基于无线网络的城市路灯节能管控系统设计

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基于无线网络的城市路灯节能管控系统设计

廖 娜

(西安外事学院应用技术学院，陕西 西安 710077)

摘要：针对传统城市照明管理难度大的问题，基于ZigBee网络的优势和特点，设计了一款城市路灯节能控制系统。分别从硬件和软件角度对系统进行了设计：利用CC2430模块对无线网中的节点进行控制，并利用 ZigBee 协议栈实现与系统服务器的通信；利用MVC架构和Java语言，分别对上机位软件的技术架构体系和具体功能进行开发，让管理者根据不同的权限，通过手机即可实现对城市路灯的智能监控。模拟测试表明该系统能大大提高城市路灯管理效率。

关键词：无线网络；协议栈；技术体系；智能管控；上机位

随着现代城市的不断发展，智能化城市已成为人们思考和热议的重点话题。以城市路灯的使用和管理为例，大部分中小城市在21点之后，街道交通和人流量大量减少，如依然保持原有的城市照明，将造成很大的浪费。因此，在智能化发展背景下，实现对城市路灯系统的智能控制，是提高城市智能化水平，减少能源消耗，构建绿色城市的重要途径[1]。对此，本文结合当前的智能化技术，提出一款城市路灯智能控制系统，并对系统实现进行详细阐述。

1 系统整体架构设计

为适应新的路灯管控需求，新设计的系统整体架构如图1所示。该路灯管控具体工作流程为：操作人员通过无线传感器网络实现对路灯基础数据的采集，采集到的数据信息通过无线汇聚节点汇集，再通过GPRS网络传递到服务器端，然后通过后台监控界面实现对城市路灯的控制与管理。因此，本文将系统整体架构分为2个部分：无线通信模块、监控模块。

无线通信模块主要是由一个或者多个ZigBee协调器与多个 ZigBee无线终端共同组成，从而实现对路灯节点数据的采集与传输。终端节点将采集到的路灯数据传递给协调控制器，协调控制器再通过串口将数据传递给服务器。

图1 系统整体架构设计

监控模块主要由应用服务器和监控应用程序构成。在该服务器中，利用Struts、Spring 和 Hibernate 结构框架对应用界面进行部署[2]。

2 ZigBee网络节点设计与实现

2.1 CC2430芯片

CC2430是一款可支持无线网络的芯片，主要包括时钟、电源管理、CPU、内存等核心功能，是构成整个无线ZigBee 节点的心脏。该芯片由美国TI公司开发，主要包括32KB、64KB、128KB 3种不同的型号。本文结合路灯管控系统的实际需求，决定选用CC2430-F128型号。该型号具有以下的特 点[3]：1)拥有高达128KB的非易失性程序存储器和 2×4 KB 数据存储器；2)增强型的 8051 内核；3)支持IEEE 802.15.4；4)可对温度和电池进行监测；5)易于开发；6)范围较宽的工作电压(2.0～3.6V)；7)低功耗(休眠电流为0.9μA，待机电流小于0.6μA)。2.2 协调器节点设计与实现

在无线网络部署中，通常将协调器节点和服务器连接，并通过路由器和终端节点完成数据的传输。其中，协调器被看成是ZigBee组网的关键[4]。在协调器的节点中，通常包括串口通信模块、核心处理模块、电源模块、无线收发模块。无线收发模块的工作电压需保持在 3.0～3.3V，而供电电源输出的电压为5V，必须将电压降低到3.3V。

协调器节点的工作流程为：协调器节点通过无线收发模块接收采集到的路灯照明信息，再通过路由节点和终端节点向核心处理器发送采集到的信息，核心处理器在收到信息之后，通过串口通信模块将收到的数据上传给服务器，最后由服务器对数据进行分析处理。具体的应用电路如图2所示。

图2 协调器节点应用电路整体框架

由图2可知，要实现协调器节点的收发，必须编写串口通信函数和无线收发模块函数，通过这些驱动函数，才能实现对采集数据的接收和上传。串口通信的实现，首先应注册监听串口时间，然后编写串口函数[5-6]。本文针对串口消息，采用直接调用SampleApp_SerialCMD处理函数的方式对事件进行注册监听，并通过以下关键代码实现对服务器数据的接收：

void SampleApp_SerialCMD(mtOSALSerialData_ t*cmdMsg)

{

uint8 i,len,*str=NULL; //len 有用数据长度

str=cmdMsg->msg; //指向数据开头

len=*str; //msg里的第1个字节代表后面的数据长度

for(i=1;i<>

HalUARTWrite(0,str+i,1);

2.3 路由节点设计与实现

路由节点是整个无线网络的主控节点，一方面建立与终端节点之间的通信连接，接收终端节点采集到的路灯工作状态等数据；另一方面，通过GPRS实现与系统服务器的通信。具体应用电路设计如图3所示。

图3 路由节点应用电路框架

如图3所示，路由节点电路以CC2430微处理器作为路由节点控制的核心，一方面控制终端节点数据的采集，另一方面，通过调光镇流器对路灯光照的强度进行调节，并转发相关的数据信息。具体实现过程为：首先在应用处理函数SampleApp_ProcessEvent 中进行注册监听，当有数据接收时，触发SampleApp _MessageMSGCB函数；其次调用路灯控制函数，对路灯进行控制，并触发控制操作。数据接收关键代码为：

//Received when a messages is received(OTA)for this endpoint

case AF_INCOMING_MSG_CMD:

SampleApp_MessageMSGCB(MSGpkt);

break;

