4、設計說明書定

1、The design ofelligent street lmanagement monitoring systemA Disserion Submitted toNanjing Institute of TechnologyFor the Academic Degree of Bachelor of ScienceByJianFeng WangSupervised byLecturerYueQin FengCollege of Communication EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune2013摘要隨著進程的不斷推進，城市路燈的管理

2、系統(tǒng)在體現城市現代化、智能化和節(jié)約型等方面都有著一定的標志性意義。傳統(tǒng)的路燈控制和方法， 浪費著大量的能源與資源， 已不再能夠適應城市發(fā)展的需求。因此，路燈系統(tǒng)的可靠、高效、節(jié)約、智能以及方便是現代化進程的必然結果。本文主要就目前路燈和運維上存在，提出一種基于 Zigbee無線通信技術的智能路燈系統(tǒng)的設計方案，并予以實現。該方案以 Zigbee無線通信為主體通信，結合以太網技術接入服務端，利用 Delphi 編程提供給用戶一個良好的 GUI 界面，實現狀態(tài)的實時，電能消耗的實時計量，以達到智能化的系統(tǒng)設計目的。最后對系統(tǒng)各個模塊分別和整體測試，以驗證系統(tǒng)的工作能力。設計結果直觀說明了方案的可行

3、性。達到了最初的設計目的。：Zigbee；以太網；Delphi；三相電能計量AbstractWith the advancement of urbanization,elligent management system ofurban street lhe urban modernization, and economical aspects and so onhave a certain symbolic significance. Traditional street light control and maainmethod, waste a lot of energy and reso

4、ur, and can no longer adapttherequirement of city development. Therefore, The reliable, high efficiency, energysaving,elligent and convenient maenantreet lcontrol system is theinevitable result of the modernization pros.In this pr, based on the current street lmonitoring and operationalmonitoring sy

5、stem basedproblems, put forward a kind ofelligent street lon Zigbee wireless communication technology. Design scheme, and have to beaddressed. ofUsing theImplemenThe scheme with Zigbee wireless communication as the maeansbined the technology of EthernetDelphi programming provides a good GUIacs to th

6、e server.erface to the user.ion sus real-time monitoring, real-timemeasurement,erconsumption to achieveelligent system design pures.Finally, the system easystems ability to work.odule respectively and overall test, to verify theuitive design results shows the feasibility of thescheme,which reached t

7、he original design pure.Key words: ZigBee; Ethernet; Delphi; Three-phase electric energy metering chip目錄第一章 緒論.11.1 引言 .1.2 相關技術研究現狀 .1112334551.2.11.2.21.2.31.2.41.31.4智能路燈技術研究現狀 .國內物聯網發(fā)展情況 .Zigbee 技術現狀 .的研究意義 .主要研究內容 .主要章節(jié)安排 .1.5 本章小結 .第二章 相關硬件及技術介紹.62.1 ADE7758 三相電能計量.66992.1.12.1.22.1.32.1.4ADE7

8、758 模擬通道ADE7758 測試電路ADE7758 中斷 .ADE7758 串口時序（SPI） .1010101113131417192.2 順舟 SZ05-ADV ZIGBEE 模塊 .2.2.1 SZ05-ADV 模塊簡介 .2.2.2 Zigbee 協議介紹 .2.3 以太網口通信 UDP 部分 .2.3.12.3.22.3.3UDP 協議相關 .LWIP 下 UDP 實現過程 .Delphi 中 UDP 實現過程 .2.4 本章小結 .第三章 方案設計與實現.203.1 系統(tǒng)整體方案設計 .203.2 單燈控制模塊 .2121222323242526313235353.2.13.2

9、.23.2.33.2.4電壓電流轉換電路 .ADE7758 采樣電路 .Zigbee 通信電路 .單燈控制模塊設計 .3.3 支路控制模塊 .3.3.1 硬件電路設計 .3.3.2 支路控制模塊設計 .3.4 ZIGBEE 組網 .3.5模塊 .3.6 系統(tǒng)簡單通信協議介紹 .3.7 本章小結 .第四章 系統(tǒng)調試與結果分析.36第五章 總結與展望.38致謝.40參考文獻.41附錄 A .42附錄 B .43在校期間獲獎經歷.45第一章緒論1.1 引言智能路燈又叫智能化路燈，或者智慧路燈、智慧照明，利用物聯網技術結合云計算技術， 對城市公共照明管理系統(tǒng)進行全面升級， 實現路燈集中管控、運維信息化

10、、照明智能化?？茖W的路燈管理系統(tǒng)是建設節(jié)能型環(huán)保城市的關鍵， 智能路燈將提高道路照明質量、降低能耗、實現綠色照明， 智能照明。物聯網是新一代的重要組成部分，是指通過各種信息傳感設備，實時任何需要、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現物與物、物與人， 所有的物品與網絡的連接， 方便識別、管理和控制。物聯網架構可分為三層：感知層、網絡層和應用層。物聯網技術的發(fā)展給城市路燈的無線控制、和智能調節(jié)等帶來了諸多實現的可能。路燈的信息在感知層被后，經由網絡層通過無線網絡傳輸到應用層總控中心，了查找損壞路燈的人力成本和費用，并結合智能調控的相關技術能夠較高程度

