摘要：為了提高旅游景區(qū)照明監(jiān)控的可靠性和高效性，采用ZigBee技術與GPRS技術相結合的方法，構建了旅游景區(qū)照明監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)方案。通過組網(wǎng)測試實驗，驗證了ZigBee網(wǎng)絡可靠的數(shù)據(jù)傳輸性及自配置等特性。
關鍵詞：ZigBee；景區(qū)照明；GPRS；協(xié)調(diào)器

0 引言
    隨著生活水平的提高以及城市生活壓力的增大，旅游已經(jīng)成為人們放松的一種主流方式，回歸大自然正是時下旅游的一大趨勢，景區(qū)夜景的建設也逐漸成為吸引游客的一大砝碼。景區(qū)夜間照明不僅要保證游客夜間通行安全，而且還要使景區(qū)照明成為一道靚麗的風景線。目前大多景區(qū)照明多采用布線控制整個景區(qū)照明系統(tǒng)，這給施工和維護帶來了巨大的難度，特別是一些地形復雜，地道險峻的自然風景區(qū)，維護起來需要耗費大量的人力物力。
    ZigBee由于具有省電、可靠、成本低、延時短、網(wǎng)絡存儲大、安全、自配置等特點，從而非常適合于分散的多節(jié)點、可靠性高、低數(shù)據(jù)流量的通訊系統(tǒng)。將ZigBee與GPRS通信技術結合，應用于景區(qū)照明監(jiān)控系統(tǒng)中，解決了系統(tǒng)布線難和耗材高等問題。監(jiān)管部門可通過軟件設置絢麗、省電等多種復雜的變換模式，既能亮出景區(qū)的魅力又可在特定時段達到節(jié)約能源的目的。通過單盞燈的電壓等信息可以定位發(fā)生故障的燈具，省去了巡燈工作，提高了維護管理效率。而且ZigBee還具有組網(wǎng)方式靈活、可擴展性強等特點，方便景區(qū)擴建開發(fā)等。

1 景觀照明監(jiān)控系統(tǒng)總體實現(xiàn)方案
    本文通過采用ZigIlee技術和GPRS技術搭建了一個無線傳感器網(wǎng)絡，系統(tǒng)總體結構如圖1所示，主要由單燈控制器、協(xié)調(diào)器和上位機三部分組成。照明監(jiān)控系統(tǒng)由上位機為起點發(fā)出命令，通過GPRS網(wǎng)絡傳輸給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器分析處理接收到的數(shù)據(jù)并轉發(fā)給整個ZigBee網(wǎng)絡中的每一個網(wǎng)絡節(jié)點(單燈控制器)，網(wǎng)絡節(jié)點接收處理數(shù)據(jù)之后對燈具作出響應的控制操作，這種由監(jiān)控主機發(fā)起的數(shù)據(jù)流稱之為下行數(shù)據(jù)。相反，ZigBee網(wǎng)絡可以定期向協(xié)調(diào)器進行反饋信息，再由協(xié)調(diào)器反饋給監(jiān)控中心，從而作出相應的措施，此數(shù)據(jù)流則稱之為上行數(shù)據(jù)，整個操作流程的實現(xiàn)便可以達到監(jiān)控中心對整個照明系統(tǒng)遠程監(jiān)控的目的。

1．1 協(xié)調(diào)器硬件設計
    考慮到成本，控制能力，可移植性以及可靠性等方面的因素，該系統(tǒng)協(xié)調(diào)器硬件設計采用雙MCU結構，其硬件體系結構如圖2所示。MCUA作為協(xié)調(diào)器節(jié)點的核心處理器，主要負責接收、處理和轉發(fā)來自MCUB和GPRS模塊的信息；MCUB作為協(xié)調(diào)器節(jié)點，負責匯集整個ZigBee網(wǎng)絡其他節(jié)點的信息轉發(fā)給MCUA，或轉播來自MCUA的命令給ZigBee網(wǎng)絡；GPRS模塊則負責MCUA與監(jiān)控中心之間的無線傳輸，從而實現(xiàn)監(jiān)控中心對網(wǎng)絡的無線監(jiān)控，三個模塊之間采用串口進行通信。

