基于ZIGBEE和GPRS的城市照明监控系统的设计

郑煊 刘萌

(1.山东凯文科技职业学院信息学院，山东 济南 250200;2.齐鲁师范学院物理科学与技术系，山东 济南 250200)

1 引言

随着移动通信技术GPRS的发展，移动电话除了具有移动语音通话的基本功能之外，还可以发送文字信息，这个技术很快就被应用到城市照明监控系统之中，事实证明，在通信效率和通信覆盖这两样重要技术指标上，短信方式与其他方式相比，具有明显的优越性，但是短信方式又存在着资费高昂等问题［1］。

Zigbee是最近发展起来的一种短距离无线通信技术，具有近距离、低功耗、低数据率、低成本、安全等优点。近两年来，Zigbee无线传感器网络技术发展迅速，结合各行业实际取得了许多成果，极大地推动了社会发展。在路灯控制方面，Zigbee技术结合传感器技术组成的网络同样可以解决传统控制方法中存在的问题［2］。

本文旨在利用移动通信GPRS并借助于Zigbee无线传感器网络技术，开发研制一套自动化程度高、运行可靠、高效节电、使用维护方便的路灯监控系统。

2 系统总体结构

2.1 系统结构

按照路灯远程测控系统的设计要求和要实现的功能，我们将本系统大体分为中央控制室、集中控制器和路灯控制器三层网络结构［3］。系统的结构图如图1所示:

第一层中央控制室是一台PC服务器，负责整个城市路灯的监控，第二层的集中控制器负责一条街上的全部路灯控制，第三层路灯控制器负责同一灯杆上的所有灯具。其中，一层与二层之间使用了GPRS无线通讯网，这两层之间距离远，虽然通信成本较高，但通讯成员少。二层与三层应用了Zigbee无线传感器网络技术，几乎没有运行成本，特别适合距离短、通讯对象多的情况。

图1 系统的总体结构图

另外，本设计还具有电量计量等功能，由电压互感器和电流互感器对各路段路灯的电力参数进行实时采集，将采集到的数据进行分析和存储或者通过监控中心的巡检把现场各路段工作参数包括电压、电流、开关量等传回监控中心。监测终端能自动检测到跳闸、断路、电压异常、供电故障、开关灯控制异常等突发事件并及时将报警数据上传监控中心，以供监控中心值班人员及时了解情况做出处理。GPRS通信网络是监控中心与无线数据采集监测终端的数据传输通道，选用固定IP地址方式通过GPRS网络将所采集到的工作参数主动、及时上传到监控中心［3］。

2.2 系统的工作过程

中央控制室可根据预置序列指令通过集中控制器自动或手动完成对整个城市或任一区域、任一线路的控制。当需要对某一终端进行监测或控制时，由中央控制室发送规定好的命令给CMS91模块，CMS91收到命令后，解释该命令。解释完命令后发给集中控制器的Zigbee无线射频模块，由该模块把命令发给相应的路灯控制器，路灯控制器收到命令后做出相应的动作。

当路灯控制器收到命令后会有两种动作:一种是做出相应的动作后向上层做出应答，二是把上层需要的数据通过Zigbee无线射频模块传给集中控制器，再由集中控制器把收到的路灯控制器的信息，通过CMS91模块以短信形式反馈到中央控制室。

当某盏路灯发生故障时，系统通过Zigbee网络以及子站的移动通信 (GPRS)传输信息，能快速提供坏灯的编号、位置，利于工作人员及时、准确地更换，节约了大量查询坏灯的资源。若路灯以及电缆线路被破坏，同样可以在监控中心及时报警。

3 系统硬件设计

3.1 GPRS 模块设计 ［1］

系统的GPRS模块设计选用Cellon公司的CMS91，它是一种双频段GSM/GPRS10级模块，主要优点有:低功耗、接口简单、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10、开发多媒体应用、价格较低等。同时，它也提供SMS(短消息服务)和语音功能。图2给出了由CMS91构成的GPRS模块的电路原理图。

