編號：_2015年桂林電子科技大學第十四屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽校內重點項目立項申報材料 項目名稱：基于zigbee技術的無線路燈控制系統申報學院：建筑與交通工程學院項目申報成員：覃廣志、嚴彩鵬、范愉婷、郭星偉、劉勇 二一四年十一月桂林電子科技大學第十四屆“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽重點項目申報書A、申報者情況申 報 者 情 況姓名覃廣志性別男出生年月1995年8月29日現學歷A A大學本科 B碩士研究生申報單位桂林電子科技大學建筑與交通工程學院專業建筑電氣與智能化學號1301540125學制4 年作品全稱基于zigbee技術的無線路燈控制系統合 作 者 情 況姓名性別學號電話所在單位備注嚴彩鵬男130154012818577014884桂林電子科技大學有無合作者請在此說明：R 有 無梁鋆龍男130154011618677308377桂林電子科技大學范愉婷女130041010215277396896桂林電子科技大學劉勇男130154011913667837933桂林電子科技大學說明：1、必須有申報者本人按要求填寫，申報者情況欄內必須填寫個人作品的第一作者（承擔申報作品60%以上的工作者）或集體作品填寫一文學歷最高的代表。2、本部分中的各學院簽章視為對申報者情況的確認。B、科技發明制作 申報作品情況作品全稱基于zigbee技術的無線路燈控制系統作品分類（在選項上畫）A. 信息技術(包括計算機.電信.通信.電子等)RB. 機械與控制(包括機械、儀器儀表、自動化控制、工程、交通、建筑等)C.數理(包括數學、物理、地球與空間科學等)D生命科學(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、生態、環保等)F.外觀設計(包括電腦藝術設計、機械CAD等)作品設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標一、 作品設計本路燈控制系統采用集中式控制方式,主要由遠程監控中心、一級控制終 端、二級控制終端三部分組成。其中:遠程控制中心,即中央控制室,主要負 責全網段監控各路段的路燈運行狀態、下發不同路段具體的控制方案、或直接 發送個別路段或單燈的控制命令;一級控制終端,即由嵌入式工控主板、ZigBee 通信模塊、以及 GPRS 模塊組成,主要用于主要用于接收現場的 ZigBee 信號, 并將 ZigBee 接收到的數據轉換成 GPRS 或以太網信號傳輸到遠程監控中心;二級控制終端,即安裝在每盞燈內由單片機最小系統、ZigBee 通信模塊、紅外檢測、攝像頭、固態繼電器等組成,能通過 ZigBee 接受命令實時監控每盞路燈的 亮滅、亮度調節、運行狀態、故障檢測等,并能夠接收以及中斷的查詢命令和控制命令。二、 發明的目的和基本思路利用無線傳感網絡通信技術,在各個單燈控制器安裝各種各樣的傳感器,如紅外傳感器、光敏傳感器等等,將這些信息采集后,由工控板將其處理和分析,每個傳感器節點中有 Zigbee 通信模塊,節點之間相互形成自組 網,實現節點信息交互,通過一級控制終端的協議轉換,進而通過 GPRS 模塊, 將數據上傳到遠程監控中心,與此同時實現與互聯網的信息鏈接。Zigbee 的傳輸距離與發射功率有關,一般 10mW 的能到幾十米。100mW 的 能到 12 km,2.4G 近乎微波特性。目前市場上較多的 Zigbee 都增加了 RF 發射 功率,一般可以穩定達到 200 m。城市路段路燈間距為 2530 m,整個路段路燈 數目較大。為了降低 GPRS 的數據費用,應該對所轄路段的單燈進行分組,每 組或多組配備一套 GPRS 通訊模塊,單燈與單燈之間,單燈與一級控制終端之 間的信息傳輸都通過 Zigbee 模塊進行中繼傳輸,進而將數據上傳到遠程的控制 服務器上。遠程監控終端,通過 GPRS 通訊模塊,實時提取一級控制終端上傳的各個 單燈控制信息,由控制控制系統對其進行終端處理分析,并將分析后的數據保 存到遠程控制服務器同時將其顯示在顯示屏上,方便工作人員監控查詢。同樣, 監控中心可以通過這些信息以后做出反應,實時下發調控方案。在通信過程中最重要的是信息的安全性和準確性。系統給每一個單燈節點 都有唯一特定的地址編碼,避免信息誤傳;通過將地址編碼加入到信息流中, 以避免惡意的中間節點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程;網絡中,對信 息加快了更新頻率和增強通信抗干擾的能力,用以保證數據新鮮性杜絕接收重 復的信息,保證數據新鮮性的主要目的是防止重放攻擊。傳感器網絡能夠隨時 按預先設定的工作方式向系統的合法用戶提供信息訪問服務。