Zigbee技術 52.2Zigbee技術簡介 52.3Zigbee網絡設備及其拓撲結構 62.4Zigbee協議棧體系結構 92.4.1物理層 92.4.2媒體接入控制層 102.4.3Zigbee網絡層 102.4.4 Zigbee應用層 122.5Zigbee和LED技術的優勢 122.6 Zigbee技術的應用領域 133Zigbee技術開發使用的硬件平臺 15基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第4頁。3.1 無線通信芯片的選擇 15基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第4頁。3.2 CC2430芯片介紹 163.2.1I/O端口線引腳功能 173.2.2CC2430芯片電源線引腳功能 173.2.3控制線引腳功能 183.3CC2430芯片典型應用電路 193.4Zigbee天線系統設計 203.5RS232(DB9)MAX232 203.5.1RS232(DB9)引腳定義 213.5.2MAX232原理 213.6 GPRS模塊解決方案 224路燈監控系統的硬件設計 234.1終端硬件電路的設計與實現 234.1.1直流穩壓電源的供電電路設計 244.1.2光敏檢測電路 254.1.3支路控制電路的設計 264.1.4工作電流檢測電路 274.2協調器硬件電路的設計與實現 284.2.1MAX232串口通信電路設計 285路燈監控系統的軟件流程圖設計 305.1網絡協調器流程圖設計 305.2路由器程序流程圖設計 315.3 終端節點流程圖設計 326結論與展望 346.1總結 346.2展望 34致謝 36參考文獻 37基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第5頁。附錄 39基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第5頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第6頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第6頁。1緒論1.1課題研究的背景與意義隨著我國城市化水平的不斷提高，在推進城市公共照明工程的過程中，城市道路照明和燈飾工程等逐漸受到人們重視，照明光源和調控設備也得到迅速發展。同時，城市公共照明的迅速發展，節能環保和提高路燈照明系統的管理水平逐漸成為人們的共識。目前大多數城仍然采用傳統的路燈控制技術，使用有線方式組建網絡，不僅施工難度大，而且智能化程度低、通信穩定度差以及控制靈活性差等，給城市照明系統的日常維護和管理帶來很大困難。近年來隨著人們對短距離無線通信要求的不斷提高和Zigbee技術的迅速發展，給城市路燈控制系統提供了新的技術解決方案，而將Zigbee技術應用于路燈控制系統也逐漸成為人們新的研究課題。 Zigbee技術是一種面向低傳輸速率的近距離無線通信技術，具有低功耗、低成本、低復雜度、抗干擾能力強、網絡容量大等特性[1]。作為一項新的技術標準，Zigbee技術的發展前景極為廣闊，因此獲得了眾多大公司的支持。Zigbee協議棧是由IEEE批準通過的有關組網、安全和應用軟件的技術標準。隨著各種支持Zigbee協議芯片的推出，該技術已被廣泛應用于數字家庭、醫療護理和環境監測等領域。從路燈控制系統的成本、智能化、可靠性和可維護性等方面考慮，結合路燈控制的實際應用需求和Zigbee技術的自身特點，本課題設計了一套基于Zigbee網絡的路燈監控系統，對路燈進行遠程數據采集、控制與調節，提高路燈控制系統的管理水平，實現根據實際需要開關路燈。1.2路燈控制技術的研究現狀基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第7頁。道路照明系統的控制技術直接影響著系統的管理水平和照明系統的節能效果，很早就得到許多國家尤其是一些歐美發達國家的重視，并提出多種不同的解決方案。國內對道路照明控制技術的研究較少，但近年來得到迅速發展。為解決不同場合的實際照明需求，人們研究出各種不同的控制方式，主要為光照控制、集中監控、和單燈控制[2]。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第7頁。 目前應用最多的轉同控制方法依然是光照控制和事件控制，在一些鄉鎮地區仍然廣泛使用。傳統控制方式有著很大的弊端，無法根據實際需要及時對路燈的開關進行控制，工作人員也無法及時了解路燈工作狀況進行及時的維護，且故障率高維修困難。隨著城市化化進程的不斷推進，人們對照明要求也越來越高，照明范圍越來越大，現行控制方式已無法滿足當下對道路照明系統的智能化管理。目前國內很多城市路燈的開、關控制仍由配電箱分散控制，很少對路燈進行遠程監控，缺乏靈活多變的操作方式，無法根據實際需要開關路燈，很多時候造成能源浪費，因此尋在著一系列的問題：通信系統采用有線方式布局，系統復雜，管理困難。照明系統覆蓋范圍廣，工作人員難以及時有效的進行維護，效果不理想。路燈運行狀態不能及時反饋到控制中心，無法及時維護，當路燈發生故障時，給行人也帶來不便。無法根據實際需求開關路燈，造成能源浪費。存在安全隱患，工作人員無法及時掌握路燈情況，無法保障安全。針對上述傳統控制技術存在的缺點，利用ZigBee技術與LED路燈的結合能很好解決路燈的監控和節能問題。主要原因如下：ZigBee技術的網絡容量大且組網簡單，理論上擁有一個協調器的網絡可擁有多達65535個節點，每個路由器也能容納255個節點。這和其他技術相比擁有極大的優勢。一般情況下，一個區域的路燈用一個協調器及可進行控制。在對路燈進行監控時，需要進行傳輸的數據不多，只需要每隔幾分鐘發送一次數據即可。ZigBee網絡是一種自組織網絡，網絡拓撲結構可以根據實際需要隨意變動，而且ZigBee網絡具有自愈功能，網絡不會因為一個或幾個節點失去聯系而癱瘓。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第8頁。Zigbee技術的低功耗、低成本、低復雜度和網絡容量大等特性成為路燈控制系統的最佳技術方案，而且可以在監控中心對路燈進行遠程無線控制，操作更加靈活。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第8頁。1.3論文的組織和安排第一章緒論。