基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對市政建設(shè)中城市照明系統(tǒng)的要求不斷提高。傳統(tǒng)的路燈控制技術(shù)與維護(hù)方法存在著很多缺點(diǎn)和弊端，包括施工復(fù)雜，靈活性差，存在能源浪費(fèi)、智能化程度低、通信穩(wěn)定度差等，無法適應(yīng)城市現(xiàn)代化發(fā)展的需求。Zigbee技術(shù)是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，與傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)相比，其在性能、成本以及組網(wǎng)規(guī)模等方面具有很大的優(yōu)勢，適用于智能家居、工業(yè)控制和醫(yī)療控制等領(lǐng)域。本文為解決傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)出基于Zigbee技術(shù)的LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)。首先，深入分析當(dāng)前路燈控制技術(shù)的應(yīng)用背景和國內(nèi)外路燈控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀。針對傳統(tǒng)路燈控制技術(shù)的不足與弊端，闡述了Zigbee技術(shù)在路燈控制領(lǐng)域的發(fā)展前景。其次，詳細(xì)介紹Zigbee技術(shù)低功耗、低成本以及網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)和符合Zigbee通信協(xié)議的硬件開發(fā)平臺CC2430。最后，完成LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及軟件流程圖的設(shè)計(jì)。路燈控制系統(tǒng)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(tǒng)，包括光敏電阻檢測電路、路燈工作狀態(tài)檢測電路、支路控制電路等，實(shí)現(xiàn)路燈根據(jù)光線明暗自動(dòng)開關(guān)，檢測路燈工作狀態(tài)等功能。軟件部分主要是路燈控制系統(tǒng)流程圖的設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述整個(gè)系統(tǒng)的工作過程。關(guān)鍵詞：ZigbeeCC2430路燈監(jiān)控基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第1頁?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第2頁。Firstofall,thethoroughanalysiscurrentstreetlightcontrolapplicationbackgroundandlampcontroltechnologyathomeandabroadpresentsituationofthestudy.Accordingtothedeficiencyofthetraditionalstreetlightcontroltechnologyanddisadvantages,thispaperexpoundstheZigbeetechnologyinthestreetlampcontrolareasofdevelopmentprospects.基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第3頁。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(shù)的研究現(xiàn)狀 12Zigbee技術(shù)及應(yīng)用 42.1短距離無線通信技術(shù)的比較 42.1.1REID技術(shù) 42.1.2藍(lán)牙技術(shù) 42.1.3紅外技術(shù) 42.1.4UWB超寬帶技術(shù) 52.1.5Zigbee技術(shù) 52.2Zigbee技術(shù)簡介 52.3Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 62.4Zigbee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu) 92.4.1物理層 92.4.2媒體接入控制層 102.4.3Zigbee網(wǎng)絡(luò)層 102.4.4 Zigbee應(yīng)用層 122.5Zigbee和LED技術(shù)的優(yōu)勢 122.6 Zigbee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 133Zigbee技術(shù)開發(fā)使用的硬件平臺 15基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第4頁。3.1 無線通信芯片的選擇 15基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(yīng)用電路 193.4Zigbee天線系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 234.1終端硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 234.1.1直流穩(wěn)壓電源的供電電路設(shè)計(jì) 244.1.2光敏檢測電路 254.1.3支路控制電路的設(shè)計(jì) 264.1.4工作電流檢測電路 274.2協(xié)調(diào)器硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 284.2.1MAX232串口通信電路設(shè)計(jì) 285路燈監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計(jì) 305.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器流程圖設(shè)計(jì) 305.2路由器程序流程圖設(shè)計(jì) 315.3 終端節(jié)點(diǎn)流程圖設(shè)計(jì) 326結(jié)論與展望 346.1總結(jié) 346.2展望 34致謝 36參考文獻(xiàn) 37基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第5頁。附錄 39基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第5頁?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第6頁。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(jìn)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(diào)控設(shè)備也得到迅速發(fā)展。同時(shí)，城市公共照明的迅速發(fā)展，節(jié)能環(huán)保和提高路燈照明系統(tǒng)的管理水平逐漸成為人們的共識。目前大多數(shù)城仍然采用傳統(tǒng)的路燈控制技術(shù)，使用有線方式組建網(wǎng)絡(luò)，不僅施工難度大，而且智能化程度低、通信穩(wěn)定度差以及控制靈活性差等，給城市照明系統(tǒng)的日常維護(hù)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(shù)的迅速發(fā)展，給城市路燈控制系統(tǒng)提供了新的技術(shù)解決方案，而將Zigbee技術(shù)應(yīng)用于路燈控制系統(tǒng)也逐漸成為人們新的研究課題。 Zigbee技術(shù)是一種面向低傳輸速率的近距離無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度、抗干擾能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大等特性[1]。作為一項(xiàng)新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee技術(shù)的發(fā)展前景極為廣闊，因此獲得了眾多大公司的支持。Zigbee協(xié)議棧是由IEEE批準(zhǔn)通過的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著各種支持Zigbee協(xié)議芯片的推出，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于數(shù)字家庭、醫(yī)療護(hù)理和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。從路燈控制系統(tǒng)的成本、智能化、可靠性和可維護(hù)性等方面考慮，結(jié)合路燈控制的實(shí)際應(yīng)用需求和Zigbee技術(shù)的自身特點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)了一套基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，對路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、控制與調(diào)節(jié)，提高路燈控制系統(tǒng)的管理水平，實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際需要開關(guān)路燈。1.2路燈控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第7頁。道路照明系統(tǒng)的控制技術(shù)直接影響著系統(tǒng)的管理水平和照明系統(tǒng)的節(jié)能效果，很早就得到許多國家尤其是一些歐美發(fā)達(dá)國家的重視，并提出多種不同的解決方案。國內(nèi)對道路照明控制技術(shù)的研究較少，但近年來得到迅速發(fā)展。為解決不同場合的實(shí)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(jiān)控、和單燈控制[2]。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第7頁。 目前應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)同控制方法依然是光照控制和事件控制，在一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)仍然廣泛使用。傳統(tǒng)控制方式有著很大的弊端，無法根據(jù)實(shí)際需要及時(shí)對路燈的開關(guān)進(jìn)行控制，工作人員也無法及時(shí)了解路燈工作狀況進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)，且故障率高維修困難。