基于ZigBee+技术的路灯无线网络控制系统设计
第 圆8 卷第1期
圆园园9 年 2 月
天津工业大学学报
允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕允陨晕孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦哉晕陨灾耘砸杂陨栽再
Vol.28 No.1
February 2009
基于 ZigBee 技术的路灯无线网络控制系统设计
王东东袁郭文成
渊天津工业大学计算机技术与自动化学院袁天津 300160冤
摘要院介绍了 ZigBee 技术的特点袁对 ZigBee 的网络架构和原理进行了分析袁应用 CC2430 作为控制核心袁设计了
基于 ZigBee 技术的路灯无线控制系统. 详细介绍了系统的网络拓扑实现和硬件节点的设计方案, 给出了相
应的软硬件设计和组网算法,实现了路灯的无线网络控制. 试验结果表明袁在单协调器单节点组网时袁组网
用时 20s, 对 l6 个信道进行扫描节点的接入平均用时为 150s. 在室内 10m左右距离的数据传输速率为
250kbps曰室外 30耀75m距离速率为 40kbps,300m速率为 20kbps. 系统在发射状态下耗电为 25.7mA袁接
收时为 29.3mA袁休眠状态下仅为 2.5 滋A.
关键词院ZigBee 协议曰网络架构曰CC2430曰无线网络曰路灯控制
中图分类号院 TP273 文献标识码院A 文章编号院员远苑员原园圆源载渊圆园园9冤园1原园园84原园5
DesignofwirelessstreetlampcontrolsystembasedonZigBee
WANGDong-dong袁 GUOWen-cheng
渊SchoolofComputerTechnologyandAutomation袁 TianjinPolytechnicUniversity袁Tianjin300160袁China冤
Abstract院 ThecharactersoftheZigBeetechnologyareintroduced袁andthenetworkframeworkandprincipleofthe
ZigBeenetworkareanalysed.ByapplyingtotheCC2430asthecontrolcoreofcontrolsystem,astreetlamp
wirelessControlSystemisdesignedbaseonZigBeetechnology.Thenetworktopologyandhardwarenode
designaremainlyintroduced.Basedontheprincipleofthecontrolsystem,thecorrespondingsoftwareand
hardwaredesignareproposed.Theexperimentalresultsshowthatthenetworktimeis20sunderthecondition
ofsinglesynchronizersingle-nodenetwork;whenscanningnodetol6channel,theaveragenetworktimeis
150s.Thedatatransferrateis250kbpsdistanceofaround10mindoors.Whenoutdoorat30-75m
distance,therateisthe40kbps,at300mdistancetherateis20kbps.Thesystempowerconsumptionis
25.7mAunderthelaunchingstate,thepowerconsumptionis29.3mAunderthereceivestate,thepower
consumptionjustis2.5 滋Aunderthedormantstate.
Keywords院 ZigBeeprotocol曰 networkframework曰 CC2430曰 wirelessnetwork曰 streetlampcontrol
收稿日期院2008-05-22
作者简介院王东东渊1984要冤袁男袁硕士研究生曰郭文成渊1955要冤袁男袁副教授袁导师.E-mail院forwd@126.com
目前现有的城市路灯控制系统大多采用有线网
络布局袁不仅施工复杂袁灵活性差袁而且存在能源浪费
的问题. 近年来随着 ZigBee 无线技术的发展和广泛应
用袁 于是提出了将 ZigBee 技术应用于城市的路灯控
制. 这种方法不但方便灵活袁而且无需考虑布线问题袁
维护简单. 并且通过与各种新型传感器尧 功率控制器
的结合袁可以远距离实现路灯智能控制袁达到大量节
约电力和能源的目的. 本文应用 ZigBee 技术袁 设计了
一种新的路灯无线控制系统.
1 ZigBee 协议
ZigBee 是一种新兴的短距离尧低功耗尧低成本的
无线传感器网络技术.ZigBee 技术并不是完全独有尧
全新的标准. 它的物理层尧MAC 层和数据链路层采用
了 IEEE802.15.4 标准袁 并在此基础上由 Zigbee 联盟
制定了应用会聚层尧应用层规范渊API冤和网络层袁组成
了 Zigbee 协议标准[1]. 整个协议架构如图 1 所示.
ZigBee 协议定义了 3 种设备[2]袁即全功能设备
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第 1 期
渊FFD冤尧精简功能设备渊RFD冤和网络协调器设备. 网络
协调器实际上是 FFD 设备的一种袁只是拥有更多的计
算能力和系统资源.RFD 在网络中通常作终端设备袁
仅通过简单的 8 位微处理器和 4K的系统资源就能完
成其协议功能袁但 RFD 相互之间不能直接通信袁只能
与 FFD 设备和协调器通信.FFD 设备可以担任网络协
调者袁形成网络袁并与其它的 FFD 或 RFD 装置连接袁
具备控制器的功能.
