ZigBee在旅游景區(qū)照明監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：為了提高旅游景區(qū)照明監(jiān)控的可靠性和高效性，采用ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)相結(jié)合的方法，構(gòu)建了旅游景區(qū)照明監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。通過組網(wǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)可靠的數(shù)據(jù)傳輸性及自配置等特性。
關(guān)鍵詞：ZigBee；景區(qū)照明；GPRS；協(xié)調(diào)器

0 引言
    隨著生活水平的提高以及城市生活壓力的增大，旅游已經(jīng)成為人們放松的一種主流方式，回歸大自然正是時(shí)下旅游的一大趨勢(shì)，景區(qū)夜景的建設(shè)也逐漸成為吸引游客的一大砝碼。景區(qū)夜間照明不僅要保證游客夜間通行安全，而且還要使景區(qū)照明成為一道靚麗的風(fēng)景線。目前大多景區(qū)照明多采用布線控制整個(gè)景區(qū)照明系統(tǒng)，這給施工和維護(hù)帶來(lái)了巨大的難度，特別是一些地形復(fù)雜，地道險(xiǎn)峻的自然風(fēng)景區(qū)，維護(hù)起來(lái)需要耗費(fèi)大量的人力物力。
    ZigBee由于具有省電、可靠、成本低、延時(shí)短、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)大、安全、自配置等特點(diǎn)，從而非常適合于分散的多節(jié)點(diǎn)、可靠性高、低數(shù)據(jù)流量的通訊系統(tǒng)。將ZigBee與GPRS通信技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于景區(qū)照明監(jiān)控系統(tǒng)中，解決了系統(tǒng)布線難和耗材高等問題。監(jiān)管部門可通過軟件設(shè)置絢麗、省電等多種復(fù)雜的變換模式，既能亮出景區(qū)的魅力又可在特定時(shí)段達(dá)到節(jié)約能源的目的。通過單盞燈的電壓等信息可以定位發(fā)生故障的燈具，省去了巡燈工作，提高了維護(hù)管理效率。而且ZigBee還具有組網(wǎng)方式靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，方便景區(qū)擴(kuò)建開發(fā)等。

1 景觀照明監(jiān)控系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案
    本文通過采用ZigIlee技術(shù)和GPRS技術(shù)搭建了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由單燈控制器、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)三部分組成。照明監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)為起點(diǎn)發(fā)出命令，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器分析處理接收到的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(單燈控制器)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收處理數(shù)據(jù)之后對(duì)燈具作出響應(yīng)的控制操作，這種由監(jiān)控主機(jī)發(fā)起的數(shù)據(jù)流稱之為下行數(shù)據(jù)。相反，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以定期向協(xié)調(diào)器進(jìn)行反饋信息，再由協(xié)調(diào)器反饋給監(jiān)控中心，從而作出相應(yīng)的措施，此數(shù)據(jù)流則稱之為上行數(shù)據(jù)，整個(gè)操作流程的實(shí)現(xiàn)便可以達(dá)到監(jiān)控中心對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

1．1 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)
    考慮到成本，控制能力，可移植性以及可靠性等方面的因素，該系統(tǒng)協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)采用雙MCU結(jié)構(gòu)，其硬件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。MCUA作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的核心處理器，主要負(fù)責(zé)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自MCUB和GPRS模塊的信息；MCUB作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)匯集整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)給MCUA，或轉(zhuǎn)播來(lái)自MCUA的命令給ZigBee網(wǎng)絡(luò)；GPRS模塊則負(fù)責(zé)MCUA與監(jiān)控中心之間的無(wú)線傳輸，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線監(jiān)控，三個(gè)模塊之間采用串口進(jìn)行通信。