介紹課題研究背景及意義，以及國內外研究現狀。闡述本設計具有的經濟和環保意義及市場前景。在研究了國內外研究現狀的基礎上，總結出路燈控制技術的發展趨勢。第二章 Zigbee技術及應用。詳細介紹本設計所采用的技術方案，闡述了Zigbee協議棧、拓撲結構及應用領域等，對Zigbee體系結構進行了詳細的介紹。第三章Zigbee技術開發使用的硬件平臺。詳細介紹了本設計所采用的硬件平臺，對CC2430的功能及格引腳進行介紹。第四章路燈監控系統的硬件設計。在分析應用需求的基礎上，設計硬件實現方式，包括光敏檢測電路、支路控制電路、路燈工作狀態檢測電路等。第五章軟件流程圖設計。該部分有助于理解整個系統的工作過程，主要從協調器、路由器以及終端設備三個方面，詳細介紹了路燈的信息采集和控制過程。第六章結論與展望。總結整個系統的設計過程及功能，針對系統目前功能上的不足與缺點，對進一步完善與改進進行了探討。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第9頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第9頁。2Zigbee技術及應用2.1短距離無線通信技術的比較 目前，用于短距離無線通信的技術主要有RFID技術、藍牙技術、紅外技術、UWB超寬帶技術以及Zigbee技術等。2.1.1REID技術 射頻識別技術是一種非接觸自動識別技術。該技術利用射頻信號通過交變磁場實現無線接觸進行數據傳輸，并根據傳遞的信息來識別的目的。RFID技術不需要精確定位即可以實現對大量數據進行實時采集、傳遞、核對、更新等，避免人為操作中的錯掃、漏掃和重掃等差錯。2.1.2藍牙技術 藍牙技術（Bluettooth）是一種語音通信與無線數據的開放性全球規范。藍牙技術的工作頻率為2.4GHz,其數據有效傳輸范圍在10m左右。在有效通信范圍內，所有使用藍牙技術的多臺設備都可以進行無線聯網，數據傳輸速度大約1Mb/s。隨著藍牙技術的逐漸成熟、芯片價格以及功耗不斷降低，藍牙技術已經成為許多手持設備主要的短距離通信方式。2.1.3紅外技術基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第10頁。 IrDA(紅外線)是一種使用紅外線進行點對點通信的無線通信方式，該技術的主要優點是不需要申請頻率使用權，故紅外通信成本低。此外，紅外設備還具有體積小、功耗低、連接方便以及操作簡單的特點。紅外技術的不足之處在于這是一種視距傳輸技術，兩個通信設備之間不得有其他物體，否則無法完成通信，所以該技術只能在兩臺設備之間進行通信。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第10頁。2.1.4UWB超寬帶技術 UWB（UltraWideBand，超寬帶技術）是一種新發展起來的短距離無線通信技術。它通過基帶脈沖作用于天線的方式發送數據。由于該技術未采用載波調制技術，因此無需混頻、過濾和射頻/中頻轉換模塊，從而實現低成本、低功耗和高寬帶性能。理論上的有效通信距離為5m-10m，瞬時速率甚至可達1Gbp/s，實現高速率通信。2.1.5Zigbee技術 Zigbee技術是新近提出的一種短距離無線通信技術，該技術具有功耗低、成本低、網絡容量大且組網簡單等特點。與藍牙技術相比，Zigbee技術因其更低的功耗和更大的網絡容量等特點必將獲得更為廣闊的發展前景，由于其具有更高的可靠性，該技術在工業控制、智能家居以及安全系統等方面有著廣泛的應用。 通常情況下，通信設備的成本和復雜度都會隨著通信距離和網絡容量的增加而增加。本文通過對現有無線通信技術的優缺點進行比較，鑒于本設計要求低功耗和無線組網的要求，我們采用Zigbee技術作為本文的技術方案。2.2Zigbee技術簡介 隨著人們對通信的要求越來越高，人們提出了在短范圍內的無線通信要求，于是就出現了個人區域網絡（PersonalAreaNetwork:PAN）和無線個人區域網絡（WirelessPersonalAreaNetwork:WPAN）的概念[3]。WPAN網絡為近距離范圍內的通信設備組建無線網絡，把通信范圍內的多個設備通過無線連接方式連接，使這些設備之間可以互相通信甚至接入LAN或者互聯網。Zigbee技術則作為一種低成本、低功耗的近距離無線通信技術得到了快速發展。 目前，Zigbee標準由Zigbee聯盟來維護，采用這一標準化的無線通信技術有如下優點：基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第11頁。各種不同功能的無線網絡節點要能互相交流、互相溝通，就需要保證網絡節點的互通性，即網絡協議的標準化。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第11頁。各種功能的無線網絡節點可以組成多種不同的網絡拓撲結構，包括星狀網絡、樹狀網絡和網狀網結構。隨著網絡拓撲的復雜化，就必須用大量的軟件代碼實現，需要大量的人力物力投入來進行開發，對公司開發新產品的要求非常高[3]。因此，Zigbee網絡實現的軟件代碼，都由國際標準組織和Zigbee聯盟這樣的機構協助組織完成，然后以軟件庫、源代碼庫的方式提供給產品設計人員，由產品設計人員編寫自己的應用程序進行程序調用。 Zigbee聯盟維護的最新版本是2007版：Zigbee-2007Specification。在本設計中，由于相應的硬件平臺選擇原因，仍采用2006版的標準。2.3Zigbee網絡設備及其拓撲結構 Zigbee系統的網絡設備按照其實現的不同功能可分為兩類：具有完整功能的全功能設備(FFD)和只具有部分簡單功能的簡單功能設備（RFD）[4]。其中RFD功能簡單較易于實現，在整個網絡中因其功能簡單只可作為終端設備采集數據，也只能和一個特定的FFD進行通信。全功能設備可以作為路由器轉發數據、擴充網絡容量，也可作為整個系統的協調器，控制整個網絡，一個Zigbee系統至少要有一個FFD作為協調器。FFD也可以作為終端設備來使用。(1)Zigbee協調器（Coordinator）它是建立和配置網絡的一種設備，負責網絡的正常工作以及保持網絡和其他設備的通信。首先，協調器建立一個無線網絡，監聽網絡中的無線信號，接受其他設備加入網絡的請求，同時發送指令給其他節點，控制整個網絡。一個中央協調器就可控制整個網絡。(2)Zigbee路由器（Router）基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第12頁。