基于GPRS的太阳能路灯的无线监控论文.doc

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毕业设计（论文）

系别

电子信息系

专业名称

电子信息工程

班级学号

508XXXX

学生姓名

XXX

指导教师

XXX

2012年6月15日

东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）

摘要

太阳能是最环保的能源，利用太阳能来照明将是低碳生活的发展趋势。

地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。

太阳能路灯利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电。

当某个路灯出现故障不能正常发光时，该路灯系统会通过zigbee无线通信将此信息汇报给当地主机，主机再将此故障信息通过GPRS发送至远程主机监控系统，由此实现了现场无人值守的智能路灯无线监控系统。

本系统路灯无线节点以意法半导体公司的STM32F103RBT6单片机为核心，通过检测路灯状态，并将路灯状态在当地无线网路汇总，再发送至远程主机进行监控。

关键词：

zigbee，GPRS，STM32，太阳能

43

Abstract

Solarenergyisthemostenvironmentalprotectionenergy,usethesolarenergytolightingwillbelowcarbonlifedevelopmenttrend.Theearth'sresources,theincreasinglyscarce,basicenergyinvestmentcostisup,allkindsofsafetyandpollutionhiddendangeriseverywhere,andsolarenergyastheonekindof"mine,aninexhaustible"safety,environmentalprotectionnewenergybymoreandmoreattention.

Solarstreetlampsusethesuntothelightofthebatterylifeveffectprinciple,duringthedaythesunbatteryabsorbsolarphotonenergytoproduceelectricity,throughthecontrollerinthestoragebattery,andwhenthedarknightcomesaroundorlampslightislow,thebatterytopowersupplybythecontrollerlightsource.Whenastreetlampmalfunctioncan'tnormallight,thestreetlampsystemwillthroughthezigbeewirelesscommunicationwillthisinformationreporttothelocalhost,hostthefaultinformationagainbyGPRSsenttotheremotehostmonitoringsystem,thusrealizetheunattendedwirelessmonitoringsystemofintelligentstreetlamp.

ThissystemstreetlampwirelessnodestostmicroelectronicscompanySTM32F103RBT6microcontrollerasthecore,thedetectionstreetlampstateandwillstatestreetlampsinthelocalwirelessnetworksstated,andthensenttotheremotehostmonitor.

Keywords:

zigbee,GPRS,STM32,solarenergy

目录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1太阳能路灯的发展趋势 2

1.2太阳能路灯存在的问题 2

1.3本课题的意义 3

2无线通信技术 5

2.1ZigBee技术概述 5

2.1.1本系统中无线节点示意图 5

2.1.2ZigBee技术发展 5

2.1.3ZigBee技术特点及应用 8

2.3Zigbee网络拓扑结构 10

2.3.1星形网络 10

2.3.2树形网络 11

2.3.3网状网络 11

2.4ZigBee协议架构 11

2.5GPRS通信技术概述 14

2.6GPRS的技术优势 14

3系统方案及硬件电路设计 16

3.1系统整体方案设计 16

3.1.1系统整体结构框图 16

3.1.2ZigBee组网方式 16

3.2路灯状态检测 19

3.3环境光检测 20

3.3.1光敏电阻电路 20

3.3.2光敏三极管电路 20

3.4控制器核心 21

3.4.1STM32结构概述 21

3.4.2STM32单片机特点 23

3.5本地无线通信 24

3.5.1CC2420基本结构及其特性 25

3.5.2CC2420引脚功能 28

3.5.3无线通信模块 29

3.6远程通信设计 30

3.7电源设计 31

4软件流程设计 34

4.1整体软件流程设计 35

4.2路灯开关软件流程图 35

4.3路等故障检测 36

结论 37

致谢 38

附录1 41

附录2 43

1绪论

随着太阳电池转换效率和生产技术的不断提高，太阳能光伏发电的应用越来越广泛，在照明领域，太阳能路灯作为光伏发电系统在国内的主要应用模式，被越来越多的所认识并接受。

跨入21世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。

而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。

地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。

同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已有很大进步。

但是，目前各大城市道路照明系统存在一个普遍的问题——能源效率不高、管理维护困难。

路灯系统是城市基础设施的组成部分，是与人们日常生活紧密相关的市政公共设施。

同时绿色照明是当今照明界的必然趋势，随着城市化进程的加快和城市规模和数量的扩大，照明消耗，照明电费日益高涨，加剧了我国日趋紧张的能源供应。

鉴于我国电力主要来自于火力发电，因此照明节能不单是涉及能源供应和经济效益，而且还关乎环境保护。

为了在保证照明效果的前提下节约电能，一方面可以采用高效节能灯具，如LED灯，另一方面需要对路灯进行科学的监控与管理，实现按需照明。

特别是随着我国城市化水平的不断提高，城市路灯照明系统的不断扩大，设计一种可靠性好、智能化程度高的路灯控制系统成为城市发展的迫切需要，而以ZigBee技术为代表的无线传感器网络技术的发展为实现这样的系统提供了一种新的方案[1]。

