江苏师范大学本科生毕业设计 基于Zigbee网络的路灯监控系统设计
1 绪论
1.1 课题研究的背景与意义
随着我国城市化水平的不断提高，在推进城市公共照明工程的过程中，城市道路照明和灯饰工程等逐渐受到人们重视，照明光源和调控设备也得到迅速发展。同时，城市公共照明的迅速发展，节能环保和提高路灯照明系统的管理水平逐渐成为人们的共识。目前大多数城仍然采用传统的路灯控制技术，使用有线方式组建网络，不仅施工难度大，而且智能化程度低、通信稳定度差以及控制灵活性差等，给城市照明系统的日常维护和管理带来很大困难。近年来随着人们对短距离无线通信要求的不断提高和Zigbee技术的迅速发展，给城市路灯控制系统提供了新的技术解决方案，而将Zigbee技术应用于路灯控制系统也逐渐成为人们新的研究课题。
Zigbee技术是一种面向低传输速率的近距离无线通信技术，具有低功耗、低成本、低复杂度、抗干扰能力强、网络容量大等特性[1]。作为一项新的技术标准，Zigbee技术的发展前景极为广阔，因此获得了众多大公司的支持。Zigbee协议栈是由IEEE批准通过的有关组网、安全和应用软件的技术标准。随着各种支持Zigbee协议芯片的推出，该技术已被广泛应用于数字家庭、医疗护理和环境监测等领域。从路灯控制系统的成本、智能化、可靠性和可维护性等方面考虑，结合路灯控制的实际应用需求和Zigbee技术的自身特点，本课题设计了一套基于Zigbee网络的路灯监控系统，对路灯进行远程数据采集、控制与调节，提高路灯控制系统的管理水平，实现根据实际需要开关路灯。
1.2 路灯控制技术的研究现状
道路照明系统的控制技术直接影响着系统的管理水平和照明系统的节能效果，很早就得到许多国家尤其是一些欧美发达国家的重视，并提出多种不同的解决方案。国内对道路照明控制技术的研究较少，但近年来得到迅速发展。为解决
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不同场合的实际照明需求，人们研究出各种不同的控制方式，主要为光照控制、集中监控、和单灯控制[2]。
目前应用最多的转同控制方法依然是光照控制和事件控制，在一些乡镇地区仍然广泛使用。传统控制方式有着很大的弊端，无法根据实际需要及时对路灯的开关进行控制，工作人员也无法及时了解路灯工作状况进行及时的维护，且故障率高维修困难。随着城市化化进程的不断推进，人们对照明要求也越来越高，照明范围越来越大，现行控制方式已无法满足当下对道路照明系统的智能化管理。
目前国内很多城市路灯的开、关控制仍由配电箱分散控制，很少对路灯进行远程监控，缺乏灵活多变的操作方式，无法根据实际需要开关路灯，很多时候造成能源浪费，因此寻在着一系列的问题：
（1） 通信系统采用有线方式布局，系统复杂，管理困难。
（2） 照明系统覆盖范围广，工作人员难以及时有效的进行维护，效果不理
想。路灯运行状态不能及时反馈到控制中心，无法及时维护，当路灯发生故障时，给行人也带来不便。
（3） 无法根据实际需求开关路灯，造成能源浪费。
（4） 存在安全隐患，工作人员无法及时掌握路灯情况，无法保障安全。 针对上述传统控制技术存在的缺点，利用ZigBee技术与LED路灯的结合能很好解决路灯的监控和节能问题。主要原因如下：
（1） ZigBee技术的网络容量大且组网简单，理论上拥有一个协调器的网
络可拥有多达65535个节点，每个路由器也能容纳255个节点。这和其他技术相比拥有极大的优势。一般情况下，一个区域的路灯用一个协调器及可进行控制。
（2） 在对路灯进行监控时，需要进行传输的数据不多，只需要每隔几分钟
发送一次数据即可。
（3） ZigBee网络是一种自组织网络，网络拓扑结构可以根据实际需要随
意变动，而且ZigBee网络具有自愈功能，网络不会因为一个或几个节点失去联系而瘫痪。
（4） Zigbee技术的低功耗、低成本、低复杂度和网络容量大等特性成为路
灯控制系统的最佳技术方案，而且可以在监控中心对路灯进行远程无
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线控制，操作更加灵活。
1.3 论文的组织和安排
第一章 绪论。介绍课题研究背景及意义，以及国内外研究现状。阐述本设计具有的经济和环保意义及市场前景。在研究了国内外研究现状的基础上，总结出路灯控制技术的发展趋势。 第二章