路由器是一個用來轉發消息的設備，作用是用來增加網絡覆蓋范圍，保證無線通信的穩定性。首先，路由器加入協調器組建的網絡后接收來自終端節點的信號，然后發送給協調器，同時也會接收來自協調器的命令，轉發給終端節點。Zigbee星狀網絡不支持Zigbee路由器，樹狀網和網狀網可以有多個Zigbee路由器。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第12頁。(3)Zigbee終端設備（EndDevice）作為一種終端設備，它可以執行自己的相關功能，通過網絡與其他設備通信，而不需要維護復雜的網絡信息。終端設備要其他設備進行通信只可以通過路由器轉發。當網絡需要覆蓋范圍較大時，Zigbee可以組建不同的網絡拓撲結構來增加網絡覆蓋范圍。Zigbee有三種網絡拓撲結構:星形網、樹狀網和網狀網[3]。（1）星形網絡在星形拓撲結構中，通信是在終端設備和一個中心協調器之間進行的，該網絡的通信范圍受到限制，只適用于范圍較小的場合。協調器可以作為發起設備，也可以是終端設備。中心協調器具有對本地網絡進行管理的功能，負責建立網絡、分配網絡地址以及成員的加入等情況，同時還負責維護和更新各種設備和數據，通常情況下協調器具有穩定的電能供給，無需考慮能耗問題。終端節點因其只具有一些簡單功能，所以只可以和協調器進行通信，與網絡中其他設備的通信則必須經過協調器進行數據轉發[4]。星形網絡拓撲結構如圖2-1所示。協調器協調器終端設備圖2-1星形網絡拓撲結構（2）樹狀網基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第13頁。 在樹狀網絡中，RFD可以選擇加入Zigbee路由器或者協調器，路由器用來擴大整個網絡的覆蓋范圍。路由器可以向整個網絡提供兩種功能的服務：一是增加整個網絡的節點數，二是擴展網絡覆蓋范圍[5]。加入路由器后，終端設備可以通過路由器連接到協調器上，保證整個網絡的通信，而不需要在協調器的射頻范圍內才可以加入網絡。在一些通信范圍較大的場合中，樹狀網的拓撲結構可以有效解決通信范圍不足問題。樹狀網中大部分節點是全功能設備，而簡單功能設備則處于樹狀網的末端。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第13頁。協調器協調器路由器簡單功能節點圖2-2樹形網絡拓撲結構網狀網網狀網是一種相對自由的拓撲結構，根據實際需要來設置相應的應用，對環境具有很強的適應能力。與其他兩種網絡拓撲結構不同的是，網狀網中的節點大多數都是全功能設備，都可以自由的與網絡中的其他設備進行通信，可以構成相對比較復雜的網絡結構。網狀網中設備之間進行通信時，為了擴大網絡的通信范圍和通信的穩定性，應盡可能的利用路由器進行數據的轉發[4]。在該網絡中，數據傳輸的路徑相對自由靈活，可以任意選擇新的路由器而不必使用協調器。終端設備終端設備路由器協調器基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第14頁。圖2-3網狀網拓撲結構基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第14頁。2.4Zigbee協議棧體系結構 Zigbee協議棧體系結構是由一組稱為層的塊組成，每個層為上一層提供指定的服務。數據實體為上層提供數據傳輸的服務，管理實體則為上層提供其他所有服務。每個服務實體都通過服務接入點（SAP）為上層提供服務[5]。Zigbee協議棧體系結構共分為四層，分別是物理層（PHY）、媒體接入控制層（MAC）子層、網絡層和應用層[4]。Zigbee體系結構如圖2-4所示。應用層應用層網絡層MAC層物理層IEEE802.15.4Zigbee協議圖2-4Zigbee體系結構2.4.1物理層IEEE802.15.4有兩個不同的物理層，分別作用于兩個不同的頻率范圍：868/915MHz和2.4GHz[5]。其中868MHz頻段應用于歐洲，915MHz頻段應用于美國、澳大利亞等國。物理層位于Zigbee協議棧的最底層，管理以下一些任務：激活和關閉射頻收發器在已有的信道上進行能量檢測空閑信道評估（ClearChannelAssessment,CCA）基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第15頁。檢測接受分組的鏈路質量指示(LinkQualityIndication,LQD)基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第15頁。對信道頻率進行選擇數據的傳輸和接收2.4.2媒體接入控制層（MAC）MAC層主要為Zigbee網絡中兩個通信設備間的MAC層實體提供可靠的通信鏈路[4]。MAC層向上層提供兩種服務：MAC層數據服務及MAC層管理服務[5]。數據服務是指支持不同設備的MAC層之間的數據交換，管理服務是指MAC支持上層對其下達管理命令。無線信道是一個共享信道，MAC層的關鍵技術之一就是解決設備在使用共享信道時不會產生因為沖突而造成錯誤的問題，否則就會造成網絡的癱瘓。MAC子層需要處理接入到無線信道等事務，并負責以下幾個方面的任務：網絡協調器產生并發送網絡信標。設備根據協調器的信標和協調器保持同步，并支持PAN鏈路的建立和斷開以及無線信道的安全等。信道接入采用載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA-CA）機制。處理和維護采用GTS機制。超幀結構和信標的概念引入使網絡管理變得非常方便，每個超幀都以協調器信標開始，該信標中包含超幀持續時間以及時間分配等信息。在兩個通信設備對等MAC實體間提供數據通信鏈路。2.4.3Zigbee網絡層網絡層主要是為確保正確操作IEEE802.15.4MAC子層和為應用層提供服務接口。為了能夠在相同應用層進行連接，網絡層在概念上包括兩個應用實體：數據服務實體(NLDE)和管理服務實體(NLME)[6]。網絡層數據實體向上層提供數據傳輸服務，管理實體則通過連接SAP提供管理服務。除此之外，網絡管理實體利用數據實體完成某些管理任務，負責維護網絡信息數據庫（NIB）。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第16頁。網絡層主要為保證MAC子層的正常工作而提供一些必要的應用函數和相應的服務接口。網絡層數據實體只能向在同一個網絡中的兩個及多個設備提供數據傳輸服務。