论文研究-基于ZigBee和GPRS城市路灯联网控制网关设计与实现 .pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.44M 资料格式：pdf 举报版权申诉

weixin_39840914-11569298-4744300845170670401.pdf-第1页.png

第1页 / 共8页

weixin_39840914-11569298-4744300845170670401.pdf-第2页.png

第2页 / 共8页

weixin_39840914-11569298-4744300845170670401.pdf-第3页.png

第3页 / 共8页

weixin_39840914-11569298-4744300845170670401.pdf-第4页.png

第4页 / 共8页

weixin_39840914-11569298-4744300845170670401.pdf-第5页.png

第5页 / 共8页

weixin_39840914-11569298-4744300845170670401.pdf-第6页.png

第6页 / 共8页

weixin_39840914-11569298-4744300845170670401.pdf-第7页.png

第7页 / 共8页

weixin_39840914-11569298-4744300845170670401.pdf-第8页.png

第8页 / 共8页

文本预览

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 ZigBee 和 GPRS 城市路灯联网控制网关设计与实现张昌浩1，杜庆朋2，权循华2，丁保勇1，董玉德1** （1. 合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009； 2. 合肥大明电子科技有限公司）摘要：采用 STM32 为核心处理器开发了基于 GPRS 网络和 ZigBee 网络的城市路灯联网控制网关，重点研究了路灯通过 ZigBee 自组网智能控制部分。利用 GPRS 技术将路灯实时运行数据远程传输到监控中心，实现了路灯运行状态实时监测，网关开关灯自主控制，设备故障状态自动上报，设备远程升级和短信报警等功能。解决了传统路灯控制层次单一，路灯故障不能及时发现等问题。通过实践运用：网关可任意时间批量升级，故障报警在 30 响应，通信可靠性满足监控要求。关键词：网关;GPRS 网络;ZigBee 通信;照明系统中图分类号：TP391 Based on ZigBee and GPRS Network Control Gateway City Street Lamp Design and Implementation ZHANG Changhao1, DU Qingpeng2, QUAN Xunhua2, DING Baoyong1, DONG Yude1 (1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 2. HeFei Fitbrtght Electronic Technology CO., LTD) 230009; Abstract: Using STM32 as the core processor is developed based on GPRS network and ZigBee network control gateway city street light network, street lamps are researched through the ZigBee network networking intelligent control part.Using GPRS technology to street lamp remote real-time data transmission to the monitoring center, the street light running status real-time monitoring autonomous open to turn off the lights and gateway control, equipment failure status automatically report, equipment remote upgrade and SMS alarm, etc.Solve the traditional street lamp control level of a single, street lamp fault is not found in time.Through practical application, the gateway can be arbitrary time batch upgrade, fault alarm response within 30 seconds, communication reliability monitoring requirements. Key words: Gateway;GPRS Network;ZigBee communication;Lighting system 5 10 15 20 25 30 35 0 引言道路照明作为城市重要的基础设施之一，是城市管理的重要内容，体现了一座城市的发展水平，并且与城市居民生活质量紧密相关。近几年来，随着城市规模的不断扩大，城市道路照明暴露了很多问题，主要表现在如下几个方面： 1、智能化程度低，路灯亮度和照明需求成反比，光污染严重。 40 路灯照明亮度与供电网络负载成反比，根据城市居民用电高峰时刻，道路行人较多，路灯亮度普遍较低，而深夜供电负载减少时，道路照明格外明亮，光污染严重，同时造成电力资源的严重浪费。作者简介：张昌浩（1990-），男，研究生，主要研究方向：计算机通讯，嵌入式系统设计与开发通信联系人：董玉德（1966-），男，教授，主要研究方向：计算机辅助设计与计算机图形学、制造业信息化、嵌入式. E-mail: dydjiaoshou@126.com - 1 -

