基于Zigbee技术的无线路灯控制系统申报材料.doc

编号：_2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项申报材料 项目名称：基于zigbee技术的无线路灯控制系统申报学院：建筑与交通工程学院项目申报成员：覃广志、严彩鹏、范愉婷、郭星伟、刘勇 二一四年十一月桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛重点项目申报书A、申报者情况申 报 者 情 况姓名覃广志性别男出生年月1995年8月29日现学历A A大学本科 B硕士研究生申报单位桂林电子科技大学建筑与交通工程学院专业建筑电气与智能化学号1301540125学制4 年作品全称基于zigbee技术的无线路灯控制系统合 作 者 情 况姓名性别学号电话所在单位备注严彩鹏男130154012818577014884桂林电子科技大学有无合作者请在此说明：R 有 无梁鋆龙男130154011618677308377桂林电子科技大学范愉婷女130041010215277396896桂林电子科技大学刘勇男130154011913667837933桂林电子科技大学说明：1、必须有申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）或集体作品填写一文学历最高的代表。2、本部分中的各学院签章视为对申报者情况的确认。B、科技发明制作 申报作品情况作品全称基于zigbee技术的无线路灯控制系统作品分类（在选项上画）A. 信息技术(包括计算机.电信.通信.电子等)RB. 机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等)C.数理(包括数学、物理、地球与空间科学等)D生命科学(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、生态、环保等)F.外观设计(包括电脑艺术设计、机械CAD等)作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标一、 作品设计本路灯控制系统采用集中式控制方式,主要由远程监控中心、一级控制终 端、二级控制终端三部分组成。其中:远程控制中心,即中央控制室,主要负 责全网段监控各路段的路灯运行状态、下发不同路段具体的控制方案、或直接 发送个别路段或单灯的控制命令;一级控制终端,即由嵌入式工控主板、ZigBee 通信模块、以及 GPRS 模块组成,主要用于主要用于接收现场的 ZigBee 信号, 并将 ZigBee 接收到的数据转换成 GPRS 或以太网信号传输到远程监控中心;二级控制终端,即安装在每盏灯内由单片机最小系统、ZigBee 通信模块、红外检测、摄像头、固态继电器等组成,能通过 ZigBee 接受命令实时监控每盏路灯的 亮灭、亮度调节、运行状态、故障检测等,并能够接收以及中断的查询命令和控制命令。二、 发明的目的和基本思路利用无线传感网络通信技术,在各个单灯控制器安装各种各样的传感器,如红外传感器、光敏传感器等等,将这些信息采集后,由工控板将其处理和分析,每个传感器节点中有 Zigbee 通信模块,节点之间相互形成自组 网,实现节点信息交互,通过一级控制终端的协议转换,进而通过 GPRS 模块, 将数据上传到远程监控中心,与此同时实现与互联网的信息链接。Zigbee 的传输距离与发射功率有关,一般 10mW 的能到几十米。100mW 的 能到 12 km,2.4G 近乎微波特性。目前市场上较多的 Zigbee 都增加了 RF 发射 功率,一般可以稳定达到 200 m。城市路段路灯间距为 2530 m,整个路段路灯 数目较大。为了降低 GPRS 的数据费用,应该对所辖路段的单灯进行分组,每 组或多组配备一套 GPRS 通讯模块,单灯与单灯之间,单灯与一级控制终端之 间的信息传输都通过 Zigbee 模块进行中继传输,进而将数据上传到远程的控制 服务器上。远程监控终端,通过 GPRS 通讯模块,实时提取一级控制终端上传的各个 单灯控制信息,由控制控制系统对其进行终端处理分析,并将分析后的数据保 存到远程控制服务器同时将其显示在显示屏上,方便工作人员监控查询。同样, 监控中心可以通过这些信息以后做出反应,实时下发调控方案。在通信过程中最重要的是信息的安全性和准确性。系统给每一个单灯节点 都有唯一特定的地址编码,避免信息误传;通过将地址编码加入到信息流中, 以避免恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰信息的传输过程;网络中,对信 息加快了更新频率和增强通信抗干扰的能力,用以保证数据新鲜性杜绝接收重 复的信息,保证数据新鲜性的主要目的是防止重放攻击。