    其中，MCUA采用了TI公司的低功耗微處理器MSP430F149，它是一款16位單片機(jī)，具有正常工作模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0～LPM4)，可以方便地在各種模式之間進(jìn)行切換，該單片機(jī)擁有2個(gè)串口(USART0，USART1)，能滿足協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)對(duì)串口數(shù)量的需求。
    MCUB采用Chipcon公司推出的無(wú)線射頻模塊CC2430，能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2．4 GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求，該模塊內(nèi)嵌了一顆可編程的工業(yè)級(jí)8051控制器，使之能滿足路燈監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控需求。
    GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM300，它是小體積即插即用模組中完善的三頻／四頻*GSM／GPRS解決方案，使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，使得具備GSM／GPRS900／1 800／1 900 MHz功能的SIM300以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸，內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP／IP協(xié)議棧，具備雙串行通信接口，方便開發(fā)使用。
    硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是三個(gè)模塊之間的無(wú)縫鏈接。由于MSP430F149芯片的供電電壓為5 V，而其他兩個(gè)模塊均為3．3 V，為防止連接時(shí)燒壞芯片，本設(shè)計(jì)采用了電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245，解決了不同模塊之間在邏輯電平不同情況下的接口問題，電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，設(shè)計(jì)中保留了5 V電壓的使用，采用短路冒的方式進(jìn)行選擇。

1．2 軟件設(shè)計(jì)
1．2．1 無(wú)線組網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)
    本文以ZigBee 2006協(xié)議棧為軟件平臺(tái)，構(gòu)建了一個(gè)星型無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建者，而終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器一起作為網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)者，兩者的工作流程圖如圖4所示。