ZigBee技术是一种面向低传输速率的短距离无线通信技术，具有低成本、低功耗、低复杂度、自组织、自愈合、抗干扰能力强、网络容量大等特性[5]。

作为一项技术标准，ZigBee技术获得了众多大公司的支持，随着各种支持ZigBee的芯片的推出，ZigBee技术已经被广泛应用于环境监测、数字家庭和医疗护理等领域。

从路灯控制系统的成本、信息化、可靠性和可维护性等方面考虑，结合路灯控制应用实际和ZigBee技术自身特点，本课题设计了一套基于ZigBee网络的路灯控制系统，对路灯进行远程数据采集、控制与调节，提升了路灯控制系统的智能化水平，实现了按需照明，取得了良好的节能效果。

为了适应现代化城市照明系统的建设需求，本文提出了一种利用太阳能为能源，以STM32为控制核心，通过ZigBee进行本地无线组网，将网内路灯节点的状态信息进行汇总，汇总后的信息再通过GPRS传输至远程主机的智能无线路灯监控系统。

1.1太阳能路灯的发展趋势

1.高效率化发展

路灯系统是城市基础设施的组成部分，是与人们日常生活紧密相关的市政公共设施。

同时绿色照明是当今照明界的必然趋势，随着城市化进程的加快和城市规模和数量的扩大，照明消耗，照明电费日益高涨，加剧了我国日趋紧张的能源供应。

这也是现在城市大力发展太阳能路灯的原因，因此，太阳能路灯的效率是非常重要的一项指标，随着科学技术的发展，一大批高性能的电力电子元器件和技术被广泛使用，这些器件都有着高效率，低成本等优势，合理的应用新技术和新产品，可以将太阳能路灯的高效率推到一个更高的层次。

2.智能化发展

作为城市的基础设施，路灯系统影响着城市里的每一个人，它的意外故障甚至威胁到市民的生命健康，因此，现在的太阳能路灯系统都向着智能化的方向发展，例如本系统设计，每个路灯节点都有一个路灯故障检测器，当路灯出现意外故障时，该节点会将此信息向当地主机汇报，主机再将信息发送至远程主机，这样，一旦某个路灯出现故障，远程监控人员便能迅速明确具体故障地点，并及时安排维修人员，保证路灯系统的正常运行，为市民的生活提供最大的方便。

3.环保化发展

太阳能路灯之所以受到重视，除了缓解能源供应紧张的问题，另一个重要原因就是太阳能路灯具有非常好的环保性能，它的能源提供不需要任何化石燃料，仅仅需要安全无污染的太阳能，因此，太阳能路灯是一种环保的路灯系统，为了保证太阳能路灯系统的环保性，其配套设计也需要同样保持环保性能，所以在设计太阳能路灯系统时，采用环保器件和方法十分重要。

1.2太阳能路灯存在的问题

太阳能路灯系统作为一种环保节能，智能化的路灯系统，已经得到世界各国的重视并正在进行大力发展和应用推广，随着相关技术的迅速发展，太阳能路灯的发展也日新月异，具有越来越多其他系统所无法比拟的优势，但是在太阳能路灯的实际应用中，其由于自身特点也暴露出一些问题，这些问题主要表现在：

1、成本较高，太阳能智能路灯系统有着很多技术和功能上的优势，但在拥有这些优势的同时，它也具有另外一个较大的缺陷，那就是使用成本较高，不论从能源获取的太阳能电池板上来看，还是每个路灯节点控制系统的设计来看，太阳能路灯系统都有着一定的成本劣势，虽然随着科学技术发展，这些成本正在快速下降，但在现阶段，太阳能路灯发展的最大阻碍就是成本问题，不过随着能源危机越来越严重，技术发展大力降低成本，太阳能路灯的发展必然是时代的趋势，太阳能路灯的相关技术研究仍然十分必要。

2、能源利用率较低，太阳能路灯的能源全部由太阳能电池板提供，而现阶段受生产技术的限制，太阳能电池板的光能利用率还不是太高，在阴雨天气，太阳能电池白天所存储的电能可能还不够晚上的电能消耗，这也限制了太阳能路灯的大规模使用，现在的普遍解决方案就是增大太阳能电池板的面积，提高整体功率保证其正常使用，但是这样的做法一是增加了成本，二是浪费了太阳能电池板资源，不符合其环保特性，另外过大的太阳能电池板面积还会导致产品面积过大，影响安装方便性，增大了故障率等，因此在太阳能路灯推广应用阶段，解决太阳能电池板效率十分重要，这也需要科学技术的进一步发展。