传感器网络能够随时 按预先设定的工作方式向系统的合法用户提供信息访问服务。由于,无线传感 器网络具有很强的动态性和不确定性,包括网络拓扑的变化、节点的消失或加 入、面临各种威胁等,因此系统还加强了无线传感器网络对各种安全攻击应具 有适应性,即使某次攻击行为得逞,该性能也能保障其影响最小化。系统能够 通过地址编码信息能够对访问无线传感器网络的用户身份进行确认,确保其合 法性 。随着网络的进一步优化发展,两种网络实现融合链接以后,互联网中 IPv6 地址呈现海量分配,可以给每一个节点网络通信地址,让节点间的通信更加准确有效。三、 创新点本课题提出一种基于物联网的具有网络共享服务的路灯智能控制系统,该 系统可以通过二级控制终端及所辖 ZigBee 模块,将路灯单节点上的各种信息传 感器连接起来,并与附近二级控制终端和一级控制终端的 ZigBee 模块构成自组 网络,进而通过一级控制终端的嵌入式工控板将数据重新打包并通过 GPRS 模块与远程控制终端及网络服务器进行数据传输。对解决现行城市路灯照明的智 能化水平低、检修困难、能耗过高等问题具有一定的参考和应用价值。四、 技术关键和主要技术指标（1）物联网技术构架物联网技术架构由信息物品技术、自主网络技术和智能应用技术构成。信息 物品技术主要指物品的标识、传感和控制技术,也就是指现有的数字化技术。信息网络技术属于物理世界与网络世界融合的接口技术。物联网技术最大的突破就是将物理世界与信息世界结合为一个统一的通信整体,物理世界信息的感知就成为整个系统中很重要的一环。而对物理世界信息的感知最主要的技术就是传感技术,传感技术是沟通物理世界与信息世界的桥梁。系统通过传感器节点感知周围环境,产生上下级相关的信息,并通过接入网络将这些信息传送出去,这样一来物理环境的任何变化就能够被察觉,通信的对等端也可以根据环境的变化做出相应的反应。物联网是一个泛在网络,需要实现任意时刻任意地点的接入,就需要研究更加智能的节点和节点通信技术。在物联网路灯监控构想中,使每一个路灯都应该是智能的,它们能处理信息、 自我配置、自我调整、独立地做决定等等。只有每一个路灯都是“聪明的路灯” 时才可能实现真正意义上的路灯与路灯、人与路灯的通信。在本项目中,在物采用 Zigbee 无线传感网络和 GPRS 通讯相结合的方式完成信息传输。（2）无线传感网络技术 项目中应用无线传感网络和互联网作为了系统物联网形成的基本构架。无 线传感网络中应用广泛的应用了传感器,信息融合能够使得但各类传感器协同 工作,能获取比单传感器更多、更有效的信息,使得系统拥有高可靠性;更大的空间和时间覆盖范围;良好的置信度和分辨率;增加了测量空间的维数,拓宽了侦察范围;系统生存能力强、抗毁性好。物联网技术是物理世界和网络信息世界进行连接的远景技术。2、主要技术指标无线通信网络实时采集路灯运行中的相关数据，并将这些数据及时传送到控制中心，由控制中心来分析这些数据并做出相应的处理，然后将这些数据向无线终端发送相关的控制指令，使得路灯开关箱中接触器能开关控制。作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比.该作品是否有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性说明和参考文献资料)能源是国家经济发展和社会稳定的重要物质保证,同时也制约着社会经济可 持续健康发展。能源面临世界性的危机,中国的能源形势更为严峻,实现国家节能,照明节能是有效途径之一1。中国是世界上发电大国,也是用电大国。2002年我国发电总量为16758.2 亿度,用于城市照明年耗电约为612.8亿度2;2005 年我国的发电总量为22000亿度,用于照明的年耗电总量约占发电总量的 10-15%;2010我国发电总量为41900亿度,工业照明耗电量高达1748.2亿度,相当于三峡水利发电工程年发电量 840 亿度的2.08倍3。据相关数据测算,中国仅照明用电量约占全社会用电量的12%左右。如果仅仅以白炽灯全部替换为节能灯来计算,每年可节电 480 亿度,相当于减少二氧化碳排放4800万吨4。然而,随着社会经济的发展,中国城市化建设步伐不断地加快,人们对城市 基础设施的要求也逐渐提高,作为城市建设中一项重要基础设施,城市道路照 明、灯饰工程、城市亮化工程等方面的资金投入却日渐新高,其照明电能消耗与灯具耗损也越来越严重。于是,在能源供需矛盾日益突出的 21 世纪,将节能高效、绿色照明、智能监控等手段运用到城市道路照明、灯饰、亮化等工程, 实现可持续发展将成为未来城市发展的必然要求5。从现行技术来看,LED 照明的推广、风能、太阳能等新能源已经在部分地区推广,解决了部分能耗问题。