毕业设计(论文)基于ZIGBEE的城市无线路灯控制系统方案设计.doc
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1、基于ZIGBEE的城市无线路灯控制系统方案设计摘 要 ZIGBEE技术被称之为新一代短程无线通信技术,其相关产品具有功耗低、成本低、组网灵活快捷等优点。此外,ZIGBEE产品还能支持多种通信协议(如:MODBUS协议,自由口协议等),因而兼容性强,所以能与其它电子设备(如:采集器,传感器等)相连接,搭建智能的短程通信个域网,来实现短距离的数据传输通信。本文就是利用ZIGBEE技术的优点,在结合校园路灯的分布情况,设计的一个短程无线路灯控制方案:首先,对ZIGBEE无线通信系统进行简介,了解其发展进程,分析它的通信协议和路由,熟悉该种通信技术的特点。其次,介绍基于ZIGBEE技术的无线通信产品的
2、类型和功能以及相关配置软件的使用方法。最后,根据学校的路灯分布情况为例,设计一个基于ZIGBEE的无线路灯控制方案。关键词:ZIGBEE,短程通信,协议The design of the wireless control system about the city streetlight based on the ZIGBEE Technology Author: Yu Zhan Sheng Tutor: Li Li Ping AbstractFor its own advantages, such as, low power, low cost, flexible and efficient
3、 in Constructing Network, ZIGBEE high technology is called a new generation of wireless communications technology. It is used in many industries. Besides, it can support the various communication protocols, for example, modbus agreement, freely agreement. So it has high compatibility, and can connec
4、t with other devices, such as collector and sensor, build the short-range of data transmission communications net and achieve data communication in a domain. Based on the advantage of using ZIGBEE technology and combining actual situation of our school, this paper designed a wireless control system
5、about the streetlight. Firstly, this paper introduced the wireless communication system based on ZIGBEE Technology. Its development process, communication protocols and routers were introduced .In order to familiar with the characteristics of the communication technology.Secondly, this paper introdu
6、ced the wireless communications products and using method about the software based on the ZIGBEE technology.At last, taking our school for example, this paper designs a wireless control system about the school streetlight based on ZIGBEE Technology. Key words: ZIGBEE,Short-range communications,Agree
7、ment目 录1 绪 论12 ZIGBEE短程通信系统的简介22.1 ZIGBEE通信技术的发展史22.2 ZIGBEE通信协议22.3 ZIGBEE通信路由32.4 ZIGBEE短程无线通信的特点33 基于ZIGBEE技术的产品和配置工具53.1 IP-LINK 1223-5142和无线MESH组网模块53.2 SMART LIGHTING EVK-1000路灯控制器53.3 ZIGBEE产品的调试配置工具74 学校无线路灯控制方案设计94.1 黄河科技学院校园平面简介94.2 校园路灯分配图104.3 无线路灯控制系统架构104.3.1 路灯控制器EZ-LIGHT1000104.3.2 子
8、网控制器IP-LINK5501(MASTER)114.3.3 系统控制中心114.4 该无线路灯控制方案的预期效果12结论15致 谢16 1 绪 论物联网美其名曰就是“物体和物体之间相互连接,让物体能够相互交流识别的一种新型网络。它被看作新一代信息科技的代名词,是现代科技的重要组成部分,其英文翻译就是“The Internet of things”。物联网的具体实现方式就是通过射频识别(RFID)、红外感应器等设备与短程无线通信设备在一定协议的支持下实现物体之间的识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的应用范围很广(如:绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、智能家居、智能交通和环境监
9、测等各个行业)1。随着城市的加快发展,城市的照明系统也引起了社会各界的关注,那就是照明系统在给人们生活带来便利以及增加城市魅力的同时,照明系统也在消耗着社会的大量能力资源,加剧了我国日趋紧张的能源供应。因而提倡绿色照明就成了当今照明界的发展趋势,因此建立路灯节能监控系统实现路灯的集中控制、检测与管理成为了城市照明系统的必然发展方向,在结合相应的控制网络确保按时、按需点亮每盏路灯,并能有效的节省路灯的用电,延长灯泡的寿命,降低维护的成本,是现代能效型社会的目标。随着计算机技术和数字通信的发展,以及无线通信技术的标准化和网络化等要求,渐渐展现在人们面前, 其中ZIGBEE技术便是当代成熟的高新科技
10、之一2。ZIGBEE技术是依据IEEE 802.15.4标准的一种短距离、难度低、低功耗、数据速率低、低成本的无线网络通信技术,它主要应用在短距离范围内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间,并在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。本设计方案就是将ZIGBEE技术运用到路灯上,实现智能制统 3,来展现ZIGBEE短程无线通信技术的优越性,享受其给人们日常生活和工作带来的智能快捷的舒适感。 2 ZIGBEE短程通信系统的简介2.1 ZIGBEE通信技术的发展史ZIGBEE 技术是现代短程通信的一门高新科技,其广泛应用在社会生活的各个领域,当然任何一项新的科技的诞生都会经历一个艰难曲折的发展历