3、集成度不高，作为一个智能太阳能路灯系统，每个路灯的控制系统相对来讲是比较复杂的，里面涉及到很多功能电路，比如路灯检测，路灯开关控制，本地无线网络信息传输，GPRS远程信息传输等，现在的大部分路灯方案，这些功能电路相对来讲是比较分离的，他们都是使用的自身专用芯片，再将其组合成为一个完整的路灯控制系统，系统集成度很低，这样的缺点主要在于系统电路设计较为复杂，电路板面积较大，故障率较高，成本较高，功耗较高，导致这个问题的主要原因还是太阳能路灯还没有得到真正广泛的推广应用，所以相关的高集成度控制芯片还很少，随着太阳能路灯的大规模应用，此问题也将得到较好的解决。

1.3本课题的意义

跨入21世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。

而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。

主要表现为以下几个方面：

（1）能源短缺。

常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需求。

从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。

因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。

（2）环境污染。

燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空，是大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。

（3）温室效应。

化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化。

地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。

同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。

随着城市化进程的大力推进，作为城市发展的基础设施，路灯系统也会向着智能化，绿色化，高效化的方向发展，在这个过程中，太阳能路灯系统作为一种非常符合未来路灯发展趋势的方案，必然会得到大力的发展和应用。

本课题正是在此背景下，提出了一种智能路灯系统方案，并对软硬件进行设计，从理论上分析验证了此方案的可行性。

2无线通信技术

2.1ZigBee技术概述

2.1.1本系统中无线节点示意图

本系统中无线节点的分布示意图如图2-1所示。

图2-1无线节点分布示意图

此结构主要由三部分组成：

节点：

此处的节点就是系统中的实际路灯杆，每一个路灯都是一个节点，并且每个节点内都包含一个ZigBee的无线通信功能模块，各个节点可以互相通信，即可将本节点路灯的故障信息通过其他节点传送至主机。

主机：

此处的主机就是本地无线网络中的本地主机，它和其它节点路灯的唯一不同就是其内部包含了一个可以向远程主机发送信息的GPRS通信模块，在工作时，本地的节点所有的故障信息都通过节点中转后发送到主机，主机再将这些故障信息一并发送至远程主机上。

远程主机：

前两部分就组成了本地路灯的无线通信系统，能够将系统内所有的信息转发至本地主机内，而远程主机与路灯节点的距离可能很远，他们之间无法通过ZigBee通信进行信息发送，而是通过GPRS通信方式，而它接受的信息就是本地网络中的主机通过GPRS发送的信息。

2.1.2ZigBee技术发展

随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围内通信的要求，这样就出现了个人区域网络（PersonalAreaNetwork:

PAN）和无线个人区域网络（WirelessPersonalAreaNetwork:

WPAN）的概念。

WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使他们可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。

目前，短距离无线通信技术主要有IrDA技术、蓝牙技术、Wi-Fi技术、ZigBee技术和UWS技术等。

而ZigBee技术则作为一种廉价、低功耗的近距离组网通信技术得到了快速的发展。

“ZigBee”一词源自蜜蜂群在发现花粉，通过跳zigzag形舞蹈来告知同伴食物的位置、距离和方向等信息。

因此，是一种小动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通，人们借此来称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。

ZigBee技术主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能，十分适合用作于无线传感器网络等分布式系统。

其与其他一些无线技术的区别如表2-1所示：

表2-1几种无线技术比较

名称

标准

ZigBeeTM

802.15.4

GPRS／GSM

1XRTT／CDMA

Wi-FiTM

802.11b

BluetoohTM

802.15.1

频段

868、915MHz、

2.4GHz

0.8-1GHz

2.4GHz

2.4GHz

系统资源需求

4KB-32KB

16MB+

1MB+

250KB+

电池寿命（天）

100-1000+

1-7

0.5-5

1-7

网络规模

接近无限（264）

1

32

7

带宽（KB／S）

20-250

64-128+

11000+

720

传输距离（米）

1-100+

1000+

1-50

1-10+

缺点

距离有限，数据率有限

拨号连接，只能点对点通信，数据率低

距离短，耗电，软件复杂，有线点组网

距离短，复杂，有限点组网

优点

价位低，功耗低，即插即用，容量大.