    其中，MCUA采用了TI公司的低功耗微處理器MSP430F149，它是一款16位單片機，具有正常工作模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0～LPM4)，可以方便地在各種模式之間進行切換，該單片機擁有2個串口(USART0，USART1)，能滿足協(xié)調(diào)器硬件設計對串口數(shù)量的需求。
    MCUB采用Chipcon公司推出的無線射頻模塊CC2430，能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2．4 GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求，該模塊內(nèi)嵌了一顆可編程的工業(yè)級8051控制器，使之能滿足路燈監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控需求。
    GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM300，它是小體積即插即用模組中完善的三頻／四頻*GSM／GPRS解決方案，使用工業(yè)標準界面，使得具備GSM／GPRS900／1 800／1 900 MHz功能的SIM300以小尺寸和低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸，內(nèi)嵌強大的TCP／IP協(xié)議棧，具備雙串行通信接口，方便開發(fā)使用。
    硬件設計的關鍵是三個模塊之間的無縫鏈接。由于MSP430F149芯片的供電電壓為5 V，而其他兩個模塊均為3．3 V，為防止連接時燒壞芯片，本設計采用了電平轉換芯片74LVC4245，解決了不同模塊之間在邏輯電平不同情況下的接口問題，電平轉換電路如圖3所示，設計中保留了5 V電壓的使用，采用短路冒的方式進行選擇。

1．2 軟件設計
1．2．1 無線組網(wǎng)軟件設計
    本文以ZigBee 2006協(xié)議棧為軟件平臺，構建了一個星型無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器作為ZigBee網(wǎng)絡的組建者，而終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器一起作為網(wǎng)絡的維護者，兩者的工作流程圖如圖4所示。

    協(xié)調(diào)器開始工作之前，首先對ZigBee協(xié)議進行初始化，應用程序通過MAC層發(fā)送“掃描請求”原語(MLME-SCAN．request)開始進行能量掃描，檢查其周圍有無其他的ZigBee網(wǎng)絡存在；然后等待MAC層的能量掃描結果，若在掃描過程中找到一個沒有被其他PAN使用的信道，則PAN標識符可以任意選擇，若不得不和其他PAN共用信道，則所選信道不要與同信道中其他PAN標識符相沖突，網(wǎng)絡地址則可任意選擇，可在程序中設定；最后啟動協(xié)調(diào)器并通過“網(wǎng)絡構建請求”原語(NLME-NETWORK-FORMATION．request)構建一個ZigBee新網(wǎng)絡，在“允許入網(wǎng)”請求和證實原語(NLME-PERMIT-JOINING)定義了允許終端節(jié)點加入網(wǎng)絡之后，節(jié)點設備方可入網(wǎng)，并為加入的終端節(jié)點分配16位的短地址。隨著終端設備的連接，PAN就建立起來了，隨后就可以進行數(shù)據(jù)的傳輸了。
    終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器建立連接之前，同樣首先初始化ZigBee協(xié)議，節(jié)點通過“網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)”原語(NLME-NET-WORK-DISCOVERY)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡之后，再通過主動掃描或被動掃描方式獲得PAN的信息，首先檢查PAN描述符中的coordAddrMode，以確定協(xié)調(diào)器的地址模式，并根據(jù)地址模式從coordAddress[8]中獲得協(xié)調(diào)器地址，記錄使用的信道，最后檢查gtsPermit確定協(xié)調(diào)器是否接受設備的連接請求，確定之后便可發(fā)送“設備入網(wǎng)”請求(NLME-JOIN．request)與協(xié)調(diào)器建立連接。
    基于對TI Z-Stack協(xié)議棧的分析，TI Z-Stack是一個基于輪轉查詢的操作系統(tǒng)，主函數(shù)通過osal_start_system()函數(shù)調(diào)用(taskArr[idx])(idx，events)函數(shù)來執(zhí)行具體的處理函數(shù)，taskArr[]是一個函數(shù)指針的數(shù)組，可根據(jù)不同的idx執(zhí)行不同的函數(shù)。因此在該系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器軟件設計中只需要在操作系統(tǒng)OSAL的框架結構的基礎上，新建兩個任務Task_ZigBee，Task_MSP430，一個UART接收中斷服務程序，當有ZigBee上行數(shù)據(jù)時，Task_ZigBee接收底層發(fā)來的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過ZigBee協(xié)議進行數(shù)據(jù)解包，然后喚醒Task_MSP430，該任務通過RS 232接口發(fā)送消息給MSP430單片機；當有下行數(shù)據(jù)時，MSP430單片機接收來自SIM300的串口數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生串口中斷，然后喚醒TasK_ZigBee，通過ZigBee協(xié)議封裝，并調(diào)用功能函數(shù)將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送出去。
1．2．2 GPRS軟件設計
    為了縮短開發(fā)流程，GPRS模塊選用的是內(nèi)置TCP／IP協(xié)議的SIM300，在實際開發(fā)中省去了在MSP430中處理TCP／IP協(xié)議的流程，而只需要利用AT指令即可實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡的連接、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。GPRS模塊在上電復位之后，首先對工作模式、通信波特率、接入網(wǎng)關等進行初始化設置，然后，發(fā)送撥號命令與基站服務器建立連接，之后，通過點對點協(xié)議(PPP)協(xié)商得到系統(tǒng)本地IP，待登錄成功后通過加載數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)與監(jiān)控中心計算機的SOCKET連接，在實際操作中通過“AT+CIPSTART=TCP”，“10．2．42．10”，“2020"指令連接到監(jiān)控主機的IP地址(其中“10．2．42．10”是監(jiān)控主機的IP地址，“2020”是網(wǎng)絡端口號)，然后再通過指令“AT+CIPSEND”開始傳送數(shù)據(jù)。

