1.导言
路途照明是城市公共设施的重要组成部分，现在国内的路途照明体系大部分没有选用网络化监控办理，只能以区域为单位对照明设备进行简略的开关灯操控，大都城市路灯的开关操控仍由传统变压器(配电箱)涣散操控，不能对路灯进行有用监控，缺少灵敏多变的操作体系，因而存在着一系列的问题：如体系杂乱，难以统一办理；路灯掩盖面广，保护困难；开关操控功率低，电能糟蹋严峻等。针对现在城市对路灯照明操控和办理水平的缺乏，笔者规划了一套路灯无线监控体系，能对城市路灯完结智能化操控并有用节省电能。本体系首要分为三层，分别是具有人机交互界面功用的路灯办理中心、会聚路灯节点信息和发送路灯操控指令的路灯监控子站以及收集路灯节点信息的路灯操控终端。选用GPRS通讯和ZigBee无线通讯相结合的技能手段，替代了传统的有线传输。其间，路灯办理中心和路灯监控子站之间的通讯选用GPRS技能，具有掩盖规模广、传输速率高的特色，且能完结长途异地操作；路灯监控子站和路灯操控终端以及路灯操控终端之间的通讯选用ZigBee技能。
2.路灯监控网络的体系结构
本规划选用GPRS技能与ZigBee技能相结合的计划，结合两者的长处，既节省本钱，又降低了体系的杂乱度。体系选用“路灯办理中心逐个路灯监控子站逐个路灯操控终端”三层形式结构，完结对路灯的长途操控操作。其间，路灯办理中心与路灯监控子站之间的通讯选用GPRS技能，路灯监控子站与路灯操控终端以及路灯操控终端之间的通讯选用ZigBee技能。体系操作的对象是城市路途不计其数盏路灯，经过办理体系，担任监测路灯的各项运行状况，如监测当时路灯节点的电压、电流、功率等目标是否契合标准，而且能完结对路灯开关的简略操控。整个路灯监控体系结构图如图1所示。
图1 体系结构图
ZigBee网络拓扑结构可分为三类：网状结构、星型结构和树状结构。经过对ZigBee网络拓扑结构的剖析，考虑到路灯监控掩盖规模面广，所在的自然环境易受气候、障碍物和电磁辐射等的影响，难免会呈现终端节点失效的状况，星形网络和树形网络都不宜选用。因而，本体系选用网状形ZigBee网络，它具有较大的通讯规模，能完结路由发现的功用，当网络呈现毛病时，能主动修正完结愈合，然后大大提高了整个监控体系的稳定性和可靠性，运用路由功用传输。网络结构如图2所示。
图2 ZIGBEE组网意示图
在一个路灯无线监控体系中，包含有多个ZigBee网络，一条大街邻近区域的路灯就组成一个ZigBee网络。因为路灯均匀分布于路途两旁，且每两盏灯的距离一般为25~30m。所以，本体系首要要选取一个适宜的地址安顿ZigBee网络和谐器，在ZigBee网络中，由ZigBee网络和谐器担任树立网络，通常状况下，用ZigBee网络和谐器完结路灯监控子站的功用，担任保护大街上路路灯节点的运行状况。路由节点参加到网络后，路灯监控体系中操控终端的人物。实践运用中，为了便利办理，每一个路灯操控终端只能参加一个ZigBee网络，完结单灯操控。当一切的路由器节点都成功参加网络后，和谐器根据网状形网络拓扑结构为路由节点分配网络地址。
3.体系硬件规划
3.1 ZigBee和谐器模块规划
ZigBee和谐器首要由GPRS通讯单元、微处理器、通讯单元和电源模块组成。和谐器担任组成ZigBee网络，完结信息的收发处理作业，需求不断地收集监控中心发来的各种指令下达给操控终端，一起将终端及线路信息反馈给监控中心。模块结构图如图3所示。处理器运用根据ARM7的微处理器模块，经过串口TTL电平缓GPRS通讯模块进行数据传递，经过SPI串口衔接通讯模块，电源模块经过220V沟通转化为5V为处理器、GPRS通讯模块和通讯模块供电。通讯模块选用TI公司的ZigBee射频芯片cc2530，首要技能目标包含：作业频段为2.4GHz；信道为16个；发射功率为4.5dBm；接纳灵敏度为-97dBm。
图3 ZigBee和谐器模块
3.2LED路灯操控模块
在路灯操控终端中，它的硬件组成部分首要包含MCU微操控器单元、电压电流等信息监测单元、射频模块单元、LED路灯驱动操控单元和电源模块。其硬件结构如图4所示。作为路灯操控终端设备的CPU，要完结与射频模块的通讯、数据包收发的处理和存储等功用，除要求MCU微操控器具有满足的存储空间外，还要具有强壮的数据处理才能。本文选意图法半导体公司出产的ARM Cortex-M3内核的32位系列单片机，型号为STM32F103RBT6，选用LQFP(轻浮方型扁平式)封装结构，有64个管脚，外观巨细只要l0mmXl0mm，价格在10元一20元人民币之间。供电电压为2-3.6V，一般选用3.3V供电，具有2个12位模数转化器，支撑7通道的DMA操控器。模块引脚图如图5所示。