由于,無線傳感 器網絡具有很強的動態性和不確定性,包括網絡拓撲的變化、節點的消失或加 入、面臨各種威脅等,因此系統還加強了無線傳感器網絡對各種安全攻擊應具 有適應性,即使某次攻擊行為得逞,該性能也能保障其影響最小化。系統能夠 通過地址編碼信息能夠對訪問無線傳感器網絡的用戶身份進行確認,確保其合 法性 。隨著網絡的進一步優化發展,兩種網絡實現融合鏈接以后,互聯網中 IPv6 地址呈現海量分配,可以給每一個節點網絡通信地址,讓節點間的通信更加準確有效。三、 創新點本課題提出一種基于物聯網的具有網絡共享服務的路燈智能控制系統,該 系統可以通過二級控制終端及所轄 ZigBee 模塊,將路燈單節點上的各種信息傳 感器連接起來,并與附近二級控制終端和一級控制終端的 ZigBee 模塊構成自組 網絡,進而通過一級控制終端的嵌入式工控板將數據重新打包并通過 GPRS 模塊與遠程控制終端及網絡服務器進行數據傳輸。對解決現行城市路燈照明的智 能化水平低、檢修困難、能耗過高等問題具有一定的參考和應用價值。四、 技術關鍵和主要技術指標（1）物聯網技術構架物聯網技術架構由信息物品技術、自主網絡技術和智能應用技術構成。信息 物品技術主要指物品的標識、傳感和控制技術,也就是指現有的數字化技術。信息網絡技術屬于物理世界與網絡世界融合的接口技術。物聯網技術最大的突破就是將物理世界與信息世界結合為一個統一的通信整體,物理世界信息的感知就成為整個系統中很重要的一環。而對物理世界信息的感知最主要的技術就是傳感技術,傳感技術是溝通物理世界與信息世界的橋梁。系統通過傳感器節點感知周圍環境,產生上下級相關的信息,并通過接入網絡將這些信息傳送出去,這樣一來物理環境的任何變化就能夠被察覺,通信的對等端也可以根據環境的變化做出相應的反應。物聯網是一個泛在網絡,需要實現任意時刻任意地點的接入,就需要研究更加智能的節點和節點通信技術。在物聯網路燈監控構想中,使每一個路燈都應該是智能的,它們能處理信息、 自我配置、自我調整、獨立地做決定等等。只有每一個路燈都是“聰明的路燈” 時才可能實現真正意義上的路燈與路燈、人與路燈的通信。在本項目中,在物采用 Zigbee 無線傳感網絡和 GPRS 通訊相結合的方式完成信息傳輸。（2）無線傳感網絡技術 項目中應用無線傳感網絡和互聯網作為了系統物聯網形成的基本構架。無 線傳感網絡中應用廣泛的應用了傳感器,信息融合能夠使得但各類傳感器協同 工作,能獲取比單傳感器更多、更有效的信息,使得系統擁有高可靠性;更大的空間和時間覆蓋范圍;良好的置信度和分辨率;增加了測量空間的維數,拓寬了偵察范圍;系統生存能力強、抗毀性好。物聯網技術是物理世界和網絡信息世界進行連接的遠景技術。2、主要技術指標無線通信網絡實時采集路燈運行中的相關數據，并將這些數據及時傳送到控制中心，由控制中心來分析這些數據并做出相應的處理，然后將這些數據向無線終端發送相關的控制指令，使得路燈開關箱中接觸器能開關控制。作品的科學性先進性(必須說明與現有技術相比.該作品是否有突出的實質性技術特點和顯著進步。請提供技術性說明和參考文獻資料)能源是國家經濟發展和社會穩定的重要物質保證,同時也制約著社會經濟可 持續健康發展。能源面臨世界性的危機,中國的能源形勢更為嚴峻,實現國家節能,照明節能是有效途徑之一1。中國是世界上發電大國,也是用電大國。2002年我國發電總量為16758.2 億度,用于城市照明年耗電約為612.8億度2;2005 年我國的發電總量為22000億度,用于照明的年耗電總量約占發電總量的 10-15%;2010我國發電總量為41900億度,工業照明耗電量高達1748.2億度,相當于三峽水利發電工程年發電量 840 億度的2.08倍3。據相關數據測算,中國僅照明用電量約占全社會用電量的12%左右。如果僅僅以白熾燈全部替換為節能燈來計算,每年可節電 480 億度,相當于減少二氧化碳排放4800萬噸4。然而,隨著社會經濟的發展,中國城市化建設步伐不斷地加快,人們對城市 基礎設施的要求也逐漸提高,作為城市建設中一項重要基礎設施,城市道路照 明、燈飾工程、城市亮化工程等方面的資金投入卻日漸新高,其照明電能消耗與燈具耗損也越來越嚴重。于是,在能源供需矛盾日益突出的 21 世紀,將節能高效、綠色照明、智能監控等手段運用到城市道路照明、燈飾、亮化等工程, 實現可持續發展將成為未來城市發展的必然要求5。從現行技術來看,LED 照明的推廣、風能、太陽能等新能源已經在部分地區推廣,解決了部分能耗問題。但是,我國大部分城市特別是小城市的路燈系統仍采用早期的鐘控、光控制或 人工控制方式,其系統可靠性較低,特別是當季節、氣候變化時不能及時改變 開關時間,或者當個別路燈失效損壞或通信電纜故障時不能及時發現,不僅造成不必要的能源浪費,還給檢修維護帶來一定的困難6。針對城市照明的節能問題,各個國家相關部門都希望能夠尋求一種能智能 高效的控制方案。