潘廣月　邱健　李映超

【摘 要】本設(shè)計(jì)主要研究基于ZigBee的無(wú)線路燈控制系統(tǒng)，目的在于利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)控制路燈的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)系統(tǒng)主要有數(shù)個(gè)ZigBee模塊系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)模塊能自動(dòng)控制一盞路燈，而其中一個(gè)模塊可以構(gòu)成主機(jī)，能去控制其他子機(jī)模塊，按照主機(jī)的指令要求去控制路燈的開(kāi)啟或關(guān)閉。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、高效、自動(dòng)化的控制系統(tǒng)有助于靈活控制路燈、系統(tǒng)科學(xué)高效的控制和路燈資源優(yōu)化合理使用，為實(shí)時(shí)了解整個(gè)路燈系統(tǒng)的照明情況提供一種新的方法。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線路燈；ZigBee模塊；單片機(jī)；無(wú)線傳輸

0.前言

我國(guó)部分城市路燈控制具有遙測(cè)、遙信、遙控功能運(yùn)行方式靈活可靠，可以按時(shí)段，天氣等控制路燈的工作。雖然在技術(shù)控制上有相當(dāng)顯著地成效，但是設(shè)計(jì)成本較高，不能夠大面積普及。本設(shè)計(jì)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)控制路燈的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)發(fā)出一個(gè)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制的路燈系統(tǒng)。

1.無(wú)線路燈控制系統(tǒng)的概述

相對(duì)于傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)路燈進(jìn)行控制，整個(gè)過(guò)程可以通過(guò)無(wú)線控制實(shí)現(xiàn)，不需人力去對(duì)路燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)以及巡邏監(jiān)測(cè)路燈的工作情況，避免在惡劣環(huán)境下對(duì)路燈進(jìn)行維護(hù)。根據(jù)需求對(duì)路燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)和亮度的調(diào)節(jié)，可以對(duì)光能的合理有效利用，減少浪費(fèi)，節(jié)能環(huán)保。系統(tǒng)根據(jù)需求以及周圍的環(huán)境對(duì)路燈進(jìn)行自動(dòng)控制，使系統(tǒng)更加智能化。進(jìn)而利用LED照明和對(duì)太陽(yáng)能的利用，可以進(jìn)一步減少電能的利用，更加綠色環(huán)保。

2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本次設(shè)計(jì)主要使用51單片機(jī)作為主機(jī)，通過(guò)串口的配置對(duì)zigbee無(wú)線傳輸模塊發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)液晶顯示屏顯示出來(lái)；協(xié)調(diào)器同樣使用zigbee無(wú)限傳輸模塊，是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的樞紐，通過(guò)無(wú)線模塊接收各個(gè)子機(jī)發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，再通過(guò)串口與主機(jī)相連接傳輸數(shù)據(jù)主機(jī)。各個(gè)子機(jī)使用的同樣是zigbee無(wú)線傳輸模塊，各個(gè)子機(jī)鏈接路燈組成組網(wǎng)，由主機(jī)設(shè)置路燈的各種點(diǎn)亮方式，通過(guò)串口傳送到協(xié)調(diào)器在通過(guò)無(wú)線傳輸通知節(jié)點(diǎn)上控制路燈工作。

主控系統(tǒng)模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵，在整個(gè)設(shè)計(jì)中起到主導(dǎo)的作用，通過(guò)主控模塊去控制以下子機(jī)模塊的功能實(shí)現(xiàn)。在日常設(shè)計(jì)中最長(zhǎng)用的主控芯片是單片機(jī)，單片機(jī)的類型有很多種，其中包括STM32單片機(jī)、51單片機(jī)和AVR單片機(jī)等。STC89C52RC是一種可編程芯片，它的最高工作頻率80MHz，具有消耗低、性能高等特點(diǎn)。同時(shí)具備有51單片機(jī)不具備的功能，而且其指令代碼能和傳統(tǒng)的51單片機(jī)可以完全兼容。

無(wú)線傳輸模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的樞紐，目前常用無(wú)線模塊有ZigBee無(wú)線傳輸系統(tǒng)、nRF24L01等。Zigbee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線組網(wǎng)，以CC2530作為核心板在通訊技術(shù)里面集成了一片增強(qiáng)型的51單片機(jī)。適合用于在路燈的設(shè)計(jì)上，本次設(shè)計(jì)就是基于Zigbee的無(wú)線傳輸及控制系統(tǒng)，所以在無(wú)線傳送模塊自然就選擇Zigbee了。

顯示器是本次設(shè)計(jì)中必不可少的器件，在操作和合適的過(guò)程中起到實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用，其實(shí)顯示器有很多種， LCD1602是顯示內(nèi)容為兩行的液晶顯示模塊，在使用過(guò)程中功耗較小，體積微小輕便，而且價(jià)格不高，能夠顯示字符和數(shù)字，顯示內(nèi)容豐富便于觀看和數(shù)據(jù)讀取。在顯示上可以背光調(diào)節(jié)，適合在不同亮度的環(huán)境下顯示清晰的效果，其性能安全可靠。

本次設(shè)計(jì)針對(duì)路燈的控制主要以輸入信號(hào)為關(guān)鍵，而鍵盤也是單片機(jī)不可或缺的輸入設(shè)備，是無(wú)線模塊與路燈之間的紐帶?？紤]到本次設(shè)計(jì)的實(shí)用性，設(shè)計(jì)時(shí)選擇硬件的方式產(chǎn)生鍵碼。而單通常片機(jī)中使用非編碼鍵盤，其中的獨(dú)立式鍵盤根據(jù)I/O線數(shù)來(lái)確定鍵盤接口的，鍵盤的接口使用了幾根I/O口線，就有幾個(gè)按鍵。

