基于Zigbee的城市路灯智能监控终端控制器设计

2011-08-08宋绍剑薛春伟

照明工程学报 2011年4期

宋绍剑薛春伟

(广西大学电气工程学院，广西南宁市 530004)

1 引言

近年来，随着城市道路照明现代化进程的加快，路灯监控系统受到很大关注。国内外已经出现了大量路灯监控系统方案，例如:采用GSM无线公共网短消息、基于PLC、基于组态王及GPRS通讯、基于Lonworks等［1］。然而这些方案实施复杂，费用也不低廉，而Zigbee技术是一种基于 IEEE 802.15.4的物理层和媒体访问层标准，与其他短距离无线协议相比，具有功耗低、可靠性高、复杂度低、支持大量网络节点和运行费用较低等显著优点，非常适合在城市路灯系统中应用［2～3］。本文针对目前城市路灯照明系统存在的问题，如自动化管理水平还不很高、系统可靠性不高等，提出了一套基于Zigbee的路灯集中监控系统。该系统集无线通讯技术、自动化控制技术、监控系统组网技术和数据库技术于一体，为城市路灯照明系统的新建或改造升级提供稳定、可靠、低成本的实施方案，有着广阔的应用前景。

2 系统结构及工作原理

本文所设计的城市路灯智能监控系统由监控终端控制器、Zigbee网络、监控中心三部分构成，如图1所示。其中监控终端控制器由电参数采集板、ATmega128核心控制板、继电器模块、LCD显示和Zigbee模块组成，如图2所示。系统工作原理如下:首先，通过电压互感器和电流互感器将路灯的电参数送给电参数采集板，电参数采集板的ATT7O22B芯片读取各类电参数，然后ATT7022B通过 SPI口将电参数的数据传给控制核心板，并通过LCD模块进行显示;同时，还可以运用键盘模块对ATmega128发送命令，ATmega128再通过 RS232接口将数据或命令传给Zigbee终端节点，终端节点与相邻节点互传数据，汇总于汇节点，最终通过GPRS网络传给监控中心。

图1 城市路灯智能监控系统部署图

图2 监控终端控制器结构框图

3 硬件系统设计

核心控制板的CPU选用ATmega128单片机，它是8位基于AVR RISC结构的低功耗CMOS微处理器，具有性价比高、功耗小、可靠性高等特点。LCD模块选用LCD12864带中文字符型液晶显示屏，它自带汉字字库，通过查询中文字库表便能实现LCD的中文显示，只用三个管脚就能完成通讯和控制。继电器模块的工作线圈为24V。键盘模块采用了一个4×4的矩阵键盘。时钟模块选用DS1302芯片，为CPU提供实时时钟。它采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能，编程简单，功耗小 (见图3)。

图3 核心控制板主要模块原理图

电参数采集板的采集芯片采用ATT7022B芯片。它是一颗高精度的三相多功能电能计量专用芯片，集成了七路二阶sigma-delta ADC，参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数、频率测量的数字信号处理等电路，适用于三相三线和三相四线应用。电压与电流互感器分别选择了北京双电的PT01(微型精密电压互感器)和 CT01(微型精密电流互感器5A系列)。Zigbee模块采用上海顺舟网络科技有限公司的SZ02系列Zigbee无线RS232串口通信设备，采用了加强型的Zigbee无线技术，是符合工业标准应用的无线数据通信设备。它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性，可实现多设备间的数据透明传输，可组MESH型的网状网络结构。

4 软件系统设计

ATmega128单片机集成的指令功能丰富，内存等资源也都比较丰富，为了提高编程效率、代码的可读性、可移植性和可维护性，本系统使用C语言开发系统软件。电参数采集芯片ATT7022B提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。其SPI接口采用从属方式工作，使用2条控制线和2条数据线:CS、SCLK、DIN和DOUT。ATT7022B能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。时钟芯片DS1302采用串行数据传输，与CPU的连接需要三条线，即 SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。

4.1 主程序流程

系统的主程序流程如图4所示。系统通电后，首先初始化各底层硬件 (包括LCD设备、串口参数等)和电参数测量 I/O口。初始化完成后，ATmega128通过DS1302和继电器模块定时开关路灯，然后循环读取ATT7022B芯片发送的数据，获取电压、电流、功率、功率因数等各类电参数，将各种参数打包后，通过串行通讯口RS232上传至Zigbee模块，同时在本地LCD上显示出来。

图4 主程序流程图

4.2 电参数测量

4.2.1 SPI通讯口介绍

ATT7022B内部集成了一个SPI串行通讯接口。ATT7022B的SPI接口采用从属方式工作，使用2条控制线和2条数据线:CS、SCLK、DIN和DOUT。

CS:片选 (输入脚)，允许访问串口的控制线。CS由高电平变为低电平时表示 SPI操作开始，CS由低电平变为高电平时表示SPI操作结束。所以每次SPI操作时CS必须出现下降沿，CS出现上升沿时表示SPI操作结束。

DIN:串行数据输入 (输入脚)，用于把用户的数据 (如:数据、命令、地址等)传输到ATT7022B。

DOUT:串行数据输出 (输出脚)，用于从ATT7022B寄存器读出数据。

SCLK:串行时钟 (输入脚)，控制数据移出或移入串行口的传输率。上升沿放数据，下降沿取数据。SCLK下降沿时将DIN上的数据采样到ATT7022B中，SCLK上升沿时将ATT7022B的数据放置于DOUT上输出。

4.2.2 SPI读、写操作

SPI读工作过程:通过SPI写入一个8Bits的命令字后，可能需要一个等待时间，然后才能通过SPI读取24Bits的数据。在 SCLK低于 200kHz时，可以不需要等待，即等待时间为0us;当SCLK频率高于200kHz时，则需要等待大约3us。

SPI写工作过程:通过SPI写入一个8Bits的命令字后，不需要等待继续通过SPI读取24Bits的数据即可 (见图5)。

图5 SPI读、写时序图

4.2.3 电参数测量程序

核心板通电后，先对电参数测量I/O口进行初始化，初始化函数如下:

按照ATT7022B芯片的写入协议要求，在同步时钟的作用下，从LSB到HSB按位串行输入。当向该芯片写入一个命令时，操作如下:

按照ATT7022B芯片的读出协议要求，用ElePar_WriteByte(uint8 Com)向ATT7022B发送读某一数据寄存器的命令后，ATT7022B将从HSB到LSB以串行方式向ATmega128输出4个字节24位数据，操作如下:

向ATT7022B发送不同的命令 (一个字节的16进制形式)，就可以方便地读出各种电量参数，如要读出A相电压，操作如下:

函数返回的电压、电流和功率均是16进制整数，代表实际测量得到的电压、电流和功率的值，经过打包处理后可以上传给控制中心，同时也在本地LCD显示。

4.3 Zigbee的路由节点算法

Zigbee采用按需路由算法 AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而不像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳的路由。

当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV操作是无环回的，并避免了当Adhoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题 (特别是当一个节点进入网络时)［4］。