于是,眾多學者紛紛對路燈控制尤其是智能化控制技術展開 了深入的研究,很多新技術也不斷涌現。但對于范圍日益擴大的城市道路,現 行的人工控制、時鐘控制、光照度控制三種方式、以及很多測試路段比較先進的分布式控制和管理方式也逐漸顯得捉襟見肘,即便是已經投入路燈智能控制系統的城市,仍然會因分段開關控制方式導致三相負荷不平衡而造成某相電壓偏高得情況,降低燈具光源及電器的使用壽命78。因此,如何才能有效的解決路燈控制系統的感知能力,使監控中心能夠實時的了解各個路段運行狀況,將 成為解決這一問題的關鍵,其難點主要集中在信息通訊方面。針對上述路燈控制系統中的通訊問題,歐美日本等發達國家的相關研究起 步較早,也提出了一些比較新穎的技術,其市場化進行的比較完善,大中小城 市普及率和可靠性都比較高91011。美國先后出現了比較先進的使用嵌入基于載 波芯片的智能控制器、基于 LonWorks 技術的電子鎮流器替代低效的機械鎮流器, 構建實現單個路燈控制功能的路燈解決方案,同時在配電柜中加裝智能服務器 在網絡中起到分段控制的作用。美國另一公司作為研發無線射頻模塊的公司, 將 ZigBee 技術應用于遠程抄表系統,此技術并沒有將這種技術應用于城市路燈 照明。但是這兩種方式都有著一定的局限性:前者采用電力載波的通信方式, 其使用只能在專用變壓器、或者線路比較干凈、雜波較少的路燈線路上,同時 通訊方式本身容易吸收中頻載波信號,影響通訊質量;后者在安裝系統時需要 單獨布線,施工復雜,其一次性投入也是相當昂貴。隨著世界經濟、科技的發展,信息與通信技術的目標逐漸從滿足人與人之 間的溝通,發展到實現人與物、物與物之間的連接,即無處不在的物聯網(Internet of Things) 1213。這一概念的推出,使得物聯網的發展在全球范圍內得到了重視, 很多國家和部門逐漸開展物聯網方面的相關研究,并將這一概念應用到智能電 網、智能物流、智能農業、智能安防、智慧醫生、智能環衛、智能家居、智能 交通,幾乎滲透到了我們生活的方方面面。如果能結合智能控制、自動控制等控制方式替換老式的鐘控、光控或人工 控制,同時通過使用射頻識別、ZigBee通信模塊、GPRS/3G 網絡通訊、紅外感 應、GPS 等信息傳感設備按照約定的協議將各個路段的路燈控制器連接起來, 進行信息交換和通訊,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理,即實現路燈系統的物物相聯14,使其控制中心能夠隨時讀取運行參數和環境變化,能根據實時采集到的數據自動存儲、統計、查詢,并根據實時車流量信息、光照度條件等數據實行全夜燈、半夜燈以及路燈的節能調光控制,這樣將對解決城市照明的能耗問題、燈具設備等的使用壽命問題有著重要的實際意義,同時能夠及時準確的定位故障區域,便于檢修維護。所以,研究基于物聯網技術的智能路燈控制系統與太陽能、風能、LED 照明技術的應用同等重要,都能直接降低我國城市照明部分的電能消耗,有著重要的應用價值和廣泛的應用前景。根據市場調查，發現市場上已經有無線路燈系統的產品被制造出來了，但是使用的單片機技術。我們現研究的基于zigbee的無線路燈控制系統是在前人的基礎上運用先進的zigbee技術。使生活中的無線路燈系統更加人性化，操作更方便，資源上更節能、環保。ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個ZigBee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。所以ZigBee與移動通信的CDMA網或GSM網不同的是，ZigBee網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網絡節點不僅本身可以作為監控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。除此之外，每一個ZigBee網絡節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連接。ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內,但可以繼續增加。作為一種無線通信技術，ZigBee具有如下特點： (1) 低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低,發射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設備望塵莫及的。 (2) 成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。(3) 時延短: 通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等)應用。 (4) 網絡容量大： 一個星型結構的Zigbee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備， 一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡, 而且網絡組成靈活。 (5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙,避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式， 每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。 (6) 安全： ZigBee提供了基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能,支持鑒權和認證， 采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee嵌入式無線數據通信模塊主要特點是通訊距離遠、抗干擾能力強、組網靈活等優點和特性，強大的組網能力和傳輸性能；能在實際應用項目中發揮巨大的性能優勢，能在無線路燈遠程測控系統中性能穩定、運行良好，在實際應用項目中取得了前所未有的突破。參考文獻：1 林楷濱.大功率LED道路照明燈具的研究D.電子科技大學,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 陳乃勤. 基于GIS的路燈控制管理系統的實施策略J. 計算機應用, 2000(1):51-53. 6 翟萍,張春玲. 城市路燈控制系統的無線解決方案J.微計算機信息,2008. 7 徐浩華.路燈控制相關技術的研究D.浙江大學,2010,10. 8古碧綺,王健.基于SA99O4B的三相多功能電能表的設計J.國外電子測量技術, 2004(l):29-30. 9 方彬.城市照明監控與防盜的應用分析J.城市照明.2010,14(1):18-21. 10賀一鳴,王祟貴,劉進宇.智能路燈控制系統設計與應用研究J.現代電子技 術.2010,01:207-210. 11 于書敏,賈存良.路燈節能智能控制器的設計J.照明工程學報.2009,20(4):78-82. 12 International Telecommunication Union, Internet Rrports2005: The Internet of things 2005. 13孫其博,劉杰等. 物聯網:概念,架構與關鍵技術研究綜述J.北京郵電大學學 報,2010.6,(33)3. 作品所處階段R A實驗階段 B 中試階段 C 生產階段 D_(自填) 作品所展示的形式 實物 產品 模型圖紙 磁盤現場 演示圖片 R 樣品 錄像 使用說明及該作品的技術特點和優勢,提供該產品的適應范圍及推廣前景的技術性說明及市場分析和經濟效益預測使用說明：按照說明書進行操作（說明書暫略）1、特點優勢Zigbee是一種無線自組網技術標準，由Zigbee聯盟制定。近年來，IETF組織也針對物聯網制定了6Lowpan無線自組網技術體系，包括6Lowpan、IPv6、ROLL RPL組網路由、CoAP應用層標準，具有開放、免費、海量地址空間、與互聯網無縫集成等優勢，受到越來越多的關注，并且被Zigbee IP（智能電網）、ETSI M2M、ISA100工業標準等采納，發展迅速，很可能成為物聯網領域的事實標準。基于ZigBee技術的無線路燈控制系統能夠很好的解決傳統路燈存在的弊端，比如能耗高、管理麻煩、照明效率低等，系統通過現代信息技術以達到降低能耗、集中管理路燈、智能節電、提 高路燈使用壽命等，長期投入使用的話，能獲得很好的經期收益有了基于ZigBee技術的無線路燈控制系統，城市亮化工程將如虎添翼，相信不管是城市建設的管理人員還是城市大眾，便能很好的享受到信息發展帶來的便捷生活。2、發展前景我國將物聯網作為為戰略性新興產業予以重點關注和推進,從某種意義上 說是政策主導的。2009 年 8 月 7 日,溫家寶總理在無錫視察中科院物聯網技 術研發中心時提到:在傳感網技術的發展中,要早一點謀劃未來,早一點攻破 核心技術。不僅體現了政府對物聯網技術行業的寄托,也給物聯網的發展前景 打了一支強心劑22。2010 年 3 月 5 日,溫家寶總理在政府工作會議報告上 將“加快物聯網的研發應用”明確納入重點產業振興。國務院、發改委、工信 部等部門都在研究制定促進物聯網產業發展的扶植政策。如在北京地鐵9號線隧道施工過程中的考勤定位系統便采用的是ZigBee，ZigBee取代傳統的RFID考勤系統實現了無漏讀、方向判斷準確、定位軌跡準確和可查詢，提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高檔的老年公寓中，基于ZigBee網絡的無線定位技術可在療養院或老年社區內實現全區實時定位及求助功能。