中国科技论文在线 2、控制范围层次性差，故障维护不及时。 http://www.paper.edu.cn 目前国内许多城区，为方便统一控制，全部照明路灯共用一个控制开关，造成单个路灯 45 故障无法单一维护，控制层次性差。同时单个控制开关对特殊状况的安全防护不够妥当，如：当出现单个路灯短路，可能造成整个开关电路出现故障，维护成本相当巨大。 3、防盗措施不够健全，电缆盗窃事件频发。随着城市建设规模的不断扩大，城郊居民相对稀少，监管不够到位，路灯供电电缆被盗事件频繁发生。 50 4、通信距离短，电磁干扰严重，可靠性差。目前部分城市已有照明工程多采用电力载波技术实现单灯与网关的数据传输，由于供电网络稳定性差，信号传输过程中干扰严重，造成可靠性较低；另外，电力载波通信在通过变压器时信号衰减严重，通信范围严重受限，实际工程应用效果不够理想。针对当前城市路灯照明存在的问题，依据物联网设计思路，开发了城市道路智能照明系 55 统，并重点阐述了采用 ARM 系列 STM32F103ZET6 处理器、SIM900A GPRS 模块、ZigBee 中心模块设计的远程路灯联网控制网关。该网关设计成本低，可扩展性强，完全满足离散路灯的自动组网管理，具有较大的推广平台和应用空间。 1 照明系统概述系统硬件架构如图 1 所示，底层是数据采集和执行部分，主要通过数字化镇流器实时采 60 集路灯的电流、电压、功率，并控制路灯以平稳的功率运行，ZigBee 子模块将采集的运行数据通过自组网络上传至网关；网关层是单个路灯的交点中心，负责全部路灯运行信息的汇总和异常判断；中间层为通信网络层，由 GPRS 网络通过移动基站转接到 Internet 网络，实现数据的远程传输[1-2] ；服务器层为系统运行数据的处理中心，负责全部数据的存储和信息的交互；上层为客户端监控，其在 Visual Studio 2008 开发平台，借助 JqueryEasyUI 前端框 65 架和百度电子地图 API 构建实时监控界面，供客户端实时海量加载路灯数据，实现城市照明路灯的可视化。图 1 系统框架 Fig.1 Structure of System - 2 - 运行状态：主运行温度： 30 。C调光值： 90 灯功率： 180 W灯电压： 220 VPFC电压： 430 V灯电流： 1.2A时间：2015-03-12运行状态：主运行温度： 30 。C调光值： 90 灯功率： 180 W灯电压： 220 VPFC电压： 430 V灯电流： 1.2A时间：2015-03-12网关ZigBee网络中继路由中继路由GPRS服务器客户端通信网络路灯路灯路灯路灯路灯路灯路灯ZIGBEE自组网络传输数据类型

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 70 2 硬件结构网关是由 STM32F103ZET6 微控制器、GPRS 通信模块、ZigBee 中心模块以及外围电源电路、复位电路、串口程序下载模块等组成，其架构如图 2 所示。STM32F103ZET6 微控制器是网关的控制中心，负责路灯运行数据的汇总上报，控制指令的解析响应，单灯运行策略广播和日出日落时间计算等功能；GPRS 模块是实现运行数据远程传输的关键模块，其采用 75 APN 数据专线保证了数据传输速率和通信网络可靠性；ZigBee 中心模块是路灯自组网络的中心，全部路灯运行数据均通过底层的 ZigBee 子模块星型网络拓扑结构，中继传输到中心模块供 STM32F103ZET6 微控制器处理分析。 80 Fig.2 The Gateway Hardware Structure Diagram 2.1 STM32F103ZET6 微处理器图 2 网关硬件结构图 STM32F103ZET6 是基于 ARM Cortex-M3 核心的 32 位微控制器。其自带的 512K FLASH 内存和 64K RAM 内存，为网关多层次控制路灯所需的索引信息提供了充足的存储空间。网关采用处理器片内的 BOOT 区和 CH340 转换芯片进行程序的串口下载和调试；采用片外 8M 85 高速晶振，用于 CPU 的实时时钟。网关外置备用锂电池，在供电网络出现断电后，可维持网关长达 8 个多小时的正常运行和与服务器的实时通信。芯片高达 72M 的频率加快了网关对当天日出日落时间计算、光照度采集、实时查询和异常报警的处理，极大的缩短了远程路灯故障的响应时间。芯片多达 80 个 IO 口，增加了交流继电器的外接个数，为多回路控制路灯提供了可能性，同时对网关功能扩展和后期维护升级提供了充足的开发空间。 90 STM32F103ZET6 处理器对路灯运行数据进行实时采集和集中上报，其 FLASH 存储区存储了相同 ZigBee 频点下的全部路灯基本信息，为路灯多层次控制提供了唯一索引。 2.2 ZigBee 模块 ZigBee 模块控制核心采用 CC2430 微控制器，其内置扩频调制解调模块，数据通信速率可达 250Kbit/s[3-4]。CC2430 提供了高级加密标准的密码协调器，利用 AES 协处理器完成加密操作，有效保证了自组网内数据传输的安全性。其硬件结构如图 3 所示。 95 图 3 ZigBee 模块 Fig.3 ZigBee Module ZigBee 网络通信为双向无线通讯技术，它具有成本小、功耗小、复杂度低、稳定性高 - 3 - STM32F103ZET6SRAM FlASH电源晶振GPRS模块（SIM900A）Zigbee中心模块路灯回路控制模块复位电路USART1USART3电量采集模块USART2调试串口UART4CC2430 MCU系统时钟电源复位电路天线UART