2 系统的硬件设计
2援1 系统组成及工作原理
基于 ZigBee 技术的路灯无线控制系统由安装在
路灯杆上的微处理器系统渊RFD冤尧控制中心监控系统
和实现网络互联的无线通讯系统渊ROUTER冤组成[3]. 安
装在路灯杆上的微处理器系统是由一个光线传感器尧
路灯调光控制器尧通讯控制系统尧直流电源等组成的
终端控制系统. 系统通过具有自动路由功能的无线通
讯控制器渊ROUTER冤将 RFD 节点和监控中心进行无
线连接袁从而实现对路灯的无线自动控制.
本系统采用串状无线网络结构[4]袁如图 2 所示.
系统里有 1 个网络协调器渊COORD冤袁其作用相当
于控制中心监控系统. 若干个路由节点 ROUTER袁以
及若干个终端控制 RFD 节点. 网络协调器负责建立和
管理网络袁显示相关控制信息和当前路灯无线网络的
系统状况袁 以及控制整个网络电源的开关状态. 路由
节点 ROUTER 可以安装在道路旁边等任何地方袁作为
无线节点的中继控制器袁 以达到远程控制的目的. 同
时它自己也可以作为 RFD 节点使用袁用来控制路灯打
开和关断. 而 RFD 节点只需接收无线信号指令来控制
自己的路灯状态.
整个系统网络由网络协调器控制袁路由节点传递
信号并且控制自己的路灯袁而 RFD 节点只是接收信号
并根据信号控制自己的路灯. 也可以不用 RFD 节点袁
只由网络协调器和路由节点组成. 不过为了降低成
本袁在道路的尽头地方可以放置一些 RFD 节点.
2援2 节点硬件电路设计
本系统采用的无线收发器是 CC2430. 它出自挪
威 Chipcon 公司袁 是符合 IEEE802.15.4 标准的片上
ZigBee 产品. 它在单个芯片上整合了 ZigBee 射频
渊RF冤 前端尧 内存和微控制器. 它使用 1 个 8 位 MCU
渊8051冤尧并具有 128kb 可编程闪存和 8kb 的 RAM袁还
包含模拟数字转换器渊ADC冤尧4 个定时器渊Timer冤尧看
门狗定时器尧32kHz 晶振的休眠模式定时器尧 上电复
位电路尧掉电检测电路袁以及 21 个可编程 I/O 引脚.
CC2430 只需要极少的外围元器件袁 其外围电路
包括晶振时钟电路尧射频输入/输出匹配电路两部分[5].
芯片本振信号既可由外部有源晶体提供袁也可由内部
电路提供. 射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片
的输入输出阻抗袁同时为芯片内部的 PA 及 LNA 提供
直流偏置.
图 3 为 CC2430 芯片的硬件应用电路. 该电路使
用 1 个非平衡天线连接非平衡变压器袁可使天线性能
更好. 电路中的非平衡变压器由电容 C34l 和电感
L341尧L321尧L331 以及 1 个 PCB 微波传输线组成袁整
个结构满足 RF 输人/输出匹配电阻 渊50 赘冤 的要求.
R221 和 R26l 为偏置电阻袁 电阻 R221 主要用来为 32
MHz 的晶振提供 1 个合适的工作电流. 用 1 个 32
MHz 的石英谐振器渊X1冤和 2 个电容渊C191 和 C211冤
构成 1 个 32MHz 的晶振电路. 用 1 个 32.768kHz 的
石英谐振器渊X2冤和 2 个电容渊C441 和 C431冤构成一个
32.768kHz 的晶振电路. 电压调节器为所有要求 1.8V
电压的引脚和内部电源供电袁C241 和 C421 是去耦合
电容袁用来实现电源滤波袁以提高芯片工作的稳定性.
对于模拟部分设计袁 为了降低其他部分的干扰袁
提高 RF 性能袁需要采取抗干扰措施. 例如袁模拟电源
输入端增加磁珠或电感曰 模拟地和数字地要分开布
线袁并在一点接地曰为了减小分布参数的影响袁铺地要
尽可能大袁并且要适当打上过孔曰滤波用的电容要尽
量靠近芯片袁另外要注意阻抗匹配.