網絡層數據實體可向應用層提供以下一些服務：基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第16頁。生成網絡級別的PDU(NPDU)指定傳輸路由確保無線通信的機密性和安全性MLDE-SAPMLDE-SAPMLME-SAP網絡等數據實體網絡層管理實體MCPS-SAPMLME-SAP上層實體MAC層實體圖2-5網絡層參考模型網絡層管理實體（NLME）應提供某些管理服務，允許應用程序與協議棧相互作用。NLME應提供以下服務：配置一個新設備。為所需的操作充分配置協議棧的功能，配置選項包括開始一個作為ZigBee協調器的操作，或加入一個已存在的網絡。開始一個網絡。建立一個新的網絡功能。加入、重新加入和離開一個網絡。加入、重新加入或離開一個網絡的功能，以及為一個ZigBee協調器或ZigBee路由器請求一個設備離開網絡的功能。尋址。ZigBee協調器和路由器給新加入網絡的設備分配地址的能力。鄰居發現。發現、記錄和報告關于單跳鄰居設備信息的能力。路由發現。發現并記錄通過網絡的路徑的功能，即信息可以有效地傳送。接收控制。一個設備控制何時接收者是激活的，以及激活多長時間，從而使MAC子層同步或直接接收。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第17頁。路由。路由器從一個接口上收到數據包，根據數據包的目的地址進行迪昂想并轉發到另一個接口的過程。例如單播，廣播，多播或者多對，在網絡中高校交換數據。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第17頁。2.4.4 Zigbee應用層Zigbee的應用層包括APS子層（應用支持子層）、ZDO（Zigbee設備對象）及其他制造商定義的應用對象[7]。ZigBee技術嵌入到消費型電子設備、家庭和建筑物自動化設備、工業控制裝置、醫用傳感器、玩具和游戲機等設備中，支持小范圍內基于無線通信的控制和自動化。通常符合下列條件之一的應用，就可以考慮采用ZigBee技術：設備間距較小；設備成本很低，傳輸的數據量很小；設備體積很小，不容許防止較大的充電電池或者電源模塊；只能使用一次性電池，沒有充足的電力支持；無法做到頻繁更換電池或反復充電；需要覆蓋的范圍較大，網絡內需要容納的設備較多，網絡主要用于檢測或控制。Zigbee設備對象是處于協議棧中應用層上的為滿足實際應用需求的一種解決方案，為協議棧中的各層提供初始化服務。2.5Zigbee和LED技術的優勢Zigbee技術是一種新興的短距離無線通信技術，使用IEEE802.15.4協議作為通信標準，具有低速率、低功耗、高容量、延時短、安全性高以及免執照頻段等特點[8]；LED路燈以發光二極管為光源，具有節能環保等優點。兩種技術的結合為現代城市照明系統的發展和節能環保提供了可能的技術手段，用Zigbee技術和LED路燈組建的無線路燈控制系統從成本、功能以及運營管理等方面都具有很大的優勢。基于Zigbee技術的LED路燈控制系統在節能和環保方面技術優勢明顯:基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第18頁。低功耗：LED路燈的功率選擇根據不同場合的實際照明需求，通常選用50W到200W的功率。路燈照明用高壓鈉燈功率一般在250W，特殊場合可使用高達450W的高壓鈉燈；Zigbee模塊在低功耗模式下工作時普通干電池就可保證芯片長時間工作。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第18頁。壽命長：平均每盞LED路燈的設計使用壽命為大約50000小時，有時甚至更高，遠遠超過高壓鈉燈的使用壽命，在節約成本和維護上具有很大優勢。照明效率高：LED路燈采用獨特的二次光學設計，將燈光照射到需要照明的區域，提高光照效率，節約能源，LED燈光具有單向性，光源沒有漫射，保證照明效率；LED光源具有環保特性，不含汞，無污染，屬于新興綠色照明光源[8]。成本低：擁有精簡的通信協議，減少對微控制器的要求。容量大：Zigbee網絡采用不同的拓撲結構可以極大的擴充無線通信網絡的容量，由系統的協調器管理路由節點和終端設備。2.6 Zigbee技術的應用領域ZigBee技術適用于距離范圍小和對通信速率要求不高的場合，在工業現場的各種電子設備中應用廣泛，其常見的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和重復低反應時間數據等，其目標功能是自動化控制[9]；Zigbee技術使用兩個頻段的工作頻率，分別為歐洲使用的868MHz和美國、澳大利亞使用的915MHz的低頻段，2.4GHz為全球通用的高頻段，Zigbee技術的有效通信范圍為10m-75m：如果數據傳輸速率降至28Kb／s時，其有效通信范圍甚至可以增加到134m，極大的提高了通信的可靠性[9]；ZigBee聯盟認為該技術日后必將在工業控制、汽車控制、現代農業等領域得到廣泛應用。在工業控制中，傳感器通過Zigbee網絡采集各種信息，并通過無線網絡將信息及時傳送到系統進行數據分析與處理，為決策者提供及時準確的參考信息，使得整個工業控制過程更加高效。例如對火災現場的環境探測，工業設備運行狀況的監測等。在汽車控制中，由于大部分傳遞消息的通用傳感器只能內置在監測對象內部，所以要求使用的無線通信模塊的供電電池具有較長的壽命，且能夠克服惡劣的環境和各種金屬結構對電磁信號的干擾。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第19頁。在現代農業控制中，無線信號的傳播特性良好，但是由于通信區域較大，需要使用的大量的傳感器設備組成復雜的控制網絡[10]。采用傳感器和Zigbee技術相結合的無線監控系統后，農業控制系統逐漸向智能化數字化方向發展。傳感器可以收集到各種信息，包括土壤的濕度、PH值、溫度以及降水量等，這些信息將通過Zigbee網絡上傳至監控中心供決策者參考，可以及早的發現農場中的問題，從而做出調整以提高農作物的產量。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第19頁。在醫學應用中，通過各種傳感器和基于Zigbee技術的通信網絡，準確實時的監測每個病人的狀況，包括體溫、血壓以及心跳等，從而減少相關醫務人員的工作量，有助于合理利用醫療資源。智能化家居是Zigbee最具潛力的市場。