Zigbee技术及应用。详细介绍本设计所采用的技术方案，阐述了
Zigbee协议栈、拓扑结构及应用领域等，对Zigbee体系结构进行了详细的介绍。 第三章 Zigbee技术开发使用的硬件平台。详细介绍了本设计所采用的硬件平台，对CC2430的功能及格引脚进行介绍。
第四章 路灯监控系统的硬件设计。在分析应用需求的基础上，设计硬件实现方式，包括光敏检测电路、支路控制电路、路灯工作状态检测电路等。 第五章 软件流程图设计。该部分有助于理解整个系统的工作过程，主要从协调器、路由器以及终端设备三个方面，详细介绍了路灯的信息采集和控制过程。 第六章 结论与展望。总结整个系统的设计过程及功能，针对系统目前功能上的不足与缺点，对进一步完善与改进进行了探讨。
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2 Zigbee技术及应用
2.1 短距离无线通信技术的比较
目前，用于短距离无线通信的技术主要有RFID技术、蓝牙技术、红外技术、
UWB超宽带技术以及Zigbee技术等。
2.1.1 REID技术
射频识别技术是一种非接触自动识别技术。该技术利用射频信号通过交变磁
场实现无线接触进行数据传输，并根据传递的信息来识别的目的。RFID技术不需要精确定位即可以实现对大量数据进行实时采集、传递、核对、更新等，避免人为操作中的错扫、漏扫和重扫等差错。
2.1.2 蓝牙技术
蓝牙技术（Bluettooth）是一种语音通信与无线数据的开放性全球规范。
蓝牙技术的工作频率为2.4GHz,其数据有效传输范围在10m左右。在有效通信范围内，所有使用蓝牙技术的多台设备都可以进行无线联网，数据传输速度大约1Mb/s。随着蓝牙技术的逐渐成熟、芯片价格以及功耗不断降低，蓝牙技术已经成为许多手持设备主要的短距离通信方式。
2.1.3 红外技术
IrDA(红外线)是一种使用红外线进行点对点通信的无线通信方式，该技
术的主要优点是不需要申请频率使用权，故红外通信成本低。此外，红外设备还具有体积小、功耗低、连接方便以及操作简单的特点。红外技术的不足之处在于这是一种视距传输技术，两个通信设备之间不得有其他物体，否则无法完成通信，所以该技术只能在两台设备之间进行通信。
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2.1.4 UWB超宽带技术
UWB（Ultra Wide Band，超宽带技术）是一种新发展起来的短距离无线
通信技术。它通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。由于该技术未采用载波调制技术，因此无需混频、过滤和射频/中频转换模块，从而实现低成本、低功耗和高宽带性能。理论上的有效通信距离为5m-10m，瞬时速率甚至可达1Gbp/s，实现高速率通信。
2.1.5 Zigbee技术
Zigbee技术是新近提出的一种短距离无线通信技术，该技术具有功耗
低、成本低、网络容量大且组网简单等特点。与蓝牙技术相比，Zigbee技术因其更低的功耗和更大的网络容量等特点必将获得更为广阔的发展前景，由于其具有更高的可靠性，该技术在工业控制、智能家居以及安全系统等方面有着广泛的应用。
通常情况下，通信设备的成本和复杂度都会随着通信距离和网络容量的
增加而增加。本文通过对现有无线通信技术的优缺点进行比较，鉴于本设计要求低功耗和无线组网的要求，我们采用Zigbee技术作为本文的技术方案。
2.2 Zigbee技术简介
随着人们对通信的要求越来越高，人们提出了在短范围内的无线通信要求，于是就出现了个人区域网络（Personal Area Network:PAN）和无线个人区域网络（Wireless Personal Area Network:WPAN）的概念[3]。WPAN网络为近距离范围内的通信设备组建无线网络，把通信范围内的多个设备通过无线连接方式连接，使这些设备之间可以互相通信甚至接入LAN或者互联网。Zigbee技术则作为一种低成本、低功耗的近距离无线通信技术得到了快速发展。
目前，Zigbee标准由Zigbee联盟来维护，采用这一标准化的无线通信技术有如下优点：
（1） 各种不同功能的无线网络节点要能互相交流、互相沟通，就需要保证