隨著城市化化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人們對照明要求也越來越高，照明范圍越來越大，現(xiàn)行控制方式已無法滿足當(dāng)下對道路照明系統(tǒng)的智能化管理。目前國內(nèi)很多城市路燈的開、關(guān)控制仍由配電箱分散控制，很少對路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，缺乏靈活多變的操作方式，無法根據(jù)實(shí)際需要開關(guān)路燈，很多時(shí)候造成能源浪費(fèi)，因此尋在著一系列的問題：通信系統(tǒng)采用有線方式布局，系統(tǒng)復(fù)雜，管理困難。照明系統(tǒng)覆蓋范圍廣，工作人員難以及時(shí)有效的進(jìn)行維護(hù)，效果不理想。路燈運(yùn)行狀態(tài)不能及時(shí)反饋到控制中心，無法及時(shí)維護(hù)，當(dāng)路燈發(fā)生故障時(shí)，給行人也帶來不便。無法根據(jù)實(shí)際需求開關(guān)路燈，造成能源浪費(fèi)。存在安全隱患，工作人員無法及時(shí)掌握路燈情況，無法保障安全。針對上述傳統(tǒng)控制技術(shù)存在的缺點(diǎn)，利用ZigBee技術(shù)與LED路燈的結(jié)合能很好解決路燈的監(jiān)控和節(jié)能問題。主要原因如下：ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)容量大且組網(wǎng)簡單，理論上擁有一個(gè)協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)可擁有多達(dá)65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)路由器也能容納255個(gè)節(jié)點(diǎn)。這和其他技術(shù)相比擁有極大的優(yōu)勢。一般情況下，一個(gè)區(qū)域的路燈用一個(gè)協(xié)調(diào)器及可進(jìn)行控制。在對路燈進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，需要進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不多，只需要每隔幾分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)即可。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要隨意變動(dòng)，而且ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自愈功能，網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系而癱瘓?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第8頁。Zigbee技術(shù)的低功耗、低成本、低復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)容量大等特性成為路燈控制系統(tǒng)的最佳技術(shù)方案，而且可以在監(jiān)控中心對路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程無線控制，操作更加靈活?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(nèi)外研究現(xiàn)狀。闡述本設(shè)計(jì)具有的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義及市場前景。在研究了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)出路燈控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。第二章 Zigbee技術(shù)及應(yīng)用。詳細(xì)介紹本設(shè)計(jì)所采用的技術(shù)方案，闡述了Zigbee協(xié)議棧、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域等，對Zigbee體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。第三章Zigbee技術(shù)開發(fā)使用的硬件平臺。詳細(xì)介紹了本設(shè)計(jì)所采用的硬件平臺，對CC2430的功能及格引腳進(jìn)行介紹。第四章路燈監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。在分析應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)硬件實(shí)現(xiàn)方式，包括光敏檢測電路、支路控制電路、路燈工作狀態(tài)檢測電路等。第五章軟件流程圖設(shè)計(jì)。該部分有助于理解整個(gè)系統(tǒng)的工作過程，主要從協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備三個(gè)方面，詳細(xì)介紹了路燈的信息采集和控制過程。第六章結(jié)論與展望?？偨Y(jié)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程及功能，針對系統(tǒng)目前功能上的不足與缺點(diǎn)，對進(jìn)一步完善與改進(jìn)進(jìn)行了探討?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第9頁?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第9頁。2Zigbee技術(shù)及應(yīng)用2.1短距離無線通信技術(shù)的比較 目前，用于短距離無線通信的技術(shù)主要有RFID技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、紅外技術(shù)、UWB超寬帶技術(shù)以及Zigbee技術(shù)等。2.1.1REID技術(shù) 射頻識別技術(shù)是一種非接觸自動(dòng)識別技術(shù)。該技術(shù)利用射頻信號通過交變磁場實(shí)現(xiàn)無線接觸進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并根據(jù)傳遞的信息來識別的目的。RFID技術(shù)不需要精確定位即可以實(shí)現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳遞、核對、更新等，避免人為操作中的錯(cuò)掃、漏掃和重掃等差錯(cuò)。2.1.2藍(lán)牙技術(shù) 藍(lán)牙技術(shù)（Bluettooth）是一種語音通信與無線數(shù)據(jù)的開放性全球規(guī)范。藍(lán)牙技術(shù)的工作頻率為2.4GHz,其數(shù)據(jù)有效傳輸范圍在10m左右。在有效通信范圍內(nèi)，所有使用藍(lán)牙技術(shù)的多臺設(shè)備都可以進(jìn)行無線聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速度大約1Mb/s。隨著藍(lán)牙技術(shù)的逐漸成熟、芯片價(jià)格以及功耗不斷降低，藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)成為許多手持設(shè)備主要的短距離通信方式。2.1.3紅外技術(shù)基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第10頁。 IrDA(紅外線)是一種使用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的無線通信方式，該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要申請頻率使用權(quán)，故紅外通信成本低。此外，紅外設(shè)備還具有體積小、功耗低、連接方便以及操作簡單的特點(diǎn)。紅外技術(shù)的不足之處在于這是一種視距傳輸技術(shù)，兩個(gè)通信設(shè)備之間不得有其他物體，否則無法完成通信，所以該技術(shù)只能在兩臺設(shè)備之間進(jìn)行通信?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第10頁。2.1.4UWB超寬帶技術(shù) UWB（UltraWideBand，超寬帶技術(shù)）是一種新發(fā)展起來的短距離無線通信技術(shù)。它通過基帶脈沖作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。由于該技術(shù)未采用載波調(diào)制技術(shù)，因此無需混頻、過濾和射頻/中頻轉(zhuǎn)換模塊，從而實(shí)現(xiàn)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(shí)速率甚至可達(dá)1Gbp/s，實(shí)現(xiàn)高速率通信。2.1.5Zigbee技術(shù) Zigbee技術(shù)是新近提出的一種短距離無線通信技術(shù)，該技術(shù)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大且組網(wǎng)簡單等特點(diǎn)。與藍(lán)牙技術(shù)相比，Zigbee技術(shù)因其更低的功耗和更大的網(wǎng)絡(luò)容量等特點(diǎn)必將獲得更為廣闊的發(fā)展前景，由于其具有更高的可靠性，該技術(shù)在工業(yè)控制、智能家居以及安全系統(tǒng)等方面有著廣泛的應(yīng)用。 通常情況下，通信設(shè)備的成本和復(fù)雜度都會(huì)隨著通信距離和網(wǎng)絡(luò)容量的增加而增加。本文通過對現(xiàn)有無線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，鑒于本設(shè)計(jì)要求低功耗和無線組網(wǎng)的要求，我們采用Zigbee技術(shù)作為本文的技術(shù)方案。2.2Zigbee技術(shù)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(nèi)的無線通信要求，于是就出現(xiàn)了個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PersonalAreaNetwork:PAN）和無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WirelessPersonalAreaNetwork:WPAN）的概念[3]。WPAN網(wǎng)絡(luò)為近距離范圍內(nèi)的通信設(shè)備組建無線網(wǎng)絡(luò)，把通信范圍內(nèi)的多個(gè)設(shè)備通過無線連接方式連接，使這些設(shè)備之間可以互相通信甚至接入LAN或者互聯(lián)網(wǎng)。Zigbee技術(shù)則作為一種低成本、低功耗的近距離無線通信技術(shù)得到了快速發(fā)展。 