據推測，在未來的智能化家居中，每個家庭需要數十個Zigbee終端設備，可以聯網的設備包括錄像機、PC機、安全門、窗戶以及空調等。智能化家居引入Zigbee技術后，將在很大程度上提高人們生活環境的舒適度。同時使用Zigbee技術的遙控器可以實現全球漫游和無縫使用，從而降低設備的車本，有利于在未來進行大規模的推廣應用[10]。基于ZigBee的路基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第20頁。3Zigbee技術開發使用的硬件平臺3.1 無線通信芯片的選擇通過對Zigbee技術的了解我們得知，選擇一款支持Zigbee通信協議的芯片是硬件電路設計中的重點。選擇和比較不同芯片的優缺點以便能夠設計出低成本、低功耗并且可以根據實際需求進行適當升級的電路。本文重點研究無線通信的組網，在目前使用的諸多無線芯片中，片上系統因為低功耗、低成本和多功能成為本設計的首選。隨著Zigbee技術的發展，無線單片機模塊也在不斷發展，功能更加豐富，種類也不斷增加，各大公司紛紛開發相應的無線單片機模塊。目前，支持Zigbee通信協議的芯片有很多，其中在市場上獲得良好效果的主要有以下幾種：Freescale系列。Freescale公司推出的MC13191芯片，應用成本相對低廉，其支持的通信協議為IEEE802.15.4，該公司向開發設計人員提供MAC軟件，設計人員通過該軟件即可組建相對簡單的星形網絡。Freescale的后續產品在功能上不斷加強，設計人員可根據實際需要選擇不同的開發平臺。Ember的EM250和EM260均支持Zigbee通信協議，也可根據實際需求組建星形網、樹狀網以及網狀網。除此之外，該系列芯片還有豐富的配套設施，保證整個系統的可靠性和穩定性。Atmel的AT86RF230射頻芯片該芯片的工作頻率為2.4GHz且支持Zigbee協議棧，因其將射頻收發器各模塊都集成在一個芯片上，故擁有較高的穩定度、靈敏度和傳輸功率，可以有效減少網絡中節點數量，降低成本。（4）TI公司的CC2430基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第21頁。CC2430是首款真正意義上的片上系統，它完美結合Zigbee協議棧，是一款可以滿足Zigbee低成本低功耗要求的解決方案。CC2430內部集成了一個增強型8051控制器和RF射頻收發器，三種不同大小的Flash內存（分別是32/64/128kb），8kb的RAM,以及ADC、DMA、看門狗定時器等[10],因其優異的性能廣泛應用于各種傳感器網絡。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第21頁。通過對目前幾種主流無線通信芯片的比較分析，CC2430因其低功耗、低成本、低復雜度和網絡容量大等優點成為本方案的首選硬件平臺。3.2 CC2430芯片介紹CC2430是TI（德州儀器）公司收購CHIPCON后推出的首款真正意義上的片上系統。該芯片可以滿足工作在2.4GHz的Zigbee通信協議，除了集成一個2.4GHz的RF射頻收發器，還包括一個增強型8051單片機、。 CC2430使用0.18μmCMOS制造工藝，工作時電流損耗只有27mA，在接收模式下，電流損耗低于27mA，在發射模式下，電流損耗則低于25mA。CC2430芯片有一些主要特點與性能如下所示[11]：功耗低、性能高的增強型8051微控制器。基于2.4GHz符合IEEE802.15.4協議的RF射頻收發器。較強的抗干擾性能和優良的接收靈敏度。芯片在休眠模式時僅有0.9μA的電流損耗，使用外部中斷或者RTC喚醒系統。在待機時，電流損耗更低于0.6uA，使用外部中斷喚醒系統。硬件支持CSMA/CA功能。輸入電壓范圍較寬（2.0-3.6V）。支持數字化的RSSI/LOI和DMA功能。能夠監測電池和感測溫度功能。芯片集成了14位的ADC數模轉換模塊。集成有AES安全協處理器。帶有2個可支持多組協議的USART。帶有4個定時器：1個符合IEEE802.15.4標準的MAC計時器；1個常規的16位計時器以及2個8位計時器。提供21個I/O口，其中有兩個I/O口具有20mA的驅動能力，其他接口有4mA的驅動能力。具有靈活和功能全面的開發工具。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第22頁。CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封裝，共有48個引腳。全部引腳可分為I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第22頁。3.2.1I/O端口線引腳功能CC2430一共有21個可編程的I/O口，其中P0、P1端口是8位的，P2端口只有5個引腳。通過軟件配置相關特殊功能寄存器，可使引腳作為通用輸入輸出引腳、片內外設使用引腳或外部中斷使用引腳[11]。I/O口關鍵特性如下：可設置為通用I/O口，也可設置為片內外設使用的I/O口。輸入口的狀態可以設置成上拉、下拉或者三態。所有I/O引腳都能夠響應外部中斷，中斷用來將芯片從睡眠狀態喚醒。1～6腳（P1_2～P1_7）：對外設提供4mA的驅動能力。8，9腳（P1_0，P1_1）：具有20mA的驅動能力。11～18腳（P0_0～P0_7）：對外設提供4mA的驅動能力。43，44，45，46，48腳（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：對外設提供4mA驅動能力。3.2.2CC2430芯片電源線引腳功能基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第23頁。表1CC2430芯片電源線引腳功能基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第23頁。