11、地節(jié)約能源。1.2 相關技術研究現狀1.2.1 智能路燈技術研究現狀目前路燈仍處在一個相對傳統(tǒng)的狀態(tài)下，整個系統(tǒng)存在較多弊端：如能源浪費嚴重、管理單一、信息化水平低下、缺乏故障主動機制、故障燈位置難以發(fā)現、浪費大量人力等一系列問題。由于技術和經濟等各方面條件的限制下，傳統(tǒng)的管理系統(tǒng)仍是城市道路照明的主體。廣州中國應用技術（簡稱“廣州所”）在智能路燈方面進行了大量的研究， 其相關的技術處于國際領先水平， 在國內有大量的實施案例。近幾年來國內很多城市都已經開始采用智能路燈技術， 對傳統(tǒng)路燈進行改造。僅 2012 年的省推廣使用 LED 照明產品實施方案就提出：省所有財政或國有資本投資建設的照明工程

12、，劃建設的新區(qū)必須改善傳統(tǒng)照明系統(tǒng)，并一律替換為 LED 燈。此方案將會促使省內照明，同也將帶動普及新路燈系統(tǒng)， 實現同比口徑下節(jié)能效果達到50%以上的目標。智能路燈大有可為。1.2.2 國內物聯網發(fā)展情況目前，我國在物聯網方面進行著大量的研究，其相應的產業(yè)也體系化，而且部分領域在市場上有較高的占有率。同時，在網絡、通信、產業(yè)支持方面的能力與國外差距在不斷縮小， 傳感器、射頻識別等終端感知產業(yè)、高端集成服務方面則明顯薄弱。系統(tǒng)、與集成服務等技術和規(guī)?；居行?，但物聯網的相關設備和服務仍處于起步階段。敏感元件與傳感器產業(yè)基本成型，產業(yè)規(guī)?；痉€(wěn)定。我國形成了 RFID低頻和高頻的完整以及以京、滬

13、、粵為主的地域布局，2009 年市場規(guī)模達到 85 億元并成為全球第 3 大市場。我國儀器儀表產業(yè)連續(xù)多年實現 20%以上的增長，2009 年產值超過 5000 億元，企業(yè)數量為 5000 多個，小型企業(yè)數量占比達到 90%。在物聯網的通信服務方面，我國物聯網網絡服務保持著較高的增長趨勢，覆蓋各個領域。憑借著相應優(yōu)勢，我國物聯網相關通信服務取得了較多進展。未來在這一技術方面將會發(fā)展得更為成熟。然而，我國物聯網應用服務業(yè)仍處于較低水平，相應應用多事化服務， 未能夠社會化、商業(yè)化。對應技術也不夠成熟。因此， 需要一個長時間的市場培育，也需要擺脫成本等方面的限制。綜上所述，我國物聯網產業(yè)仍存在有較大

14、的，產業(yè)形態(tài)不夠健全。物聯網隨讓在市場方面有巨大潛在優(yōu)勢， 但潛在空間都實際市場的轉變并不是短期內能夠達到的，關鍵點離不開技術和應用的創(chuàng)新，在此基礎上才能形成，擴大市場規(guī)模。預計在“ 十三五” 后期， 我國物聯網相關產業(yè)才有可能成形， 相應市場規(guī)模才能建立，而真正成熟則需要看各方面技術的發(fā)展。 11.2.3 Zigbee 技術現狀Zigbee 是基于 IEEE802.15.4 標準的短距離、低功耗個域網協議。根據這個協議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee 協議從下到上分別為物理層(PHY)、控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等。其中物理

15、層和控制層遵循 IEEE 802.15.4標準的規(guī)定。ZigBee 網絡主要特點是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。ZigBee 網絡中設備的可分為協調器(Coordinator)、匯聚節(jié)點(Router)、傳感器節(jié)點(EndDevice)等三種角色。與此同時，中國物聯企認為：zigbee 作為一種中短距離無線通信技術， 由于其網絡可以便捷的為用戶提供無線數據傳輸功能， 因此在物聯網領域具有非常強的可應用性。到目前為止， 除英維斯、三菱、摩托羅拉和飛利浦等國際上較有的公司外，該已有 200 多家企業(yè)加盟，并在不斷吸引其他企業(yè)。ZigBee 技術

16、需要半導體生產商提供硬件基礎、IP 服務提供商支持網絡通信、消費類電子及 OEM 商共同提供應用市場，包括像霍尼韋爾國際、伊頓和 Invensys Metering Systems 等在智能控制和自動化方面技術領先的公司，還有像 Mat之類的玩具公司，這些公司或多或少都有協助研究 ZigBee 物理層和控制層技術。ZigBee相信，將來 ZigBee將像微處理器一樣運用到各行各業(yè)，為物聯網提供各項基礎。1.2.4的研究意義目前國內多數城市路燈控制主要仍由每臺變壓器(配電箱)分散控制，少有智能化的路燈系統(tǒng)， 缺乏靈活性， 存在著一系列。系統(tǒng)復雜，難以管理、路燈覆蓋面廣， 人力資源浪費、控制效率低

17、下、存在安全隱患。針對這一系列的缺點和問題，利用 Zigbee 技術能較好得解決路燈的部分難題，形成一個相對完善的系統(tǒng)。Zigbee 技術在智能路燈方面有如下優(yōu)勢：1、Zigbee 網絡容量大，在一個網絡里能夠容納 65535 個節(jié)點，并可分配 255 個網絡。不同網絡間無相互干擾。2、Zigbee 工作頻段集中在 2.4G 的免費頻段上，并提供多個頻點可供選擇，減少了 WIFI 網絡的干擾，并且除了硬件的費用外不會產生其余的運維費用。3、Zigbee 組網能力強， 其鏈型網拓撲結構對于路燈極為適合。自愈能力也較強，網絡以多跳路由形式工作，單個節(jié)點的工作狀態(tài)不會影響到整個網絡。Zigbee 的