网络覆盖

可有限点组网，数据率高

可有限点组网，即插即用

ZigBee技术从诞生到现在只有几年的时间。

它是在2002年由英国Invensys、日本三菱电气、美国Motorola、荷兰Philips等几家公司宣布成立ZigBee联盟，合力推动ZigBee技术的。

到2004年底，ZigBee1.0版标准正式公布。

2004年底到2006年不到两年时间，ZigBee联盟已经由最初的十多家公司发展到有全世界150多家知名厂商加盟的商业团体。

在众多厂商的追捧之下，ZigBee技术正呈现蓬勃的发展态势。

目前，ZigBee标准由ZigBee联盟维护，采用这样一种标准化的无限组网通信技术，有如下优点：

1）各种不同功能的无线网络节点要能互相交流、相互沟通，就需要保证网络节点的互通性，即网络的标准化。

比如在智能家居的应用中，家居中的各种电器作为独立存在的节点需要相互通信，而它们很可能出自不同的厂家。

只有确定了一个各个厂家都遵循的标准，这些节点才能相互进行信息交流。

2）各种功能的无线网络节点可以组成星状网络、树状网络或网状网络结构。

随着网络拓扑的复杂化，就必须用大量的软件代码实现，也需要对无线通信技术

的精通和大量的人力物力投入来进行开发，对公司的要求非常高。

因此，ZigBee网络实现的代码，都是由国际标准组织和ZigBee联盟这样的机构协助组织完成的，然后以软件库、源代码库的方式提供给产品设计人员，由产品设计人员编写自己的应用程序进行高层调用。

ZigBee产品开发中，各层次所对应的维护者如图2-2所示：

应用程序

应用程序界面

网络层

数据链接层

MAC层

MAC层

物理层

硅

ZigBee栈

应用

顾客

IEEE

ZigBee

联盟

图2-2ZigBee层级结构

ZigBee联盟维护的最新版本是2007版：

ZigBee-2007Specification。

在本文的应用中，由于开题的时间节点和相应的芯片选型，仍采用2006版的标准。

ZigBee规范定义了3种类型的设备，每种都有自己的功能要求。

1）ZigBee协调器（Coordinator）

它是启动和配置网络的一种设备，负责网络正常工作以及保持同网络其他设备的通信。

协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其他活动。

一个ZigBee网络只能有一个ZigBee协调器。

2）ZigBee路由器（Router）

它是只用支持关联的设备，能够将消息转发到其他设备。

ZigBee星状网络不支持ZigBee路由器，树状和网状网络可以有多个ZigBee路由器。

3）ZigBee终端设备（EndDevice）

作为一种终端设备，它可以执行自己的相关功能，通过网络与其他设备通信，而不需要维护繁多的网络信息。

上述3种设备根据功能完整性可以分为全功能设备（FFD）和半功能设备（RFD）。

其中，全功能设备可以用作协调器、路由器和终端设备，半功能设备只能用作终端设备。

一个FFD可以与多个RFD或其他FFD设备通信，而一个RFD只能与一个FFD通信。

2.1.3ZigBee技术特点及应用

ZigBee技术主要有以下特点:

1）低速率

ZigBee根据不同的工作频段，其数据传输速率会有所不同，但都处于较低的速率。

在2.4GHz频段，有16个速率为250kbps的信道；在915MHz频段，有10个40kbps的信道；在868MHz频段，有1个20kbps的信道。

从能量消耗的成本、效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。

2）低功耗

在工作模式下，由于ZigBee技术的传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收/发时间短；而在非工作模式下，ZigBee节点又处于休眠模式。

加之设备的搜索、休眠激活和信道接入时延都很短，使得ZigBee节点非常省电。

3）低成本

由于ZigBee协议栈相对于蓝牙、Wi-Fi要简单得多（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，因此可以采用8位单片机和规模很小的存储器，大大降低了器件成本。

预计ZigBee模块初期成本在几十元左右，广泛应用后可降到10-20元；且由于ZigBee协议免专利费用，因此可进一步降低软件的应用费用。

4）短时延

ZigBee的通信时延以及从休眠状态激活的时延都非常短。

典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延为15ms，活动设备信道接入的时延为15ms，因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的工业控制等场合。

5）免许可无线通信频段

ZigBee采用的物理、MAC层协议是IEEE802.15.4，而它正是工作在2.4GHz或565/915MHz的工业科学医疗（ISM）频段，对全球2.4GHz频段均免许可使用，868MHz在欧洲，915MHz在北美被免许可使用。

在ISM频段工作不仅免除了ZigBee器件的频率使用限制，而且还为许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的机会。

6）多种组网方式

ZigBee网络可以通过网络协调器组成星状、树状、网状等多种网络拓扑。

组网方式灵活，并可通过节点设备的加入和退出使网络呈现动态变化的特点。

7）近距离通信

由于低功耗的特点，ZigBee设备