11、程。我们知道无线通信技术涉及到功耗,并且一般电子器件的功耗都很高,科技工作人员为了寻找一门功耗低,但是又能满足短程通信的要求,于是IEEE 802.15工作组中提出“成立了TG4工作组并制定了规范,就是IEEE 802.15.4”。其工作组于2002年, 成立ZIGBEE Alliance,在2004年, 制定第一个规范ZIGBEE V1.0诞生,两年后,推出比较完善的ZIGBEE 2006,最终于2007年底, 推出了ZIGBEE PRO 4 。2.2 ZIGBEE通信协议5无线传感器网络节点要进行相互之间的数据通信就要有相应的无线网络协议(包括MAC层、路由、网络层、应用层等)。在ZIGB
12、EE短程无线通信网络中,每个设备都与一个特定模板有关,可能是公共模板或私有模板。这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。 设备是由模板定义的,并以应用对象的形式实现。每个应用对象通过一个端点连接到ZIGBEE堆栈的余下部分,它们都是器件中可寻址的组件。 端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器,在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。 每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)簇格式的数据。一共有二个特殊的端点,即端点0和端点255。端点0用于整个ZIGBEE
13、设备的配置和管理。应用程序可以通过端点0与ZIGBEE堆栈的其它层通信,从而实现对这些层的初始化和配置。附属在端点0的对象被称为ZIGBEE设备对象(ZD0)。端点255用于向所有端点的广播。端点241到254是保留端点。 所有端点都使用应用支持子层(APS)提供的服务。APS通过网络层和安全服务提供层与端点相接,并为数据传送、安全和绑定提供服务,因此能够适配不同但兼容的设备,比如带灯的开关。 APS使用网络层(NWK)提供的服务。NWK负责设备到设备的通信,并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。应用层可以通过ZIGBEE设备对象(ZD0)对网络层参数进行配置和访问。图2.1
14、ZIGBEE协议框架2.3 ZIGBEE通信路由6 在ZIGBEE通信中采用的是Cluster-Tree和Z-AODV7二者结合的混合路由方式,构成了网状网通信,网络中的所有无线接点都相同,可以直接换互相通信,每一次网络都会选择一条或多条路由器进行多跳传输,将所要传输的数据信息传给中心节点,MESH网络的每个节点都有多条路径到达中心节点,因此它的容故障能力较强,而且这种多跳系统代替了单跳的传输距离,减少了源节点所需要的发送功率,这样也就为数据的传输提供了冗余链路,保障了无线通信路由的稳定性,体现出了ZIGBEE短程通信的优越性。图2.2ZIGBEE无线网络的拓扑结构2.4 ZIGBEE短程无线
15、通信的特点ZIGBEE是一种短程无线连接技术,可工作在2.4GHz(全球流行)分别具有最高250kbit/s传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZIGBEE具有如下特点: 1、设备功耗低当设备出于工作模式时,由于ZIGBEE无线通信传输速率较低,数据传输量很小,因此信号的收发时间很短,因而耗能较小;其次就是在非工作模式下,ZIGBEE节点就处于休眠模状态。此外就是设备搜索时延一般为30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式,因而ZIGBEE节点非常省电,能耗少。2、数据传输
16、可靠ZIGBEE的媒体接入控制层(MAC层)采用talk-when-ready8的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下,当有数据传送需求时则立刻传送,发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息,并进行确认信息回复,若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞,将再传一次,采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZIGBEE针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。 3、网络容量大ZIGBEE低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在ZIGBEE通信中定义了两种器件:全功
17、能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。在网络中一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话,而简化功能器件只能与全功能器件通话,仅用于非常简单的应用。一个ZIGBEE的网络最多包括有255个ZIGBEE网路节点,其中一个是主控(MASTER)设备,其余则是从属(Cliert)设备。若是通过网络协调器(Network Coordinator),整个网络最多可以支持超过64000个ZIGBEE网路节点,再加上各个Network Coordinator可互相连接,整个ZIGBEE网络节点的数目十分庞大,因而我们说ZIGBEE网络容量非常大。 4、兼容性ZIGBEE技术与现有的控制网络标准
18、无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络,采用载波侦听/冲突检测(CSMA-CA)9方式进行信道接入。为了可靠传递,还提供全握手协议。 5、安全性ZIGBEE提供了数据完整性检查和鉴权功能,在数据传输中提供了三级安全方式。第一级实际是无安全方式,对于某些应用,如果说安全并不重要或者上层已经提供足够强的安全保护,器件就可以选择这种安全方式来转移数据;第二级安全级别,器件可以使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据,但是在这一级不采取加密措施;第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)10的对称密码,这样可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。 3
19、 基于ZIGBEE技术的产品和配置工具3.1 IP-Link 1223-5142 无线MESH组网模块IP-Link 1223-5142模块是赫立讯公司推出的基于IEEE802.15.4/ ZIGBEE技术的嵌入式无线模块。它包含一个高性能的8-bit 8051微处理器11和一个符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。IP-Link 1223-5142模块可以工作在2.4GHz全球通用的ISM(Industrial , Scientific and Medical)免付费频段上,划分为16个信道,在该频段上,数据传输速率为250kb/s。每一个IP-Link 1223模块被
20、放置为MESH节点后,可控制周围RF的情况、相邻的节点活动和连续的发包错误统计等,据此调整它的本地路由选择,从而选择最佳传输路径,为网络的稳定提供了保障。图3.1 ZIGBEE模块3.2 Smart Lighting EVK-1000路灯控制器Smart Lighting EVK-1000 包含一套完整的ZIGBEE路灯控制系统及一整套ZIGBEE无线配置工具,主要组成包括: EZ-Light1000:ZIGBEE无线路灯控制器,用于路灯的开关,PWM调光控制及电流,电压,功率因数采集,故障报警。图3.2 路灯控制模块图3.3 路灯控制器如上图所示: 电源输入:(接入电源部分) N(In):零
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