2 實驗結果分析
    實驗中，組建了一個5節(jié)點的小形星型無線網(wǎng)絡，并按照下列步驟做了相應的實驗：
    (1)將沒有連接GPRS模塊的協(xié)調(diào)器與PC機串口相連，其他節(jié)點分布在實驗室各個角落，由PC機的串口調(diào)試助手發(fā)送程序設置的命令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器顯示命令狀態(tài)并亮起小燈，緊接著其他的終端節(jié)點也亮燈，并穩(wěn)定的持續(xù)著；移動其中一個節(jié)點到室外，同樣能收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)。實驗現(xiàn)象說明所建立的ZigBee網(wǎng)絡在室內(nèi)表現(xiàn)出較穩(wěn)定的傳輸性。
    (2)將5個節(jié)點分別分散地布置室外，將協(xié)調(diào)器放置在與每個節(jié)點大概距離在50～200 m不等的位置，當給設備上電之后各個終端節(jié)點小燈閃爍，說明入網(wǎng)成功；將其中一個ZigBee節(jié)點移到超出ZigBee網(wǎng)絡覆蓋范圍的地方，又重新回到覆蓋范圍，仍能繼續(xù)工作；關閉其中任何一個節(jié)點再打開，能立即入網(wǎng)工作；由監(jiān)控主機發(fā)送開燈命令，實驗現(xiàn)象同上。該實驗結果有效驗證了ZigBee無線網(wǎng)絡良好的自組織和自愈特性。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器與實驗現(xiàn)象如圖5所示。

3 結論
    ZigBee技術具有低速率、短距離、多節(jié)點、自組網(wǎng)、組網(wǎng)靈活等特點，結合GPRS網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)大、覆蓋廣泛、距離長等優(yōu)勢，達到功能互補。兩者共同組建的系統(tǒng)網(wǎng)絡表現(xiàn)出穩(wěn)定的傳輸性且時延短，應用在景區(qū)照明監(jiān)控中有助于提高監(jiān)控的高效性，并能通過軟件設置達到各種照明效果，既可達到景觀照明效果，又能避免不必要的用電浪費，實現(xiàn)節(jié)能的目的。