基于ZIGBEE和GPRS的城市照明監控系統的設計

鄭煊 劉萌

(1.山東凱文科技職業學院信息學院，山東 濟南 250200;2.齊魯師范學院物理科學與技術系，山東 濟南 250200)

1 引言

隨著移動通信技術GPRS的發展，移動電話除了具有移動語音通話的基本功能之外，還可以發送文字信息，這個技術很快就被應用到城市照明監控系統之中，事實證明，在通信效率和通信覆蓋這兩樣重要技術指標上，短信方式與其他方式相比，具有明顯的優越性，但是短信方式又存在著資費高昂等問題［1］。

Zigbee是最近發展起來的一種短距離無線通信技術，具有近距離、低功耗、低數據率、低成本、安全等優點。近兩年來，Zigbee無線傳感器網絡技術發展迅速，結合各行業實際取得了許多成果，極大地推動了社會發展。在路燈控制方面，Zigbee技術結合傳感器技術組成的網絡同樣可以解決傳統控制方法中存在的問題［2］。

本文旨在利用移動通信GPRS并借助于Zigbee無線傳感器網絡技術，開發研制一套自動化程度高、運行可靠、高效節電、使用維護方便的路燈監控系統。

2 系統總體結構

2.1 系統結構

按照路燈遠程測控系統的設計要求和要實現的功能，我們將本系統大體分為中央控制室、集中控制器和路燈控制器三層網絡結構［3］。系統的結構圖如圖1所示:

第一層中央控制室是一臺PC服務器，負責整個城市路燈的監控，第二層的集中控制器負責一條街上的全部路燈控制，第三層路燈控制器負責同一燈桿上的所有燈具。其中，一層與二層之間使用了GPRS無線通訊網，這兩層之間距離遠，雖然通信成本較高，但通訊成員少。二層與三層應用了Zigbee無線傳感器網絡技術，幾乎沒有運行成本，特別適合距離短、通訊對象多的情況。

圖1 系統的總體結構圖

另外，本設計還具有電量計量等功能，由電壓互感器和電流互感器對各路段路燈的電力參數進行實時采集，將采集到的數據進行分析和存儲或者通過監控中心的巡檢把現場各路段工作參數包括電壓、電流、開關量等傳回監控中心。監測終端能自動檢測到跳閘、斷路、電壓異常、供電故障、開關燈控制異常等突發事件并及時將報警數據上傳監控中心，以供監控中心值班人員及時了解情況做出處理。GPRS通信網絡是監控中心與無線數據采集監測終端的數據傳輸通道，選用固定IP地址方式通過GPRS網絡將所采集到的工作參數主動、及時上傳到監控中心［3］。

2.2 系統的工作過程

中央控制室可根據預置序列指令通過集中控制器自動或手動完成對整個城市或任一區域、任一線路的控制。當需要對某一終端進行監測或控制時，由中央控制室發送規定好的命令給CMS91模塊，CMS91收到命令后，解釋該命令。解釋完命令后發給集中控制器的Zigbee無線射頻模塊，由該模塊把命令發給相應的路燈控制器，路燈控制器收到命令后做出相應的動作。

當路燈控制器收到命令后會有兩種動作:一種是做出相應的動作后向上層做出應答，二是把上層需要的數據通過Zigbee無線射頻模塊傳給集中控制器，再由集中控制器把收到的路燈控制器的信息，通過CMS91模塊以短信形式反饋到中央控制室。

當某盞路燈發生故障時，系統通過Zigbee網絡以及子站的移動通信 (GPRS)傳輸信息，能快速提供壞燈的編號、位置，利于工作人員及時、準確地更換，節約了大量查詢壞燈的資源。若路燈以及電纜線路被破壞，同樣可以在監控中心及時報警。

3 系統硬件設計

3.1 GPRS 模塊設計 ［1］

系統的GPRS模塊設計選用Cellon公司的CMS91，它是一種雙頻段GSM/GPRS10級模塊，主要優點有:低功耗、接口簡單、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10、開發多媒體應用、價格較低等。同時，它也提供SMS(短消息服務)和語音功能。圖2給出了由CMS91構成的GPRS模塊的電路原理圖。