7腳（DVDD）為I/O提供2.0～3.6V工作電壓20腳（AVDD_SOC）為模擬電路模塊提供2.0～3.6V的直流電壓23腳（AVDD_RREG）為模擬電路模塊提供2.0～3.6V的直流電壓24腳（RREG_OUT）為25，27～31,35～40引腳端口提供1.8V的穩定電壓25腳(AVDD_IF1)為模擬電路提供1.8V的直流電壓，包括模擬測試模塊、接收濾波器以及VGA的第一部分電路27腳（AVDD_CHP）為充電泵和環狀濾波器提供1.8V直流電壓28腳（VCO_GUARD）VCO屏蔽電路的報警連接端口29腳（AVDD_VCO）為PLL環濾波器和VCO和提供1.8V電壓30腳（AVDD_PRE）為預定標器、Div-2和LO緩沖器提供1.8V的電壓31腳（AVDD_RF1）為LNA、前置偏置電路和PA提供1.8V的電壓33腳（TXRX_SWITCH）為PA提供調整電壓35腳（AVDD_SW）為LNA/PA交換電路提供1.8V電壓36腳（AVDD_RF2）為接收和發射混頻器提供1.8V電壓37腳（AVDD_IF2）為低通濾波器和VGA的最后部分電路提供1.8V電壓38腳（AVDD_ADC）為ADC和DAC的模擬電路部分提供1.8V電壓39腳（DVDD_ADC）為ADC的數字電路部分提供1.8V電壓40腳（AVDD_DGUARD）為隔離數字噪聲電路連接電壓41腳（AVDD_DREG）向電壓調節器核心提供2.0～3.6V電壓42腳（DCOUPL）提供1.8V的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用47腳（DVDD）為I/O端口提供2.0～3.6V的電壓3.2.3控制線引腳功能表2控制線引腳功能10腳（RESET_N）復位引腳，低電平有效19腳（XOSC_Q2）32MHz的晶振引腳221腳（XOSC_Q1）32MHz的晶振引腳1，或外部時鐘輸入引腳22腳（RBIAS1）為參考電流提供精確的偏置電阻26腳（RBIAS2）提供精確電阻，43kΩ，±1%32腳（RF_P）在RX期間向LNA輸入正向射頻信號,在TX期間接收來自PA的輸入正向射頻信號34腳（RF_N）在RX期間向LNA輸入負向射頻信號；在TX期間接收來自PA的輸入負向射頻信號43腳(P2_4/XOSC_Q2)32.768kHzXOSC的2.3端口44腳(P2_4/XOSC_Q1)32.768kHzXOSC的2.4端口基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第24頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第24頁。3.3CC2430芯片典型應用電路CC2430芯片的應用電路，如圖1.1所示，圖中數字I/O、ADC接口未連接，解耦電容未畫出。為了增加天線的性能，電路使用了一個非平衡天線連接非平衡變壓器的方式。電路中的非平衡變壓器由電感L341、L321、L331和電容C341以及一個PCB微波傳輸線組成，整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。內部T/R交換電路完成PA和LNA之間的交換。R221和R261做為偏置電阻，電阻R221主要為32MHz的晶振提供一個合適的工作電流。用1個32MHz的石英諧振器（XTAL1）和2個電容（C191和C211）構成一個32MHz的晶振電路。用1個32.768kHz的石英諧振器（XTAL2）和2個電容（C441和C431）構成一個32.768kHz的晶振電路。電壓調節器向所有要求1.8V電壓的引腳和內部電源供電，C241和C421電容用來電源濾波,以提高芯片工作的穩定性[11]。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第25頁。圖3-1CC2430應用電路基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第25頁。3.4Zigbee天線系統設計基于Zigbee網絡的路燈監控系統工作頻率在2.4GHz，本系統的通信方式是利用天線輻射進行無線信息傳輸。天線的設計是整個通信系統的關鍵，決定了系統的通信距離和質量，需要根據實際情況來設計天線以達到應用標準。設計Zigbee系統天線時，需根據實際需求采用不同的設計方案，設計前應根據本系統工作在2.4GHz頻段來確定天線參數，如增益、阻抗、輻射方向等。本系統天線參數如下所示。工作中心頻率為2.45GHz，工作頻率范圍為2.405GHz-2.480GHz。輸入阻抗Z天線采用的阻抗匹配為50歐天線的輻射方向。因協調器需要和多個節點進行通信，所以天線設計為全向型輻射。3.5RS232(DB9)MAX232MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS232串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5v直流電源供電。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第26頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第26頁。圖3-2MAX232引腳圖3.5.1RS232(DB9)引腳定義1：DCD:載波檢測。主要用于檢測撥號音，是否處于在線狀態，然后告知計算機其當前狀態。

2：RXD:用于接收外部數據；當使用Modem檢測時，RXD指示燈在閃爍，說明RXD引腳正在進行接收。

3：TXD:將數據發送給外部設備；當使用Modem檢測時，TXD指示燈在閃爍，說明TXD引腳正在發送數據。

4：DTR:數據終端就緒；當此引腳處于高電平時，計算機做好準備，Modem可以進行數據傳輸。

5：GND:信號地；此位不做過多解釋。

6：DSR:數據設備就緒；此引腳處于高電平時，通知計算機Modem可以進行數據傳輸。

7：RTS:請求發送；計算機控制該引腳決定Modem是否可以進行數據傳輸；否則所有收到的數據都會被放入緩沖區中。

8：CTS:清除發送；此腳由Modem控制決定是否將數據送至Modem。