18、技術特點特別適合道路照明系統(tǒng)的智能的需求。在 Zigbee組網的基礎上結合三相電能的測量技術和以太網口通信技術，對于實現系統(tǒng)有著極高的可行性。 2智能化的路燈1.3主要研究內容本針對無線傳感網絡技術進行研究，結合 UDP 網絡傳輸協議、三相電能采樣和 Delphi 編程等內容， 設計一個相對完善的智能路燈系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要有如下各模塊：1、單燈控制器：本模塊主要是采樣各個路燈狀態(tài)，包括電壓、電流、累計電能以及功率等，通過相應信息能夠識別各燈所處狀態(tài)和故障原因等。相應的繼電器模塊則用來控制各燈亮滅。通信部分則與 Zigbee 相連接，以達成無線傳輸目的。2、支路控制器：本模塊是無線通信網絡和端的轉

19、接模塊，獲取Zigbee 組網中心節(jié)點的數據，并將處理后的數據打包，通過以太網口傳輸給服務端。3、模塊：本模塊用于接收數據，直觀反映到 GUI 界面端，并實時路燈故障狀態(tài)。同時具有定時開關功能， 利用輪詢功能檢測各節(jié)點是否有脫離等。最后，基于以上各個模塊設計，就設計成果加以總結，對智能路燈相關技術作進一步展望。1.4主要章節(jié)安排首先就課題意義和相關技術的研究背景做出說明。第一章總體介紹研究的內容。第二章就涉及的相關技術作簡單介紹。第三章具體講述各模塊設計的過程及方式方法。第四章闡述設計的以及設計中的。最后給出結論并就本課題及相關技術的發(fā)展做出相應展望。1.5 本章小結本章主要介紹了課題的概念，

20、就相應技術的研究現狀作了介紹，特別介紹了智能路燈涉及的部分， 以物聯網技術中的 Zigbee 傳輸為主。繼而介紹了課題主要研究內容， 分單燈控制器、支路控制器以及監(jiān)控系統(tǒng)。并簡單介紹了本的相關章節(jié)安排。第二章相關硬件及技術介紹設計的內容在于路燈信息與獲得（電流、電壓、電能以及故障狀態(tài)）、無線中短距離組網通信的實現、硬件電路獲取數據的以太網口 UDP上傳以及上位機對相應數據的。輔以單片機、等技術以實現系統(tǒng)。2.1 ADE7758 三相電能計量ADE7758 是（ADI）模擬器件公司開發(fā)的一種體積小巧、動態(tài)范圍可達 1000: 1 的新型電能測量集成電路,該 IC 內嵌了高精度的模數轉換器和固定模

21、式的數字信號處理器(DSP) ,具有數字積分、數字濾波和眾多實用電能監(jiān)測、計量功能,正成為新一代高性能 IC 新產品。ADE7758 是一種高精確度三相電能測量 IC, SPI 串口作為主要數據傳輸口,一路有功脈沖輸出,一路無功脈沖輸出。集成了數字積分、參考基準電壓源、溫度敏感元件等,有可用于有功功率、無功功率、視在功率、有效值的測量以及以數字方式校正系統(tǒng)誤差(增益、相位和失調等)所必須的信號處理電路,該適用于各種三相電路(不論三線制或者四線制)中測量溫度、電壓、電流、有功功率、復功率、視在功率。它通過串行接口與單片機通收單片機控制,實現多費率計算。數據通過 ADE7758 的 SPI 串行接

22、口。中斷請求輸出（IRQ）為開漏極，低電平有效。在 ADE7758 中出現一個或多個中斷事件時，IRQ 輸出變?yōu)榈碗娖?。通過狀態(tài)寄存器顯示中斷事件的性質。ADE7758采用 24 引腳小外形封裝（ SOIC）。2.1.1 ADE7758 模擬通道ADE7758 共有六個模擬輸入端，分為電流和電壓兩類通道。電流通道包含三組全差分電壓輸入組：IAP 和 IAN，IBP 和 IBN，ICP 和 ICN。這些全差分電壓輸入組的最高信號變化范圍為0.5 伏。電流通道有一個可編程增益放大器（PGA），放大器增益可選擇為 1、2 和 4。除可編程增益放大器之外，電流通道還有一個模數轉換器的滿刻度輸入范圍選項

23、?？梢允褂迷鲆婕拇嫫髟O置模數轉換器模擬輸入范圍的選項。如前所述， 最大輸入電壓變化范圍為0.5 伏。但是，使用增益寄存器的 3 和 4 位可以將在電流通道中的模數轉換器的輸入電壓置于0.5 伏、0.25 伏，0.125 伏。這可以通過調節(jié)模數轉換器的基準電壓實現。電流通道模數轉換器， 在波形采樣模式下，模數轉換器輸出位有符號的二進制補碼，最大值為 26KSPS（千樣本/秒）。在 0.5 伏的額定滿刻度模擬輸入信號時， 模數轉換器產生其最大輸出碼值。模數轉換器輸出在0 xD7AE14(-2,642,412)和 0 x2851EC (+2,642,412)間波動。圖 2.1電流通道信號通路電流通道

24、采樣可以通過將 WAVDODE 寄存器的 WAVSEL（2：0）位置于 000（二進制）將電流通道的波形采樣以固定速率轉向 WFORM 中。采樣經由的相位的設置方法是設置 WAVMODE 寄存器中的 PHSEL(1:0)位。在波形采樣時不影圖 2.2 電流通道波形采樣響電能計算。在波形采樣模式下，可使用 WAVMODE（DTRT-1:0）的位 5 和位6 從四個輸出采樣速率中選擇一個。輸出采樣速率為 26.0KSPS，13.0KSPS，6.5KSPS 或 3.3KSPS。通過在中斷寄存器中將 WSMP 的位置為于 1，中斷請求輸出 IRQ 在有樣本時變?yōu)橛行У碗娖健?4 位波形樣本從 ADE7