3 路灯控制系统软件设计

3.1 开发环境部署

开发环境采用IAR Embedded Workbench (简称EW)工程软件进行部署。该软件包含多种功能，如嵌入式C/C++优化编译器、调试器等。其中，大部分的8051内核都可通过 C/C++编译器对代码进行编译；调试器主要负责对代码进行断点调试。在IAR的开发环境中，对ZigBee协议栈各层功能的开发变得简单，可分层对不同层的功能模块进行编写。IAR中自带的编译器也可生成高效的可执行代码，从而为系统的开发节约大量的时间和成本。而在对程序的开发中，只需要对ZigBee 协议栈中的相关代码进行修改，再通过JTAG 仿真接口上传到CC2430芯片中即可。本文使用TI 协议栈 Zstack-CC2430-1.4.3版本，具体的开发界面如图4所示。

同时，结合图4中IAR界面左端的目录中显示的不同功能，设计系统开发主要流程如图5所示。

图4 IAR开发界面

图5 系统主程序设计

3.2 无线通信协议设计

在系统运行过程中，保持统一的通信标准对提高系统运行效率具有重要的作用。因此，定义通信协议是系统运行的前提。在本系统涉及的通信定义中，将定义的协议数据帧以 SZB作为帧头，以#号标记结束。其中帧头定义为0xFF，节点定义为0x01～0x05，路灯状态定义为0x0A～0x0C(分别对应全功率、半功率和关闭3个不同的状态)。数据帧总共包含6个字节，具体数据帧格式见表1。

表1 通信协议数据帧格式

帧头节点路灯状态帧结束2字节2字节1字节1字节

同时，照明控制中心向每个路灯设备传送的命令，其帧头为0xFE，节点定义为0x01～0x05，命令定义为0x0A～0x0D(分别对应打开、关闭、增加亮度、减小亮度4个不同的状态)。

3.3 上机位界面功能开发

在软件部分设计中，主要对路灯管控的主控界面进行设计，从而让用户可以通过手机和电脑实现登录访问，完成对路灯照明的自动化控制，因此本文主要从系统功能角度对系统主界面进行设计。

作为基于ZigBee管控系统的重要部分，其作用是通过软件界面实现对路灯控制的远程操作、基本信息管理、路灯节点查看等。结合上述需求，其功能设计如图6所示。

图6 管控系统整体功能界面

3.4 系统安装与测试

为进一步验证上述开发的可行性，以某城市校园路灯管控系统为例，对无线网络节点和管控系统软件进行部署。首先，将管控系统直接部署到MyEclipse开发工具中，并将相关的数据导入到SQL Server 2012数据库中；其次，启动Tomact 6.0服务器，在访问网址中输入“http://192.168.1.1:8080/路灯管控系统”；将ZigBee无线应用模块拷贝到IAR软件中，并部署1个协调器节点、3个路由节点，具体部署如图7所示。

图7 系统模拟部署

通过上述部署，同时根据软件测试原理采用黑盒测试和白盒测试的方式[7]，可以得到图8所示的控制界面和图9所示的操作结果。

点击打开“1”、“2”、“3”号节点，从而可以看到“1”号中的3个LED被点亮。

4 结束语

本文设计并实现的可根据路面人流量情况进行实时远程控制的智能路灯管控系统，为当前智能技术在低碳城市建设中的应用提供了新的参考，也进一步充实了智能技术应用实践。但是，该系统的设计还在初级阶段，在实际的部署中还必须对整个无线网络进行优化。

图8 控制界面

图9 测试结果

参考文献：

[1] 刁彩萍. 现代无线通信技术的发展现状及未来发展趋势探析[J]. 电子制作，2015(1)：161.

[2] 李德兵，尹战文，王洪明. JavaEE基于Hibernate的ORM框架[J]. 电子技术，2013(2)：7-9.

[3] 高守玮，吴灿阳.基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：50-95.

[4] 符红霞. ZigBee技术在家庭智能照明系统中的应用[J]. 工业控制计算机，2013，26(7)：55，69.

[5] 王彤.基于 Z-Stack协议栈的 ZigBee网络组网研究与实现[D].保定：河北大学,2012.

[6] 鲁进，郭利进. 基于ZigBee的LED 路灯照明系统设计与研究[J]. 微型机与应用，2013，32(9)：78-84.

[7] 韩丽娜. 黑盒测试及测试工具Rational Robot的应用[J]. 计算机工程与设计，2006，27(2)：359-361.

Development of the energy-saving lights control system design based on city-based wireless network

LIAO Na

(College of Applied Technology, Xi 'an Institute of Foreign Affairs, Shaanxi Xi'an, 710077, China)

Abstract：Aiming at the urban lighting management, it combines the advantages and characteristics of Zigbee network, designs a city street light energy saving control systems, illustrates the software and hardware. Based on CC2430 module and ZigBee protocol stack, it controls the wireless network nodes and realizes the communication server. Using MVC architecture and Java language, it builds the technical architecture and develops the system specific functions. The managers depends on their authority to monitor the city street intelligent monitoring through the mobile phone. The system greatly improves the efficiency of urban management.

Key words：wireless network; protocol stack; technical system; intelligent control; host computer

DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2016.11.008

收稿日期：2016-06-14

基金项目：2014年度西安市社科规划课题(14IN17)

作者简介：廖娜(1977—)，女，陕西高陵人，西安外事学院讲师，硕士，主要研究方向为嵌入式系统、信号与信息处理。

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：2095-509X(2016)11-0041-04