目前，Zigbee標(biāo)準(zhǔn)由Zigbee聯(lián)盟來維護(hù)，采用這一標(biāo)準(zhǔn)化的無線通信技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第11頁。各種不同功能的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要能互相交流、互相溝通，就需要保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互通性，即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第11頁。各種功能的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以組成多種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜化，就必須用大量的軟件代碼實(shí)現(xiàn)，需要大量的人力物力投入來進(jìn)行開發(fā)，對公司開發(fā)新產(chǎn)品的要求非常高[3]。因此，Zigbee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的軟件代碼，都由國際標(biāo)準(zhǔn)組織和Zigbee聯(lián)盟這樣的機(jī)構(gòu)協(xié)助組織完成，然后以軟件庫、源代碼庫的方式提供給產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，由產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員編寫自己的應(yīng)用程序進(jìn)行程序調(diào)用。 Zigbee聯(lián)盟維護(hù)的最新版本是2007版：Zigbee-2007Specification。在本設(shè)計(jì)中，由于相應(yīng)的硬件平臺選擇原因，仍采用2006版的標(biāo)準(zhǔn)。2.3Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Zigbee系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照其實(shí)現(xiàn)的不同功能可分為兩類：具有完整功能的全功能設(shè)備(FFD)和只具有部分簡單功能的簡單功能設(shè)備（RFD）[4]。其中RFD功能簡單較易于實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中因其功能簡單只可作為終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)，也只能和一個(gè)特定的FFD進(jìn)行通信。全功能設(shè)備可以作為路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量，也可作為整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器，控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)Zigbee系統(tǒng)至少要有一個(gè)FFD作為協(xié)調(diào)器。FFD也可以作為終端設(shè)備來使用。(1)Zigbee協(xié)調(diào)器（Coordinator）它是建立和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的正常工作以及保持網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備的通信。首先，協(xié)調(diào)器建立一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的無線信號，接受其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的請求，同時(shí)發(fā)送指令給其他節(jié)點(diǎn)，控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)中央?yún)f(xié)調(diào)器就可控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。(2)Zigbee路由器（Router）基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第12頁。路由器是一個(gè)用來轉(zhuǎn)發(fā)消息的設(shè)備，作用是用來增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，保證無線通信的穩(wěn)定性。首先，路由器加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)后接收來自終端節(jié)點(diǎn)的信號，然后發(fā)送給協(xié)調(diào)器，同時(shí)也會(huì)接收來自協(xié)調(diào)器的命令，轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)。Zigbee星狀網(wǎng)絡(luò)不支持Zigbee路由器，樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)可以有多個(gè)Zigbee路由器?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第12頁。(3)Zigbee終端設(shè)備（EndDevice）作為一種終端設(shè)備，它可以執(zhí)行自己的相關(guān)功能，通過網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備通信，而不需要維護(hù)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)信息。終端設(shè)備要其他設(shè)備進(jìn)行通信只可以通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)需要覆蓋范圍較大時(shí)，Zigbee可以組建不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。Zigbee有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星形網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)[3]。（1）星形網(wǎng)絡(luò)在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通信是在終端設(shè)備和一個(gè)中心協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行的，該網(wǎng)絡(luò)的通信范圍受到限制，只適用于范圍較小的場合。協(xié)調(diào)器可以作為發(fā)起設(shè)備，也可以是終端設(shè)備。中心協(xié)調(diào)器具有對本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理的功能，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址以及成員的加入等情況，同時(shí)還負(fù)責(zé)維護(hù)和更新各種設(shè)備和數(shù)據(jù)，通常情況下協(xié)調(diào)器具有穩(wěn)定的電能供給，無需考慮能耗問題。終端節(jié)點(diǎn)因其只具有一些簡單功能，所以只可以和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，與網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備的通信則必須經(jīng)過協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[4]。星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1所示。協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器終端設(shè)備圖2-1星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2）樹狀網(wǎng)基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第13頁。 在樹狀網(wǎng)絡(luò)中，RFD可以選擇加入Zigbee路由器或者協(xié)調(diào)器，路由器用來擴(kuò)大整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。路由器可以向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供兩種功能的服務(wù)：一是增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，二是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍[5]。加入路由器后，終端設(shè)備可以通過路由器連接到協(xié)調(diào)器上，保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，而不需要在協(xié)調(diào)器的射頻范圍內(nèi)才可以加入網(wǎng)絡(luò)。在一些通信范圍較大的場合中，樹狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效解決通信范圍不足問題。樹狀網(wǎng)中大部分節(jié)點(diǎn)是全功能設(shè)備，而簡單功能設(shè)備則處于樹狀網(wǎng)的末端?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第13頁。協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器路由器簡單功能節(jié)點(diǎn)圖2-2樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)狀網(wǎng)是一種相對自由的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)用，對環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。與其他兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的是，網(wǎng)狀網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)大多數(shù)都是全功能設(shè)備，都可以自由的與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備進(jìn)行通信，可以構(gòu)成相對比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)中設(shè)備之間進(jìn)行通信時(shí)，為了擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的通信范圍和通信的穩(wěn)定性，應(yīng)盡可能的利用路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)[4]。