基于GSM和Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的道路LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)研究

張學(xué)飛，馬德貴，袁理星，田林

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，安徽合肥230036）

基于GSM和Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的道路LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)研究

張學(xué)飛，馬德貴，袁理星，田林

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，安徽合肥230036）

基于GSM和Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型LED路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED路燈遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)、控制、自動(dòng)反饋、自動(dòng)報(bào)警等功能。首先闡述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各模塊設(shè)計(jì)的基本思路，然后介紹了系統(tǒng)硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)ED路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控并能安全、可靠、穩(wěn)定的工作；系統(tǒng)操作界面友好、移植性強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)。

GSM和Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；無線監(jiān)控系統(tǒng)；抗干擾

隨著城市經(jīng)濟(jì)規(guī)模的發(fā)展，道路復(fù)雜程度越來越高，道路照明在生活中扮演著越來越重要的角色，這對(duì)照明質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格。另一方面，基于環(huán)保、節(jié)約能源和美觀的要求，促使著路燈控制向著單燈控制、節(jié)能、遠(yuǎn)程控制的方向發(fā)展。傳統(tǒng)路燈的控制系統(tǒng)采用布線網(wǎng)絡(luò)的控制方式，這種方式施工相對(duì)復(fù)雜、管理成本高，而且不利于節(jié)能環(huán)保。而現(xiàn)在主流的采用時(shí)間控制的路燈照明控制系統(tǒng)也存在著一定的弊端。例如使用壽命短、管理成本比較高、路燈控制不合理、不能遠(yuǎn)程監(jiān)控、不能及時(shí)反映路燈故障等。

結(jié)合LED路燈控制的實(shí)際需要，利用GSM和Zigbee[1]網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種嵌入式的無線路燈控制系統(tǒng)，這使得每一盞路燈能夠自主聯(lián)網(wǎng)，然后通過無線通信模塊將本身的運(yùn)行狀態(tài)反饋給控制中心，并能接收控制中心的控制命令?？刂浦行目筛鶕?jù)不同的時(shí)段，完全智能無人運(yùn)行，并且有多種路燈控制決策?？刂浦行耐瑫r(shí)具有對(duì)路燈單燈控制的功能，可以精確到控制某一盞燈的亮滅。在保證道路照明質(zhì)量、改善道路辨識(shí)度、滿足視覺舒適的條件下，在一定程度上能夠節(jié)約資源。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

基于GSM+Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的LED路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1示。路燈控制中心由PC機(jī)和監(jiān)控軟件組成，監(jiān)控軟件根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)，用來發(fā)送控制命令，接收并顯示路燈的運(yùn)行狀態(tài)等信息，可以完全智能化無人運(yùn)行。GSM模塊負(fù)責(zé)將監(jiān)控中心連入廣域的GSM網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心通過GSM模塊是與路燈中控器端的GSM模塊進(jìn)行通信，中控器端的Zigbee模塊可讀取GSM模塊的信息，中控端的Zigbee模塊可根據(jù)上位機(jī)命令的不同，發(fā)送不同的命令給路燈端的Zigbee路燈控制器，使其產(chǎn)生不同的動(dòng)作。路燈控制器端嵌有ZigBee模塊和相應(yīng)的LED路燈控制檢測(cè)電路組成，可以控制LED路燈的亮滅，檢測(cè)路燈的運(yùn)行狀態(tài)并將運(yùn)行狀態(tài)反饋給控制中心。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PC端主控GSM模塊設(shè)計(jì)

該部分無線通信模塊是采用西門子公司的TC35［2］高度集成的GSM模塊。TC35是一款雙頻900/1800 MHz高度集成的GSM模塊。TC35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口組成。TC35通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動(dòng)和關(guān)機(jī)電路、數(shù)據(jù)通信電路、SIM卡電路、指示燈等電路連接。

2.2 路燈中控器模塊設(shè)計(jì)

中控端的Zigbee模塊采用的是以CC2430［3］片上系統(tǒng)作為控制電路的核心部分，集高性能和低功耗的8051微控制器核和符合IEEE802.15.4[4]標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)于一體的無線通訊模塊。它一方面可以控制GSM模塊，另一方面可以和路燈端的Zigbee模塊自組網(wǎng)絡(luò)，起著中間“協(xié)調(diào)器”的作用。路燈中控器采用GSM模塊和Zigbee模塊的有力融合，Zigbee模塊和GSM模塊通過串口進(jìn)行通信。一方面，中控器的GSM模塊和上位機(jī)的GSM模塊之間進(jìn)行遠(yuǎn)程的無線通信，負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的命令；另一方面，可以將路燈端Zigbee采集的路燈工作狀態(tài)信息反饋給控制中心。一個(gè)中控端的Zigbee和LED路燈端的Zigbee模塊組成一個(gè)LED路燈控制鏈。根據(jù)路燈系統(tǒng)特點(diǎn)，主控端Zigbee和LED路燈端的Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用樹形連接，以便靈活擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)和自組網(wǎng)絡(luò)。事先按路段給LED路燈端的Zigbee模塊分配好地址，以便根據(jù)上位機(jī)指令的不同來控制LED路燈的狀態(tài)。