在该设计中，CMS91模块相当于一个无线调制解调器用户的应用系统，由于该模块已经集成了一个无线接收机模块，实际使用时需接入SIM卡插座。GPRS终端是通过RS232接口与设备进行通讯的，利用电平转换芯片MAX232实现了微处理器的TTL电平与 RS232电平的转化。MAX232能满足TIA/EIA-232-F和1TU v.28标准的要求，其工作电源电压为3伏至5.5伏，具有一个驱动器和一个接收器，数据速率最多可达250kbit/s，该芯片具有静电保护功能和自动掉线特点。

图2 GPRS模块电路设计

图3 Zigbee模块的电路原理图

3.2 Zigbee 模块设计 ［4］

在RF收发器上，本设计选用了Chipcon公司的CC2420射频收发器，它实现 Zigbee协议的物理层(PHY)及媒体访问控制器 (MAC)层，具备65 000个节点通道并可随时扩充，以及低耗电、250kbps传输速率、快速唤醒时间 (＜30ms)、CSMA-CA通道状态侦测等特性。

CC2420只需要极少的外围元器件，其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗。Zigbee模块的电路原理图如图3所示。［4］

3.3 CC2420与微处理器的连接

CC2420可以通过 4线 SPI总线 (SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式，并实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制 FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。另外，通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计，通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。

系统主控制器采用Samsung公司基于ARM公司的S3C2410。S3C2410采用了ARM920T内核，它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用，S3C2410与CC2420的引脚连接如图 4 所示。［5］

图4 S3C2410与CC2420的引脚连接

系统选用PICl8LF4620单片机作为分控制器的MCU。PLC单片机是Micorchip公司的产品，以其优良的性能，极高的稳定性，在智能仪表，医疗设备，保安系统等领域己经取得了广泛的应用。PICl8LF4620与CC2420的引脚连接如图5所示。［6］

图5 PICl8LF4620与CC2420的引脚连接

4 系统软件设计

系统软件设计利用C语言进行编程，采用“嵌入式操作系统”加“应用程序的开发”模式，采用模块化设计方法，主控制器和分控制器分开设计。主控制器软件设计平台基于S3C2420嵌入Linux操作系统，内核版本是2.4.18，分控制器软件开发则以MPLAB V6.40为开发平台，采用ICD2进行在线调试。

图6 GPRS收发子程序流程图

4.1 GPRS收发子程序设计

CMS91加电后，应用程序需通过 IO口操作CMS91的ON/OFF控制位，使CMS91正式启动启动过程大约3～5秒，若 CMS91接有有效的 SIM卡，CMS91将附着在 GPRS网络。［2］对 CMS91的串口读写操作仍然是由中断服务程序来实现，GPRS收发子程序流程图如图6所示。

4.2 Zigbee收发子程序设计

在对 Zigbee节点进行网络设置时，使用Chipcon公司提供的开发套件，该套件包括各种高性能的Zigbee软件工具，如网络设置器、协议追踪调试工具等［3］。Zigbee收发子程序流程图如图7所示。

图7 Zigbee收发子程序流程图

5 结论

本文完成了采用GPRS无线通信模块CMS91与新一代无线网络通信技术 Zigbee芯片CC2420相结合实现了通过手机短信对城市照明设备的远程监控。该系统相对于以往的时钟以及光电控制路灯，能够对路灯线路进行有效的监控，实现遥控、遥测和遥信功能，而且运行稳定可靠。该设计采用GPRS和Zigbee进行通信，无需重新铺设线缆和构建新的通信网络，运行成本很低。经检验，该系统工作性能稳定，应用前景广阔。

［1］钟章．GPRS通用分组无线业务 ［M］．人民邮电出版社，2001.9．

［2］田亚．基于Zigbee无线传感器网络系统设计与实现［D］．同济大学工学硕士论文，2007年3月．

［3］王刚．路灯远程监控系统结构及关键技术研究 ［D］．南京:南京理工大学，2004．

［4］王锐华等．浅析Zigbee技术 ［J］．电视技术，2004年第6期，P33～35．

［5］吴学智，戚玉华等．基于ARM的嵌入式系统设计与开发 ［M］．北京:人民邮电出版社，2007年9月第1版．

［6］李学海．PIC单片机实用教程——基础篇 ［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2002年2月．