基于ZigBee的城市照明監控系統網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的軟硬件設計

引言

路燈和景觀(guān)燈是城市夜晚一道亮麗的風(fēng)景線(xiàn)，也是城市中必需的公用照明設施。城市照明監控系統是一種監測與控制的集成系統。一套高效的城市照明監控系統可以節省大量的人力物力。但目前，我國城市照明監控技術(shù)還比較落后，存在很多問(wèn)題。主要表現在目前的城市照明燈光大多采用分散手控和時(shí)控的方式，即在路燈配電箱中安裝定時(shí)器，按預定的時(shí)間自行開(kāi)/關(guān)燈，當季節變化時(shí)需要人工干預來(lái)調整開(kāi)關(guān)時(shí)間;而有些景觀(guān)燈開(kāi)關(guān)通常是人工手動(dòng)控制方法，即根據開(kāi)關(guān)燈時(shí)間表由值班人員手動(dòng)進(jìn)行開(kāi)、關(guān)燈操作?，F行的城市照明監控系統既不能及時(shí)調整開(kāi)/關(guān)燈的時(shí)間，又無(wú)法及時(shí)反映照明設施的運行情況，并且故障率高、維修困難[1]。

基于ZigBee的城市照明監控系統可以很好地解決這些問(wèn)題，它采用了GPRS[2]和ZigBee[3]技術(shù)，不但可以采用電感降功率和電子整流器無(wú)級變功率等方法來(lái)節省路燈的用電量，還可以實(shí)時(shí)檢測并控制照明設施狀態(tài)。本文主要闡述照明監控系統中網(wǎng)關(guān)[45]節點(diǎn)的軟硬件設計方案。

1　照明監控系統架構

基于ZigBee技術(shù)的城市照明監控系統采用“監控中心—網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)—單燈測控節點(diǎn)”的三層結構，通過(guò)GPRS的技術(shù)將監控中心的城市照明控制系統軟件和網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，而網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)又通過(guò)ZigBee路燈網(wǎng)絡(luò )將路燈的數據信息發(fā)送到相關(guān)的路燈節點(diǎn)。城市照明監控系統的架構如圖1所示。

圖1　城市照明監控系統架構

圖1中的路燈節點(diǎn)1至N通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)現了路燈通信的網(wǎng)絡(luò )結構，每個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)作為該條道路的主控節點(diǎn)。通過(guò)GPRS通信技術(shù)和ZigBee技術(shù)的結合，可以將路燈的狀態(tài)信息發(fā)送到中心服務(wù)器，并存入數據庫中。監控中心通過(guò)對服務(wù)器的數據庫進(jìn)行操作就可以實(shí)現對路燈狀態(tài)的監測和控制。

2　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)硬件設計

2.1　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)硬件架構

本設計的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)主要由主控芯片MCF52223、GPRS通信模塊、宏電H7710 DTU、ZigBee通信模塊MC13213[6]、EEPROM模塊AT24C256、液晶顯示模塊、按鍵以及應用程序等組成。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的體系結構如圖2所示。

圖2　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)體系結構

2.2　主控芯片

主控芯片采用了Freescale公司生產(chǎn)的Codefire系列32位單片機MCF52223。該芯片不僅擁有UART、I2C、SPI、USB接口，還有A/D轉換接口、定時(shí)器接口等。它具有穩定性好、可靠性高、接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，可大大簡(jiǎn)化外圍硬件電路設計，降低設計成本與復雜度。它主要用來(lái)采集和處理從路燈節點(diǎn)上傳的狀態(tài)信息，并通過(guò)接收監控中心發(fā)送的監控命令對ZigBee網(wǎng)絡(luò )路燈節點(diǎn)進(jìn)行監控操作。

2.3　GPRS模塊

GPRS模塊采用宏電的H7710 DTU模塊，它是基于GPRS移動(dòng)通信數據通信網(wǎng)路的終端產(chǎn)品?？蔀橛脩?hù)提供高速、永遠在線(xiàn)、透明數據傳輸的虛擬專(zhuān)用數據通信網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)擁有RS232/422/485及TTL電平接口，適用于環(huán)境惡劣的各種工業(yè)監控、交通管理、氣象等應用場(chǎng)合，易于集成。

H7710 DTU屬智能性數據通信終端，安裝設置完成后，接入用戶(hù)數據源即可使用。正常運行時(shí)無(wú)需用戶(hù)介入，且H7710正常運行時(shí)，無(wú)需日常維護。在許多嵌入式應用環(huán)境下通常只需通過(guò)數據中心發(fā)送檢測和維護信息來(lái)確認終端是否正常運行。用戶(hù)只需將數據送入H7710 DTU的串口，或者通過(guò)串口接收H7710 DTU傳輸來(lái)的命令幀進(jìn)行解析。

本設計方案中H7710 DTU通過(guò)UART1與MCF52223芯片進(jìn)行通信，H7710 DTU與MCF52223的接口電路如圖3所示。MAX3232是H7710DTU的外圍電路連接芯片。其中，TXD1為MCF52223的UART1發(fā)送數據引腳，RXD1為UART1接收數據引腳，DIN為串行數據輸入端引腳。

圖3　H7710 DTU與MCF52223接口電路

2.4　ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊采用Freescale公司生產(chǎn)的2.4 GHz射頻芯片MC13213。它采用Freescale公司的低電壓、低功耗HCS08核心，并帶有嵌入式閃存、10位模/數轉換器、低壓中斷和鍵盤(pán)中斷等功能。MC13213支持專(zhuān)用點(diǎn)到點(diǎn)，簡(jiǎn)單星形以及MASH網(wǎng)絡(luò )，采用Figure 8 Wireless Zstack的符合ZigBee標準的網(wǎng)絡(luò )。MC13213最小系統電路如圖4所示。

圖4　MC13213最小系統電路

為了增加ZigBee的通信距離，在已有MC13211內部集成的射頻模塊的基礎上增加了功率放大器、低噪聲放大器、射頻收發(fā)開(kāi)關(guān)等IC。最終經(jīng)實(shí)測，ZigBee模塊的通信距離可以達到500 m左右，完全可以滿(mǎn)足本設計方案中照明監控的要求。此外，ZigBee通信模塊與主控芯片MCF52223之間亦是通過(guò)串口進(jìn)行通信，本設計方案中采用的是MCF52223的UART0。

2.5　EEPROM模塊

AT24C256是Atmel公司生產(chǎn)的256 Kb串行電可擦的可編程只讀存儲器。它采用8引腳雙排式封裝，具有結構緊湊、存儲容量大等特點(diǎn)，特別適用于具有大容量數據存儲要求的數據采集系統。本設計方案中需要存儲大量的單燈節點(diǎn)上傳的路燈狀態(tài)信息，需要通過(guò)I2C總線(xiàn)與AT24C256進(jìn)行通信，將路燈狀態(tài)信息存儲于其中。

2.6　液晶屏顯示模塊

液晶屏采用帶中文字庫的LCD12864液晶顯示屏，它包括4位/8位并行、2線(xiàn)或3線(xiàn)串行的多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。其顯示分辨率為128×64，內置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示，工作時(shí)低電壓低功耗。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類(lèi)型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多。