基于GSM和Zigbee网络技术的道路LED路灯监控系统研究

张学飞，马德贵，袁理星，田林

（安徽农业大学，安徽合肥230036）

基于GSM和Zigbee网络技术的道路LED路灯监控系统研究

张学飞，马德贵，袁理星，田林

（安徽农业大学，安徽合肥230036）

基于GSM和Zigbee网络技术，设计了一种新型LED路灯无线监控系统，该系统实现了对LED路灯远程无线监测、控制、自动反馈、自动报警等功能。首先阐述了系统的总体结构设计和各模块设计的基本思路，然后介绍了系统硬件和软件方面的设计，并对系统的应用进行了展望。测试结果表明：该系统能够对LED路灯进行实时的监控并能安全、可靠、稳定的工作；系统操作界面友好、移植性强、安装简单、成本低、抗干扰能力强。

GSM和Zigbee网络技术；无线监控系统；抗干扰

随着城市经济规模的发展，道路复杂程度越来越高，道路照明在生活中扮演着越来越重要的角色，这对照明质量的要求越来越严格。另一方面，基于环保、节约能源和美观的要求，促使着路灯控制向着单灯控制、节能、远程控制的方向发展。传统路灯的控制系统采用布线网络的控制方式，这种方式施工相对复杂、管理成本高，而且不利于节能环保。而现在主流的采用时间控制的路灯照明控制系统也存在着一定的弊端。例如使用寿命短、管理成本比较高、路灯控制不合理、不能远程监控、不能及时反映路灯故障等。

结合LED路灯控制的实际需要，利用GSM和Zigbee[1]网络技术，设计了一种嵌入式的无线路灯控制系统，这使得每一盏路灯能够自主联网，然后通过无线通信模块将本身的运行状态反馈给控制中心，并能接收控制中心的控制命令。控制中心可根据不同的时段，完全智能无人运行，并且有多种路灯控制决策。控制中心同时具有对路灯单灯控制的功能，可以精确到控制某一盏灯的亮灭。在保证道路照明质量、改善道路辨识度、满足视觉舒适的条件下，在一定程度上能够节约资源。

1 系统的总体架构

基于GSM+Zigbee网络技术的LED路灯无线监控系统的系统结构组成框图如图1示。路灯控制中心由PC机和监控软件组成，监控软件根据实际需要设计，用来发送控制命令，接收并显示路灯的运行状态等信息，可以完全智能化无人运行。GSM模块负责将监控中心连入广域的GSM网络，监控中心通过GSM模块是与路灯中控器端的GSM模块进行通信，中控器端的Zigbee模块可读取GSM模块的信息，中控端的Zigbee模块可根据上位机命令的不同，发送不同的命令给路灯端的Zigbee路灯控制器，使其产生不同的动作。路灯控制器端嵌有ZigBee模块和相应的LED路灯控制检测电路组成，可以控制LED路灯的亮灭，检测路灯的运行状态并将运行状态反馈给控制中心。

图1 系统结构组成框图

2 系统的硬件设计

2.1 PC端主控GSM模块设计

该部分无线通信模块是采用西门子公司的TC35［2］高度集成的GSM模块。TC35是一款双频900/1800 MHz高度集成的GSM模块。TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口组成。TC35通过ZIF连接器分别与电源电路、启动和关机电路、数据通信电路、SIM卡电路、指示灯等电路连接。

2.2 路灯中控器模块设计

中控端的Zigbee模块采用的是以CC2430［3］片上系统作为控制电路的核心部分，集高性能和低功耗的8051微控制器核和符合IEEE802.15.4[4]标准的2.4GHz的RF无线电收发机于一体的无线通讯模块。它一方面可以控制GSM模块，另一方面可以和路灯端的Zigbee模块自组网络，起着中间“协调器”的作用。路灯中控器采用GSM模块和Zigbee模块的有力融合，Zigbee模块和GSM模块通过串口进行通信。一方面，中控器的GSM模块和上位机的GSM模块之间进行远程的无线通信，负责接收上位机的命令；另一方面，可以将路灯端Zigbee采集的路灯工作状态信息反馈给控制中心。一个中控端的Zigbee和LED路灯端的Zigbee模块组成一个LED路灯控制链。根据路灯系统特点，主控端Zigbee和LED路灯端的Zigbee网络采用树形连接，以便灵活扩展节点和自组网络。事先按路段给LED路灯端的Zigbee模块分配好地址，以便根据上位机指令的不同来控制LED路灯的状态。

2.3 LED路灯端的电路设计

LED路灯端电路由Zigbee模块和外围的路灯控制检测电路组成。Zigbee模块一方面和中控端的Zigbee协调器模块自主联网，接收主控端Zigbee协调器模块命令，通过外围电路控制LED路灯的工作状态。另一方面，Zigbee模块通过外围检测电路采集路灯的工作状态，并将采集的信息反馈给中控端的Zigbee协调器模块，进而反馈到控制中心部分。路灯控制电路采用独创的LED路灯控制方式，采用控制LED灯珠亮灯数目来调节LED灯头的亮度，从而保证LED路灯在额定功率工作的前提下，达到调节亮度的目的。