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 100 等特点。ZigBee 网络容量大，采用星型拓扑结构的 ZigBee 网络节点可支持 255 个设备[5-6]；在自组网条件下，通过 ZigBee 节点的中继路由作用，完全满足单个网关控制的路灯数量。 ZigBee 模块根据节点作用不同可以分别配置成中心节点（网关中）、路由节点（路灯中）、终端节点（路灯中）三种模式。路由节点除了具有终端节点全部功能外，还起到中继路由的作用，负责向中心节点转发路灯实时运行数据，其网络拓扑结构如图 4 所示。 105 2.3 其他模块图 4 网络拓扑图 Fig.4 Network Topology 路灯回路控制模块是多层次化控制路灯的回路层，它是根据路灯在实际电网中的分布定 110 义而成，其示意图如图 5 所示。每个回路都有交流继电器作为开关，并通过光电耦合器与微处理器连接，提高了微处理器的安全性和抗干扰能力，有效防止了回路大电流对处理器的损害，降低了故障维修成本。 115 图 5 回路示意图 Fig.5 Circuit Diagram 调试串口模块是网关软件调试部分，其利用 STM32F103ZET6 芯片的 Boot 区，通过配置 Boot1 和 Boot0 两个引脚的高低电平和复位键实现程序的下载和调试。另外通过串口调试部分还可以实现网关参数配置，如网关地址、IP 地址，端口号，发送全部控制指令和连接手持设备终端等。 120 3 软件结构及关键问题研究网关软件采用模块化设计思路，主程序中主要包括实时数据查询模块和连接服务器模块两部分，而指令处理模块、远程升级模块、广播策略等模块均采用中断方式执行。其程序流程如图 6 所示。 - 4 - 终端节点终端节点ZIGBEE中继ZIGBEE中继网关（中心节点）公路公路回路一回路二回路三回路四网关

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 125 图 6 程序流程图 Fig.6 Program Flow Chart 3.1 连接服务器网关向服务器采用长连接的方式，为防止网关长连接出现异常中断，网关定时向服务器发送“心跳帧”。通过 STM32F103ZET6 微处理器向 GPRS 模块发送 AT 指令，建立网关与服务器的数据传输链路[7-8]。 130 当网关与服务器建立连接后，GPRS 网络异常中断会造成 GSM 模块无法正常收到 “CLOSED”应答指令，AT+CIPSTATUS 状态仍为“CONNECT OK”。此时，网关以此连接向服务器传送的数据将全部丢失。为使网关快速检测到这种‘虚连接’现象，采用两种有效方法：其一，网关采用判断 TCP/IP 应答的方式，即当网关上传数据后，延时等待服务器成功接收 135 数据的 TCP/IP 应答，以此判断当前连接是否正常。其二，服务器定时向全部网关发送固定数据，网关在规定时间内没有接收到服务器数据即判定该连接出现异常，继而网关重新连接服务器。 3.2 查询单灯数据 STM32F103ZET6 微处理器通过控制 ZigBee 中心模块，定时向 ZigBee 自组织网络内的 140 全部路灯遍历发送查询路灯运行数据指令，底层的 ZigBee 子模块接收到指令后将当前路灯的实时信息（电压、电流、功率、运行状态等）上传给网关。为保证每盏路灯的信息都能够查询成功，增加 ZigBee 通信的可靠性，ZigBee 中心模块向每个 ZigBee 子模块都有三次查询机会。网关接收到实时查询的路灯数据，进行自动比较判断当前状态和功率变化情况决定 - 5 - 初始化采集接触器闭合指令类型上传中断1中断2是广播路灯当前运行策略路灯当前运行策略与设定值是否相同关灯前1小时否查询路灯运行状态是满功率运行是否接收指令是否开关灯采集调光参数下载回路控制设备复位校时设备升级报警短信网关地址查询解析更改时间成功正常应答异常应答手机号码报警内容发送给单灯接收执行完成应答暂存到FLASH区接触器状态变化打包网关地址帧解析写入FLASH区注册表下载完成覆盖原有程序复位复位否是自动上传时间状态变化否是是否连接是否正常是连接服务器重传否中断3是否

