GPRS與ZigBee的城市照明系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

摘要：給出了基于ZigBee的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以Freescale公司生產(chǎn)的MCF52223為主控芯片，配以宏電的H7710為GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)出口，F(xiàn)reescale公司的MC13213為ZigBee無線收發(fā)模塊。測試結(jié)果表明：該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作穩(wěn)定，能滿足低功耗及實(shí)時性要求。
關(guān)鍵詞：ZigBee；城市照明監(jiān)控系統(tǒng)；網(wǎng)關(guān)；MCF52223

引言
    路燈和景觀燈是城市夜晚一道亮麗的風(fēng)景線，也是城市中必需的公用照明設(shè)施。城市照明監(jiān)控系統(tǒng)是一種監(jiān)測與控制的集成系統(tǒng)。一套高效的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)可以節(jié)省大量的人力物力。但目前，我國城市照明監(jiān)控技術(shù)還比較落后，存在很多問題。主要表現(xiàn)在目前的城市照明燈光大多采用分散手控和時控的方式，即在路燈配電箱中安裝定時器，按預(yù)定的時間自行開／關(guān)燈，當(dāng)季節(jié)變化時需要人工干預(yù)來調(diào)整開關(guān)時間；而有些景觀燈開關(guān)通常是人工手動控制方法，即根據(jù)開關(guān)燈時間表由值班人員手動進(jìn)行開、關(guān)燈操作?，F(xiàn)行的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)既不能及時調(diào)整開／關(guān)燈的時間，又無法及時反映照明設(shè)施的運(yùn)行情況，并且故障率高、維修困難。
    基于ZigBee的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地解決這些問題，它采用了GPRS和ZigBee技術(shù)，不但可以采用電感降功率和電子整流器無級變功率等方法來節(jié)省路燈的用電量，還可以實(shí)時檢測并控制照明設(shè)施狀態(tài)。本文主要闡述照明監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。

1 照明監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
    基于ZigBee技術(shù)的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)采用“監(jiān)控中心-網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)-單燈測控節(jié)點(diǎn)”的三層結(jié)構(gòu)，通過GPRS的技術(shù)將監(jiān)控中心的城市照明控制系統(tǒng)軟件和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)又通過ZigBee路燈網(wǎng)絡(luò)將路燈的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到相關(guān)的路燈節(jié)點(diǎn)。城市照明監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

    圖1中的路燈節(jié)點(diǎn)1至N通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)了路燈通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為該條道路的主控節(jié)點(diǎn)。通過GPRS通信技術(shù)和ZigBee技術(shù)的結(jié)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(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控中心通過對服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作就可以實(shí)現(xiàn)對路燈狀態(tài)的監(jiān)測和控制。

2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
2．1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)
    本設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)節(jié)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、EEPROM模塊AT24C256、液晶顯示模塊、按鍵以及應(yīng)用程序等組成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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(jī)MCF52223。該芯片不僅擁有UART、I2C、SPI、USB接口，還有A／D轉(zhuǎn)換接口、定時器接口等。它具有穩(wěn)定性好、可靠性高、接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，可大大簡化外圍硬件電路設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本與復(fù)雜度。它主要用來采集和處理從路燈節(jié)點(diǎn)上傳的狀態(tài)信息，并通過接收監(jiān)控中心發(fā)送的監(jiān)控命令對ZigBee網(wǎng)絡(luò)路燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)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移動通信數(shù)據(jù)通信網(wǎng)路的終端產(chǎn)品?？蔀橛脩籼峁└咚?、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。同時擁有RS232／422／485及TTL電平接口，適用于環(huán)境惡劣的各種工業(yè)監(jiān)控、交通管理、氣象等應(yīng)用場合，易于集成。
    H7710 DTU屬智能性數(shù)據(jù)通信終端，安裝設(shè)置完成后，接入用戶數(shù)據(jù)源即可使用。正常運(yùn)行時無需用戶介入，且H7710正常運(yùn)行時，無需日常維護(hù)。在許多嵌入式應(yīng)用環(huán)境下通常只需通過數(shù)據(jù)中心發(fā)送檢測和維護(hù)信息來確認(rèn)終端是否正常運(yùn)行。用戶只需將數(shù)據(jù)送入H7710 DTU的串口，或者通過串口接收H7710 DTU傳輸來的命令幀進(jìn)行解析。