25、758 傳出，一次一位（共 8 位），最高有效位（ MSB）優(yōu)先傳輸。電壓通道模數轉換器，電壓通道輸入端 VA 的模數轉換器和信號處理鏈。VB 和 BC 通道的處理鏈與此相似。對于有功和無功電能計量，ADC 直接輸出到乘法器， 不經過濾波。該解決方案避免了使用更大的多位（ multibit） 乘法器， 且不影響計量的準確度。不需要在電壓通道安裝一個高通濾波器(HPF)消除直流電失調， 其原因是，電流通道中的高通濾波器足夠降低在電能計量中模數轉換器失調造成的誤差。但是，電壓通道中的模數轉換器失調能在電源有效值計算中產生高誤差并影響視在電能計算的準確度。圖 2.3 電壓通道 ADC 和信號處理電壓

26、通道采樣電壓通道的波形采樣的路徑也能設置到 WFORM寄存器中。但是，在通向 WFORM 之前，模數轉換器輸出將通過一個截止頻率為 260Hz 的單極低通過濾器（ LPF1）。2.1.2 ADE7758 測試電路ADE7758 其有兩種基本測試電路。區(qū)別在于積分器的使用與否，而電路差別在于電流通道部分， 積分器打開的測試電路中電流通道的輸入有電流傳感器提供， 而積分器關閉的電路中電流通道的輸入則由電流互感器電路提供。圖 2.4 積分器關閉測試電路圖 2.5 積分器打開測試電路2.1.3 ADE7758 中斷ADE7758 中斷通過中斷狀態(tài)寄存器(SUS23:0，地址：0 x19)和中斷寄存器（

27、 MASK23:0,地址：0 x18）進行控制。當 ADE7758 中發(fā)生中斷時，中斷狀態(tài)寄存器中響應的標志置于 1。如果此次中斷在中斷寄存器中的位為 1，IRQ 邏輯輸出變?yōu)榈碗娖?。中斷狀態(tài)寄存器的標志位設置為與屏蔽位狀態(tài)無關。為確定中斷源， MCU 應通過操作復位中斷狀態(tài)寄存器來實現。這是通過從 RSUS（ 地址： 0 x1A） 中讀數實現的。在完成中斷狀態(tài)寄存器的指令后，IRQ 輸出變?yōu)楦唠娖?。在進行“讀后復位”時，ADE7758設計為確保不丟失任何中斷事件。如果中斷事件發(fā)生在中斷寄存器正在時， 中斷事件也不會丟失， 在再次變?yōu)楸硎局袛辔赐瓿傻牡碗娖街埃?IRQ邏輯輸出將在中斷狀態(tài)寄存

28、器數據傳輸期內保證邏輯高電平。注意， 狀態(tài)寄存器中的復位中斷位只在一個時鐘循環(huán)中為高電平，然后回零。ADE7758 有眾多的中斷源，不作贅述，主要用到的中斷源會在第三章部分結合具體使用情況再介紹。2.1.4 ADE7758 串口時序（ SPI）ADE7758 有一個內置 SPI 接口。ADE7758 的串行接口包含四個信號：SCLK,DIN, DOUT 和 CS。數據傳輸的串行時鐘由 SCLK 邏輯輸入。邏輯輸入為觸發(fā)輸入結構， 允許使用較慢的上升（下降） 時鐘沿。所有數據傳輸操作與圖 2.6 串行接口寫入時序串行時鐘同步。數據在 SCLK 的下降沿從 DIN 邏輯輸入端移入 ADE7758。

29、數據在 SCLK 上升沿從 DOUT 邏輯輸出端移出 ADE7758。圖 2.7 串行接口讀出時序2.2 順舟 SZ05-ADV Zigbee 模塊2.2.1 SZ05-ADV 模塊簡介順舟科技 SZ05 系列 ZIGBEE 無線串口通信模塊，采用了加強型的 ZIGBEE無線技術，符合工業(yè)標準應用的無線數據通信設備， 它具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網靈活等優(yōu)點和特性；可實現多設備間的數據透明傳輸；可組 MESH 型的網狀網絡結構。具體性能特點如下：主要功能描述：有 RS232、485、TTL 接口與無線 Z-BEE 的相互轉換，通過無線 ZIGBEE 進行組網通信；無線功能強勁：可配置為中

30、繼路由或終端設備；傳輸距離遠：最大傳輸距離可達 2000 米；能力強： 2.4G 頻段， 16 分頻點，DSSS 擴頻技術；串口應用靈活：多電平串口，傳輸透明，指令簡潔，最高波特率 115200；發(fā)送模式靈活：廣播、目標地址或主從發(fā)送模式可選；節(jié)點類型靈活： 可按需求配置為中心節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點；組網能力較強： 有星型網、樹型網、鏈型網、網狀網多種拓撲結構；網絡容量較大：16 信道可選，65535 個網絡節(jié)點地址，255 網絡 ID 可任意設置；圖 2.8 SZ05 引腳說明2.2.2 Zigbee 協議介紹ZigBee 協議棧的標準和基礎是 IEEE 802.15.4 協議， 該協議解

31、決了Zigbee 的 MAC 和 PHY 層需求。ZigBee 堆棧層則為網絡層(NWK)、應用層和安全服務提供層提供解決方案。每個 ZigBee 設備都有一個特定的協議封裝，稱之為模板，可以是公共模板也可以是私有模板。這些模板包含了設備工作所需要的組件， 包括基本應用環(huán)境、類型還有設備通信簇。模板可以解決不同設備之間的互操作性的問題，就如系統(tǒng)兼容性的解決方式一般。各設備生產商業(yè)遵循模板來開發(fā)研究，通過應用對象(Application Objects)的形式來成型。每個應用對象可以與一個端點進行連接，再與 ZigBee 堆棧的余下部分進行連接，它們都是設備中用于尋址的組件。從應用角度看，通信的

