城市照明監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟硬件設(shè)計方案詳解
2017-10-19 |
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資料介紹
引言
路燈和景觀燈是城市夜晚一道亮麗的風(fēng)景線,也是城市中必需的公用照明設(shè)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(yù)定的時間自行開/關(guān)燈,當(dāng)季節(jié)變化時需要人工干預(yù)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?,F(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(shè)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(shè)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(shè)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(luò)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(luò)協(xié)議實現(xiàn)了路燈通信的網(wǎng)絡(luò)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(wù)器,并存入數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控中心通過對服務(wù)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(shè)計
2.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件架構(gòu)
本設(shè)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(yīng)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(shè)計,降低設(shè)計成本與復(fù)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(luò)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??蔀橛脩籼峁└咚?、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(luò)。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(yīng)用場合,易于集成。
H7710 DTU屬智能性數(shù)據(jù)通信終端,安裝設(shè)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(yīng)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(shè)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。
路燈和景觀燈是城市夜晚一道亮麗的風(fēng)景線,也是城市中必需的公用照明設(shè)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(yù)定的時間自行開/關(guān)燈,當(dāng)季節(jié)變化時需要人工干預(yù)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?,F(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(shè)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(shè)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(shè)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(luò)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(luò)協(xié)議實現(xiàn)了路燈通信的網(wǎng)絡(luò)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(wù)器,并存入數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控中心通過對服務(wù)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(shè)計
2.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件架構(gòu)
本設(shè)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(yīng)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(shè)計,降低設(shè)計成本與復(fù)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(luò)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??蔀橛脩籼峁└咚?、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(luò)。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(yīng)用場合,易于集成。
H7710 DTU屬智能性數(shù)據(jù)通信終端,安裝設(shè)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(yīng)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(shè)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。
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