但是,我国大部分城市特别是小城市的路灯系统仍采用早期的钟控、光控制或 人工控制方式,其系统可靠性较低,特别是当季节、气候变化时不能及时改变 开关时间,或者当个别路灯失效损坏或通信电缆故障时不能及时发现,不仅造成不必要的能源浪费,还给检修维护带来一定的困难6。针对城市照明的节能问题,各个国家相关部门都希望能够寻求一种能智能 高效的控制方案。于是,众多学者纷纷对路灯控制尤其是智能化控制技术展开 了深入的研究,很多新技术也不断涌现。但对于范围日益扩大的城市道路,现 行的人工控制、时钟控制、光照度控制三种方式、以及很多测试路段比较先进的分布式控制和管理方式也逐渐显得捉襟见肘,即便是已经投入路灯智能控制系统的城市,仍然会因分段开关控制方式导致三相负荷不平衡而造成某相电压偏高得情况,降低灯具光源及电器的使用寿命78。因此,如何才能有效的解决路灯控制系统的感知能力,使监控中心能够实时的了解各个路段运行状况,将 成为解决这一问题的关键,其难点主要集中在信息通讯方面。针对上述路灯控制系统中的通讯问题,欧美日本等发达国家的相关研究起 步较早,也提出了一些比较新颖的技术,其市场化进行的比较完善,大中小城 市普及率和可靠性都比较高91011。美国先后出现了比较先进的使用嵌入基于载 波芯片的智能控制器、基于 LonWorks 技术的电子镇流器替代低效的机械镇流器, 构建实现单个路灯控制功能的路灯解决方案,同时在配电柜中加装智能服务器 在网络中起到分段控制的作用。美国另一公司作为研发无线射频模块的公司, 将 ZigBee 技术应用于远程抄表系统,此技术并没有将这种技术应用于城市路灯 照明。但是这两种方式都有着一定的局限性:前者采用电力载波的通信方式, 其使用只能在专用变压器、或者线路比较干净、杂波较少的路灯线路上,同时 通讯方式本身容易吸收中频载波信号,影响通讯质量;后者在安装系统时需要 单独布线,施工复杂,其一次性投入也是相当昂贵。随着世界经济、科技的发展,信息与通信技术的目标逐渐从满足人与人之 间的沟通,发展到实现人与物、物与物之间的连接,即无处不在的物联网(Internet of Things) 1213。这一概念的推出,使得物联网的发展在全球范围内得到了重视, 很多国家和部门逐渐开展物联网方面的相关研究,并将这一概念应用到智能电 网、智能物流、智能农业、智能安防、智慧医生、智能环卫、智能家居、智能 交通,几乎渗透到了我们生活的方方面面。如果能结合智能控制、自动控制等控制方式替换老式的钟控、光控或人工 控制,同时通过使用射频识别、ZigBee通信模块、GPRS/3G 网络通讯、红外感 应、GPS 等信息传感设备按照约定的协议将各个路段的路灯控制器连接起来, 进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理,即实现路灯系统的物物相联14,使其控制中心能够随时读取运行参数和环境变化,能根据实时采集到的数据自动存储、统计、查询,并根据实时车流量信息、光照度条件等数据实行全夜灯、半夜灯以及路灯的节能调光控制,这样将对解决城市照明的能耗问题、灯具设备等的使用寿命问题有着重要的实际意义,同时能够及时准确的定位故障区域,便于检修维护。所以,研究基于物联网技术的智能路灯控制系统与太阳能、风能、LED 照明技术的应用同等重要,都能直接降低我国城市照明部分的电能消耗,有着重要的应用价值和广泛的应用前景。根据市场调查，发现市场上已经有无线路灯系统的产品被制造出来了，但是使用的单片机技术。我们现研究的基于zigbee的无线路灯控制系统是在前人的基础上运用先进的zigbee技术。使生活中的无线路灯系统更加人性化，操作更方便，资源上更节能、环保。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。所以ZigBee与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点： (1) 低功耗：由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。 (2) 成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。 (4) 网络容量大： 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。 (5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 (6) 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。