2.3 LED路燈端的電路設(shè)計(jì)

LED路燈端電路由Zigbee模塊和外圍的路燈控制檢測(cè)電路組成。Zigbee模塊一方面和中控端的Zigbee協(xié)調(diào)器模塊自主聯(lián)網(wǎng)，接收主控端Zigbee協(xié)調(diào)器模塊命令，通過外圍電路控制LED路燈的工作狀態(tài)。另一方面，Zigbee模塊通過外圍檢測(cè)電路采集路燈的工作狀態(tài)，并將采集的信息反饋給中控端的Zigbee協(xié)調(diào)器模塊，進(jìn)而反饋到控制中心部分。路燈控制電路采用獨(dú)創(chuàng)的LED路燈控制方式，采用控制LED燈珠亮燈數(shù)目來調(diào)節(jié)LED燈頭的亮度，從而保證LED路燈在額定功率工作的前提下，達(dá)到調(diào)節(jié)亮度的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1.1 上位機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)本監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)以及LED路燈控制的功能需求，本軟件由以下各模塊組成。上位機(jī)軟件的模塊框圖如圖2所示。

1）登錄模塊 管理員通過用戶名和密碼登錄監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)的管理。

圖2 上位機(jī)軟件模塊框圖

2）串口設(shè)置以及GSM功能測(cè)試模塊 管理員通過串口選擇，實(shí)現(xiàn)PC軟件和GSM模塊的連接，并通過點(diǎn)擊相關(guān)測(cè)試命令按鈕查看主控端GSM模塊是否正常工作。

3）控制模式選擇模塊 該模塊的功能用于實(shí)現(xiàn)對(duì)LED路燈控制模式的選擇，可以選擇全局控制，也可以選擇分片控制。

4）路燈分季控制模塊 通過在該模塊預(yù)先設(shè)置每個(gè)季節(jié)的開、關(guān)燈時(shí)間，便可實(shí)現(xiàn)LED路燈的自動(dòng)控制。

5）細(xì)化控制模塊 該模塊可以設(shè)置LED路燈的亮燈模式，以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的照明要求。

6）路燈故障報(bào)警以及查詢模塊 當(dāng)LED路燈出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)顯示報(bào)警信息，并記錄故障路燈編號(hào)，以備管理人員查看，方便路燈檢修。

3.1.2 上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)

控制中心監(jiān)控軟件是基于Visual Basic 6.0開發(fā)的，能夠在Windows XP和Windows 7等操作系統(tǒng)上運(yùn)行。該軟件的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完全自動(dòng)運(yùn)行，智能控制LED路燈亮滅，并能對(duì)LED路燈運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，具有LED路燈故障自動(dòng)報(bào)警與故障記錄查詢功能。系統(tǒng)根據(jù)季節(jié)不同，設(shè)計(jì)了不同季節(jié)亮滅燈時(shí)間設(shè)置功能；根據(jù)每天不同時(shí)段的需要，設(shè)計(jì)了不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下不同的路燈亮燈方式。系統(tǒng)具有控制模式選擇模塊，當(dāng)選擇全局控制時(shí)，系統(tǒng)則可對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行控制；當(dāng)需要控制某一區(qū)域或者某條路燈的時(shí)候，可通過軟件控制模式選擇功能區(qū)的“片區(qū)選擇”下拉菜單進(jìn)行選擇、設(shè)置，通過選擇相應(yīng)的路燈區(qū)域，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)某一區(qū)域或者某條路燈的分片控制。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了單燈控制模式，通過輸入相應(yīng)路燈的編號(hào)，可以隨意點(diǎn)亮或者熄滅某個(gè)路燈，這樣在很大程度上滿足各種照明需要，在保障路燈壽命、滿足照明需要的同時(shí)，在一定程度上節(jié)約了能源。同時(shí)監(jiān)控軟件具有路燈故障報(bào)警顯示和路燈故障查詢等功能。上位機(jī)監(jiān)控軟件主界面如圖3所示。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控軟件主界面圖

圖4 中控器和路燈端程序流程圖

3.2 中控端和LED路燈端軟件設(shè)計(jì)

中控器流程如圖4 a所示。中控端由Zigbee模塊和GSM模塊組成，Zigbee模塊和GSM模塊通過串口通信[5]。在Zigbee協(xié)議棧中已具備眾多的函數(shù)語句，如串口通信、周期性發(fā)送數(shù)據(jù)、設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、中控器建立網(wǎng)絡(luò)等函數(shù)，根據(jù)需求，通過調(diào)用和修改原語句來開發(fā)應(yīng)用程序。