由于每個老人都隨身攜一個移動報警器，遇到險情時，可以及時的按下求助按鈕不但使老人在戶外活動時的安全監控及救援問題得到解決，而且，使用簡單方便，可靠性高。據中國電信副總工程師靳東濱介紹，預計到2015年國內物聯網市場規模將達到7500億元，年復合增長率超過30%。智慧城市建設成為運營商推進物聯網的重要落腳點。此外，工業和信息化部和財政部已設專項資金用以支持物聯網發展。據悉，2013年投入的專項資金支持預算較2012年有所增長，將超5億元。業內人士預計未來10年內物聯網會大規模普及，其產業規模將遠超互聯網。所以我們設計出來基于ZigBee技術的無線路燈控制系統一旦投入使用，就很受到社會的廣大歡迎。在今后一段時期,我國要以物聯網的發展帶動整個產業鏈的發展,實現產 業的總體化與提升,同時,借助以物聯網為主要內容的信息產業第三次城市化 進程的再一次騰飛。因此,結合物聯網特性與本質,物聯網發展將有以下幾個 趨勢:第一,物聯網,將遵循從公共管理和服務市場到企業、行業應用市場再到個人家庭市場逐步發展成熟的細分市場遞進趨勢;第二,從標準制定來看, 物聯網標準體系是一個逐漸發展的成書過程,將呈現從成熟應用方案提煉形成 行業標準,以行業標準帶動關鍵技術標準,逐步演進形成標準體系的趨勢;第三,從產業整合與產品發展來看,隨著行業應用的逐漸成熟,新的通用性強的物聯網技術平臺將出現。物聯網產業鏈可以細分為標識、感知、處理和信息傳送四個環節,每個環 節的關鍵技術分別為 RFID、傳感器、智能芯片和電信運營商的無線傳輸網絡。 因此,物聯網相關產業今后在 RFID 領域、MEMS 傳感器領域、智能家電領域、 集成電路產業領域、通訊設備制造等領域也將有較大的發展前景。專利申報情況 提出專利申報申報號_ 申報日期： 年 月 日 已獲專利權批準批準號_批準日期： 年 月 日 未提出專利申請說明: 1、必須由申報者本人填寫；2、本表可以附有研究報告,并提供圖表、曲線、實驗數據、原理結構圖、外觀圖(照片),也可以附鑒定證書和應用證書；3、作品分類請按照作品發明或創新點所在類別填表。2015年桂林電子科技大學第十四屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽校內重點項目立項作品說明書基于Zigbee技術的無線路燈控制系統項目作品說明書目錄第一章研制背景及11.1背景與調研11.2產品意義2第二章 設計方案32.1通過Zigbee技術拓撲關系設計連結系統方案 32.2通過Zigbee的CSMA/CA機制設計通信系統方案 52.3通過C/S結構、B/S結構設計交互系統方案 62.3.1基于C/S結構的交互方式 72.3.2基于B/S結構的交互方式 7第三章設計原理 83.1Zigbee技術工作原理 83.2Zigbee網絡定位引擎 83.3CC2530片上SoC解決方案 93.4Zigbee同頻抗干擾性 103.5路燈自動控制傳感器工作原理 11第四章功能技術關鍵與指標、創新點 124.1功能實現及方式 124.2技術關鍵與指標 124.3創新點 13第五章 市場與推廣 145.1特點優勢 145.2發展前景 14參考文獻 15第一章 研制背景及意義 1.1 背景與調研路燈作為城市建設和交通規劃的基礎設施，對人們的生活出行和城市功能的完善都是至關重要。目前，我國各規模和類型的城市路燈分布網絡復雜，控制系統大多采用有線的網絡布局，不僅施工復雜，靈活性差，而且存在能源浪費的問題。在路燈控制和管理上的要求日益增高并且存在的難題依然沒有解決。不僅如此，對于路燈的功能訴求也日益提高。例如，路燈定位。在廣西壯族自治區首府南寧市2012年起在城市各路燈進行了編號，為了滿足發生險情或其他事件對于定位的需求。而近年來隨著Zigbee無線技術的發展和廣泛應用，于是提出了將Zigbee技術應用于城市的路燈控制。這種方法不但方便靈活，而且無需考慮布線問題，維護簡單。并且通過與各種新型傳感器、功率控制器的結合，可以遠距離實現路燈智能控制，達到大量節約電力和能源的目的。根據市場調查，發現市場上已經有無線路燈系統的產品被制造出來了，但是使用的單片機技術。我們現研究的基于Zigbee的無線路燈控制系統是在前人的基礎上運用先進的Zigbee技術。使生活中的無線路燈系統更加人性化，操作更方便，資源上更節能、環保。中國城市化建設步伐不斷地加快，人們對城市基礎設施的要求也逐漸提高，作為城市建設中一項重要基礎設施，城市道路照明、燈飾工程、城市亮化工程等方面的資金投入卻日漸新高，其照明電能消耗與燈具耗損也越來越嚴重。于是，在能源供需矛盾日益突出的21世紀，將節能高效、綠色照明、智能監控等手段運用到城市道路照明、燈飾、亮化等工程，實現可持續發展將成為未來城市發展的必然要求1。能源是國家經濟發展和社會穩定的重要物質保證，同時也制約著社會經濟可持續健康發展。