ZigBee嵌入式无线数据通信模块主要特点是通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性，强大的组网能力和传输性能；能在实际应用项目中发挥巨大的性能优势，能在无线路灯远程测控系统中性能稳定、运行良好，在实际应用项目中取得了前所未有的突破。参考文献：1 林楷滨.大功率LED道路照明灯具的研究D.电子科技大学,2012,11. 2 The 6th international conference on energy-efficient lighting proceeding. Shanghai, 2005. 3OL,/2011-04/21/content_4148009.htm,2011-0-21. 4OL,/news/2013_07_30/169124_0/,2013-07-30. 5 陈乃勤. 基于GIS的路灯控制管理系统的实施策略J. 计算机应用, 2000(1):51-53. 6 翟萍,张春玲. 城市路灯控制系统的无线解决方案J.微计算机信息,2008. 7 徐浩华.路灯控制相关技术的研究D.浙江大学,2010,10. 8古碧绮,王健.基于SA99O4B的三相多功能电能表的设计J.国外电子测量技术, 2004(l):29-30. 9 方彬.城市照明监控与防盗的应用分析J.城市照明.2010,14(1):18-21. 10贺一鸣,王祟贵,刘进宇.智能路灯控制系统设计与应用研究J.现代电子技 术.2010,01:207-210. 11 于书敏,贾存良.路灯节能智能控制器的设计J.照明工程学报.2009,20(4):78-82. 12 International Telecommunication Union, Internet Rrports2005: The Internet of things 2005. 13孙其博,刘杰等. 物联网:概念,架构与关键技术研究综述J.北京邮电大学学 报,2010.6,(33)3. 作品所处阶段R A实验阶段 B 中试阶段 C 生产阶段 D_(自填) 作品所展示的形式 实物 产品 模型图纸 磁盘现场 演示图片 R 样品 录像 使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该产品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测使用说明：按照说明书进行操作（说明书暂略）1、特点优势Zigbee是一种无线自组网技术标准，由Zigbee联盟制定。近年来，IETF组织也针对物联网制定了6Lowpan无线自组网技术体系，包括6Lowpan、IPv6、ROLL RPL组网路由、CoAP应用层标准，具有开放、免费、海量地址空间、与互联网无缝集成等优势，受到越来越多的关注，并且被Zigbee IP（智能电网）、ETSI M2M、ISA100工业标准等采纳，发展迅速，很可能成为物联网领域的事实标准。基于ZigBee技术的无线路灯控制系统能够很好的解决传统路灯存在的弊端，比如能耗高、管理麻烦、照明效率低等，系统通过现代信息技术以达到降低能耗、集中管理路灯、智能节电、提 高路灯使用寿命等，长期投入使用的话，能获得很好的经期收益有了基于ZigBee技术的无线路灯控制系统，城市亮化工程将如虎添翼，相信不管是城市建设的管理人员还是城市大众，便能很好的享受到信息发展带来的便捷生活。2、发展前景我国将物联网作为为战略性新兴产业予以重点关注和推进,从某种意义上 说是政策主导的。2009 年 8 月 7 日,温家宝总理在无锡视察中科院物联网技 术研发中心时提到:在传感网技术的发展中,要早一点谋划未来,早一点攻破 核心技术。不仅体现了政府对物联网技术行业的寄托,也给物联网的发展前景 打了一支强心剂22。2010 年 3 月 5 日,温家宝总理在政府工作会议报告上 将“加快物联网的研发应用”明确纳入重点产业振兴。国务院、发改委、工信 部等部门都在研究制定促进物联网产业发展的扶植政策。如在北京地铁9号线隧道施工过程中的考勤定位系统便采用的是ZigBee，ZigBee取代传统的RFID考勤系统实现了无漏读、方向判断准确、定位轨迹准确和可查询，提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高档的老年公寓中，基于ZigBee网络的无线定位技术可在疗养院或老年社区内实现全区实时定位及求助功能。由于每个老人都随身携一个移动报警器，遇到险情时，可以及时的按下求助按钮不但使老人在户外活动时的安全监控及救援问题得到解决，而且，使用简单方便，可靠性高。据中国电信副总工程师靳东滨介绍，预计到2015年国内物联网市场规模将达到7500亿元，年复合增长率超过30%。智慧城市建设成为运营商推进物联网的重要落脚点。此外，工业和信息化部和财政部已设专项资金用以支持物联网发展。