图4 LED路灯操控模块硬件结构
图5 STM32F103RBT6模块引脚图
图5中，MCU共有三个串口，分别是UART1，UART2和UART3，用来完结和其他模块之间的通讯。管脚42和43作为DART 1串口的发送和接纳引脚，与GPRS模块相连，然后完结CPU和GPRS模块之间的通讯，这种衔接方法首要针对监控子站设备，而路灯操控终端设备并不衔接GPRS模块。管脚16和17作为UART2串口的发送和接纳引脚，与射频模块相衔接，然后完结CPU和射频模块之间的通讯。管脚29和30作为UART3串口的接纳和发送引脚，首要完结RS485通讯，与LED操控板相衔接，然后完结CPU对LED操控板的驱动。MCU的14管脚作为RS485的使能信号，与485转化芯片相衔接，根据接纳到的485通讯协议，完结对LED驱动操控板作为收发转化设备的处理。MCU的15管脚输出PWM信号，调理电流巨细，然后完结对LED路灯的亮度调理。MCU的管脚21和22衔接至检测单元的安全门接口，用来完结防盗报警的功用。 4.软件规划
4.1 体系软件的总体规划
本文选用MDK作为嵌入式体系开发的编译环境，支撑ARM7架构的Cortex-M3内核处理器，主动装备发动代码，集成Flash烧写模块、具有强壮的Simulation设备模仿、功用剖析功用。本体系无线传感网络的软件层分为三个层次：硬件笼统层、体系服务层和运用层。
其间，硬件笼统层移植了COS-Ⅱ嵌入式实时操作体系，为上层屏蔽了硬件细节，一起为硬件单元如电源模块、MCU微处理器模块和射频通讯模块等供给了驱动程序。体系服务层首要完结操作体系的使命调度功用，经过修正OS_CPU_A.S档，用汇编语言完结CPU的开/关中止和使命的切换，而且支撑传输通讯协议，完结路由算法的完结。运用层首要根据运用者的界说，完结上位机软件的规划功用。
本文根据数据流传输方向的不同，把数据传输分为上报和下发。上报是指路灯操控终端经过射频模块发送数据抵达路灯监控子站，终究由路灯监控子站经过GPRS传输至路灯办理中心；所谓下发是指路灯办理中心宣布的指令经过GPRS传输至路灯监控子站，再由路灯监控子站发送至需求履行操作指令的路灯操控终端。
如图6所示为体系主程序流程图。节点一旦上电，首要完结初始化操作，首要包含MCU操控模块的通用I/O口、串口、定时器以及射频模块的初始化装备等。接着初始化操作体系，当履行操作体系后，体系就进入了一个无限循环状况，初始化时，为了削减节点的功率损耗，每个节点都进入休眠状况。当中止发生时，就触发了待要履行的使命，这时，CPU会为该使命分配资源，并履行相应的通讯服务子程序。例如，和谐器收到了来自路灯办理中心发送的指令，代表和谐器收到了一个中止请求，节点从休眠状况被发动，履行通讯服务子程序，接纳来自办理中心下发的数据包，当接纳数据完结后，还要对数据进行校验，假如校验失利，则丢掉该帧；不然，还要持续判别是否是发送给自己的数据包，假如不是，和谐器需求将该数据包转宣布去，接着和谐器节点会从接纳状况变成发送状况，等发送成功后，会发生中止请求，并再次进入休眠状况，等候下一次节点状况的发动。
图6 体系主程序流程图
4.2 路灯监控子站处理信息流程
路灯监控子站不只要与路灯办理中心树立GPRS网络，还要与路灯操控终端树立ZigBee网络，在路灯监控子站节点上，既装有GPRS通讯模块，又搭载了射频模块。当本身设备的MCU初始化完结后，经过串口对GPRS模块进行初始化，依照GPRS协议接入GPRS网络，接着进入了主程序循环使命。首要扫描ZigBee网络通讯信道，当ZigBee网络通讯链路成功后，根据网络协议进行数据传输。如图7所示为路灯监控子站主程序流程图。
图7 监控子站主程序流程图
在图7中，监控子站初始化完结后，进入了体系主程序的循环使命中，使命循环的首要功用便是监测MCU串口上是否有数据上报和下发。当串口UART 1收到来自路灯办理中心的监控指令后，监控子站经过协议转化，经过射频模块路由至意图节点，意图节点收到监控指令时履行操作。当串口UART2收到来自路灯操控终端上报的节点状况信息时，监控子站经协议转化，经过GPRS网络把数据发送至路灯办理中心，下发监控指令，完结对路灯节点的开/关操