能源面臨世界性的危機，中國的能源形勢更為嚴峻，實現國家節能，照明節能是有效途徑之一2。中國是世界上發電大國，也是用電大國。2002年我國發電總量為16758.2億度，用于城市照明年耗電約為612.8億度3；2005年我國的發電總量為22000億度，用于照明的年耗電總量約占發電總量的10-15%；2010我國發電總量為41900億度，工業照明耗電量高達1748.2億度，相當于三峽水利發電工程年發電量840億度的2.08倍4。據相關數據測算，中國僅照明用電量約占全社會用電量的12%左右。如果僅僅以白熾燈全部替換為節能燈來計算，每年可節電480億度，相當于減少二氧化碳排放4800萬噸5。隨著世界經濟、科技的發展，信息與通信技術的目標逐漸從滿足人與人之間的溝通，發展到實現人與物、物與物之間的連接，即無處不在的物聯網（InternetofThings）67。這一概念的推出，使得物聯網的發展在全球范圍內得到了重視，很多國家和部門逐漸開展物聯網方面的相關研究，并將這一概念應用到智能電網、智能物流、智能農業、智能安防、智慧醫生、智能環衛、智能家居、智能交通，幾乎滲透到了我們生活的方方面面。 1.2 產品意義智慧城市是現代化城市和中國城市發展的趨勢所向，智能化和網絡化控制路燈是未來路燈控制的發展方向和必然趨勢。隨著技術的進步和城市發展的需求，無線傳感節點集成度會越來越高，價格會越來越低，路燈控制系統的功能會越來越多，路燈的自動化管理和無線通信技術的結合應用也必然會越來越廣泛。Zigbee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。Zigbee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。Zigbee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個Zigbee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。所以Zigbee與移動通信的CDMA網或GSM網不同的是，Zigbee網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個Zigbee”基站”卻不到1000元人民幣。每個Zigbee網絡節點不僅本身可以作為監控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。除此之外，每一個Zigbee網絡節點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點（RFD）無線連接。Zigbee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內，但可以繼續增加。Zigbee嵌入式無線數據通信模塊主要特點是通訊距離遠、抗干擾能力強、組網靈活等優點和特性，強大的組網能力和傳輸性能；能在實際應用項目中發揮巨大的性能優勢，能在無線路燈遠程測控系統中性能穩定、運行良好，在實際應用項目中取得了前所未有的突破。如果能結合智能控制、自動控制等控制方式替換老式的鐘控、光控或人工控制，同時通過使用射頻識別、ZigBe通信模塊、GPRS/3G網絡通訊、紅外感應、GPS等信息傳感設備按照約定的協議將各個路段的路燈控制器連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，即實現路燈系統的物物相聯14，使其控制中心能夠隨時讀取運行參數和環境變化，能根據實時采集到的數據自動存儲、統計、查詢，并根據實時車流量信息、光照度條件等數據實行全夜燈、半夜燈以及路燈的節能調光控制，這樣將對解決城市照明的能耗問題、燈具設備等的使用壽命問題有著重要的實際意義，同時能夠及時準確的定位故障區域，便于檢修維護。所以，研究基于物聯網技術的智能路燈控制系統與太陽能、風能、LED照明技術的應用同等重要，都能直接降低我國城市照明部分的電能消耗，有著重要的應用價值和廣泛的應用前景。第二章 設計方案 2.1 通過Zigbee技術拓撲關系設計連結系統方案Zigbee具有星狀型（Starnetwork）、樹狀型（clustertreenetwork）、網狀型（meshnetwork）的拓撲關系。星狀型樹狀型網狀型圖21 Zigbee拓撲關系示意圖網絡協調器全功能設備精簡功能設備網絡協調器包含所有的所有的網絡消息，是三種設備類型中最復雜，同時也是儲存容量最大、計算能力最強的一種。承擔著發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一堆節點間的路由消息、不斷地接受信息的任務。全功能設備（FFD）擔任網絡協調者，可以形成網絡，讓其他FFD或是RFD連結，FFD具備控制器的功能，可提供信息的雙向傳輸。