图 2 路灯无线网络结构
Fig.2 Architectureofstreetlampwirelessnetwork
COORD
ROUTER
ROUTER
ROUTER
RFD
网络协调器
路由节点
路由节点
路由节点
王东东袁等院基于 ZigBee 技术的路灯无线网络控制系统设计
图 1 ZigBee 协议架构
Fig.1 ArchitectureofZigBeeprotocol
应用软件
应用层规范 API
网络层
数据链路层 DDL
介质存取层 MAC
物理层 PHY
用户代码
ZigBccStack
IEEE802.15.4
瑟
伤
赏
设
设
设
设
设
设
商设
设
设
设
设
设
伤
赏
设
设
设
设商设
设
设
设
85要 要
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第 28 卷天津工业大学学报
路灯无线网络控制系统的网络协调器需要显示
当前网络状态袁 所以网络协调器由 CC2430尧 串口部
分尧 按键和液晶显示组成. 电路框图如图 4 所示.RFD
节点和 ROUTER 节点由 CC2430尧光敏电阻尧串口扩展
接口尧路灯调光控制电路组成袁如图 5 所示.
网络协调器利用 CC2430 的 I/O 口直接控制液晶
显示袁并通过串口进行数据输出和程序调试袁由 S1 和
S2 来控制整个网络路灯的开关状态. 它还随时监控按
键袁如有按键按下袁它将通过网络发送数据到各个路
灯控制节点袁并显示当前整个网络的电源开关情况.
RFD 节点和 ROUTER 节点也可以检测自己当前
的光线情况袁 通过判断光线情况来决定是否打开路
灯袁实现节能控制.
图 3 CC2430 硬件应用电路
Fig.3 DiagramofCC2430hardwareapplicationcircuit
图 4 网络协调器电路框图
Fig.4 DiagramofCOORDcircuit
VDD
C471 C71 C411 C201
C441
X2
C431 C421
1
3
2
4
5
6
7
8
9
10
11
12
DVDD-7
VDD
R101
SK
P1-0
P1-1
P1-2
P1-3
P1-4
P1-5
P1-6
P1-7
DVDD
RESET-N
P0-0
P0-1
VDD
X1
C191
R221
C221 C231 C241
VDD
R261
AVDD-IF1
AVDD-CHP
AVDD-RF1
AVDD-RF2
25
26
27
28
29
30
32
31
33
34
36
35 L321
L331
L341 C341
AVDD-RF2
AVDD-SW
AVDD-RF1
AVDD-PRE
AVDD-VOC
AVDD-CHP
AVDD-IF1
RF-N
TXRX-SWITCH
RF-P
VOC-GUARD
RBIAS2
VDD1.8V
C381 C361 C311C271
58P
C251
无线部分
TXD
MAX232
RXD RXD
TXD
CC2430
P0-1
P0-5
R1
S1 S2
R3
确认 取消
VDD
液晶显示
86要 要
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第 1 期
图 5 RFD 节点和 ROUTER 节点电路框图
Fig.5 DiagramofRFD&ROUTERcircuit
无线部分
RXD
TXD
VDD
GND
CC2430
P0-0
UART
路灯调光
控制
R5
R6
R2
C1
VDD
R4
D1
2
4
3
5
1
3 软件程序设计
本文应用 IAREmbeddedWorkbench 开发环境袁在
TI 提供的 ZStack-1.4.2-1.1.0 协议栈的基础上袁编写了
本系统的应用程序代码.ZStack 协议栈提供了一些应
用 接 口 袁 如 aplFormNetwork 渊冤尧aplJoinNetwork 渊冤尧
aplSendMSG渊冤等函数袁用户可以通过调用这些函数来
编写自己的开发与应用程序.
3援1 软件流程
在系统工作的过程中袁网络协调器会定时检测有
无按键按下袁 用以执行相应的电源开关命令. 网络协
调器处于空闲状态时袁会监听空中的无线信号袁判断
有无新的节点要加入网络袁 有则为其分配网络地址.
ROUTER 节点通常处于监控状态袁如果接收到电源开
关的命令袁则执行命令袁并确定是否转发袁同时根据光
敏电阻的返回值确定路灯的开关袁以到达智能化节能
控制. 而 RFD 节点的功能则更简单袁只需随时监听袁根
据光线的强弱执行命令.3种设备的通信流程图如图
6尧图 7尧图 8 所示.
网络协调器工作首先初始化 CC2430 和液晶屏袁
然后初始化协议栈并打开中断. 之后程序开始格式化
一个网络袁如果网络格式化成功袁在液晶屏上显示相
应的网络协调器的物理地址尧现在建立网络的网络 ID
号和频道号. 此后程序给予发送数据的地址袁 这个地
址是可变的袁如需要点亮一段路灯袁可对此修改.
对于路由节点袁程序首先初始化 CC2430袁然后打
开传感器电源袁之后初始化协议栈袁并开始发送加入
网络请求信号袁等待网络协调器或前面的路由器节点
响应袁并给自己分配网络地址. 如果加入网络成功袁通
过串口扩展口可以得到网络的网络地址尧路由节点自
己的物理地址和加入的网络协调器或前面路由节点
的物理地址等数据.