32、本質就是節(jié)點到節(jié)點的連接(例如，一個帶開關組件的設備與帶一個或多個燈組件的遠端設備進行通信， 目的是將這些燈點亮)。節(jié)點之間由叫簇的數據結構來的進行數據傳輸。簇是個容器，包含應用對象之間共享信息所需的全部屬性，在特殊應用中使用的簇在模板中有定義。所有端點都使用應用支持子層(APS)提供的服務。APS 通過網絡層和安全服務提供層與端點相接，并為數據傳送、安全和綁定提供服務， 因此能夠適配不同但兼容的設備，比如帶燈的開關。APS 使用網絡層(NWK)提供的服務。網絡層負責設備到設備的通信， 并負責網絡中設備初始化工作包含的活動、消息路由和網絡發(fā)現。應用層可以通過設備對象(ZD0)進行配置和網絡層。

33、根據 IEEE 802.15.4 協議標準，ZigBee 的工作頻段有 3 個頻段，這 3 個工作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數據不同， 因而， 在該項技術標準中，各頻段的調制解調和數據傳輸自然也是不同的。它們分別為 868MHz，915MHz 和 2.4GHz， 2.4GHz 頻段上有 16 個獨立信道，該頻段為用的工業(yè)、科學、醫(yī)學（ indus- trial，scientific and medical，ISM）頻段，該頻段免費、無需申請， 在該頻段上， 數據傳論可達速率為 250Kb/s，由于免免申請，該頻段的民用設備的開發(fā)較多；另外兩個為 915MHz 頻段信道有 10 個，傳輸

34、速率可達 40Kb/s，868MHz 其信道只有 1 個，傳輸速率可達 2OKb/s，868MHz 和 915MHz 頻段使用直接序列擴頻技術和二進制相移鍵控（BPSK）的調制技術。2.4GHz 無線電使用 DSSS 和偏移正交相移鍵控（ OQPSK）進行調制。2.3 以太網口通信 UDP 部分2.3.1 UDP 協議相關UDP 是 User Datagrrotocol 的簡稱，中文名是用戶數據報協議，是基于 OSI 參考模型的一種無連接的傳輸層協議， 主要為簡單不可靠信息的傳輸提供服務， IETF RFC 768 是 UDP 的正式規(guī)范。UDP 協議的全稱是用戶數據報協議，在網絡中它與 TC

35、P 協議一樣用于處理 UDP 數據包，是一種無連接的，不可靠的協議。在 OSI 模型中，在第四層傳輸層，處于 IP 協議的上一層。UDP 對于數據處理有較多缺點，對于數據分包和組裝等無法實現， 而且數據包也沒有相應的順序， 也就是說，報文發(fā)送后， 無法得知報文是否完整有效到達的。UDP 用來支持那些需要在計算機之間傳輸數據的網絡應用。比如網絡會議系統(tǒng)在內的客戶/ 服務器（C/S）模式的網絡應用，都需要使用 UDP 協議。UDP 協議從問世至今已經被使用了很多年，雖然現在又眾多的協議完全能夠替代 UDP，但是 UDP 仍然是一種非常實用的網絡傳輸層協議。和 TCP 一樣，都是網絡傳輸層的協議。U

36、DP 協議的主要工作是將數據流量壓縮成包，以報文形式傳輸。UDP 協議中的數據包就是一個基本。數據包前 8 個字節(jié)的數據是報頭信息，剩余字節(jié)則才是真正的傳輸數據。圖 2.9 UDP 報文格式UDP 報頭由 4 部分組成，每部分 2 個字節(jié)， 包括本地端口、目標端口、數據長度以及校驗和。UDP 協議使用端為不同的應用保留其各自的數據傳輸通道。UDP 和TCP 協議正是利用這一方式支持同一時刻內多項應用同時收發(fā)數據的。數據發(fā)送一方（可以是客戶端或服務器端）將 UDP 的數據包通過本地端口發(fā)送，而數據接收一方則經過目標端口接收數據。UDP 報頭提供兩個字節(jié)存放端口號，所以端的有效范圍是從 0 到 6

37、5535。實際情況下， 49151 以上的端都是動態(tài)端口。數據報的長度是指包括報頭和實際數據的總字節(jié)數。數據長度真正意義上是長度不定的數據部分。數據報的長度范圍視具體工作環(huán)境而定。理論上，包含報頭在內的數據報最長為 65535 字節(jié)。，實際應用中會限制數據報的長度，某些情況下只有 8192 個字節(jié)。UDP 協議利用數據的校驗值來確保數據傳輸的安全性。校驗值首先由發(fā)送方計算得出， 相應數據打包好后傳遞到接收方， 之后由接收方重新計算。如果某個數據報在傳輸過程中被第篡改或者由于線路噪音等原因受到損壞，發(fā)送和接收方的校驗計算值將不會相符，由此 UDP 協議可以檢測是否出錯。2.3.2 LWIP 下

38、UDP 實現過程lwip 是一個輕量級的 TCP/IP 協議棧（Lightweight TCP/IP Stack）實現，最初是計算機科學學院 Adam Dunkels 編寫的一個應用于無操作系統(tǒng)的系統(tǒng)中的 TCP/IP 協議棧，后來作為一個開源（ open source）項目，由一個全球性的團隊進行開發(fā)和。已實現的部分有：1. 標準的 TCP/IP 協議棧實現，包括 TCP、UDP、ICMP、IP、ARP、DHCP；ICMP（ernet control message protocol）：網絡和調試。UDP（User datagrrotocol）DHCP（Dynamic host config