    協(xié)調(diào)器開始工作之前，首先對(duì)ZigBee協(xié)議進(jìn)行初始化，應(yīng)用程序通過MAC層發(fā)送“掃描請(qǐng)求”原語(yǔ)(MLME-SCAN．request)開始進(jìn)行能量掃描，檢查其周圍有無(wú)其他的ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在；然后等待MAC層的能量掃描結(jié)果，若在掃描過程中找到一個(gè)沒有被其他PAN使用的信道，則PAN標(biāo)識(shí)符可以任意選擇，若不得不和其他PAN共用信道，則所選信道不要與同信道中其他PAN標(biāo)識(shí)符相沖突，網(wǎng)絡(luò)地址則可任意選擇，可在程序中設(shè)定；最后啟動(dòng)協(xié)調(diào)器并通過“網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建請(qǐng)求”原語(yǔ)(NLME-NETWORK-FORMATION．request)構(gòu)建一個(gè)ZigBee新網(wǎng)絡(luò)，在“允許入網(wǎng)”請(qǐng)求和證實(shí)原語(yǔ)(NLME-PERMIT-JOINING)定義了允許終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)之后，節(jié)點(diǎn)設(shè)備方可入網(wǎng)，并為加入的終端節(jié)點(diǎn)分配16位的短地址。隨著終端設(shè)備的連接，PAN就建立起來(lái)了，隨后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸了。
    終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器建立連接之前，同樣首先初始化ZigBee協(xié)議，節(jié)點(diǎn)通過“網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)”原語(yǔ)(NLME-NET-WORK-DISCOVERY)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之后，再通過主動(dòng)掃描或被動(dòng)掃描方式獲得PAN的信息，首先檢查PAN描述符中的coordAddrMode，以確定協(xié)調(diào)器的地址模式，并根據(jù)地址模式從coordAddress[8]中獲得協(xié)調(diào)器地址，記錄使用的信道，最后檢查gtsPermit確定協(xié)調(diào)器是否接受設(shè)備的連接請(qǐng)求，確定之后便可發(fā)送“設(shè)備入網(wǎng)”請(qǐng)求(NLME-JOIN．request)與協(xié)調(diào)器建立連接。
    基于對(duì)TI Z-Stack協(xié)議棧的分析，TI Z-Stack是一個(gè)基于輪轉(zhuǎn)查詢的操作系統(tǒng)，主函數(shù)通過osal_start_system()函數(shù)調(diào)用(taskArr[idx])(idx，events)函數(shù)來(lái)執(zhí)行具體的處理函數(shù)，taskArr[]是一個(gè)函數(shù)指針的數(shù)組，可根據(jù)不同的idx執(zhí)行不同的函數(shù)。因此在該系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)中只需要在操作系統(tǒng)OSAL的框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，新建兩個(gè)任務(wù)Task_ZigBee，Task_MSP430，一個(gè)UART接收中斷服務(wù)程序，當(dāng)有ZigBee上行數(shù)據(jù)時(shí)，Task_ZigBee接收底層發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過ZigBee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解包，然后喚醒Task_MSP430，該任務(wù)通過RS 232接口發(fā)送消息給MSP430單片機(jī)；當(dāng)有下行數(shù)據(jù)時(shí)，MSP430單片機(jī)接收來(lái)自SIM300的串口數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生串口中斷，然后喚醒TasK_ZigBee，通過ZigBee協(xié)議封裝，并調(diào)用功能函數(shù)將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。
1．2．2 GPRS軟件設(shè)計(jì)
    為了縮短開發(fā)流程，GPRS模塊選用的是內(nèi)置TCP／IP協(xié)議的SIM300，在實(shí)際開發(fā)中省去了在MSP430中處理TCP／IP協(xié)議的流程，而只需要利用AT指令即可實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。GPRS模塊在上電復(fù)位之后，首先對(duì)工作模式、通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)等進(jìn)行初始化設(shè)置，然后，發(fā)送撥號(hào)命令與基站服務(wù)器建立連接，之后，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP)協(xié)商得到系統(tǒng)本地IP，待登錄成功后通過加載數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的SOCKET連接，在實(shí)際操作中通過“AT+CIPSTART=TCP”，“10．2．42．10”，“2020"指令連接到監(jiān)控主機(jī)的IP地址(其中“10．2．42．10”是監(jiān)控主機(jī)的IP地址，“2020”是網(wǎng)絡(luò)端口號(hào))，然后再通過指令“AT+CIPSEND”開始傳送數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    實(shí)驗(yàn)中，組建了一個(gè)5節(jié)點(diǎn)的小形星型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并按照下列步驟做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)：
    (1)將沒有連接GPRS模塊的協(xié)調(diào)器與PC機(jī)串口相連，其他節(jié)點(diǎn)分布在實(shí)驗(yàn)室各個(gè)角落，由PC機(jī)的串口調(diào)試助手發(fā)送程序設(shè)置的命令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器顯示命令狀態(tài)并亮起小燈，緊接著其他的終端節(jié)點(diǎn)也亮燈，并穩(wěn)定的持續(xù)著；移動(dòng)其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)到室外，同樣能收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明所建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)表現(xiàn)出較穩(wěn)定的傳輸性。
    (2)將5個(gè)節(jié)點(diǎn)分別分散地布置室外，將協(xié)調(diào)器放置在與每個(gè)節(jié)點(diǎn)大概距離在50～200 m不等的位置，當(dāng)給設(shè)備上電之后各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)小燈閃爍，說(shuō)明入網(wǎng)成功；將其中一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)移到超出ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的地方，又重新回到覆蓋范圍，仍能繼續(xù)工作；關(guān)閉其中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)再打開，能立即入網(wǎng)工作；由監(jiān)控主機(jī)發(fā)送開燈命令，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同上。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效驗(yàn)證了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)良好的自組織和自愈特性。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示。

3 結(jié)論
    ZigBee技術(shù)具有低速率、短距離、多節(jié)點(diǎn)、自組網(wǎng)、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)大、覆蓋廣泛、距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，達(dá)到功能互補(bǔ)。兩者共同組建的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出穩(wěn)定的傳輸性且時(shí)延短，應(yīng)用在景區(qū)照明監(jiān)控中有助于提高監(jiān)控的高效性，并能通過軟件設(shè)置達(dá)到各種照明效果，既可達(dá)到景觀照明效果，又能避免不必要的用電浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。