引言

路燈和景觀燈是城市夜晚一道亮麗的風景線，也是城市中必需的公用照明設施。城市照明監(jiān)控系統(tǒng)是一種監(jiān)測與控制的集成系統(tǒng)。一套高效的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)可以節(jié)省大量的人力物力。但目前，我國城市照明監(jiān)控技術(shù)還比較落后，存在很多問題。主要表現(xiàn)在目前的城市照明燈光大多采用分散手控和時控的方式，即在路燈配電箱中安裝定時器，按預定的時間自行開/關(guān)燈，當季節(jié)變化時需要人工干預來調(diào)整開關(guān)時間;而有些景觀燈開關(guān)通常是人工手動控制方法，即根據(jù)開關(guān)燈時間表由值班人員手動進行開、關(guān)燈操作。現(xiàn)行的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)既不能及時調(diào)整開/關(guān)燈的時間，又無法及時反映照明設施的運行情況，并且故障率高、維修困難[1]。

基于ZigBee的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地解決這些問題，它采用了GPRS[2]和ZigBee[3]技術(shù)，不但可以采用電感降功率和電子整流器無級變功率等方法來節(jié)省路燈的用電量，還可以實時檢測并控制照明設施狀態(tài)。本文主要闡述照明監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)[45]節(jié)點的軟硬件設計方案。

1　照明監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

基于ZigBee技術(shù)的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)采用“監(jiān)控中心—網(wǎng)關(guān)節(jié)點—單燈測控節(jié)點”的三層結(jié)構(gòu)，通過GPRS的技術(shù)將監(jiān)控中心的城市照明控制系統(tǒng)軟件和網(wǎng)關(guān)節(jié)點聯(lián)系起來，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點又通過ZigBee路燈網(wǎng)絡將路燈的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到相關(guān)的路燈節(jié)點。城市照明監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。



圖1　城市照明監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖1中的路燈節(jié)點1至N通過網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)了路燈通信的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為該條道路的主控節(jié)點。通過GPRS通信技術(shù)和ZigBee技術(shù)的結(jié)合，可以將路燈的狀態(tài)信息發(fā)送到中心服務器，并存入數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控中心通過對服務器的數(shù)據(jù)庫進行操作就可以實現(xiàn)對路燈狀態(tài)的監(jiān)測和控制。

2　網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件設計

2.1　網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件架構(gòu)

本設計的網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要由主控芯片MCF52223、GPRS通信模塊、宏電H7710 DTU、ZigBee通信模塊MC13213[6]、EEPROM模塊AT24C256、液晶顯示模塊、按鍵以及應用程序等組成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。 



圖2　網(wǎng)關(guān)節(jié)點體系結(jié)構(gòu)

2.2　主控芯片

主控芯片采用了Freescale公司生產(chǎn)的Codefire系列32位單片機MCF52223。該芯片不僅擁有UART、I2C、SPI、USB接口，還有A/D轉(zhuǎn)換接口、定時器接口等。它具有穩(wěn)定性好、可靠性高、接口豐富等優(yōu)點，可大大簡化外圍硬件電路設計，降低設計成本與復雜度。它主要用來采集和處理從路燈節(jié)點上傳的狀態(tài)信息，并通過接收監(jiān)控中心發(fā)送的監(jiān)控命令對ZigBee網(wǎng)絡路燈節(jié)點進行監(jiān)控操作。

2.3　GPRS模塊

GPRS模塊采用宏電的H7710 DTU模塊，它是基于GPRS移動通信數(shù)據(jù)通信網(wǎng)路的終端產(chǎn)品。可為用戶提供高速、永遠在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。同時擁有RS232/422/485及TTL電平接口，適用于環(huán)境惡劣的各種工業(yè)監(jiān)控、交通管理、氣象等應用場合，易于集成。

H7710 DTU屬智能性數(shù)據(jù)通信終端，安裝設置完成后，接入用戶數(shù)據(jù)源即可使用。正常運行時無需用戶介入，且H7710正常運行時，無需日常維護。在許多嵌入式應用環(huán)境下通常只需通過數(shù)據(jù)中心發(fā)送檢測和維護信息來確認終端是否正常運行。用戶只需將數(shù)據(jù)送入H7710 DTU的串口，或者通過串口接收H7710 DTU傳輸來的命令幀進行解析。

本設計方案中H7710 DTU通過UART1與MCF52223芯片進行通信，H7710 DTU與MCF52223的接口電路如圖3所示。MAX3232是H7710DTU的外圍電路連接芯片。其中，TXD1為MCF52223的UART1發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，RXD1為UART1接收數(shù)據(jù)引腳，DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端引腳。