39、uration protocol）ARP（Address resolution protocol）2.非標準 Socket 接口， lwip 提供了一套 Socket API，這套 API 的標準與正常操作系統(tǒng)下的 Socket API 的形式不是很一致。下面就對一個 lwip 典型的 UDP 協議工作過程作簡單介紹。LWIP 下 UDP 發(fā)送過程：1應用層：綁定 UDP 套接字先創(chuàng)建一個 UDP 套接字，利用 udp_new()進行申請，然后利用 udp_bind()將套接字在 UDP 端口上進行綁定，在這個過程中， 需要編寫相應的處理這個UDP 套接字接收到的數據報文的函數，并把這個函數作

40、為 udp_bind()的參數，以后當套接字接收到數據報文時會自動調用這個函數。綁定結束之后， 由udp_connect()將數據報文的目的地址綁定在 UDP 的數據結構中，最后就是調用 udp_send()把數據報文發(fā)送出去。圖 2.10 udp_bind()的處理流程圖傳輸層的處理應用層相應操作結束之后，數據提交到 UDP 層，udp_send()函數中首先給數據報文添加 UDP 頭部，然后調用 ip_route()選擇一個合適的網絡接口進行發(fā)送，最后調用 ip_output()把數據報文傳入 IP 層。IP 層的處理ip_route()函數比較各個網絡接口的 IP 地址是否與目的 IP

41、地址在同一子網中， 如果有， 就把它當成發(fā)送的網絡接口返回， 如果沒有就返回一個默認的網絡接口。圖 2.11 udp_input 處理流程圖在 ip_output()函數中，先給數據報文加上 IP 頭部，然后比較目的 IP地址與網絡接口的 IP 地址是否在同一網段，如果不是，就必須先把數據報文發(fā)送到網關，于是使用網關的 IP 地址作為目的主機，如果目的 IP 地址與網絡接口的 IP 地址在同一網段，則把目的 IP 地址作為目的主機。接著調用 arp_lookup() 在 ARP 緩存中查找目的主機的 MAC 地址， 找到了調用ethernet_output()把數據報文傳入到數據鏈路層發(fā)送，如

42、果找不到，就調用arp_query()發(fā)送 ARP 請求4ARP 協議的處理目的主機的 MAC 地址。arp_lookup()實現在本地 ARP 緩存中查找目的主機的 MAC 地址，找到了返回該 MAC 地址，找不到返回 NULL。arp_query()函數中構造一個 ARP 請求報文，然后調用 ethernet_output()把該報文送到數據鏈路層發(fā)送。5 數據鏈路層的處理數據鏈路層的處理就是給數據報文添上相對的以太網頭部， 然后調用lowlever_output()直接把報文傳送出去。UDP 接收過程：接收過程與發(fā)送過程剛好相反，數據報文首先調用ethernet_input()函數到達數

43、據鏈路層，去掉以太網頭部之后如果是 ARP 報文傳給調用 arp_input()交給 ARP 協議處理，如果是 IP 報文就調用 ip_input()進入 IP 層處理，ip_input()函數中比較數據報文的目的 IP 地址，如果與某個網絡接口的 IP 地址相同，則接收這個報文，依照 IP 頭部的協議字段，調用各自協議的輸入處理函數， 本例中將調用 udp_input()，在 udp_input()中提取數據報文的端， 然后在已登記的套接字中查找與該端符合的UDP 接收函數，如果沒有找到相應的套接字，調用 icmp_output()發(fā)送一個ICMP 不可達報文，如果找到了，就調用該函數（這個

44、函數就是在 udp_bind()時傳入的其中一個參數）。2.3.3 Delphi 中 UDP 實現過程Delphi 的編程語言是 Object Pascal，傳統(tǒng) Pascal 語言發(fā)展的結果，以GUI 界面為基本開發(fā)環(huán)境，利用 IDE、VCL 工具與編譯器，進行開發(fā)，結合數據庫技術，形成一個應用程序開發(fā)工具，Delphi 以面象程序設計為中心的，以其獨特的控件和直觀的 GUI 界面使得設計過程也變得十分簡單明了。Delphi 中實現 UDP 方式較多，可以通過 TIdUDPServer 和 TIdUDPCnt控件、TUDPSocket 控件以及 API 底層函數實現。但基本過程都是以 UDP

45、 為基礎。接收端：1.加載套接字庫 WSAStartup()；2.創(chuàng)建 Socket，使用函數 Socket();3.綁定到端口 bind() 將一個本地地址和一個套接字關聯起來這里需要一個地址結構體4.接收 recvrom（）5.發(fā)送 sendto()6.當通信結束時，需要關閉用于通信的 socket，closesocket該資源當 所 有 請 求 處 理 完 后 ， 需 要 關 閉 用 于的 socket ， 并 調 用WSACleanup()發(fā)送端：1.加載套接字庫 WSAStartup()；2.創(chuàng)建 Socket，使用函數 Socket();3.發(fā)送 sendto()4.接收 recv

46、rom()5.當通信結束時，需要關閉用于通信的 socket，closesocket該資源當所有請求處理完后，需要關閉用于的 socket，并調用 WSACleanup()圖 2.12 Delphi 下 UDP 傳輸過程使用 API 底層函數則需要經過上述過程，而 TIdUDPServer 和TIdUDPCnt 控件的實現過程便簡化了許多。綁定對應端口即可發(fā)送數據，而接收也只需要創(chuàng)建一個線程便可。在 Delphi2010 中的 Indy10 里這兩個控件均使用了結構體， 相應數據需要在結構體中提取，發(fā)送數據也必須存入結構體才能成功發(fā)送。2.4 本章小結本章節(jié)主要介紹了設計中較為的硬件和通信協議