据悉，2013年投入的专项资金支持预算较2012年有所增长，将超5亿元。业内人士预计未来10年内物联网会大规模普及，其产业规模将远超互联网。所以我们设计出来基于ZigBee技术的无线路灯控制系统一旦投入使用，就很受到社会的广大欢迎。在今后一段时期,我国要以物联网的发展带动整个产业链的发展,实现产 业的总体化与提升,同时,借助以物联网为主要内容的信息产业第三次城市化 进程的再一次腾飞。因此,结合物联网特性与本质,物联网发展将有以下几个 趋势:第一,物联网,将遵循从公共管理和服务市场到企业、行业应用市场再到个人家庭市场逐步发展成熟的细分市场递进趋势;第二,从标准制定来看, 物联网标准体系是一个逐渐发展的成书过程,将呈现从成熟应用方案提炼形成 行业标准,以行业标准带动关键技术标准,逐步演进形成标准体系的趋势;第三,从产业整合与产品发展来看,随着行业应用的逐渐成熟,新的通用性强的物联网技术平台将出现。物联网产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节,每个环 节的关键技术分别为 RFID、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。 因此,物联网相关产业今后在 RFID 领域、MEMS 传感器领域、智能家电领域、 集成电路产业领域、通讯设备制造等领域也将有较大的发展前景。专利申报情况 提出专利申报申报号_ 申报日期： 年 月 日 已获专利权批准批准号_批准日期： 年 月 日 未提出专利申请说明: 1、必须由申报者本人填写；2、本表可以附有研究报告,并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图(照片),也可以附鉴定证书和应用证书；3、作品分类请按照作品发明或创新点所在类别填表。2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项作品说明书基于Zigbee技术的无线路灯控制系统项目作品说明书目录第一章研制背景及11.1背景与调研11.2产品意义2第二章 设计方案32.1通过Zigbee技术拓扑关系设计连结系统方案 32.2通过Zigbee的CSMA/CA机制设计通信系统方案 52.3通过C/S结构、B/S结构设计交互系统方案 62.3.1基于C/S结构的交互方式 72.3.2基于B/S结构的交互方式 7第三章设计原理 83.1Zigbee技术工作原理 83.2Zigbee网络定位引擎 83.3CC2530片上SoC解决方案 93.4Zigbee同频抗干扰性 103.5路灯自动控制传感器工作原理 11第四章功能技术关键与指标、创新点 124.1功能实现及方式 124.2技术关键与指标 124.3创新点 13第五章 市场与推广 145.1特点优势 145.2发展前景 14参考文献 15第一章 研制背景及意义 1.1 背景与调研路灯作为城市建设和交通规划的基础设施，对人们的生活出行和城市功能的完善都是至关重要。目前，我国各规模和类型的城市路灯分布网络复杂，控制系统大多采用有线的网络布局，不仅施工复杂，灵活性差，而且存在能源浪费的问题。在路灯控制和管理上的要求日益增高并且存在的难题依然没有解决。不仅如此，对于路灯的功能诉求也日益提高。例如，路灯定位。在广西壮族自治区首府南宁市2012年起在城市各路灯进行了编号，为了满足发生险情或其他事件对于定位的需求。而近年来随着Zigbee无线技术的发展和广泛应用，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，而且无需考虑布线问题，维护简单。并且通过与各种新型传感器、功率控制器的结合，可以远距离实现路灯智能控制，达到大量节约电力和能源的目的。根据市场调查，发现市场上已经有无线路灯系统的产品被制造出来了，但是使用的单片机技术。我们现研究的基于Zigbee的无线路灯控制系统是在前人的基础上运用先进的Zigbee技术。使生活中的无线路灯系统更加人性化，操作更方便，资源上更节能、环保。中国城市化建设步伐不断地加快，人们对城市基础设施的要求也逐渐提高，作为城市建设中一项重要基础设施，城市道路照明、灯饰工程、城市亮化工程等方面的资金投入却日渐新高，其照明电能消耗与灯具耗损也越来越严重。于是，在能源供需矛盾日益突出的21世纪，将节能高效、绿色照明、智能监控等手段运用到城市道路照明、灯饰、亮化等工程，实现可持续发展将成为未来城市发展的必然要求1。能源是国家经济发展和社会稳定的重要物质保证，同时也制约着社会经济可持续健康发展。能源面临世界性的危机，中国的能源形势更为严峻，实现国家节能，照明节能是有效途径之一2。中国是世界上发电大国，也是用电大国。