ZigBee在旅游景区照明监控系统中的应用

摘要：为了提高旅游景区照明监控的可靠性和高效性，采用ZigBee技术与GPRS技术相结合的方法，构建了旅游景区照明监控系统实现方案。通过组网测试实验，验证了ZigBee网络可靠的数据传输性及自配置等特性。
关键词：ZigBee；景区照明；GPRS；协调器

0 引言
    随着生活水平的提高以及城市生活压力的增大，旅游已经成为人们放松的一种主流方式，回归大自然正是时下旅游的一大趋势，景区夜景的建设也逐渐成为吸引游客的一大砝码。景区夜间照明不仅要保证游客夜间通行安全，而且还要使景区照明成为一道靓丽的风景线。目前大多景区照明多采用布线控制整个景区照明系统，这给施工和维护带来了巨大的难度，特别是一些地形复杂，地道险峻的自然风景区，维护起来需要耗费大量的人力物力。
    ZigBee由于具有省电、可靠、成本低、延时短、网络存储大、安全、自配置等特点，从而非常适合于分散的多节点、可靠性高、低数据流量的通讯系统。将ZigBee与GPRS通信技术结合，应用于景区照明监控系统中，解决了系统布线难和耗材高等问题。监管部门可通过软件设置绚丽、省电等多种复杂的变换模式，既能亮出景区的魅力又可在特定时段达到节约能源的目的。通过单盏灯的电压等信息可以定位发生故障的灯具，省去了巡灯工作，提高了维护管理效率。而且ZigBee还具有组网方式灵活、可扩展性强等特点，方便景区扩建开发等。

1 景观照明监控系统总体实现方案
    本文通过采用ZigIlee技术和GPRS技术搭建了一个无线传感器网络，系统总体结构如图1所示，主要由单灯控制器、协调器和上位机三部分组成。照明监控系统由上位机为起点发出命令，通过GPRS网络传输给协调器，再由协调器分析处理接收到的数据并转发给整个ZigBee网络中的每一个网络节点(单灯控制器)，网络节点接收处理数据之后对灯具作出响应的控制操作，这种由监控主机发起的数据流称之为下行数据。相反，ZigBee网络可以定期向协调器进行反馈信息，再由协调器反馈给监控中心，从而作出相应的措施，此数据流则称之为上行数据，整个操作流程的实现便可以达到监控中心对整个照明系统远程监控的目的。

1．1 协调器硬件设计
    考虑到成本，控制能力，可移植性以及可靠性等方面的因素，该系统协调器硬件设计采用双MCU结构，其硬件体系结构如图2所示。MCUA作为协调器节点的核心处理器，主要负责接收、处理和转发来自MCUB和GPRS模块的信息；MCUB作为协调器节点，负责汇集整个ZigBee网络其他节点的信息转发给MCUA，或转播来自MCUA的命令给ZigBee网络；GPRS模块则负责MCUA与监控中心之间的无线传输，从而实现监控中心对网络的无线监控，三个模块之间采用串口进行通信。

    其中，MCUA采用了TI公司的低功耗微处理器MSP430F149，它是一款16位单片机，具有正常工作模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0～LPM4)，可以方便地在各种模式之间进行切换，该单片机拥有2个串口(USART0，USART1)，能满足协调器硬件设计对串口数量的需求。
    MCUB采用Chipcon公司推出的无线射频模块CC2430，能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2．4 GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求，该模块内嵌了一颗可编程的工业级8051控制器，使之能满足路灯监控系统的监控需求。
    GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM300，它是小体积即插即用模组中完善的三频／四频*GSM／GPRS解决方案，使用工业标准界面，使得具备GSM／GPRS900／1 800／1 900 MHz功能的SIM300以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输，内嵌强大的TCP／IP协议栈，具备双串行通信接口，方便开发使用。
    硬件设计的关键是三个模块之间的无缝链接。由于MSP430F149芯片的供电电压为5 V，而其他两个模块均为3．3 V，为防止连接时烧坏芯片，本设计采用了电平转换芯片74LVC4245，解决了不同模块之间在逻辑电平不同情况下的接口问题，电平转换电路如图3所示，设计中保留了5 V电压的使用，采用短路冒的方式进行选择。

1．2 软件设计
1．2．1 无线组网软件设计
    本文以ZigBee 2006协议栈为软件平台，构建了一个星型无线数据传输网络，协调器作为ZigBee网络的组建者，而终端节点与协调器一起作为网络的维护者，两者的工作流程图如图4所示。