47、， 首先是ADE7758 三相電能計量， 簡單介紹了該的各個通道作用以及典型的測試電路等；其次是作為無線通信載體的 Zigbee 模塊，對 Zigbee 通信協議稍作了闡述；最后是接入到控制系統(tǒng)的 UDP 協議部分，該部分分支路控制器端的 LWIP 和上位機系統(tǒng)的 Delphi 兩種實現過程，主體流程一致，但對于軟硬件的各自特點，存在有相應的不同之處。第三章方案設計與實現本設計方案硬件上以 Zigbee 為無線通信技術的載體， 51 系列單片機為單燈控制模塊主控， STM32 為支路控制模塊控制，利用 C 語言編程實現個模塊功能。對于服務器端上位機系統(tǒng)，利用 Delphi 編程實現簡單直觀的功

48、能。方案的實現主要是上述三個模塊， 兩控制模塊兼有軟硬件的設計實現，模塊為純設計。3.1 系統(tǒng)整體方案設計系統(tǒng)設計過程中以 Zigbee 無線網絡為整體框架，在此基礎上添加與服務端的網絡交互接口，整個通信過程主要由 Zigbee 中繼路由節(jié)點或終端節(jié)點發(fā)起無線網絡發(fā)起， 網絡內的中心節(jié)點接收， 中心節(jié)點的控制器處理數據，打包成要上傳的數據包， 通過以太網口上傳到服務器端， 服務器端的系統(tǒng)相應數據， 直觀反映各節(jié)點狀態(tài)?？刂七^程則與之相反。整個通信過程中依賴 Zigbee 的無線傳輸協議和 UDP 的網絡傳輸協議。根據上述過程將系統(tǒng)劃分為三大部分： 單燈控制器、支路控制器和系統(tǒng)。上位機各單燈控制

49、器各支路控制器圖 3.1 系統(tǒng)整體框圖3.2 單燈控制模塊交換機本模塊用于實現對路燈電壓電流的實時， 判斷路燈所處狀態(tài)，并將相應的故障狀態(tài)通過 Zigbee 組成的無線網絡傳輸給中心節(jié)點（網關）。同樣也能夠接收中心節(jié)點發(fā)出的信息， 對路燈進行開關控制以及返回節(jié)點所處的狀態(tài)。圖 3.2 單燈控制模塊系統(tǒng)框圖3.2.1 電壓電流轉換電路我國城市照明電力線標準電壓為 220V 50Hz 的交流電，則所需采樣的電壓值在 220V 左右。而各個路燈的規(guī)格不一，其額定功率也存在較大差別，這便造成了采用電流的不確定。目前大功率路燈正在不斷退出人們視線，取代之的是節(jié)能高亮的 LED 路燈，所以電流會有較大差別

50、。根據這一系列情況， 電壓電流轉換依賴電壓、電流互感器及其電路來完成。圖 3.3 電壓轉換電路Zigbee模塊ADE7758模塊器微處理器單片機電源模塊電壓電流轉換電路電壓轉換電路中，電壓互感器為 2mA：2mA 電流型電壓互感器，因此在輸入級需要得到 2mA 的電流，經互感器后輸出級電流也為 2mA， R7 作為采樣電阻其兩端電壓為所需電壓， 開關二極管并聯用于保護電路， 防止電壓輸出端數值過大，損壞。圖 3.4 電流轉換電路電流轉換電路中，電流互感器輸入電流為路燈電流，經 1000:1 變比后輸出，R8 為采樣電阻，其阻值視路燈具體電流而定。R5、C11 和 R9、C14 為濾波網絡，其后

51、并聯開關二極管亦是限制電壓以保護電路和。電壓互感器（ Potential transformer 簡稱 PT，也簡稱 TV）和變壓器很相像， 都是用來變換線的電壓。電壓互感器變換電壓的目的，主要是用來給測量儀表和繼電保護裝置供電， 用來測量線路的電壓、功率和電能，或者用來路發(fā)生故障時保護線路中的貴重設備、電機和變壓器。電流互感器（ Current transformer 簡稱 CT）的作用是可以把數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數值較小的二次電流，用來進行保護、測量等用途。3.2.2 ADE7758 采樣電路ADE7758 采用積分器關閉的測試電路，針對單個路燈控制的情況，只需電壓電流通

52、道各接一路即可。經上述轉換電路后， 電壓通道輸入為在峰峰值 0.5V 的交流電，電流通道輸入由路燈電流決定，在方案實現中由于選用了節(jié)能燈， 功率較小， 故電流也較小， 采樣電阻需取稍大， 以得到接近電流輸入通道要求的電壓值。轉換后的模擬信號進通道處理后存在對應的寄存器內。圖 3.5 ADE7758 及其電路3.2.3 Zigbee 通信電路Zigbee 電路較為簡單，由于 SZ05-ADV 提供有各種電平的串口接口，故直接選用 TTL 電平的串行接口與主控單片機相接即可電路中添加有 LED燈顯示運行狀態(tài)，而配置引腳和復位引腳與單片機 I/O 相接，以便通過主控對 Zigbee 進行自動配置。3

53、.2.4 單燈控制模塊設計本模塊信部分。主要是兩大塊，ADE7758 采樣數據的獲取以及與 Zigbee 的通ADE7758 有眾多的中斷源，在初始化時通過中斷寄存器可以設置芯片中斷電平的有效與否。本設計中用到電壓通道過零檢測中斷、過零超時中斷以及能量累計寄存器半滿中斷。實際過程中在操作模式的設置中將電壓與電流通道相互交換，這樣過零檢測和過零超時中斷的引起便由電流所激發(fā)。對應著過零檢測表示路燈處于正常狀態(tài)， 過零超時時便意味著無電流通過路燈， 處于開路或其他故障狀態(tài)。能量累計寄存器半滿中斷觸發(fā)時發(fā)生累計的電能值給系統(tǒng)。相應中斷狀態(tài)需要讀中斷狀態(tài)寄存器才能確認，并中斷執(zhí)行開始執(zhí)行對應操作發(fā)送相應