3 系统软件设计

3.1 上位机软件的设计与实现

3.1.1 上位机软件模块设计

根据本监控系统的特点以及LED路灯控制的功能需求，本软件由以下各模块组成。上位机软件的模块框图如图2所示。

1）登录模块 管理员通过用户名和密码登录监控系统，以实现对LED路灯监控系统的管理。

图2 上位机软件模块框图

2）串口设置以及GSM功能测试模块 管理员通过串口选择，实现PC软件和GSM模块的连接，并通过点击相关测试命令按钮查看主控端GSM模块是否正常工作。

3）控制模式选择模块 该模块的功能用于实现对LED路灯控制模式的选择，可以选择全局控制，也可以选择分片控制。

4）路灯分季控制模块 通过在该模块预先设置每个季节的开、关灯时间，便可实现LED路灯的自动控制。

5）细化控制模块 该模块可以设置LED路灯的亮灯模式，以实现不同时段的照明要求。

6）路灯故障报警以及查询模块 当LED路灯出现故障时，系统显示报警信息，并记录故障路灯编号，以备管理人员查看，方便路灯检修。

3.1.2 上位机软件的实现

控制中心监控软件是基于Visual Basic 6.0开发的，能够在Windows XP和Windows 7等操作系统上运行。该软件的设计能实现系统的完全自动运行，智能控制LED路灯亮灭，并能对LED路灯运行状态进行检测，具有LED路灯故障自动报警与故障记录查询功能。系统根据季节不同，设计了不同季节亮灭灯时间设置功能；根据每天不同时段的需要，设计了不同时间节点下不同的路灯亮灯方式。系统具有控制模式选择模块，当选择全局控制时，系统则可对整个区域进行控制；当需要控制某一区域或者某条路灯的时候，可通过软件控制模式选择功能区的“片区选择”下拉菜单进行选择、设置，通过选择相应的路灯区域，即可实现对某一区域或者某条路灯的分片控制。系统还设计了单灯控制模式，通过输入相应路灯的编号，可以随意点亮或者熄灭某个路灯，这样在很大程度上满足各种照明需要，在保障路灯寿命、满足照明需要的同时，在一定程度上节约了能源。同时监控软件具有路灯故障报警显示和路灯故障查询等功能。上位机监控软件主界面如图3所示。

图3 上位机监控软件主界面图

图4 中控器和路灯端程序流程图

3.2 中控端和LED路灯端软件设计

中控器流程如图4 a所示。中控端由Zigbee模块和GSM模块组成，Zigbee模块和GSM模块通过串口通信[5]。在Zigbee协议栈中已具备众多的函数语句，如串口通信、周期性发送数据、设备加入网络、中控器建立网络等函数，根据需求，通过调用和修改原语句来开发应用程序。

中控端的Zigbee模块上电后便对GSM模块初始化，读取GSM模块的信息，根据事先定好的通信协议判断信息类型，并执行相应命令。当网络协调器处于空闲状态时，一方面它会检测有没有新的网络信号加入，若有新的网络节点加入，则为其分配相应的网络地址；另一方面它会监测子节点的Zigbee模块是否发送了数据，如果子节点发送数据则控制GSM模块将接受的信息发送到监控中心。LED路灯端的Zigbee加入网络后便开始处于监控的状态，当接收到中控端Zigbee发送的数据时，它会根据接收到的数据类型判断怎样控制LED路灯（图4 b）。

4 路灯控制通信协议设计

为满足对LED路灯控制的需求，保证路灯控制的正确性，路灯控制信息的传输是以帧结构进行的，对路灯控制通信协议进行了如下设置：

帧头和帧尾：用于表示数据传输的开始和数据传输的结束，防止数据传输的错误。

数据长度：表示数据域的字节数。

路灯编号：表示路灯所在位置，也是路灯控制器Zigbee节点编号。

功能码：用来表示数据帧的意义，如表示控路灯的开关的指令。

控制命令：用来表示对路灯开关命令的识别，例如用0x00表示关闭路灯，0x01表示打开路灯等。

CRC校验：用来验证数据命令在传输的过程中是否出现非正常数据，保证控制信息的正确性。路灯控制通信协议格式如表1所示。

表1 路灯控制通信协议格式 Byte

5 结束语

路灯控制系统不仅能决定路灯控制的先进合理性，还能提升一个城市的美好形象。先进的路灯控制系统能够合理安排路灯决策，在满足照明需求的同时提高照明系统的效率，进而节约能源。多数城市或者单位，由于各方面的原因仍然采用传统的路灯控制的方法，这无疑满足不了现代照明系统的需要。本系统在合肥市某小区道路LED路灯监控中应用，测试运行良好。

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

［2］康雪娟,景军峰.基于ZigBee网络的路灯节能监控系统［J］.现代电子技术,2010（23）：204-206.

［3］顾瑞红,张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用［J］.电子技术应用,2005（6）：1-3.

［4］江杰,宋宏龙.基于GSM短信的烟雾传感报警系统［J］.测控技术，2012,33（1）：1-3.

［5］熊雄,陈建勇,郭新奇,赵明.基于GSM短消息的测试数据远程传输技术研究［J］.国外电子测量技术,2010, 29（10）：34-38.

［6］金伟，陶伟，谷龙龙，等.基于Zigbee的农业温室大棚测控系统的设计与实现［J］.湖北汽车工业学院学报，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

安徽省教育厅自然科学基金（KJ2011Z118）

张学飞（1989-），男，安徽毫州人，硕士生，从事机电一体化研究。E-mail：272937575@qq.com

马德贵（1974-），男，安徽宣城人，副教授，从事机电一体化、农业电气化方面的研究。E-mail：hfmdg@ahau.edu.cn