在該網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂较鄬ψ杂伸`活，可以任意選擇新的路由器而不必使用協(xié)調(diào)器。終端設(shè)備終端設(shè)備路由器協(xié)調(diào)器基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第14頁。圖2-3網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第14頁。2.4Zigbee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu) Zigbee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)是由一組稱為層的塊組成，每個(gè)層為上一層提供指定的服務(wù)。數(shù)據(jù)實(shí)體為上層提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)，管理實(shí)體則為上層提供其他所有服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體都通過服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為上層提供服務(wù)[5]。Zigbee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)共分為四層，分別是物理層（PHY）、媒體接入控制層（MAC）子層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4]。Zigbee體系結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。應(yīng)用層應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層MAC層物理層IEEE802.15.4Zigbee協(xié)議圖2-4Zigbee體系結(jié)構(gòu)2.4.1物理層IEEE802.15.4有兩個(gè)不同的物理層，分別作用于兩個(gè)不同的頻率范圍：868/915MHz和2.4GHz[5]。其中868MHz頻段應(yīng)用于歐洲，915MHz頻段應(yīng)用于美國、澳大利亞等國。物理層位于Zigbee協(xié)議棧的最底層，管理以下一些任務(wù)：激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器在已有的信道上進(jìn)行能量檢測空閑信道評估（ClearChannelAssessment,CCA）基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第15頁。檢測接受分組的鏈路質(zhì)量指示(LinkQualityIndication,LQD)基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第15頁。對信道頻率進(jìn)行選擇數(shù)據(jù)的傳輸和接收2.4.2媒體接入控制層（MAC）MAC層主要為Zigbee網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)通信設(shè)備間的MAC層實(shí)體提供可靠的通信鏈路[4]。MAC層向上層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)及MAC層管理服務(wù)[5]。數(shù)據(jù)服務(wù)是指支持不同設(shè)備的MAC層之間的數(shù)據(jù)交換，管理服務(wù)是指MAC支持上層對其下達(dá)管理命令。無線信道是一個(gè)共享信道，MAC層的關(guān)鍵技術(shù)之一就是解決設(shè)備在使用共享信道時(shí)不會(huì)產(chǎn)生因?yàn)闆_突而造成錯(cuò)誤的問題，否則就會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。MAC子層需要處理接入到無線信道等事務(wù)，并負(fù)責(zé)以下幾個(gè)方面的任務(wù)：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)。設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)和協(xié)調(diào)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(jī)制。處理和維護(hù)采用GTS機(jī)制。超幀結(jié)構(gòu)和信標(biāo)的概念引入使網(wǎng)絡(luò)管理變得非常方便，每個(gè)超幀都以協(xié)調(diào)器信標(biāo)開始，該信標(biāo)中包含超幀持續(xù)時(shí)間以及時(shí)間分配等信息。在兩個(gè)通信設(shè)備對等MAC實(shí)體間提供數(shù)據(jù)通信鏈路。2.4.3Zigbee網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要是為確保正確操作IEEE802.15.4MAC子層和為應(yīng)用層提供服務(wù)接口。為了能夠在相同應(yīng)用層進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)層在概念上包括兩個(gè)應(yīng)用實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體(NLME)[6]。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體向上層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體則通過連接SAP提供管理服務(wù)。除此之外，網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體利用數(shù)據(jù)實(shí)體完成某些管理任務(wù)，負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)庫（NIB）?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第16頁。網(wǎng)絡(luò)層主要為保證MAC子層的正常工作而提供一些必要的應(yīng)用函數(shù)和相應(yīng)的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體只能向在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)及多個(gè)設(shè)備提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體可向應(yīng)用層提供以下一些服務(wù)：基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第16頁。生成網(wǎng)絡(luò)級別的PDU(NPDU)指定傳輸路由確保無線通信的機(jī)密性和安全性MLDE-SAPMLDE-SAPMLME-SAP網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體MCPS-SAPMLME-SAP上層實(shí)體MAC層實(shí)體圖2-5網(wǎng)絡(luò)層參考模型網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME）應(yīng)提供某些管理服務(wù)，允許應(yīng)用程序與協(xié)議棧相互作用。NLME應(yīng)提供以下服務(wù)：配置一個(gè)新設(shè)備。為所需的操作充分配置協(xié)議棧的功能，配置選項(xiàng)包括開始一個(gè)作為ZigBee協(xié)調(diào)器的操作，或加入一個(gè)已存在的網(wǎng)絡(luò)。開始一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)功能。加入、重新加入和離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。加入、重新加入或離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能，以及為一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器或ZigBee路由器請求一個(gè)設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)的功能。尋址。ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力。鄰居發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)、記錄和報(bào)告關(guān)于單跳鄰居設(shè)備信息的能力。路由發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)并記錄通過網(wǎng)絡(luò)的路徑的功能，即信息可以有效地傳送。接收控制。一個(gè)設(shè)備控制何時(shí)接收者是激活的，以及激活多長時(shí)間，從而使MAC子層同步或直接接收?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第17頁。路由。路由器從一個(gè)接口上收到數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址進(jìn)行迪昂想并轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)接口的過程。例如單播，廣播，多播或者多對，在網(wǎng)絡(luò)中高校交換數(shù)據(jù)?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第17頁。2.4.4 Zigbee應(yīng)用層Zigbee的應(yīng)用層包括APS子層（應(yīng)用支持子層）、ZDO（Zigbee設(shè)備對象）及其他制造商定義的應(yīng)用對象[7]。ZigBee技術(shù)嵌入到消費(fèi)型電子設(shè)備、家庭和建筑物自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中，支持小范圍內(nèi)基于無線通信的控制和自動(dòng)化。通常符合下列條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)：設(shè)備間距較??；設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小；設(shè)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(fù)充電；需要覆蓋的范圍較大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需要容納的設(shè)備較多，網(wǎng)絡(luò)主要用于檢測或控制。