54、數據執(zhí)行操作等待中斷返回圖 3.6 單燈模塊主體流程在確認中斷源進行完相應操作后，讀復位中斷狀態(tài)寄存器以清除中斷狀態(tài)，復位后才能重新進入中斷。3.3 支路控制模塊電源模塊圖 3.7 支路控制模塊基本框圖本模塊主要功能是提供一個無線與有線的交互接口，無線依舊是系統(tǒng)主體的 Zigbee 通信網，而有線選擇以太網接口，此接術成熟，兼容性高，且接入服務器后可以依賴服務器實現與其余各類通信方式的交互。以太網口模塊Zigbee模塊微處理 器STM32ADE7758 對應寄存器內的電壓電流有效值判斷指令獲取中斷源串口、中斷初始化串口接收中斷外部中斷ADE7758 初始化3.3.1 硬件電路設計選取接口增強型

55、的 STM32F107 為主控， STM32F107 是意法半導體推出全新 STM32 互連型（ Connectivity）系列微控制器中的一款性能較強產品，此集成了各種高性能工業(yè)標準接口， STM32 相應具有較好的兼容性， 可以輕松適應各類應用。本設計選取此， 正是因為其接口和的高兼容性。STM32 的有 10 個定時器、兩個 12 位 1-Msle/s AD(模數轉換器) (快速交替模式下 2M sle/s)、兩個 12 位 DA(數模轉換器)、兩個 I2C 接口、五個 USART 接口（本設計中用到了兩個，分別于 Zigbee 和 PC 端相連接）、三個 SPI 端口和高質量數字音頻接

56、口 IIS，除此以外 STM32F107 還有全速 USB（OTG）接口，CAN 2.0B 接口，并且搭載有本設計所需求的以太網 10/100MAC 模塊。網口選用 DM9161AEP，這款是一款完全集成的和符本效益單快速 10/100M 以太網 PHY 收發(fā)器。DM9161AEP 有兩個可變電壓的 MII或 RMII 標準數字接口，通過這兩個接口可以連接到 MAC 層，支持 HP Auto-MDIX。是目前使用較為廣泛的物理層收發(fā)器，全球的 MCU 集成度的不斷提高促使早先的 MAC+PHY+MII 發(fā)展到現在的 PHY，也使得以太網部分在各系統(tǒng)中的成本逐漸降低。 3硬件設計中其最小系統(tǒng)電路

57、及基本工作電路必不可少，參照手冊和已有產品進行設計。參照神舟號 STM32 開發(fā)板網口部分電路，設計本模塊以太網口部分硬件電路。Zigbee 通信模塊則依舊通過 TTL 電平串口與主控相連，配置端口和復位端口與 GPIO 相接，以實現自動配置，留有相應的用戶接口，方便系統(tǒng)調試。本模塊實現功能就是 Zigbee 無線數據與 UDP 以太網口數據的交互，使得方案的智能部分更有可行性。其本質是串口數據與網口數據的相互收發(fā)。在硬件設計方面， 由于信號線較多， 多個供電電壓， 更有模擬地與數字地，因此對于 PCB 布線的要求較高。在參照已有設計的基礎上加以改進，以完善硬件電路設計。3.3.2 支路控制模

58、塊設計根據本模塊的功能，設計主要部分即為網口和串口兩部分。串口主開始中斷執(zhí)行發(fā)送數據通關過網口發(fā)送返回等待中斷圖3.8 支路模塊主體流程要利用中斷方式，而網口部分編程則由 LWIP 的特殊性決定著。LWIP 下 UDP 收發(fā)有著固定的過程，更由于 STM32 的內存等的特殊限制，所有步驟都不可或缺，并且對內存的使用也需要謹慎，使用完后需要內存， 否則會造成再次使用時分配不了相應的內存，以下依部分程序過程。收發(fā)接收過程：開發(fā)送串口中斷發(fā)送數據對應內存區(qū)有數據時便接收接收數據配置網口部分，使用 LWIP 的 UDP 協議，并作為服務器端串口接收中斷發(fā)送中斷配置中斷向量配置 GPIO系統(tǒng)初始化ext

59、ern void server_init(void)/設置為服務器端struct udp_pcb *upcb;/* 創(chuàng)建新的 UDP 控制塊 */upcb = udp_new();/*綁定 UDP 控制塊到本地端口 */udp_bind(upcb, IP_ADDR_ANY, UDP_SERVER_PORT);/*UDP 端口，接收區(qū)有數據時則提取數據 */udp_recv(upcb, udp_server_callback, NULL);void udp_server_callback(void *arg, struct udp_pcb *upcb, structpbuf *p, struct

60、 ip_addr *addr, u16_t port)/獲取接收數據并返回內容給客戶端struct tcp_pcb *pcb;_IO u8_t iptab4;u8_t iptxt20;/*客戶端發(fā)送的內容已在相應的內存內*/*客戶端 IP 和端口*/iptab0=(u8_t)(u32_t)(addr-addr)24);iptab1=(u8_t)(u32_t)(addr-addr)16);iptab2=(u8_t)(u32_t)(addr-addr)8);iptab3=(u8_t)(u32_t)(addr-addr);prf(is: %uln,addr-addr);prf(is: %d.%d.%