2002年我国发电总量为16758.2亿度，用于城市照明年耗电约为612.8亿度3；2005年我国的发电总量为22000亿度，用于照明的年耗电总量约占发电总量的10-15%；2010我国发电总量为41900亿度，工业照明耗电量高达1748.2亿度，相当于三峡水利发电工程年发电量840亿度的2.08倍4。据相关数据测算，中国仅照明用电量约占全社会用电量的12%左右。如果仅仅以白炽灯全部替换为节能灯来计算，每年可节电480亿度，相当于减少二氧化碳排放4800万吨5。随着世界经济、科技的发展，信息与通信技术的目标逐渐从满足人与人之间的沟通，发展到实现人与物、物与物之间的连接，即无处不在的物联网（InternetofThings）67。这一概念的推出，使得物联网的发展在全球范围内得到了重视，很多国家和部门逐渐开展物联网方面的相关研究，并将这一概念应用到智能电网、智能物流、智能农业、智能安防、智慧医生、智能环卫、智能家居、智能交通，几乎渗透到了我们生活的方方面面。 1.2 产品意义智慧城市是现代化城市和中国城市发展的趋势所向，智能化和网络化控制路灯是未来路灯控制的发展方向和必然趋势。随着技术的进步和城市发展的需求，无线传感节点集成度会越来越高，价格会越来越低，路灯控制系统的功能会越来越多，路灯的自动化管理和无线通信技术的结合应用也必然会越来越广泛。Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。所以Zigbee与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee”基站”却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。Zigbee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。Zigbee嵌入式无线数据通信模块主要特点是通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性，强大的组网能力和传输性能；能在实际应用项目中发挥巨大的性能优势，能在无线路灯远程测控系统中性能稳定、运行良好，在实际应用项目中取得了前所未有的突破。如果能结合智能控制、自动控制等控制方式替换老式的钟控、光控或人工控制，同时通过使用射频识别、ZigBe通信模块、GPRS/3G网络通讯、红外感应、GPS等信息传感设备按照约定的协议将各个路段的路灯控制器连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，即实现路灯系统的物物相联14，使其控制中心能够随时读取运行参数和环境变化，能根据实时采集到的数据自动存储、统计、查询，并根据实时车流量信息、光照度条件等数据实行全夜灯、半夜灯以及路灯的节能调光控制，这样将对解决城市照明的能耗问题、灯具设备等的使用寿命问题有着重要的实际意义，同时能够及时准确的定位故障区域，便于检修维护。所以，研究基于物联网技术的智能路灯控制系统与太阳能、风能、LED照明技术的应用同等重要，都能直接降低我国城市照明部分的电能消耗，有着重要的应用价值和广泛的应用前景。第二章 设计方案 2.1 通过Zigbee技术拓扑关系设计连结系统方案Zigbee具有星状型（Starnetwork）、树状型（clustertreenetwork）、网状型（meshnetwork）的拓扑关系。星状型树状型网状型图21 Zigbee拓扑关系示意图网络协调器全功能设备精简功能设备网络协调器包含所有的所有的网络消息，是三种设备类型中最复杂，同时也是储存容量最大、计算能力最强的一种。承担着发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一堆节点间的路由消息、不断地接受信息的任务。全功能设备（FFD）担任网络协调者，可以形成网络，让其他FFD或是RFD连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息的双向传输。附带有标准指定的全部802.15.4功能和所有特征。更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器的作用。可作终端设备。精简功能设备（RFD）仅能传送信息给FFD或者从FFD接受信息。附带有限的功能来控制成本和复杂性，即通过RFD省掉了内存和其他电路的方式降低了Zigbee部件的成本，抑或通过简单的8位处理器和小协议栈来降低成本。在网络中通常用作终端设备。