Zigbee設(shè)備對象是處于協(xié)議棧中應(yīng)用層上的為滿足實(shí)際應(yīng)用需求的一種解決方案，為協(xié)議棧中的各層提供初始化服務(wù)。2.5Zigbee和LED技術(shù)的優(yōu)勢Zigbee技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，使用IEEE802.15.4協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)，具有低速率、低功耗、高容量、延時(shí)短、安全性高以及免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)[8]；LED路燈以發(fā)光二極管為光源，具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。兩種技術(shù)的結(jié)合為現(xiàn)代城市照明系統(tǒng)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保提供了可能的技術(shù)手段，用Zigbee技術(shù)和LED路燈組建的無線路燈控制系統(tǒng)從成本、功能以及運(yùn)營管理等方面都具有很大的優(yōu)勢?；赯igbee技術(shù)的LED路燈控制系統(tǒng)在節(jié)能和環(huán)保方面技術(shù)優(yōu)勢明顯:基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第18頁。低功耗：LED路燈的功率選擇根據(jù)不同場合的實(shí)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(dá)450W的高壓鈉燈；Zigbee模塊在低功耗模式下工作時(shí)普通干電池就可保證芯片長時(shí)間工作?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第18頁。壽命長：平均每盞LED路燈的設(shè)計(jì)使用壽命為大約50000小時(shí)，有時(shí)甚至更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過高壓鈉燈的使用壽命，在節(jié)約成本和維護(hù)上具有很大優(yōu)勢。照明效率高：LED路燈采用獨(dú)特的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，將燈光照射到需要照明的區(qū)域，提高光照效率，節(jié)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(huán)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(xié)議，減少對微控制器的要求。容量大：Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以極大的擴(kuò)充無線通信網(wǎng)絡(luò)的容量，由系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器管理路由節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備。2.6 Zigbee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域ZigBee技術(shù)適用于距離范圍小和對通信速率要求不高的場合，在工業(yè)現(xiàn)場的各種電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛，其常見的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和重復(fù)低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)等，其目標(biāo)功能是自動(dòng)化控制[9]；Zigbee技術(shù)使用兩個(gè)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(shù)的有效通信范圍為10m-75m：如果數(shù)據(jù)傳輸速率降至28Kb／s時(shí)，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(lián)盟認(rèn)為該技術(shù)日后必將在工業(yè)控制、汽車控制、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工業(yè)控制中，傳感器通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集各種信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將信息及時(shí)傳送到系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，為決策者提供及時(shí)準(zhǔn)確的參考信息，使得整個(gè)工業(yè)控制過程更加高效。例如對火災(zāi)現(xiàn)場的環(huán)境探測，工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)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(nèi)置在監(jiān)測對象內(nèi)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(huán)境和各種金屬結(jié)構(gòu)對電磁信號的干擾?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第19頁。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)控制中，無線信號的傳播特性良好，但是由于通信區(qū)域較大，需要使用的大量的傳感器設(shè)備組成復(fù)雜的控制網(wǎng)絡(luò)[10]。采用傳感器和Zigbee技術(shù)相結(jié)合的無線監(jiān)控系統(tǒng)后，農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)逐漸向智能化數(shù)字化方向發(fā)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(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心供決策者參考，可以及早的發(fā)現(xiàn)農(nóng)場中的問題，從而做出調(diào)整以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第19頁。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，通過各種傳感器和基于Zigbee技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的監(jiān)測每個(gè)病人的狀況，包括體溫、血壓以及心跳等，從而減少相關(guān)醫(yī)務(wù)人員的工作量，有助于合理利用醫(yī)療資源。智能化家居是Zigbee最具潛力的市場。據(jù)推測，在未來的智能化家居中，每個(gè)家庭需要數(shù)十個(gè)Zigbee終端設(shè)備，可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備包括錄像機(jī)、PC機(jī)、安全門、窗戶以及空調(diào)等。智能化家居引入Zigbee技術(shù)后，將在很大程度上提高人們生活環(huán)境的舒適度。同時(shí)使用Zigbee技術(shù)的遙控器可以實(shí)現(xiàn)全球漫游和無縫使用，從而降低設(shè)備的車本，有利于在未來進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用[10]?；赯igBee的路基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第20頁。3Zigbee技術(shù)開發(fā)使用的硬件平臺3.1 無線通信芯片的選擇通過對Zigbee技術(shù)的了解我們得知，選擇一款支持Zigbee通信協(xié)議的芯片是硬件電路設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。選擇和比較不同芯片的優(yōu)缺點(diǎn)以便能夠設(shè)計(jì)出低成本、低功耗并且可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行適當(dāng)升級的電路。本文重點(diǎn)研究無線通信的組網(wǎng)，在目前使用的諸多無線芯片中，片上系統(tǒng)因?yàn)榈凸?、低成本和多功能成為本設(shè)計(jì)的首選。隨著Zigbee技術(shù)的發(fā)展，無線單片機(jī)模塊也在不斷發(fā)展，功能更加豐富，種類也不斷增加，各大公司紛紛開發(fā)相應(yīng)的無線單片機(jī)模塊。目前，支持Zigbee通信協(xié)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(yīng)用成本相對低廉，其支持的通信協(xié)議為IEEE802.15.4，該公司向開發(fā)設(shè)計(jì)人員提供MAC軟件，設(shè)計(jì)人員通過該軟件即可組建相對簡單的星形網(wǎng)絡(luò)。Freescale的后續(xù)產(chǎn)品在功能上不斷加強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的開發(fā)平臺。Ember的EM250和EM260均支持Zigbee通信協(xié)議，也可根據(jù)實(shí)際需求組建星形網(wǎng)、樹狀網(wǎng)以及網(wǎng)狀網(wǎng)。除此之外，該系列芯片還有豐富的配套設(shè)施，保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)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(xié)議棧，因其將射頻收發(fā)器各模塊都集成在一個(gè)芯片上，故擁有較高的穩(wěn)定度、靈敏度和傳輸功率，可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量，降低成本。（4）TI公司的CC2430基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第21頁。CC2430是首款真正意義上的片上系統(tǒng)，它完美結(jié)合Zigbee協(xié)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(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型8051控制器和RF射頻收發(fā)器，三種不同大小的Flash內(nèi)存（分別是32/64/128kb），8kb的RAM,以及ADC、DMA、看門狗定時(shí)器等[10],因其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于各種傳感器網(wǎng)絡(luò)?