中控端的Zigbee模塊上電后便對(duì)GSM模塊初始化，讀取GSM模塊的信息，根據(jù)事先定好的通信協(xié)議判斷信息類型，并執(zhí)行相應(yīng)命令。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處于空閑狀態(tài)時(shí)，一方面它會(huì)檢測(cè)有沒有新的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)加入，若有新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入，則為其分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址；另一方面它會(huì)監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊是否發(fā)送了數(shù)據(jù)，如果子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)則控制GSM模塊將接受的信息發(fā)送到監(jiān)控中心。LED路燈端的Zigbee加入網(wǎng)絡(luò)后便開始處于監(jiān)控的狀態(tài)，當(dāng)接收到中控端Zigbee發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)類型判斷怎樣控制LED路燈（圖4 b）。

4 路燈控制通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為滿足對(duì)LED路燈控制的需求，保證路燈控制的正確性，路燈控制信息的傳輸是以幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，對(duì)路燈控制通信協(xié)議進(jìn)行了如下設(shè)置：

幀頭和幀尾：用于表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始和數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，防止數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：表示數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)。

路燈編號(hào)：表示路燈所在位置，也是路燈控制器Zigbee節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

功能碼：用來表示數(shù)據(jù)幀的意義，如表示控路燈的開關(guān)的指令。

控制命令：用來表示對(duì)路燈開關(guān)命令的識(shí)別，例如用0x00表示關(guān)閉路燈，0x01表示打開路燈等。

CRC校驗(yàn)：用來驗(yàn)證數(shù)據(jù)命令在傳輸?shù)倪^程中是否出現(xiàn)非正常數(shù)據(jù)，保證控制信息的正確性。路燈控制通信協(xié)議格式如表1所示。

表1 路燈控制通信協(xié)議格式 Byte

5 結(jié)束語

路燈控制系統(tǒng)不僅能決定路燈控制的先進(jìn)合理性，還能提升一個(gè)城市的美好形象。先進(jìn)的路燈控制系統(tǒng)能夠合理安排路燈決策，在滿足照明需求的同時(shí)提高照明系統(tǒng)的效率，進(jìn)而節(jié)約能源。多數(shù)城市或者單位，由于各方面的原因仍然采用傳統(tǒng)的路燈控制的方法，這無疑滿足不了現(xiàn)代照明系統(tǒng)的需要。本系統(tǒng)在合肥市某小區(qū)道路LED路燈監(jiān)控中應(yīng)用，測(cè)試運(yùn)行良好。

［1］ Zigbee Alliance.ZigBee Standards Organization［EB/ OL］.（2006-10-10）.http://www.specifications.nl/zigbee/zigbee_UK.php.

［2］康雪娟,景軍峰.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2010（23）：204-206.

［3］顧瑞紅,張宏科.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2005（6）：1-3.

［4］江杰,宋宏龍.基于GSM短信的煙霧傳感報(bào)警系統(tǒng)［J］.測(cè)控技術(shù)，2012,33（1）：1-3.

［5］熊雄,陳建勇,郭新奇,趙明.基于GSM短消息的測(cè)試數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)研究［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2010, 29（10）：34-38.

［6］金偉，陶偉，谷龍龍，等.基于Zigbee的農(nóng)業(yè)溫室大棚測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，28（3）：51-55.

Design of LED Streetlight Monitoring System Based on GSM and Zigbee Network Technology

Zhang Xuefei,Ma Degui,Yuan Lixing,Tian Lin
（Anhui Agricultural University,Hefei 230036,China）

A new type of LED streetlight wireless monitoring system was designed based on the GSM and Zigbee network technology,which achieved the functions of remote wireless monitoring,control,automatic feedback and automatic alarm for the LED streetlight.The basic idea of the overall structure design and module design of the system was explained,the design of system hardware and software was introduced,and the application of the system was forecasted.The test results show that the system is capable of monitoring LED streetlights in real time and can work safely,reliably and stably;the system has the characteristics of friendly operation interface,good portability,simple installation,low cost and good anti-jamming capability.

GSM and Zigbee network technology;wireless monitoring system;anti-jamming

TP277.2

A

1008-5483（2015）01-0052-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2015.01.011

2014-11-28

安徽省教育廳自然科學(xué)基金（KJ2011Z118）

張學(xué)飛（1989-），男，安徽毫州人，碩士生，從事機(jī)電一體化研究。E-mail：272937575@qq.com

馬德貴（1974-），男，安徽宣城人，副教授，從事機(jī)電一體化、農(nóng)業(yè)電氣化方面的研究。E-mail：hfmdg@ahau.edu.cn