设备类型拓扑类型可否成为协调器通话对象FFD星状、网状、树状可以任何Zigbee设备RFD星状不可以只与协调器表21FFD与RFD的设备类型比较Zigbee网络协调器（FFD）Zigbee中继器（FFD）Zigbee终端设备（RFD/FFD网状结构图22 ZigbeeMesh网状网络拓扑结构示意图在路灯网络中将以上三种设备进行有机统一，利用Mesh网状网络拓扑结构进行智能控制。Mesh网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过”多级跳跃”的方式进行通信；这一拓扑结构还可以组成极为复杂的复杂网络。Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。 通过一个Zigbee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。 协调器负责整个网络的建网，同时也可以作为与其他类型网络的通讯节点，即担任了网关的角色。 构成协调器和路由器的器件必须是FFD，而构成终端设备的器件可以是FFD，也可以是RFD。故而十分符合不同规模的城市交通系统之中复杂的路灯分布进行控制。在不同的道路中进行合理的RFD、FFD设备植入可以根据迎合不同的控制需求。 2.2 通过Zigbee的CSMA/CA机制设计通信系统方案Zigbee采用了CSMA/CA的碰撞避免机制，这个机制的工作原理是： 首先检测信道是否有使用，如果检测出信道空闲，则等待一段随机时间后，才送出数据。 接收端如果正确收到此帧，则经过一段时间间隔后，向发送端发送确认帧ACK。 发送端收到ACK帧，确定数据正确传输，在经历一段时间间隔后，会出现一段空闲时间。CSMA/CA协议的工作流程分为两个，分别是： 送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，才送出数据。由於每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。 送出数据前，先送一段小小的请求传送报文（RTS：RequesttoSend）给目标端，等待目标端回应CTS：CleartoSend报文后，才开始传送。利用RTS-CTS握手（handshake）程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。CSMA/CA通过这两种方式来提供无线的共享访问，这种显式的ACK机制在处理无线问题时非常有效。通过CSMA/CA，在路灯内部控制器中的信息通信可以达到很大程度的畅通。此外，由于RTS-CTS封包都很小，让传送中的无效开销变小，对成本也是可观程度的控制。图23 低信噪比环境中Zigbee性能对比由与Bluetooth、FSK、WIFI等技术的信噪比实验数据可知，在低信噪比的环境下，Zigbee的性能超群。物理层RF通信链接： 直序扩频采用高处理增益。 明晰的信道检测。 对干扰能量进行检测。 采用跳频技术（Frequencyagility）。协议： 基于CRC的误码检测/校正。 采取了避免冲突的策略CSMA/CA。 为固定宽带的通信业务预留了专用的有保证的时隙。 发送的数据包都有待于接受方的确认，若出现问题将进行重新发送。 保持数据包的及时传输（Packetdatafreshness）。综上，通过Zigbee技术的CSMA/CA机制可为路灯的通信系统提供可靠性极强的保证。2.3 通过C/S结构、B/S结构设计交互系统方案2.3.1 基于C/S的结构交互方式C/S结构即Client/Server（客户机/服务器）结构，是大家熟知的软件系统体系结构，通过将任务合理分配到Client（客户机）端和Server（服务器）端，通过这种结构方式，可以降低系统的通讯开销，实现远程无线控制需要安装客户端进行管理操作。客户端和服务器端的程序不同，用户的程序主要在客户端，服务器端主要提供数据管理、数据共享、数据及系统维护和并发控制等，客户端程序主要完成用户的具体的业务。具体的控制过程即在客PC客户端上运行对管理程序软件，通过局域网、Internet、GPRS对控制基站进行任务管理命令，命令再通过GPRS广域网和Zigbee区域网进行命令响应从而完成任务管理。图24 C/S结构系统交互示意图2.3.2 基于B/S结构的交互方式Browser/Server（浏览器/服务器）结构，是随着Internet技术的兴起，对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户界面完全通过WWW浏览器实现。客户端无需专门的应用程序也可以进行无线远程控制，而应用程序基本在服务器端。由于客户端没有程序，应用程序的升级和维护都可以在服务器端完成，升级维护要更加的便捷。由于客户端使用浏览器，我们可以为用户提供更多丰富多彩的界面，以及进行深度定制的ROM或可由用户自己进行界面和功能的针对性设计。