    协调器开始工作之前，首先对ZigBee协议进行初始化，应用程序通过MAC层发送“扫描请求”原语(MLME-SCAN．request)开始进行能量扫描，检查其周围有无其他的ZigBee网络存在；然后等待MAC层的能量扫描结果，若在扫描过程中找到一个没有被其他PAN使用的信道，则PAN标识符可以任意选择，若不得不和其他PAN共用信道，则所选信道不要与同信道中其他PAN标识符相冲突，网络地址则可任意选择，可在程序中设定；最后启动协调器并通过“网络构建请求”原语(NLME-NETWORK-FORMATION．request)构建一个ZigBee新网络，在“允许入网”请求和证实原语(NLME-PERMIT-JOINING)定义了允许终端节点加入网络之后，节点设备方可入网，并为加入的终端节点分配16位的短地址。随着终端设备的连接，PAN就建立起来了，随后就可以进行数据的传输了。
    终端节点与协调器建立连接之前，同样首先初始化ZigBee协议，节点通过“网络发现”原语(NLME-NET-WORK-DISCOVERY)发现网络之后，再通过主动扫描或被动扫描方式获得PAN的信息，首先检查PAN描述符中的coordAddrMode，以确定协调器的地址模式，并根据地址模式从coordAddress[8]中获得协调器地址，记录使用的信道，最后检查gtsPermit确定协调器是否接受设备的连接请求，确定之后便可发送“设备入网”请求(NLME-JOIN．request)与协调器建立连接。
    基于对TI Z-Stack协议栈的分析，TI Z-Stack是一个基于轮转查询的操作系统，主函数通过osal_start_system()函数调用(taskArr[idx])(idx，events)函数来执行具体的处理函数，taskArr[]是一个函数指针的数组，可根据不同的idx执行不同的函数。因此在该系统的协调器软件设计中只需要在操作系统OSAL的框架结构的基础上，新建两个任务Task_ZigBee，Task_MSP430，一个UART接收中断服务程序，当有ZigBee上行数据时，Task_ZigBee接收底层发来的数据，并经过ZigBee协议进行数据解包，然后唤醒Task_MSP430，该任务通过RS 232接口发送消息给MSP430单片机；当有下行数据时，MSP430单片机接收来自SIM300的串口数据后，产生串口中断，然后唤醒TasK_ZigBee，通过ZigBee协议封装，并调用功能函数将数据通过ZigBee网络发送出去。
1．2．2 GPRS软件设计
    为了缩短开发流程，GPRS模块选用的是内置TCP／IP协议的SIM300，在实际开发中省去了在MSP430中处理TCP／IP协议的流程，而只需要利用AT指令即可实现GPRS网络的连接、数据的发送和接收等。GPRS模块在上电复位之后，首先对工作模式、通信波特率、接入网关等进行初始化设置，然后，发送拨号命令与基站服务器建立连接，之后，通过点对点协议(PPP)协商得到系统本地IP，待登录成功后通过加载数据传输协议实现与监控中心计算机的SOCKET连接，在实际操作中通过“AT+CIPSTART=TCP”，“10．2．42．10”，“2020"指令连接到监控主机的IP地址(其中“10．2．42．10”是监控主机的IP地址，“2020”是网络端口号)，然后再通过指令“AT+CIPSEND”开始传送数据。

2 实验结果分析
    实验中，组建了一个5节点的小形星型无线网络，并按照下列步骤做了相应的实验：
    (1)将没有连接GPRS模块的协调器与PC机串口相连，其他节点分布在实验室各个角落，由PC机的串口调试助手发送程序设置的命令给协调器，协调器显示命令状态并亮起小灯，紧接着其他的终端节点也亮灯，并稳定的持续着；移动其中一个节点到室外，同样能收到协调器发送的数据。实验现象说明所建立的ZigBee网络在室内表现出较稳定的传输性。
    (2)将5个节点分别分散地布置室外，将协调器放置在与每个节点大概距离在50～200 m不等的位置，当给设备上电之后各个终端节点小灯闪烁，说明入网成功；将其中一个ZigBee节点移到超出ZigBee网络覆盖范围的地方，又重新回到覆盖范围，仍能继续工作；关闭其中任何一个节点再打开，能立即入网工作；由监控主机发送开灯命令，实验现象同上。该实验结果有效验证了ZigBee无线网络良好的自组织和自愈特性。网络协调器与实验现象如图5所示。

3 结论
    ZigBee技术具有低速率、短距离、多节点、自组网、组网灵活等特点，结合GPRS网络通信数据大、覆盖广泛、距离长等优势，达到功能互补。两者共同组建的系统网络表现出稳定的传输性且时延短，应用在景区照明监控中有助于提高监控的高效性，并能通过软件设置达到各种照明效果，既可达到景观照明效果，又能避免不必要的用电浪费，实现节能的目的。