图 6 网络协调器流程图
Fig.6 FlowchartofCOORD
初始化
建立一个新的网络
显示网络的 ID号、频道号等
进入无线监控状态
发送按键命令，显示路灯状态
给该节点分配网络
号，并显示加入节
点的网络号
Y
Y
N
N
扫描有无按键
有节点申请
加入网络
图 7 路由器流程图
Fig.7 FlowchartofROUTER
初始化
加入网络
根据光线强度情况
开关路灯
进入监控状态
加入网络信号 给该节点分配网络
号，并显示加入节
点的网络号控制信号
根据信号控制路灯
开关，并转发到下
一个节点
判断收到的信号
图 8 RFD 节点流程图
Fig.8 FlowchartofRFD
初始化
发送加入网络信号
进入监控状态
如果收到控制电源
信号就做相应处理
如果电源为打开状态，
根据光线控制路灯开关
Y
加入网络是
否成功
N
王东东等院基于 ZigBee 技术的路灯无线网络控制系统设计 87要 要
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第 28 卷天津工业大学学报
在RFD 节点上程序同样首先初始化 CC2430袁打
开传感器电源. 之后初始化协议栈袁并开始发送加入
网络请求信号袁等待前面的路由器节点响应袁并给自
己分配网络地址. 如果加入网络成功袁同样通过串口
扩展口可以得到加入网络的网络地址尧 自己的物理
地址和加入的路由器节点的物理地址等数据信息.
3援2 网络的建立
在 ZigBee 网络中袁 网络协调器具有建立一个网
络尧维护邻居设备表尧对逻辑网络地址进行分配尧允许
设备 MAC 层/应用层的连接或断开网络的功能. 网络
协调器在进行一些初始化之后袁 调用 aplFormNetwork
渊冤来建立网络. 协调器通过扫描一个空信道来建立一
个新的网络袁然后选择一个随机的 PANID 并开始监听
此信道. 同时协调器还有一个目前连接设备的列表袁
以支持其他设备加入网络. 网络建立程序如下院
voidmain 渊void冤{
......
hallnit渊冤曰 //硬件初始化
apllnit渊冤曰 //初始化协议栈模块
......
aplFormNetwork渊冤曰 //建立网络
while渊apsBusy渊冤冤 {apsFSM渊冤曰} //等待网络建立成功
while渊1冤
{apsFSM渊冤曰 //运行协议栈
}
......
}
3援3 网络的加入
当一个网络建立成功后袁 便要考虑路由节点和
RFD 节点如何加入到网络中去. 路由节点和 RFD 节
点通过调用 aplJoinNetwork渊冤函数加入到协调器建立
的网络中. 路由节点和 RFD 节点扫描信道找到协调器
并申请加入网络袁获取协调器的地址袁同时将自己的
地址发送给协调器. 网络加入成功后袁 网络节点则进
入休眠状态袁 直到有命令或数据发送时才被唤醒. 网
络加入程序如下院
voidmain 渊void冤{
hallnit渊冤曰 //硬件初始化
apllnit渊冤曰 //初始化协议栈模块
......
do{
aplJoinNetwork渊冤曰 //加入网络
while渊apsBusy渊冤冤{apsFSM渊冤曰}//等待格式化网络完成
}
while 渊aplGetStatus渊冤越WXLPAN_STATUS_SUCCESS冤曰
while渊1冤 {apsFSM渊冤曰}//运行协议栈
......
}
4 实验结果
实验主要对系统的组网延时尧数据传输速率以及
通信距离对数据传输的影响等方面进行测试.
组网延时院在单个协调器袁单个节点的情况下袁组
网用时 20s袁对l6 个信道进行扫描节点的接入平均用
时 150s. 第一次接入用时较长袁主要是等待信标帧袁确
定协调器的信道袁在室内无遮挡物环境下 8m左右的
距离感觉不到延时.
数据传输速率院在室内 10m左右距离袁无遮挡物
环境下速率为 250kbps曰 室外空旷环境下 30耀75m距
离速率为40kbps曰300m速率为20kbps.
通信距离对数传输的影响院距离 150m时通信的
误码率可小于 1%.
耗能情况院系统在发射状态下耗电为 25.7mA袁接
收时为 29.3mA袁休眠状态下仅为 2.5 滋A.
以上测试结果表明袁ZigBee 技术应用于路灯控制
系统中是完全可以胜任的.
5 结束语
本 文 创 新 点 是将新型短距离无线通信技术
ZigBee 运用于城市路灯控制网络设计中袁从而省掉了
系统布线袁使传感器安装快捷尧组网容易尧维护方便.
运用 CC2430 新型单片机控制袁 可提高传感器的灵敏
度和可靠性. 本系统具有低成本尧低功耗尧实施简单尧
维护方便的特点袁其在城市路灯的管理控制方面将会
有广泛的应用.
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