圖3　H7710 DTU與MCF52223接口電路

2.4　ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊采用Freescale公司生產(chǎn)的2.4 GHz射頻芯片MC13213。它采用Freescale公司的低電壓、低功耗HCS08核心，并帶有嵌入式閃存、10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、低壓中斷和鍵盤中斷等功能。MC13213支持專用點到點，簡單星形以及MASH網(wǎng)絡，采用Figure 8 Wireless Zstack的符合ZigBee標準的網(wǎng)絡。MC13213最小系統(tǒng)電路如圖4所示。



圖4　MC13213最小系統(tǒng)電路

為了增加ZigBee的通信距離，在已有MC13211內(nèi)部集成的射頻模塊的基礎上增加了功率放大器、低噪聲放大器、射頻收發(fā)開關(guān)等IC。最終經(jīng)實測，ZigBee模塊的通信距離可以達到500 m左右，完全可以滿足本設計方案中照明監(jiān)控的要求。此外，ZigBee通信模塊與主控芯片MCF52223之間亦是通過串口進行通信，本設計方案中采用的是MCF52223的UART0。

2.5　EEPROM模塊

AT24C256是Atmel公司生產(chǎn)的256 Kb串行電可擦的可編程只讀存儲器。它采用8引腳雙排式封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點，特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本設計方案中需要存儲大量的單燈節(jié)點上傳的路燈狀態(tài)信息，需要通過I2C總線與AT24C256進行通信，將路燈狀態(tài)信息存儲于其中。

2.6　液晶屏顯示模塊

液晶屏采用帶中文字庫的LCD12864液晶顯示屏，它包括4位/8位并行、2線或3線串行的多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊。其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8 192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示，工作時低電壓低功耗。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多。



圖5　液晶顯示主控界面

本設計方案液晶顯示的主控界面如圖5所示。可使用上下鍵選擇菜單，使用OK鍵確認。

3　網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設計

3.1　基本任務實現(xiàn)

MCF52223主要實現(xiàn)接收ZigBee無線傳感網(wǎng)絡主控節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后通過GPRS發(fā)送到中心服務器。同時對于中心服務器發(fā)送的一些控制命令進行處理，并通過串口傳輸?shù)綗o線傳感網(wǎng)絡主控節(jié)點中。此外還包括一些LCD顯示、按鍵、I2C總線的操作。MCF52223主控程序流程如圖6所示。

3.2　μC/OSII系統(tǒng)移植

μC/OSII作為一個源代碼公開的操作系統(tǒng)，在具體應用中穩(wěn)定可靠，可擴展性強，功能強大，并且支持uIP、 TCP/IP協(xié)議棧、μC/GUI等。μC/OSII內(nèi)核屬于搶占式，最多可以處理64個任務，每個任務相對獨立，都有超時函數(shù)，時間用完后交出MCU使用權(quán)。μC/OSII系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

為了使所設計的網(wǎng)關(guān)程序?qū)崟r性更強、運行穩(wěn)定性更高、擴展性更強，將μC/OSII操作系統(tǒng)移植到MCF52223上。其移植步驟如下：

① 設置與處理器及編譯器相關(guān)的代碼(OS_CPU.H)。OS_CPU.H包括了用#define定義的與處理器相關(guān)的常量、宏和類型定義。不同的編譯器會使用不同的字節(jié)長度來表示同一數(shù)據(jù)類型，所以要定義一系列數(shù)據(jù)類型以確保移植的正確性。

② 處理器相關(guān)部分匯編實現(xiàn)OS_CPU_A.ASM函數(shù)的修改。要求用戶編寫4個匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()。

③ 用C語言實現(xiàn)與處理器任務相關(guān)的函數(shù)OS_CPU_C.C。μC/OS_II的移植要求用戶編寫6個簡單的C函數(shù)：OSTaskStkInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()、OSTimeTickHook()。



圖6　MCF52223主控程序流程



圖7　μC/OSII系統(tǒng)架構(gòu)

當μC/OSII系統(tǒng)移植完成后，添加網(wǎng)關(guān)節(jié)點實現(xiàn)的基本任務，包括網(wǎng)關(guān)與GPRS模塊通信任務;網(wǎng)關(guān)與ZigBee模塊通信任務;液晶屏顯示任務;按鍵任務;I2C總線存儲任務。

結(jié)語

在蘇州科技園的某條道路上對20個景觀燈安裝了單燈測控節(jié)點，組成單燈ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，而后在道路電控柜中安裝了所設計的網(wǎng)關(guān)，最后通過監(jiān)控中心的上位機軟件進行了測試。經(jīng)實際運行，該系統(tǒng)可以很好地達到預期的效果，該網(wǎng)關(guān)方案較好地解決了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸問題。此外，雖然該網(wǎng)關(guān)設計方案是以照明監(jiān)控系統(tǒng)為依托的，但為類似的無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)設計提供了很好的參考，具有較高的實際應用價值。