9：RI:Modem通知計算機有通訊請求，是否接聽呼叫由計算機決定3.5.2MAX232原理MAX232由三個部分組成其內部結構：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。主要產生-12v和+12v兩個電源，供RS-232串口電平使用。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第27頁。第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道[12]。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第27頁。TTL/CMOS數據從T1IN/T2IN輸入轉換成RS232數據從T1OUT、T2OUT送至電腦的DB9插頭；DP9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳DNG、16腳VCC（+5v）。3.6 GPRS模塊解決方案本設計中協調器通過無線方式與監控中心進行數據傳輸，可以有效降低通信成本。GPRS（GeneralPacketRadioService)的全稱是通用分組無線業務，是一種新的GSM數據業務，它可以給移動用戶提供無線分組數據接入服務。GPRS主要是在移動用戶和遠端的數據網絡之間提供一種連接，從而給移動用戶提供高速無線數據傳輸業務。在業務的承載能力和支持上，GPRS比GSM具有明顯的改善，數據傳輸速率更高。GPRS采用分組交換技術，多個用戶共同使用一組信道，但是只有當某用戶收發數據時才占用該信道。采用時分復用額方式能夠更加有效的利用無線信道，GPRS有著靈活的計費方式，有流量計費方式和包月方式，可以根據實際情況有效降低通信成本。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第28頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第28頁。4路燈監控系統的硬件設計 基于Zigbee技術的LED路燈監控系統由路燈節點、路由器和協調器組成。系統通過路由器進行數據轉發，將終端和協調器進行無線連接，然后對路燈進行無線控制。網絡協調器網絡協調器路由器路由器路由器終端節點圖4-1路燈無線網絡結構系統中有一個網絡協調器，起到監控整個網絡的作用，有若干個路由器和終端節點。網絡協調器負責建立一個網絡并且對其進行管理。路由器作為無線控制中繼器，起到擴充網絡容量和增加網絡覆蓋范圍的作用，同時，路由器也可以作為終端使用，用來控制路燈的開關，而終端節點只用來采集信息并且只能和路由器或者協調器進行通信。在整個系統正常工作時，路由器接收協調器的控制信號，并且轉發給下一個節點進而控制路燈工作狀態，而終端節點只用來采集路燈狀態信息和接收路由器的控制指令并控制路燈的狀態[13]。4.1終端硬件電路的設計與實現基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第29頁。終端硬件電路的設計包括電路設計和PCB版的設計，在本設計中，單個路燈的監控系統由直流穩壓電源模塊、LED檢測模塊以及CC2430組成。系統框圖如圖4-2所示基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第29頁。直流穩壓電源直流穩壓電源交流電（220V，50Hz）LED檢測CC2430LED驅動電路LED路燈圖4-2單個路燈監控系統設計4.1.1直流穩壓電源的供電電路設計220V交流電經過變壓器降壓后得到9V交流電，然后經過整流橋全波整流，電容濾波穩壓后得到穩定的5V直流電源。本設計采用穩壓芯片7805來獲得所需直流穩壓電源。7805的電壓輸入范圍較寬，輸入電壓在7V-36V之間都可實現良好的穩壓效果。考慮芯片的熱效應及穩壓的準確性，所以盡量減少輸出電壓與輸入電壓的電壓差，同時為了保證電源可以提供足夠的功率，電壓壓差至少要大于3V，所以本系統的輸入電壓定位9V，足以保證電源所能提供的功率，且芯片不會過熱[15]。 D1是整流橋，選用耐壓值AC600V電流為2A的KBP206。C1、C2、C3是用來吸收低頻脈動和濾波的電容，可以是電壓更為平穩。為使直流電源更加穩定，本電路中使用電容C2吸收其他頻率成分的諧波。U1是7805穩壓芯片，該芯片穩定性、可靠性較高，且能產生穩定額5V直流電源[14]。C3除了啟動吸收諧波的作用外，還可防止出現穩壓后的直流電源隨后級負載的加重而逐漸降低的情況。 除去需給檢測電路提供5V直流電源外，Zigbee芯片需要3.3V的直流電壓，故需要使用一個三端穩壓器把5V電壓轉換為3.3V直流電源。本設計中中采用AMS1117芯片，輸出電壓為3.3V，輸出電流可高達1A。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第30頁。直流電源的供電電路分別如圖4-3、4-4所示。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第30頁。圖4-3直流電源供電電路圖4-43.3V直流電源供電電路4.1.2光敏檢測電路目前常用的光敏器件是光敏電阻，利用其光線越強電阻越低，光線越暗電阻越大的特點，可將光信號轉換成電信號，再經過電壓比較器的方式，可以有效地完成對光線信息的采集。在本設計中，保證系統在光線臨界狀態時的穩定性，是設計的重難點所在。由于光敏電阻對光線變化較敏感且電阻值變化是連續的，故當光線達到臨界點時，輸出信號極不穩定，在設計中可采用將運放接成電壓比較器的方式，可以實現較為精確的控制。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第31頁。方案一：直接用光敏電阻串聯電阻，然后將檢測到的電壓信號送至CC2430的P1.0口。當光線較強時光敏電阻阻值很小，P1.0口輸入高電平；當光線不足時光敏電阻阻值升高，P1.0口輸入地電平。但光敏電阻阻值比較敏感，在檢測信號的高低電平間進行切換時容易導致誤判。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第31頁。方案二：本設計采用方案二，其在方案一的基礎上加入電壓比較器。如圖4-5所示。當電壓比較器的同相端輸入電壓大于反向端輸入電壓時，比較器輸出高電壓，反之則輸出低電壓。本方案中將觸發高點電平的門限電壓變為由R2和R3共同控制的任意電平，從而擴大高電平區間，故在本設計中使用本方案。圖4-5光敏檢測電路4.1.3支路控制電路的設計該支路的控制電路是由CC2430的處理器直接控制繼電器來實現的，每一個路燈都是用一個單獨的繼電器來控制，容易實現且操作簡單。當光敏電路檢測光線明暗時會向CC2430輸入一個檢測信號，然后CC2430輸出一個控制信號決定NPN型三極管B極和E極間的電壓，控制三極管是否導通，從而控制繼電器的斷開與閉合，達到控制路燈開關的目的[15]。電路圖如圖4-6所示。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第32頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第32頁。