ZigBee在城市照明监控系统设计中的应用分析

李建兵 王江永 陈颖

摘 要：城市照明设施与城市居民的日常生活及城市交通安全存在密切联系。随着城市路灯数量、规模的不断扩增，传统路灯开关控制方式已经无法满足实际需求，传统模式不仅电能利用率较低，而且需要频繁的人工巡检及维护，一定程度上造成了人力资源及能源浪费。在这种背景下，城市照明自动化监控系统应运而生，并愈来愈受到关注。基于此，本文对基于ZigBee的城市照明监控系统进行了综合性分析，并提出了相关设计观点，以供参考。

【关键词】ZigBee 城市照明监控 系统设计

1 ZigBee概述

ZigBee是一种典型的段距离、低功耗无线通信技术，该技术是以基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。ZigBee复杂程度较低、数据速率偏低，适用于自动控制及远程控制，具有良好的兼容性，可嵌入多种设备当中。相对于其他无线网组网技术而言，ZigBee尽管功能性一般，但整体成本较低，全功能主节点仅需要32kB代码，而子功能节点仅需4kB代码。另外，ZigBee免除了协议专利费，进一步降低了组网成本。对于城市照明监控系统而言，ZigBee与其要求正好匹配，具有良好的适用性。

2 ZigBee组网设计分析

ZigBee组网过程中，主要涵盖了两种不同类型的设备，即FFD（全功能设备）与RFD（精简功能设备），这两种类型设备是ZigBee网络中的基本组成单元。其中FFD可用作局域网协调器、路由器或终端节点，并且一个FFD可与若干个FFD或RFD进行数据交互。而RFD受自身功能所限，只能作为终端节点，并且只能与协调器进行通信。但相对于FFD而言，RFD应用结构较为简单，且数据传输量较小，空间资源占有量小，利用RFD进行组网可降低整体成本及功耗，具有经济实用的特点。通常情况下ZigBee主要支持三种类型的网络拓扑结构，即星形网络、树形网络及网状形网络。考虑到城市路灯监控覆盖范围较大，并且路灯易受到自然环境、天气气候、电磁辐射等影响，部分情况下会出现个别节点失效的情况。网状形网络与上述要求正好相契合。网状形网络结构通信范围较大，并且具备了路由发现功能。当出现网络故障时，网状形网络可进行自我修复，保证了监控系统的稳定性。在实际组网过程中，由于ZigBee网络的节点上限为65535个，各节点可分别与另外254个节点进行通信。但考虑到节点数量过多会增加网络深度，导致通信延时上升。因此，在网络规划中，需合理筛选网络覆盖范围，并控制节点数量，先通过协调器构建出一个ZigBee网络，再将其他路由节点加入该网络当中，并保证所有的ZigBee设备都具备加入功能与离开功能。

3 城市照明监控系统设计分析

3.1 硬件模块设计

城市照明监控系统硬件模块主要涵盖了两个部分，即为无线通信模块及单灯测控模块，具体如下：

3.1.1 单灯测控模块

单灯测控模块中，节点控制器采用CC2530射频芯片，该芯片可支持ZigBee通信标准。处射频芯片外，模块当中还包含了若干子模块如采集模块、控制模块、射频模块及电源模块等。单灯测控模块以分层模式构建，同一电路板当中容纳了主控芯片与射频匹配电路，并留有接口。电源模块、控制模块及采集模块电路均至于底板上，并留有相应的接口。将底板与另一块电路板插在一起便可让单灯测控模块正常运行。

3.1.2 无线通信模块

无线通信模块是单灯网络的主要控制节点，可作为Internet与单灯网络之间的接口网关。无线通信模块以LPC2368芯片作为控制单元，同时应用CC2530射频芯片可进行网络数据传输。采用LPC2368芯片可从一定程度上降低外围硬件电路的复杂程度，有利于节约开发成本，GPRS模块则选用GTM900C，该模块集成性较好，内置TCP/IP协议模块。通信模块工作期间，由CC2530作为网络协调器，并将网络数据信息传递至GPRS数据处理模块，底板则采取用LPC2368作为控制单元。

3.2 软件设计

城市照明监控系统构建过程中，除了要对ZigBee网络硬件部署外，还需要进行相应的软件开发。在实际应用过程中，嵌入式软件程序在整个系统当中发挥了重要的作用，软件的稳定性将直接关系到系统能否发挥实时监控作用。本研究中，系统主要分为单灯测控模块与无线通信模块两个部分，这两个模块当中又包含了若干个子模块，相互之间既独立存在，又互有联系，这种分层次结构为程序编写及调试提供了便捷。在ZigBee网络监控协议过程中，为了让网络数据帧控制、编码、解码流程更为方便，可将数据帧设为定长，以此来简化程序设计与协议设计，但相关功能并不会缺失。数据帧主要包括命令帧与状态帧，其中命令帧会将命令字段定义在帧中，并可传输至相应的网络节点上，再由节点执行命令即可。主控程序主要可实现GPRS模块数据检测、TCP虚链接处理、定时轮询路段单灯状态，以保证监控系统发挥实质性作用。

4 结语

基于ZigBee的城市照明监控系统可实现城市路灯自动化控制，适用于各类照明设备如白炽灯、高压钠灯、LED灯等。当然，对于不同类型的照明设备需进行差异化设计。总体上来看，ZigBee具有低功耗、低成本的特征，并且能够完全满足城市监控系统的需求，具有较好的适用性。同时，利用多线程异步机制进行软件开发，可降低开发复杂度，并保证软件稳定性，为监控系统正常运作提供保障。

参考文献

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[2]何赛，陈小平.ZigBee技术在城市照明监控系统中的应用[J].计算机系统应用，2011（11）：135-138.

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[4]何赛，陈小平.GPRS与ZigBee的城市照明系统网关设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（01）：27-29+41.

作者简介

李建兵（1974-），男，江苏省常州市人。大学本科学历、学士学位。现为常州市金坛区路灯管理所工程师。研究方向为城市照明。

作者单位

1.常州市金坛区路灯管理所 江苏省常州市 213200

2.上海五零盛同信息科技有限公司 上海市 200063