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)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(tǒng)。該芯片可以滿足工作在2.4GHz的Zigbee通信協(xié)議，除了集成一個(gè)2.4GHz的RF射頻收發(fā)器，還包括一個(gè)增強(qiáng)型8051單片機(jī)、。 CC2430使用0.18μmCMOS制造工藝，工作時(shí)電流損耗只有27mA，在接收模式下，電流損耗低于27mA，在發(fā)射模式下，電流損耗則低于25mA。CC2430芯片有一些主要特點(diǎn)與性能如下所示[11]：功耗低、性能高的增強(qiáng)型8051微控制器?；?.4GHz符合IEEE802.15.4協(xié)議的RF射頻收發(fā)器。較強(qiáng)的抗干擾性能和優(yōu)良的接收靈敏度。芯片在休眠模式時(shí)僅有0.9μA的電流損耗，使用外部中斷或者RTC喚醒系統(tǒng)。在待機(jī)時(shí)，電流損耗更低于0.6uA，使用外部中斷喚醒系統(tǒng)。硬件支持CSMA/CA功能。輸入電壓范圍較寬（2.0-3.6V）。支持?jǐn)?shù)字化的RSSI/LOI和DMA功能。能夠監(jiān)測電池和感測溫度功能。芯片集成了14位的ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。集成有AES安全協(xié)處理器。帶有2個(gè)可支持多組協(xié)議的USART。帶有4個(gè)定時(shí)器：1個(gè)符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的MAC計(jì)時(shí)器；1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器以及2個(gè)8位計(jì)時(shí)器。提供21個(gè)I/O口，其中有兩個(gè)I/O口具有20mA的驅(qū)動(dòng)能力，其他接口有4mA的驅(qū)動(dòng)能力。具有靈活和功能全面的開發(fā)工具?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第22頁。CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封裝，共有48個(gè)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?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第22頁。3.2.1I/O端口線引腳功能CC2430一共有21個(gè)可編程的I/O口，其中P0、P1端口是8位的，P2端口只有5個(gè)引腳。通過軟件配置相關(guān)特殊功能寄存器，可使引腳作為通用輸入輸出引腳、片內(nèi)外設(shè)使用引腳或外部中斷使用引腳[11]。I/O口關(guān)鍵特性如下：可設(shè)置為通用I/O口，也可設(shè)置為片內(nèi)外設(shè)使用的I/O口。輸入口的狀態(tài)可以設(shè)置成上拉、下拉或者三態(tài)。所有I/O引腳都能夠響應(yīng)外部中斷，中斷用來將芯片從睡眠狀態(tài)喚醒。1～6腳（P1_2～P1_7）：對外設(shè)提供4mA的驅(qū)動(dòng)能力。8，9腳（P1_0，P1_1）：具有20mA的驅(qū)動(dòng)能力。11～18腳（P0_0～P0_7）：對外設(shè)提供4mA的驅(qū)動(dòng)能力。43，44，45，46，48腳（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：對外設(shè)提供4mA驅(qū)動(dòng)能力。3.2.2CC2430芯片電源線引腳功能基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第23頁。表1CC2430芯片電源線引腳功能基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(wěn)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(huán)狀濾波器提供1.8V直流電壓28腳（VCO_GUARD）VCO屏蔽電路的報(bào)警連接端口29腳（AVDD_VCO）為PLL環(huán)濾波器和VCO和提供1.8V電壓30腳（AVDD_PRE）為預(yù)定標(biāo)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(diào)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(fā)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(shù)字電路部分提供1.8V電壓40腳（AVDD_DGUARD）為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓41腳（AVDD_DREG）向電壓調(diào)節(jié)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(fù)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(shí)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(fù)向射頻信號；在TX期間接收來自PA的輸入負(fù)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第24頁。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第24頁。3.3CC2430芯片典型應(yīng)用電路CC2430芯片的應(yīng)用電路，如圖1.1所示，圖中數(shù)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(gè)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(gè)PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。內(nèi)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(gè)合適的工作電流。用1個(gè)32MHz的石英諧振器（XTAL1）和2個(gè)電容（C191和C211）構(gòu)成一個(gè)32MHz的晶振電路。用1個(gè)32.768kHz的石英諧振器（XTAL2）和2個(gè)電容（C441和C431）構(gòu)成一個(gè)32.768kHz的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器向所有要求1.8V電壓的引腳和內(nèi)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(wěn)定性[11]?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第25頁。圖3-1CC2430應(yīng)用電路基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第25頁。3.4Zigbee天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)工作頻率在2.4GHz，本系統(tǒng)的通信方式是利用天線輻射進(jìn)行無線信息傳輸。天線的設(shè)計(jì)是整個(gè)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵，決定了系統(tǒng)的通信距離和質(zhì)量，需要根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)計(jì)天線以達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)Zigbee系統(tǒng)天線時(shí)，需根據(jù)實(shí)際需求采用不同的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)前應(yīng)根據(jù)本系統(tǒng)工作在2.4GHz頻段來確定天線參數(shù)，如增益、阻抗、輻射方向等。本系統(tǒng)天線參數(shù)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(xié)調(diào)器需要和多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，所以天線設(shè)計(jì)為全向型輻射。3.5RS232(DB9)MAX232MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS232串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v直流電源供電?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第26頁。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(tài)，然后告知計(jì)算機(jī)其當(dāng)前狀態(tài)。

2：RXD:用于接收外部數(shù)據(jù)；當(dāng)使用Modem檢測時(shí)，RXD指示燈在閃爍，說明RXD引腳正在進(jìn)行接收。

3：TXD:將數(shù)據(jù)發(fā)送給外部設(shè)備；當(dāng)使用Modem檢測時(shí)，TXD指示燈在閃爍，說明TXD引腳正在發(fā)送數(shù)據(jù)。

4：DTR:數(shù)據(jù)終端就緒；當(dāng)此引腳處于高電平時(shí)，計(jì)算機(jī)做好準(zhǔn)備，Modem可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5：GND:信號地；此位不做過多解釋。

6：DSR:數(shù)據(jù)設(shè)備就緒；此引腳處于高電平時(shí)，通知計(jì)算機(jī)Modem可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

7：RTS:請求發(fā)送；計(jì)算機(jī)控制該引腳決定Modem是否可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；否則所有收到的數(shù)據(jù)都會(huì)被放入緩沖區(qū)中。

8：CTS:清除發(fā)送；此腳由Modem控制決定是否將數(shù)據(jù)送至Modem。