在該設計中，CMS91模塊相當于一個無線調制解調器用戶的應用系統，由于該模塊已經集成了一個無線接收機模塊，實際使用時需接入SIM卡插座。GPRS終端是通過RS232接口與設備進行通訊的，利用電平轉換芯片MAX232實現了微處理器的TTL電平與 RS232電平的轉化。MAX232能滿足TIA/EIA-232-F和1TU v.28標準的要求，其工作電源電壓為3伏至5.5伏，具有一個驅動器和一個接收器，數據速率最多可達250kbit/s，該芯片具有靜電保護功能和自動掉線特點。

圖2 GPRS模塊電路設計

圖3 Zigbee模塊的電路原理圖

3.2 Zigbee 模塊設計 ［4］

在RF收發器上，本設計選用了Chipcon公司的CC2420射頻收發器，它實現 Zigbee協議的物理層(PHY)及媒體訪問控制器 (MAC)層，具備65 000個節點通道并可隨時擴充，以及低耗電、250kbps傳輸速率、快速喚醒時間 (＜30ms)、CSMA-CA通道狀態偵測等特性。

CC2420只需要極少的外圍元器件，其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗。Zigbee模塊的電路原理圖如圖3所示。［4］

3.3 CC2420與微處理器的連接

CC2420可以通過 4線 SPI總線 (SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式，并實現讀/寫緩存數據，讀/寫狀態寄存器等。通過控制 FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射/接收緩存器。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA管腳狀態的設置可以控制清除通道估計，通過SFD管腳狀態的設置可以控制時鐘/定時信息的輸入。

系統主控制器采用Samsung公司基于ARM公司的S3C2410。S3C2410采用了ARM920T內核，它的低功耗、精簡和出色的全靜態設計特別適用于對成本和功耗敏感的應用，S3C2410與CC2420的引腳連接如圖 4 所示。［5］

圖4 S3C2410與CC2420的引腳連接

系統選用PICl8LF4620單片機作為分控制器的MCU。PLC單片機是Micorchip公司的產品，以其優良的性能，極高的穩定性，在智能儀表，醫療設備，保安系統等領域己經取得了廣泛的應用。PICl8LF4620與CC2420的引腳連接如圖5所示。［6］

圖5 PICl8LF4620與CC2420的引腳連接

4 系統軟件設計

系統軟件設計利用C語言進行編程，采用“嵌入式操作系統”加“應用程序的開發”模式，采用模塊化設計方法，主控制器和分控制器分開設計。主控制器軟件設計平臺基于S3C2420嵌入Linux操作系統，內核版本是2.4.18，分控制器軟件開發則以MPLAB V6.40為開發平臺，采用ICD2進行在線調試。

圖6 GPRS收發子程序流程圖

4.1 GPRS收發子程序設計

CMS91加電后，應用程序需通過 IO口操作CMS91的ON/OFF控制位，使CMS91正式啟動啟動過程大約3～5秒，若 CMS91接有有效的 SIM卡，CMS91將附著在 GPRS網絡。［2］對 CMS91的串口讀寫操作仍然是由中斷服務程序來實現，GPRS收發子程序流程圖如圖6所示。

4.2 Zigbee收發子程序設計

在對 Zigbee節點進行網絡設置時，使用Chipcon公司提供的開發套件，該套件包括各種高性能的Zigbee軟件工具，如網絡設置器、協議追蹤調試工具等［3］。Zigbee收發子程序流程圖如圖7所示。

圖7 Zigbee收發子程序流程圖

5 結論

本文完成了采用GPRS無線通信模塊CMS91與新一代無線網絡通信技術 Zigbee芯片CC2420相結合實現了通過手機短信對城市照明設備的遠程監控。該系統相對于以往的時鐘以及光電控制路燈，能夠對路燈線路進行有效的監控，實現遙控、遙測和遙信功能，而且運行穩定可靠。該設計采用GPRS和Zigbee進行通信，無需重新鋪設線纜和構建新的通信網絡，運行成本很低。經檢驗，該系統工作性能穩定，應用前景廣闊。

［1］鐘章．GPRS通用分組無線業務 ［M］．人民郵電出版社，2001.9．

［2］田亞．基于Zigbee無線傳感器網絡系統設計與實現［D］．同濟大學工學碩士論文，2007年3月．

［3］王剛．路燈遠程監控系統結構及關鍵技術研究 ［D］．南京:南京理工大學，2004．

［4］王銳華等．淺析Zigbee技術 ［J］．電視技術，2004年第6期，P33～35．

［5］吳學智，戚玉華等．基于ARM的嵌入式系統設計與開發 ［M］．北京:人民郵電出版社，2007年9月第1版．

［6］李學海．PIC單片機實用教程——基礎篇 ［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2002年2月．