中国科技论文在线是否上报到服务器。其逻辑结构如图 7 所示。 http://www.paper.edu.cn 145 3.3 指令处理图 7 单灯数据查询流程 Fig.7 Single Light Data Query Process 根据实际路灯控制需求，系统中的控制指令分为校时指令、参数下载指令、策略下载指 150 令、即时控制指令、网关升级指令等。由于客户端对路灯控制的随机性，同一网关可能在较短时间内接收到不同的控制指令。为防止网关因接收控制指令间隔较短，接收到粘合在一起的控制指令，造成控制指令的误判，网关采用 STM32F103ZET6 微处理器中的 DMA 控制器，以“环形”缓冲器管理 GPRS 模块与存储器之间的高速数据传输，其执行过程不需要 CPU 控制，节省了大量的 CPU 资源。同时也提高了远程升级指令和策略下载指令的响应速度和执 155 行效率。 DMA 控制器为保证数据传输的可靠性，采用 DMA 仲裁器协调各通道请求优先权和应答信号方式，即 GPRS 模块接收到控制指令，向 DMA 控制器发送请求信号，DMA 控制器应答释放请求，同时 DMA 仲裁器根据优先权协调数据的转存处理。指令处理流程如图 8 所示。 160 3.4 短信报警图 8 指令处理流程图 Fig.8 Order Processing Flow Chart 短信报警是对设备运行异常时的处理模块，报警类型根据设备类型不同可分为单灯、网 165 关、服务器三种。单灯范围报警：输入过压、温度异常、灯管寿终、输出短路等；网关范围报警：连续灯不亮（盗窃电缆）、控制柜打开、控制柜异常掉电等；服务器范围：通信软件 - 6 - 查询单灯数据有应答查询次数>3接收数据当前状态是否变化功率变化范围>=5W上传数据到服务器下一盏同一盏存入注册表否是否否是是否是GPRS接收指令请求DMADMA控制器释放请求根据优先权读取指令到“环形”缓冲区主程序查询判断指令个数N初始化i=1i=i+1i>N执行结束是否成功执行正常应答异常应答否是是有指令中断

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 无响应，网关长时间掉线等。其实现原理：通信软件将网关上传的数据解析存储到数据库，并判断当前状态是否发送故障报警短信。若出现异常，通信软件向网关发送相应的手机号码和报警内容指令，网关接收到报警指令后采用文本模式，向指定手机发送报警内容。 170 3.5 远程升级网关远程升级功能为设备集中维护和功能扩展提供了一种有效途径，其采用上位机广播下载升级程序的方式，完成远程设备的批量升级。升级软件如图 9 所示，其基于 Delphi7 平台开发，采用 TCP/IP 通信协议方式，可以对网关核心模块、网关电量模块和镇流器模块分别升级。其实现原理：升级软件将 Keil 编译软件生成的 Hex 文件加载到内存，按照先后顺 175 序以严格的通信协议格式发送给网关。图 9 升级软件 Fig.9 Upgrade the Software 为保证所有设备升级过程中正常运行和升级软件运行的可靠性，网关采用固化引导程 180 序，可擦除应用程序的方式，即当网关接收到升级程序（hex 文件）时，将接收到的数据暂存到缓冲区，等全部升级程序传输完成后，网关通过固化引导程序将升级程序覆盖当前运行程序。其实现程序图如图 10 所示。 185 Fig.10 Figure The Upgrade Process 图 10 升级程序图 4 结论本文给出了基于 ZigBee 和 GPRS 远程路灯控制网关设计开发过程。其是将离散路灯集中处理的终端设备，采用 ZigBee 自组网技术可以将一定范围内的设备自动组网集中管理， - 7 - 接收升级应答数据升级接收升级程序传输完成引导程序调用覆盖原有程序应答复位初始化参数运行否是

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 为物联网开发提供了一种思路。采用 GPRS 网络，极大的降低了远程设备控制线路成本，弥 190 补了 ZigBee 网络通信距离短的问题。 ZigBee 组网离散设备，GPRS 网络将设备运行数据远程传输到控制中心进行分析处理实时监控，为在有害工作环境下，实现全自动远程管理提供了可能性。 [参考文献] (References) 195 200 [1] 岳学军 , 王叶夫 , 刘永鑫等 . 基于 GPRS 与 ZigBee 的果园环境监测系统 [J]. 华南农业大学学报,2014,35(4):109-113. [2] 张慧颖. 基于物联网的温室大棚智能监测系统设计[J]. 湖北农业科学, 2014,53(14):3402-3406. [3] 王作成, 摆玉龙. 基于 ZigBee 的智能车库系统研究与实现[J]. 测控技术, 2013,32(1):69-71. [4] 郭涛, 严家明. 基于 CC2430 的 Zigbee 无线数传模块设计[J]. 微处理机, 2010,31(4):105-108. [5] 田亚. 基于 ZigBee 无线传感器网络系统设计与实现[D]. 上海：同济大学, 2007. [6] 杨世超. 基于 CC2430 的 ZigBee 节点设计及 MAC 层协议改进[D]. 上海：上海交通大学,2012. [7] 王明玉, 董浩, 王建. 基于 GPRS 的车载故障诊断网关的设计与实现[J]. 汽车工程,2009,31(10):999-1003. [8] 陈昊, 王举. 野外环境下基于 ARM 的无线传感器网关系统设计[J]. 西北大学学报,2012,42(3):355-358. - 8 -

分享到：

赞收藏

资料库

论文研究-基于ZigBee和GPRS城市路灯联网控制网关设计与实现 .pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料