    本設(shè)計(jì)方案中H7710 DTU通過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(shù)據(jù)引腳，RXD1為UART1接收數(shù)據(jù)引腳，DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端引腳。
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，并帶有嵌人式閃存、10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、低壓中斷和鍵盤中斷等功能。MC13213支持專用點(diǎn)到點(diǎn)，簡單星形以及MASH網(wǎng)絡(luò)，采用Figure 8 Wireless Z-stack的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)。MC13213最小系統(tǒng)電路如圖4所示。

    為了增加ZigBee的通信距離，在已有MC13211內(nèi)部集成的射頻模塊的基礎(chǔ)上增加了功率放大器、低噪聲放大器、射頻收發(fā)開關(guān)等IC。最終經(jīng)實(shí)測，ZigBee模塊的通信距離可以達(dá)到500 m左右，完全可以滿足本設(shè)計(jì)方案中照明監(jiān)控的要求。此外，ZigBee通信模塊與主控芯片MCF522 23之間亦是通過串口進(jìn)行通信，本設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點(diǎn)，特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)方案中需要存儲大量的單燈節(jié)點(diǎn)上傳的路燈狀態(tài)信息，需要通過I2C總線與AT24C2 56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線或3線串行的多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8 192個16×16點(diǎn)漢字和128個16×8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)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，工作時低電壓低功耗。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多。
    本設(shè)計(jì)方案液晶顯示的主控界面如圖5所示?？墒褂蒙舷骆I選擇菜單，使用OK鍵確認(rèn)。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
3．1 基本任務(wù)實(shí)現(xiàn)
    MCF52223主要實(shí)現(xiàn)接收ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后通過GPRS發(fā)送到中心服務(wù)器。同時對于中心服務(wù)器發(fā)送的一些控制命令進(jìn)行處理，并通過串口傳輸?shù)綗o線傳感網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點(diǎn)中。此外還包括一些LCD顯示、按鍵、I2C總線的操作。MCF52223主控程序流程如圖6所示。

3．2 μC／OS-II系統(tǒng)移植
    μC／OS-II作為一個源代碼公開的操作系統(tǒng)，在具體應(yīng)用中穩(wěn)定可靠，可擴(kuò)展性強(qiáng)，功能強(qiáng)大，并且支持uIP、TCP／IP協(xié)議棧、μC／GUI等。μC／OS-II內(nèi)核屬于搶占式，最多可以處理64個任務(wù)，每個任務(wù)相對獨(dú)立，都有超時函數(shù)，時間用完后交出MCU使用權(quán)。μC／OS-II系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。
    為了使所設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)程序?qū)崟r性更強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定性更高、擴(kuò)展性更強(qiáng)，將μC／OS-II操作系統(tǒng)移植到MCF52223上。其移植步驟如下：
    ①設(shè)置與處理器及編譯器相關(guān)的代碼(OS_CPU．H)。OS_CPU．H包括了用#define定義的與處理器相關(guān)的常量、宏和類型定義。不同的編譯器會使用不同的字節(jié)長度來表示同一數(shù)據(jù)類型，所以要定義一系列數(shù)據(jù)類型以確保移植的正確性。
    ②處理器相關(guān)部分匯編實(shí)現(xiàn)OS_CPU_A．ASM函數(shù)的修改。要求用戶編寫4個匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()。
    ③用C語言實(shí)現(xiàn)與處理器任務(wù)相關(guān)的函數(shù)OS-CPU_C．C。μC／OS-II的移植要求用戶編寫6個簡單的C函數(shù)：OSTaskStkInit()、OSTaskCrea teHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()、OSTimeTickHook()。
    當(dāng)μC／OS-II系統(tǒng)移植完成后，添加網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的基本任務(wù)，包括網(wǎng)關(guān)與GPRS模塊通信任務(wù)；網(wǎng)關(guān)與ZigBee模塊通信任務(wù)；液晶屏顯示任務(wù)；按鍵任務(wù)；I2C總線存儲任務(wù)。

結(jié)語
    在蘇州科技園的某條道路上對20個景觀燈安裝了單燈測控節(jié)點(diǎn)，組成單燈ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而后在道路電控柜中安裝了所設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)，最后通過監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件進(jìn)行了測試。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)可以很好地達(dá)到預(yù)期的效果，該網(wǎng)關(guān)方案較好地解決了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸問題。此外，雖然該網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案是以照明監(jiān)控系統(tǒng)為依托的，但為類似的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)提供了很好的參考，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。