2.1硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)部分主要由STC89C52RC單片機(jī)模塊、鍵盤模塊、顯示模塊和由ZigBee無(wú)線模塊構(gòu)成的中心節(jié)點(diǎn)，其作為發(fā)送接收的樞紐控制以下所有子機(jī)路燈的工作。單片機(jī)模塊通過(guò)在得到鍵盤鍵入信號(hào)后，將信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送的方式將信號(hào)發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)的ZigBee無(wú)線接收模塊。在信號(hào)接收后中心節(jié)點(diǎn)將信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)哪Ｊ綄⑿盘?hào)傳送去子機(jī)控制路燈的工作。路燈同樣以無(wú)線傳輸?shù)男问綄⑵洮F(xiàn)時(shí)的工作情況反饋回中心節(jié)點(diǎn)模塊，再將信號(hào)反饋回單片機(jī)，而顯示模塊的作用就是時(shí)時(shí)顯示路燈的工作情況，以便于及時(shí)處理可能發(fā)生的狀況。

2.1.1無(wú)線控制路燈組網(wǎng)模塊

在單片機(jī)上對(duì)按鍵模塊進(jìn)行設(shè)置，并通過(guò)串口將指令傳送到ZigBee模塊上，再通過(guò)協(xié)調(diào)器上的無(wú)線組網(wǎng)將信號(hào)傳送至各節(jié)點(diǎn)，以此來(lái)控制路燈的工作。同時(shí)接收節(jié)點(diǎn)返回的信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示出來(lái)。

2.1.2路燈節(jié)點(diǎn)模塊

路燈節(jié)點(diǎn)模塊接收接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理對(duì)路燈進(jìn)行控制。各節(jié)點(diǎn)同時(shí)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)環(huán)境情況，并充分考慮到季節(jié)，地域性，天氣的不同狀況。春夏秋冬季節(jié)天亮與日落的時(shí)間并不相同，控制路燈工作的持續(xù)時(shí)間和路燈亮度以達(dá)到節(jié)能的目的，并將數(shù)據(jù)發(fā)回給主機(jī)。

2.2軟件設(shè)計(jì)

程序主流程主要通過(guò)主控系統(tǒng)開(kāi)始，初始化，接收鍵盤模塊指令，串口發(fā)出數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析顯示模塊顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)，ZigBee模塊接收和反饋數(shù)據(jù)這一循環(huán)過(guò)程。

在本次設(shè)計(jì)中主要是以單片機(jī)模塊作為主控，其主要的作用是通過(guò)串口向中心節(jié)點(diǎn)無(wú)線模塊發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。以按鍵作為控制路燈的開(kāi)關(guān)，通過(guò)串口發(fā)送和接收相關(guān)的數(shù)據(jù)。

無(wú)線模塊在用ZigBee模塊的協(xié)議棧。協(xié)議就是一種通信的標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方會(huì)按照同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行正常的發(fā)射與接收。ZigBee的協(xié)議棧分為物理層和介質(zhì)訪問(wèn)層，將各層的協(xié)議集合在一起，通過(guò)函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以直接調(diào)用。其設(shè)計(jì)過(guò)程就是通過(guò)對(duì)協(xié)議棧組網(wǎng)函數(shù)的調(diào)用，加入網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和節(jié)點(diǎn)的加入。發(fā)射和接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)調(diào)用協(xié)議棧的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射、接收函數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)用basicRfInit（）函數(shù)對(duì)協(xié)議進(jìn)行初始化。調(diào)用函數(shù)basicRfSendPacket（）和basicRfReceive（）對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)射和接收，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.系統(tǒng)調(diào)試

在編譯和調(diào)試過(guò)程中，遵循的是先大后小的原則。先根據(jù)流程圖將程序的各個(gè)模塊的框架定好，然后進(jìn)行編譯并進(jìn)行下載調(diào)試，如編譯不通過(guò)，分塊進(jìn)行檢查。如編譯通過(guò)，就可以進(jìn)行模塊的編程，每編好一段完整的程序就要進(jìn)行一次編譯，在完成整個(gè)模塊的編程下載調(diào)試后，在對(duì)另外的模塊進(jìn)行編程，同時(shí)要注意沒(méi)編完一條程序之后要檢查程序之后的符號(hào)是否寫上。向單片機(jī)下載編寫好的程序，檢測(cè)各模塊功能是否完好，然后各模塊連接進(jìn)行調(diào)試。編寫簡(jiǎn)單的測(cè)試程序，測(cè)試各傳感器模塊、節(jié)點(diǎn)模塊以及單片機(jī)的協(xié)調(diào)工作，若出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)該首先考慮程序問(wèn)題。

4.總結(jié)

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)任務(wù)的基本功能，使用無(wú)線傳輸模塊對(duì)無(wú)線路燈進(jìn)行控制，采用層層遞進(jìn)的方式點(diǎn)亮路燈，這種方法便于在后續(xù)使用中添加路燈的盞數(shù)。由于設(shè)計(jì)與實(shí)際操作之間的存在偏差，設(shè)計(jì)結(jié)果沒(méi)能做到完美。 雖然本次設(shè)計(jì)只是在實(shí)驗(yàn)室小范圍進(jìn)行是要使用，相信在今后進(jìn)一步改善給技術(shù)添加之后，能夠大范圍使用到我們的日常生活中，節(jié)能減排做出一定貢獻(xiàn)。 [科]

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