9：RI:Modem通知計(jì)算機(jī)有通訊請求，是否接聽呼叫由計(jì)算機(jī)決定3.5.2MAX232原理MAX232由三個(gè)部分組成其內(nèi)部結(jié)構(gòu)：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。主要產(chǎn)生-12v和+12v兩個(gè)電源，供RS-232串口電平使用?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第27頁。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道[12]?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第27頁。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN/T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送至電腦的DB9插頭；DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)器通過無線方式與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)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(yè)務(wù)，是一種新的GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它可以給移動(dòng)用戶提供無線分組數(shù)據(jù)接入服務(wù)。GPRS主要是在移動(dòng)用戶和遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，從而給移動(dòng)用戶提供高速無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。在業(yè)務(wù)的承載能力和支持上，GPRS比GSM具有明顯的改善，數(shù)據(jù)傳輸速率更高。GPRS采用分組交換技術(shù)，多個(gè)用戶共同使用一組信道，但是只有當(dāng)某用戶收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才占用該信道。采用時(shí)分復(fù)用額方式能夠更加有效的利用無線信道，GPRS有著靈活的計(jì)費(fèi)方式，有流量計(jì)費(fèi)方式和包月方式，可以根據(jù)實(shí)際情況有效降低通信成本?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第28頁。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第28頁。4路燈監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 基于Zigbee技術(shù)的LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)由路燈節(jié)點(diǎn)、路由器和協(xié)調(diào)器組成。系統(tǒng)通過路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，將終端和協(xié)調(diào)器進(jìn)行無線連接，然后對路燈進(jìn)行無線控制。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器路由器路由器路由器終端節(jié)點(diǎn)圖4-1路燈無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，起到監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的作用，有若干個(gè)路由器和終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并且對其進(jìn)行管理。路由器作為無線控制中繼器，起到擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量和增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的作用，同時(shí)，路由器也可以作為終端使用，用來控制路燈的開關(guān)，而終端節(jié)點(diǎn)只用來采集信息并且只能和路由器或者協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。在整個(gè)系統(tǒng)正常工作時(shí)，路由器接收協(xié)調(diào)器的控制信號，并且轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)而控制路燈工作狀態(tài)，而終端節(jié)點(diǎn)只用來采集路燈狀態(tài)信息和接收路由器的控制指令并控制路燈的狀態(tài)[13]。4.1終端硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第29頁。終端硬件電路的設(shè)計(jì)包括電路設(shè)計(jì)和PCB版的設(shè)計(jì)，在本設(shè)計(jì)中，單個(gè)路燈的監(jiān)控系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源模塊、LED檢測模塊以及CC2430組成。系統(tǒng)框圖如圖4-2所示基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第29頁。直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源交流電（220V，50Hz）LED檢測CC2430LED驅(qū)動(dòng)電路LED路燈圖4-2單個(gè)路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1.1直流穩(wěn)壓電源的供電電路設(shè)計(jì)220V交流電經(jīng)過變壓器降壓后得到9V交流電，然后經(jīng)過整流橋全波整流，電容濾波穩(wěn)壓后得到穩(wěn)定的5V直流電源。本設(shè)計(jì)采用穩(wěn)壓芯片7805來獲得所需直流穩(wěn)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(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)壓效果。考慮芯片的熱效應(yīng)及穩(wěn)壓的準(zhǔn)確性，所以盡量減少輸出電壓與輸入電壓的電壓差，同時(shí)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(tǒng)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(huì)過熱[15]。 D1是整流橋，選用耐壓值A(chǔ)C600V電流為2A的KBP206。C1、C2、C3是用來吸收低頻脈動(dòng)和濾波的電容，可以是電壓更為平穩(wěn)。為使直流電源更加穩(wěn)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(wěn)壓芯片，該芯片穩(wěn)定性、可靠性較高，且能產(chǎn)生穩(wěn)定額5V直流電源[14]。C3除了啟動(dòng)吸收諧波的作用外，還可防止出現(xiàn)穩(wěn)壓后的直流電源隨后級負(fù)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(gè)三端穩(wěn)壓器把5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V直流電源。本設(shè)計(jì)中中采用AMS1117芯片，輸出電壓為3.3V，輸出電流可高達(dá)1A?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第30頁。直流電源的供電電路分別如圖4-3、4-4所示?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(qiáng)電阻越低，光線越暗電阻越大的特點(diǎn)，可將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)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(shè)計(jì)中，保證系統(tǒng)在光線臨界狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性，是設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)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(xù)的，故當(dāng)光線達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，輸出信號極不穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)中可采用將運(yùn)放接成電壓比較器的方式，可以實(shí)現(xiàn)較為精確的控制。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第31頁。方案一：直接用光敏電阻串聯(lián)電阻，然后將檢測到的電壓信號送至CC2430的P1.0口。當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)光敏電阻阻值很小，P1.0口輸入高電平；當(dāng)光線不足時(shí)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(jìn)行切換時(shí)容易導(dǎo)致誤判。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第31頁。方案二：本設(shè)計(jì)采用方案二，其在方案一的基礎(chǔ)上加入電壓比較器。如圖4-5所示。當(dāng)電壓比較器的同相端輸入電壓大于反向端輸入電壓時(shí)，比較器輸出高電壓，反之則輸出低電壓。本方案中將觸發(fā)高點(diǎn)電平的門限電壓變?yōu)橛蒖2和R3共同控制的任意電平，從而擴(kuò)大高電平區(qū)間，故在本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)該支路的控制電路是由CC2430的處理器直接控制繼電器來實(shí)現(xiàn)的，每一個(gè)路燈都是用一個(gè)單獨(dú)的繼電器來控制，容易實(shí)現(xiàn)且操作簡單。當(dāng)光敏電路檢測光線明暗時(shí)會(huì)向CC2430輸入一個(gè)檢測信號，然后CC2430輸出一個(gè)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(dǎo)通，從而控制繼電器的斷開與閉合，達(dá)到控制路燈開關(guān)的目的[15]。電路圖如圖4-6所示。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第32頁?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第33頁。