具体的控制过程即在PC客户端打开浏览器，进入对应的控制页面即可通过交换机进入互联网、Internet、GPRS对控制基站进行任务管理命令，命令再通过GPRS广域网和Zigbee区域网进行命令图25 B/S结构系统交互示意图响应从而完成任务管理。第三章 设计原理 3.1 Zigbee技术工作原理目前几种短距离无线网络通信的标准中，包括IEEE802.11无线局域网（WirelessLocalAreaNetworkWLAN）和蓝牙（Bluetooth）。每个标准都有其在特定领域应用的优势，而Zigbee相对于它们主要是为低成本、低数据速率、超低功耗的无线网络应用开发的。通过简化通信协议和降低数据速率，Zigbee标准有助于降低应用成本。和其他的标准例如IEEE802.11相比，满足Zigbee和IEEE802.15.4标准的最低需求相对轻松，这同时也降低了Zigbee收发器的应用复杂度和成本。占空比是指设备活跃时的时间与总时间的比值。例如，若一个设备每分钟唤醒一次，工作60ms后继续休眠。那么它的占空比为0.001或0.1%。在许多Zigbee应用中，了保证电池能工作数年以上，设备的占空比都在1%以下。Zigbee网络分为4层，从下向上分别为物理层、MAC层、网络层和应用层。其中物理层和MAC层由IEEE802.15.4标准定义，合称IEEE802.15.4通信层；网络层和应用层由Zigbee联盟定义。 3.2 Zigbee网络定位引擎应用层Zigbee联盟网络层安全层MAC层IEEE802.14.4物理层表31 Zigbee网络分层示意图我们采用的网络定位引擎主要是以Zigbee网络测量值为基础，但也适用于较简单的IEEE802.15.4网路。定位引擎会根据无线网络里，相邻无线装置传来的接收讯号强度指标（RSSI）计算自己的位置。随着环境不同，两台无线装置之间的RSSI讯号会有很大差异，举例来说，若有人在两台无线装置的中间走过，接收讯号就可能减少30dBm，为弥补这么大的差异，定位引擎最多会根据十六台无线装置传来的RSSI值进行计算，以便得到精确的位置，这种做法的逻辑是利用多个节点求取平均值，即可将RSSI的变异量消除。在无线射频网络里，已知位置的定位引擎无线装置称为参考节点（ReferenceNodes），须要计算其位置的节点称为待测节点。参考节点与待测节点之间唯一须要传送的资讯就是参考节点的X和Y座标。定位引擎会根据参考节点传来的讯息测量RSSI值，配合所收到的X和Y座标计算其位置。一般而言，Zigbee无线装置只需不到1KB的程式，就能担任Zigbee协定堆叠之上的参考节点。定位引擎能搜集三至十六个参考节点的资料，再利用这些资料计算位置，其若收到超过十六个节点的资料，会根据这些参考节点的位置排序，然后使用前面十六个节点的RSSI值。 3.3 CC2530片上SoC解决方案CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、Zigbee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其它强大的功能。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。面对烦乱的路灯控制系统，我们必须得使用一个性能稳定，信息传输有保障，能随时加入节点的方案，而我们现在采用的cc2530方案能够游刃有余地解决这些问题。CC253x芯片系列中使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三种不同的内存访问总线（SFR，DATA和CODE/XDATA），单周期访问SFR，DATA和主SRAM。它还包括一个调试接口和一个18输入扩展中断单元，能够满足大量数据接入，很适合使用在路灯控制系统中。系统还可以使用一个多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存储空间访问存储器，因此能够访问所有物理存储器。每个通道（触发器、优先级、传输模式、寻址模式、源和目标指针和传输计数）用DMA描述符在存储器任何地方配置。许多硬件外设（AES内核、闪存控制器、USART、定时器、ADC接口）通过使用DMA控制器在SFR或XREG地址和闪存/SRAM之间进行数据传输，获得高效率操作。定时器1是一个16位定时器，具有定时器/PWM功能。它有一个可编程的分频器，一个16位周期值，和五个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有一个16位比较值。每个计数器/捕获通道可以用作一个PWM输出或捕获输入信号边沿的时序。它还可以配置在IR产生模图31 CC2530最小模块原理图式，