附帶有標準指定的全部802.15.4功能和所有特征。更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網絡路由器的作用。可作終端設備。精簡功能設備（RFD）僅能傳送信息給FFD或者從FFD接受信息。附帶有限的功能來控制成本和復雜性，即通過RFD省掉了內存和其他電路的方式降低了Zigbee部件的成本，抑或通過簡單的8位處理器和小協議棧來降低成本。在網絡中通常用作終端設備。設備類型拓撲類型可否成為協調器通話對象FFD星狀、網狀、樹狀可以任何Zigbee設備RFD星狀不可以只與協調器表21FFD與RFD的設備類型比較Zigbee網絡協調器（FFD）Zigbee中繼器（FFD）Zigbee終端設備（RFD/FFD網狀結構圖22 ZigbeeMesh網狀網絡拓撲結構示意圖在路燈網絡中將以上三種設備進行有機統一，利用Mesh網狀網絡拓撲結構進行智能控制。Mesh網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能，網絡可以通過”多級跳躍”的方式進行通信；這一拓撲結構還可以組成極為復雜的復雜網絡。Mesh是一種特殊的、按接力方式傳輸的點對點的網絡結構，其路由可自動建立和維護。 通過一個Zigbee網絡只有一個網絡協調器，但可以有若干個路由器。 協調器負責整個網絡的建網，同時也可以作為與其他類型網絡的通訊節點，即擔任了網關的角色。 構成協調器和路由器的器件必須是FFD，而構成終端設備的器件可以是FFD，也可以是RFD。故而十分符合不同規模的城市交通系統之中復雜的路燈分布進行控制。在不同的道路中進行合理的RFD、FFD設備植入可以根據迎合不同的控制需求。 2.2 通過Zigbee的CSMA/CA機制設計通信系統方案Zigbee采用了CSMA/CA的碰撞避免機制，這個機制的工作原理是： 首先檢測信道是否有使用，如果檢測出信道空閑，則等待一段隨機時間后，才送出數據。 接收端如果正確收到此幀，則經過一段時間間隔后，向發送端發送確認幀ACK。 發送端收到ACK幀，確定數據正確傳輸，在經歷一段時間間隔后，會出現一段空閑時間。CSMA/CA協議的工作流程分為兩個，分別是： 送出數據前，監聽媒體狀態，等沒有人使用媒體，維持一段時間后，才送出數據。由於每個設備采用的隨機時間不同，所以可以減少沖突的機會。 送出數據前，先送一段小小的請求傳送報文（RTS：RequesttoSend）給目標端，等待目標端回應CTS：CleartoSend報文后，才開始傳送。利用RTS-CTS握手（handshake）程序，確保接下來傳送資料時，不會被碰撞。CSMA/CA通過這兩種方式來提供無線的共享訪問，這種顯式的ACK機制在處理無線問題時非常有效。通過CSMA/CA，在路燈內部控制器中的信息通信可以達到很大程度的暢通。此外，由于RTS-CTS封包都很小，讓傳送中的無效開銷變小，對成本也是可觀程度的控制。圖23 低信噪比環境中Zigbee性能對比由與Bluetooth、FSK、WIFI等技術的信噪比實驗數據可知，在低信噪比的環境下，Zigbee的性能超群。物理層RF通信鏈接： 直序擴頻采用高處理增益。 明晰的信道檢測。 對干擾能量進行檢測。 采用跳頻技術（Frequencyagility）。協議： 基于CRC的誤碼檢測/校正。 采取了避免沖突的策略CSMA/CA。 為固定寬帶的通信業務預留了專用的有保證的時隙。 發送的數據包都有待于接受方的確認，若出現問題將進行重新發送。 保持數據包的及時傳輸（Packetdatafreshness）。綜上，通過Zigbee技術的CSMA/CA機制可為路燈的通信系統提供可靠性極強的保證。2.3 通過C/S結構、B/S結構設計交互系統方案2.3.1 基于C/S的結構交互方式C/S結構即Client/Server（客戶機/服務器）結構，是大家熟知的軟件系統體系結構，通過將任務合理分配到Client（客戶機）端和Server（服務器）端，通過這種結構方式，可以降低系統的通訊開銷，實現遠程無線控制需要安裝客戶端進行管理操作。客戶端和服務器端的程序不同，用戶的程序主要在客戶端，服務器端主要提供數據管理、數據共享、數據及系統維護和并發控制等，客戶端程序主要完成用戶的具體的業務。具體的控制過程即在客PC客戶端上運行對管理程序軟件，通過局域網、Internet、GPRS對控制基站進行任務管理命令，命令再通過GPRS廣域網和Zigbee區域網進行命令響應從而完成任務管理。圖24 C/S結構系統交互示意圖2.3.2 基于B/S結構的交互方式Browser/Server（瀏覽器/服務器）結構，是隨著Internet技術的興起，對C/S結構的一種變化或者改進的結構。在這種結構下，用戶界面完全通過WWW瀏覽器實現。客戶端無需專門的應用程序也可以進行無線遠程控制，而應用程序基本在服務器端。