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)

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(cè)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(guó)城市照明監(jiān)控技術(shù)還比較落后，存在很多問(wèn)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(shí)控的方式，即在路燈配電箱中安裝定時(shí)器，按預(yù)定的時(shí)間自行開/關(guān)燈，當(dāng)季節(jié)變化時(shí)需要人工干預(yù)來(lái)調(diào)整開關(guān)時(shí)間;而有些景觀燈開關(guān)通常是人工手動(dòng)控制方法，即根據(jù)開關(guān)燈時(shí)間表由值班人員手動(dòng)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(shí)調(diào)整開/關(guān)燈的時(shí)間，又無(wú)法及時(shí)反映照明設(shè)施的運(yùn)行情況，并且故障率高、維修困難[1]。

基于ZigBee的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)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(jí)變功率等方法來(lái)節(jié)省路燈的用電量，還可以實(shí)時(shí)檢測(cè)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)[45]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(cè)控節(jié)點(diǎn)”的三層結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(lái)，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)又通過(guò)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　城市照明監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖1中的路燈節(jié)點(diǎn)1至N通過(guò)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(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為該條道路的主控節(jié)點(diǎn)。通過(guò)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(kù)中。監(jiān)控中心通過(guò)對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈狀態(tài)的監(jiān)測(cè)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[6]、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。

圖2　網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

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(shí)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(jiǎn)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(lái)采集和處理從路燈節(jié)點(diǎn)上傳的狀態(tài)信息，并通過(guò)接收監(jiān)控中心發(fā)送的監(jiān)控命令對(duì)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(dòng)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(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(jiān)控、交通管理、氣象等應(yīng)用場(chǎng)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(shí)無(wú)需用戶介入，且H7710正常運(yùn)行時(shí)，無(wú)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(guò)數(shù)據(jù)中心發(fā)送檢測(cè)和維護(hù)信息來(lái)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(guò)串口接收H7710 DTU傳輸來(lái)的命令幀進(jìn)行解析。

本設(shè)計(jì)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(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。

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(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(jiǎn)單星形以及MASH網(wǎng)絡(luò)，采用Figure 8 Wireless Zstack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。

圖4　MC13213最小系統(tǒng)電路

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(cè)，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MCF52223之間亦是通過(guò)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(chǔ)器。它采用8引腳雙排式封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)，特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)方案中需要存儲(chǔ)大量的單燈節(jié)點(diǎn)上傳的路燈狀態(tài)信息，需要通過(guò)I2C總線與AT24C256進(jìn)行通信，將路燈狀態(tài)信息存儲(chǔ)于其中。

2.6　液晶屏顯示模塊

液晶屏采用帶中文字庫(kù)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(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)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(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(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(shí)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(jiǎn)潔得多。[!--empirenews.page--]

圖5　液晶顯示主控界面

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Z(yǔ)igBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后通過(guò)GPRS發(fā)送到中心服務(wù)器。同時(shí)對(duì)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(guò)串口傳輸?shù)綗o(wú)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/OSII系統(tǒng)移植

μC/OSII作為一個(gè)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/OSII內(nèi)核屬于搶占式，最多可以處理64個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)相對(duì)獨(dú)立，都有超時(shí)函數(shù)，時(shí)間用完后交出MCU使用權(quán)。μC/OSII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(shí)性更強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定性更高、擴(kuò)展性更強(qiáng)，將μC/OSII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(huì)使用不同的字節(jié)長(zhǎng)度來(lái)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(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()。

③ 用C語(yǔ)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(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)：OSTaskStkInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()、OSTimeTickHook()。

圖6　MCF52223主控程序流程

圖7　μC/OSII系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)μC/OSII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(chǔ)任務(wù)。

結(jié)語(yǔ)

在蘇州科技園的某條道路上對(duì)20個(gè)景觀燈安裝了單燈測(cè)控節(jié)點(diǎn)，組成單燈ZigBee無(wú)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(guò)監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件進(jìn)行了測(cè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)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(wú)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(jià)值。