采用光敏電阻對路燈是否正常工作進(jìn)行檢測很容易實(shí)現(xiàn)，但是由于光敏電阻對光線強(qiáng)弱的反應(yīng)很靈敏，很難準(zhǔn)確控制，無法對路燈的工作狀態(tài)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的檢測。所以在本設(shè)計(jì)中為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在LED路燈的驅(qū)動(dòng)電路中串聯(lián)一個(gè)采樣電阻。因?yàn)椴蓸与娮枋菍β窡艄ぷ麟娏鬟M(jìn)行檢測，故采樣電阻不能太大，否則影響LED路燈的工作狀態(tài)，本電路中使用的采樣電阻為1歐姆，所以采樣信號要遠(yuǎn)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(shù)約為15倍[16]。當(dāng)取樣電壓為0時(shí)，認(rèn)為電路發(fā)生短路故障，當(dāng)采樣電壓超過某個(gè)值時(shí)，認(rèn)為工作電路過電流故障。本設(shè)計(jì)中放大電路采用OP07芯片，該芯片是一款低噪聲的雙極性運(yùn)放集成電路，OP07擁有較低的輸入失調(diào)電壓，所以在很多場合不需要額外的調(diào)零措施。電路圖如圖4-7所示?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第33頁。圖4-7故障檢測電路4.2協(xié)調(diào)器硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)無線路燈監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的各種工作狀態(tài)，且要講接受到的各種數(shù)據(jù)打包后上傳至監(jiān)控中心，所以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器框圖4.2.1MAX232串口通信電路設(shè)計(jì)基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)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(zhuǎn)換的電路，MAX232是美信公司專門為電腦的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的一種單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，該芯片有兩路數(shù)據(jù)通道，本設(shè)計(jì)只使用了期中的一個(gè)數(shù)據(jù)通道，標(biāo)準(zhǔn)九針串口連接和CC2430的連接如圖所示?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第34頁。圖4-9串口通信電路基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第35頁。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第35頁。5路燈監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計(jì)軟件部分主要是道路照明系統(tǒng)的監(jiān)控部分的應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層。應(yīng)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(tǒng)中最重要的功能是收發(fā)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層中有協(xié)議棧的路由設(shè)置以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)置[17]。物理層中則主要配置程序需要設(shè)置的PANID和信道，只有設(shè)置好這些參數(shù)系統(tǒng)才能正常通信，并與其他Zigbee網(wǎng)絡(luò)區(qū)分開。5.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器流程圖設(shè)計(jì)在系統(tǒng)工作過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為整個(gè)系統(tǒng)的中心控制平臺，其任務(wù)是首先建立新網(wǎng)絡(luò)，完成組網(wǎng)的工作，接收各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并發(fā)送相應(yīng)的控制信號[18]?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第36頁。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖所示，在協(xié)調(diào)器上，系統(tǒng)上電后首先對CC2430芯片進(jìn)行初始化，然后程序?qū)f(xié)議棧初始化并打開中斷[19]。協(xié)調(diào)器首先建立一個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中有無請求信號加入該網(wǎng)絡(luò)并顯示網(wǎng)絡(luò)地址，基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第36頁。初始化建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)初始化建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)顯示網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)入無線監(jiān)控狀態(tài)有節(jié)點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò)給該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址Y檢查有無命令下達(dá)將命令發(fā)送至終端并在PC機(jī)上顯示路燈實(shí)時(shí)信息NY圖5-1網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)流程圖5.2路由器程序流程圖設(shè)計(jì)基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第37頁。對于本系統(tǒng)的路由器節(jié)點(diǎn)，程序首先對底層硬件進(jìn)行初始化，給外圍電路上電，初始化協(xié)議棧，然后向協(xié)調(diào)器發(fā)送請求入網(wǎng)的信號，待協(xié)調(diào)器接收信號并響應(yīng)后，給該路由器分配網(wǎng)絡(luò)地址[20]。如果成功加入網(wǎng)絡(luò)，則可以得到本網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址、路由器節(jié)點(diǎn)的物理地址和加入的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第37頁。初始化初始化加入網(wǎng)絡(luò)根據(jù)光線明暗開關(guān)路燈進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)判斷收到的信號根據(jù)控制信號控制路燈的開光，并發(fā)送至下一個(gè)節(jié)點(diǎn)給該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址圖5-2路由器程序設(shè)計(jì)流程圖5.3 終端節(jié)點(diǎn)流程圖設(shè)計(jì)在終端節(jié)點(diǎn)上，程序首先也要對底層硬件進(jìn)行初始化，打開監(jiān)測模塊電源，然后對協(xié)議棧初始化，并開始向路由器或者協(xié)調(diào)器發(fā)送請求入網(wǎng)的信號，等待附近節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)[22]。如果響應(yīng)成功并加入網(wǎng)絡(luò)，則可以得到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址和物理地址，以及路由節(jié)點(diǎn)的物理地址等?；赯igBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第38頁。 基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第38頁。初始化初始化發(fā)送請求加入網(wǎng)絡(luò)的信號是否成功加入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)如果收到控制信號則進(jìn)行相應(yīng)處理根據(jù)光線自動(dòng)控制路燈開關(guān)NY圖5-3終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第39頁。基于ZigBee的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文全文共59頁，當(dāng)前為第39頁。6結(jié)論與展望6.1總結(jié)本論文設(shè)計(jì)出基于zigbee網(wǎng)絡(luò)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，旨在能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測路燈狀態(tài)信息，有效開關(guān)路燈，較少能源浪費(fèi)，優(yōu)化管理結(jié)構(gòu)等功能。通過查閱大量文獻(xiàn)資料，本文初步完成了基于Zigbee技術(shù)的LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。歸納起來，本設(shè)計(jì)主要通過以下幾個(gè)方面的工作來完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，并最終實(shí)現(xiàn)使用Zigbee技術(shù)監(jiān)控路燈。查閱大量資料分析目前路燈控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r以及國內(nèi)外的研究情況，對路燈控制領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)做出分析和展望，進(jìn)而確定本設(shè)計(jì)所使用的技術(shù)方案?；诒驹O(shè)計(jì)采用Zigbee技術(shù)，詳細(xì)描述了Zigbee技術(shù)協(xié)議棧、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域等。最后和LED技術(shù)相結(jié)合，探討本設(shè)計(jì)對目前路燈控制系統(tǒng)具有的優(yōu)越性。熟悉CC2430的相關(guān)應(yīng)用，完成后