基于ZigBee网络的港口照明灯无线监控系统研究

许晓毅

【摘 要】针对港口照明分散性强，照度要求高的特点，研究一套港口作业照明灯无线监控系统。本系统以CC2430作为主控芯片，利用Z-Stack协议，结合光敏电阻作为监测子节点，并直接整合在高杆灯中，接收光照传感器检测的光照强度数据，同时将数据通过Zigbee无线网传输给路由子节点。最后协调器通过GPRS将数据传输给控制中心，实现整个系统。根据上传的数据，维护人员可对外界光照强度进行远程监控，及时锁定照明异常区域，减少维护成本。

【关键词】CC2430；ZigBee网络；光敏电阻；GPRS

0 引言

港口夜间照明主要要采用路灯照明和场站灯塔照明。夜间工作的车辆和人员较多，路灯和灯塔的正常运行将直接影响到企业安全生产。现代化的无线照明监控系统逐渐应用于各个领域，本文研究的是基于ZigBee网络的港口照明灯无线监控系统。外部设备对环境的光照强度进行实时监测，监测到的数据通过无线传输设备上传至控制中心进行分析判断，工作人员根据分析的结果对照明灯具的开关及外界光照强度进行远程控制。本系统还可准确定位故障照明灯的位置、初步判断故障原因，还可以自动检测到损坏的灯具，通过无线监控系统通知维护人员，迅速准确的去进行修复，增加了照明系统的稳定性和可靠性。

1 系统总体设计方案

为了能够实现上述的设计目标，对整个系统进行分解，该系统由安装在作业灯杆上的监测子节点、负责整个网络无线数据传输和中继的路由节点以及负责整个网络信息汇总的协调器节点与GPRS构成的网关构成。为了能够实现网络覆盖范围尽可能的大，网络的稳定性和自愈合能力尽量的强，系统采用Mesh型网络。系统利用监测子节点上光敏电阻采集到的光强信息与自动开启阈值进行比较从而判断该节点上的作业灯是否需要开启。同时利用每个网络节点上的MAC地址与绑定表中的地址进行比较，从而大致判断出问题作业点在网络中的位置，本文使用GPRS实现无线数据从个域网到广域网的传输。

整个港口照明无线监控系统结构由监测子节点模块、路由子节点模块、协调器模块和GPRS模块四部分组成。

本体统的ZigBee网络采用CC2430芯片，它内置控制器，支持Z-Stack协议栈，在组网方面有很大的优越性。不仅在软件方面有优点，在硬件方面也有比其他设备优越的地方。CC2430的特性：

1.1 监测子节点模块

监测子节点作为一个无线监控终端，由一个光强传感器、光强控制器以及ZigBee核心控制器构成。监测子节点由高杆灯或者灯塔线路直接提供电源。CC2430通过光敏电阻所构成的分压电路将5V电源进行分压。并由其内部自带的A/D进行处理，并将中值滤波所得的光强信息通过射频方式发送至网关。

1.2 路由子节点模块

Zigbee设备主要工作在2.4GHz频段上，这一特性限制了Zigbee设备的数据传输距离，Zigbee解决这个问题的关键就是路由器。路由子节点利用Z-Stack协议栈自带的AODV路由算法寻找路由路径，并向其数据传输至协调器。由于 Zigbee无线网传输的距离有限，本文在路由器前端采用一个CC2591射频器，用来增大信号的传输功率。不必考虑其功耗问题。

1.3 协调器网关模块

协调器在整个网络中要完成数据的收集、网络的建立及分配网络地址然后让其他的路由器等加入这个网络，因此协调器是整个ZigBee网络中的第一个设备。

在本系统中，协调器与路由器的数据传输方式是通过Zigbee无线传输，因此在个域网与泛在网之间必须存在一种转换设备，网关正是起到了该作用。利用CC2430中的51内核控制GPRS模块来进行信息传输与转换。本系统所选用的GPRS模块是MC39i。

1.4 系统外围电路模块

本系统的外围电路模块包括串口电路、JATG接口和电平转换电路[2]。串口电路主要使用了MAX232芯片，给CC2430中的8051MCU下载程序，结构相对简单。同时将PC机的TTL电平转化为232电平方便MCU和PC机的连接。

JATG接口作用就是调试程序。

此系统分别使用了两种电平转化电路，一种是AMS1117ADJ即可控型，另一种就是AMS1117固定电平转换电路，电平转换主要是为了CC2430和MC39i的使用，CC2430的引脚需要的电平分别是3.3V和1.8V。而另外作为GPRS模块的MC39i的工作电压为3.3V到4.8V，3.3V是个临界值自然为了保险起见不能直接使用3.3V的电平来驱动MC39i，而固定的1117电平转换没有这种特殊值，因此就必须使用可控型的AMS1117。其输出电压的计算公式为：VOUT=VREF（1+R8＼R7）+IADJ*R8。（VREF为R7两端电压值，IADJ为1号脚的输出电流）根据此公式和需要的输出电平值就可以计算出R7和R8的电阻值，最终其输出电平值大概在4V。固定的AMS1117就不需要接电阻来分压调整输出电平值，只需要保证稳定的电压输出就行了。

2 软件程序设计

通过前面系统设计分析可知整个ZigBee网络采用Mesh网络，其中层深以及最大路由数等按照ZigBee2006协议栈默认的值，使用规范的协议栈体系。网络协调器相当于负责建立和管理网络的控制中心，能够定时检测系统有无按键按下，同时显示相关控制电源的状态信息，并执行相应的电源开关的命令。在没有收到指令信息时，网络协调器会自动检测周边的无线电信号，判断网络是否有新节点增加的信息，有则为其分配网络地址[3]。路由节ROUTER通常处于监控状态，可作为用来判断照明灯打开和关断RFD节点，可设置在道路两旁，达到远程控制的目的。本系统终端控制RFD节点，采用光敏电阻的返回值确定路灯的开关。

在ZigBee网络中，网络协调器具有建立一个网络、维护邻居设备表、对逻辑网络地址进行分配、允许设备MAC层/应用层的连接或断开网络的功能。当一个网络建立成功后，路由节点和RFD节点开始扫描信道找到协调器并申请加入网络，获取协调器的地址，并将自己的地址发送给协调器，通过调用aplJoinNetwork（）函数加入到协调器建立的网络中。网络加入成功后，网络节点则进人休眠状态，直到有命令或数据发送时才被唤醒[5]。

3 结论

本文基于ZigBee的港口作业照明灯无线监控系统，可以实现对现有照明灯具监护和管理，对灯光照度和用电能耗的进行实时监控。本系统运用先进的无线通信传输技术，采用CC2430新型单片机控制，利用无线传感器便携的组网特性进行数据采集和传输，减少了繁杂网络布线。因此新系统施工安装简单，维护方便，适合老企业照明设备更新换代。

【参考文献】

[1]高守玮，吴灿阳.Zigbee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社2009.

[2]王俊.基于GPS与GPRS的高速公路车速实时检测系统设计[Z].2009.

[3]余向阳.无线传感器研究综述[Z].单片机嵌入式系统应用.

[4]CC2430Data Sheet.http//www.ti.com/CC2430[OL].

[5]王东东，郭文成.基于ZigBee技术的路灯无线网络控制系统设计[S].天津工业大学学报，2015.

[责任编辑：张涛]