圖4-6支路控制電路4.1.4工作電流檢測電路基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第33頁。采用光敏電阻對路燈是否正常工作進行檢測很容易實現，但是由于光敏電阻對光線強弱的反應很靈敏，很難準確控制，無法對路燈的工作狀態進行較為準確的檢測。所以在本設計中為了保證系統的穩定性和準確性，在LED路燈的驅動電路中串聯一個采樣電阻。因為采樣電阻是對路燈工作電流進行檢測，故采樣電阻不能太大，否則影響LED路燈的工作狀態，本電路中使用的采樣電阻為1歐姆，所以采樣信號要遠小于CC2430所能檢測到的高電平信號，所以在檢測信號后加入一級電壓信號放大器，放大倍數約為15倍[16]。當取樣電壓為0時，認為電路發生短路故障，當采樣電壓超過某個值時，認為工作電路過電流故障。本設計中放大電路采用OP07芯片，該芯片是一款低噪聲的雙極性運放集成電路，OP07擁有較低的輸入失調電壓，所以在很多場合不需要額外的調零措施。電路圖如圖4-7所示。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第33頁。圖4-7故障檢測電路4.2協調器硬件電路的設計與實現無線路燈監控系統的網絡協調器需要顯示當前網絡的各種工作狀態，且要講接受到的各種數據打包后上傳至監控中心，所以網絡協調器由CC2430、串口通信組成[6]。電路框圖如圖4-8所示。RF-PRF-NRF-PRF-NTXDCC2430RXD天線部分TXDMAX232RXD圖4-8網絡協調器框圖4.2.1MAX232串口通信電路設計基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第34頁。如圖4-12所示，為異步串行通信TTL電平與RS232電平相互轉換的電路，MAX232是美信公司專門為電腦的RS232標準串口設計的一種單電源電平轉換芯片，該芯片有兩路數據通道，本設計只使用了期中的一個數據通道，標準九針串口連接和CC2430的連接如圖所示。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第34頁。圖4-9串口通信電路基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第35頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第35頁。5路燈監控系統的軟件流程圖設計軟件部分主要是道路照明系統的監控部分的應用層和網絡層。應用層的程序由路燈控制、故障檢測等幾部分組成。無線通信系統中最重要的功能是收發數據。網絡層中有協議棧的路由設置以及網絡拓撲結構的設置[17]。物理層中則主要配置程序需要設置的PANID和信道，只有設置好這些參數系統才能正常通信，并與其他Zigbee網絡區分開。5.1網絡協調器流程圖設計在系統工作過程中，網絡協調器作為整個系統的中心控制平臺，其任務是首先建立新網絡，完成組網的工作，接收各網絡節點發送的數據，進行數據處理，并發送相應的控制信號[18]。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第36頁。網絡協調器的軟件流程圖如圖所示，在協調器上，系統上電后首先對CC2430芯片進行初始化，然后程序對協議棧初始化并打開中斷[19]。協調器首先建立一個無線通信網絡，監聽網絡中有無請求信號加入該網絡并顯示網絡地址，基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第36頁。初始化建立一個新的網絡初始化建立一個新的網絡顯示網絡地址進入無線監控狀態有節點申請加入網絡給該節點分配網絡地址Y檢查有無命令下達將命令發送至終端并在PC機上顯示路燈實時信息NY圖5-1網絡協調器程序設計流程圖5.2路由器程序流程圖設計基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第37頁。對于本系統的路由器節點，程序首先對底層硬件進行初始化，給外圍電路上電，初始化協議棧，然后向協調器發送請求入網的信號，待協調器接收信號并響應后，給該路由器分配網絡地址[20]。如果成功加入網絡，則可以得到本網絡的網絡地址、路由器節點的物理地址和加入的網絡協調器或者前面路由器的物理地址的信息[21]。如圖5-2所示。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第37頁。初始化初始化加入網絡根據光線明暗開關路燈進入監控狀態判斷收到的信號根據控制信號控制路燈的開光，并發送至下一個節點給該節點分配網絡地址圖5-2路由器程序設計流程圖5.3 終端節點流程圖設計在終端節點上，程序首先也要對底層硬件進行初始化，打開監測模塊電源，然后對協議棧初始化，并開始向路由器或者協調器發送請求入網的信號，等待附近節點的響應[22]。如果響應成功并加入網絡，則可以得到相應的網絡地址和物理地址，以及路由節點的物理地址等。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第38頁。 基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第38頁。初始化初始化發送請求加入網絡的信號是否成功加入網絡進入監控狀態如果收到控制信號則進行相應處理根據光線自動控制路燈開關NY圖5-3終端節點軟件流程圖基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第39頁。基于ZigBee的路燈監控系統設計畢業設計論文全文共59頁，當前為第39頁。6結論與展望6.1總結本論文設計出基于zigbee網絡的路燈監控系統，旨在能夠實時監測路燈狀態信息，有效開關路燈，較少能源浪費，優化管理結構等功能。通過查閱大量文獻資料，本文初步完成了基于Zigbee技術的LED路燈監控系統設計。歸納起來，本設計主要通過以下幾個方面的工作來完成整個系統設計的，并最終實現使用Zigbee技術監控路燈。查閱大量資料分析目前路燈控制技術的發展狀況以及國內外的研究情況，對路燈控制領域的相關技術做出分析和展望，進而確定本設計所使用的技術方案。基于本設計采用Zigbee技術，詳細描述了Zigbee技術協議棧、拓撲結構、技術特點以及應用領域等。最后和LED技術相結合，探討本設計對目前路燈控制系統具有的優越性。熟悉CC2430的相關應用，完成后