由于客戶端沒有程序，應用程序的升級和維護都可以在服務器端完成，升級維護要更加的便捷。由于客戶端使用瀏覽器，我們可以為用戶提供更多豐富多彩的界面，以及進行深度定制的ROM或可由用戶自己進行界面和功能的針對性設計。具體的控制過程即在PC客戶端打開瀏覽器，進入對應的控制頁面即可通過交換機進入互聯網、Internet、GPRS對控制基站進行任務管理命令，命令再通過GPRS廣域網和Zigbee區域網進行命令圖25 B/S結構系統交互示意圖響應從而完成任務管理。第三章 設計原理 3.1 Zigbee技術工作原理目前幾種短距離無線網絡通信的標準中，包括IEEE802.11無線局域網（WirelessLocalAreaNetworkWLAN）和藍牙（Bluetooth）。每個標準都有其在特定領域應用的優勢，而Zigbee相對于它們主要是為低成本、低數據速率、超低功耗的無線網絡應用開發的。通過簡化通信協議和降低數據速率，Zigbee標準有助于降低應用成本。和其他的標準例如IEEE802.11相比，滿足Zigbee和IEEE802.15.4標準的最低需求相對輕松，這同時也降低了Zigbee收發器的應用復雜度和成本。占空比是指設備活躍時的時間與總時間的比值。例如，若一個設備每分鐘喚醒一次，工作60ms后繼續休眠。那么它的占空比為0.001或0.1%。在許多Zigbee應用中，了保證電池能工作數年以上，設備的占空比都在1%以下。Zigbee網絡分為4層，從下向上分別為物理層、MAC層、網絡層和應用層。其中物理層和MAC層由IEEE802.15.4標準定義，合稱IEEE802.15.4通信層；網絡層和應用層由Zigbee聯盟定義。 3.2 Zigbee網絡定位引擎應用層Zigbee聯盟網絡層安全層MAC層IEEE802.14.4物理層表31 Zigbee網絡分層示意圖我們采用的網絡定位引擎主要是以Zigbee網絡測量值為基礎，但也適用于較簡單的IEEE802.15.4網路。定位引擎會根據無線網絡里，相鄰無線裝置傳來的接收訊號強度指標（RSSI）計算自己的位置。隨著環境不同，兩臺無線裝置之間的RSSI訊號會有很大差異，舉例來說，若有人在兩臺無線裝置的中間走過，接收訊號就可能減少30dBm，為彌補這么大的差異，定位引擎最多會根據十六臺無線裝置傳來的RSSI值進行計算，以便得到精確的位置，這種做法的邏輯是利用多個節點求取平均值，即可將RSSI的變異量消除。在無線射頻網絡里，已知位置的定位引擎無線裝置稱為參考節點（ReferenceNodes），須要計算其位置的節點稱為待測節點。參考節點與待測節點之間唯一須要傳送的資訊就是參考節點的X和Y座標。定位引擎會根據參考節點傳來的訊息測量RSSI值，配合所收到的X和Y座標計算其位置。一般而言，Zigbee無線裝置只需不到1KB的程式，就能擔任Zigbee協定堆疊之上的參考節點。定位引擎能搜集三至十六個參考節點的資料，再利用這些資料計算位置，其若收到超過十六個節點的資料，會根據這些參考節點的位置排序，然后使用前面十六個節點的RSSI值。 3.3 CC2530片上SoC解決方案CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4、Zigbee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8-KBRAM和許多其它強大的功能。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。面對煩亂的路燈控制系統，我們必須得使用一個性能穩定，信息傳輸有保障，能隨時加入節點的方案，而我們現在采用的cc2530方案能夠游刃有余地解決這些問題。CC253x芯片系列中使用的8051CPU內核是一個單周期的8051兼容內核。它有三種不同的內存訪問總線（SFR，DATA和CODE/XDATA），單周期訪問SFR，DATA和主SRAM。它還包括一個調試接口和一個18輸入擴展中斷單元，能夠滿足大量數據接入，很適合使用在路燈控制系統中。系統還可以使用一個多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存儲空間訪問存儲器，因此能夠訪問所有物理存儲器。每個通道（觸發器、優先級、傳輸模式、尋址模式、源和目標指針和傳輸計數）用DMA描述符在存儲器任何地方配置。許多硬件外設（AES內核、閃存控制器、USART、定時器、ADC接口）通過使用DMA控制器在SFR或XREG地址和閃存/SRAM之間進行數據傳輸，獲得高效率操作。定時器1是一個16位定時器，具有定時器/PWM功能。它有一個可編程的分頻器，一個16位周期值，和五個各自可編程的計數器/捕獲通道，每個都有一個16位比較值。每個計數器/捕獲通道可以用作一個PWM輸出或捕獲輸入信號邊沿的時序。它還可以配置在IR產生模圖31 CC2530最小模塊原理圖式，