计算机专业毕业论文基于ZigBee的路灯节能管控系统设计与实现

单位代码：学 号:分类号：TP311密级：公开学位论文基于ZigBee的路灯节能管控系统设计与实现研究生姓名 导师姓名 学科（领域） 申请学位类别 答辩时间XXXX计算机技术20XX年5月24日原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日期：关于学位论文使用授权的声明本人完全了解XX大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权XX大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。公开 保密（年，解密后应遵守此规定）论文作者签名:导师签名:口期:基于ZigBee的路灯节能管控系统设计与实现目录第一章绪论11.1研究背景与意义11.2研究现状21.3完成的工作41.4论文结构安排4第二章ZigBee无线通讯技术及实验环境介绍72.1 ZigBee无线通讯技术介绍72. 1. 1 ZigBee无线通讯技术定义和特点72. 1.2 ZigBee 协议框架72. 1. 3 ZigBee 组网方式82.2实验环境介绍92. 3本章小结10第三章 基于ZigBee的路灯节能管控系统设计113.1基于ZigBee的路灯节能管控系统需求113.2基于ZigBee的路灯节能管控系统总设计133.2. 1技术架构133.2.2系统架构143. 2. 3系统业务流程153. 3本章小结16第四章ZigBee路灯节点和通信网络的设计与实现174.1 ZigBee路灯节点总体设计174.2实验模拟开发环境174.2.1开发模块与开发工具的介绍174.2.2 ZigBee路灯节点安装、部署与测试204. 2. 2. 1 ZigBee路灯节点安装过程204. 2. 2. 2 ZigBee路灯节点部署与测试214.3 ZigBee路灯节点具体设计224. 3. 1 ZigBee协调器节点的设计与实现224.3.2 ZigBee路由器节点的设计与实现294. 3.3节点参数格式规定344.4本章小结35第五章路灯节能管控系统设计与实现375.1路灯节能管控系统总体设计375. 1. 1系统需求分析375. 1.2系统总功能模块设计385. 1.3数据库实体关系分析395. 2路灯节能管控系统详细设计405. 2.1数据库设计405. 2. 2具体功能设计425. 3系统安装及测试445. 3. 1系统安装445. 3.2系统测试465. 4系统关键代码515.5本章小结54第六章总结与展望556. 1总结556.2下一步工作55参考文献57致谢59附录60IIXX大学硕士学位论文路灯照明系统是城市基础设施中的重要组成成分，然而路灯普遍分布于城市的大街 小巷，数量庞大，传统的照明系统存在不节能、不环保、不方便管理和维护滞后的缺陷。 而ZigBee无线通讯技术的出现为解决上述为题成为可能。ZigBee无线通讯技术具有安 装成本低、保密性高、信号稳定性高和传输距离远的优点。将ZigBee技术应用到路灯 照明系统之中，必将达到高效、节能、故障有效处理、传输路线广泛、传输信号安全、 安装简洁和造价低廉的目标。通过对ZigBee技术的学习，结合现有路灯照明系统的实际需求，设计并实现基于 ZigBee的路灯节能管控系统，最终实现用户通过系统远程控制ZigBee路灯节点、实时 监控和信息管理的功能，达到路灯照明系统的自动化管理的目标。主要工作包括：（1）实现ZigBee路灯节点硬件平台的搭建，使协调器和路由器能 够有效的工作；（2）设计并实现基于Jaw Web技术的路灯节能管控系统；（3）实现 路灯节能管控系统的基本信息管理功能；（4）编程实现路灯节能管控系统和ZigBee协 调器之间的数据通信，即路灯远程控制。部署ZigBee路灯节点环境和路灯节能管控系统，使用户能从手机端和电脑端的浏 览器访问路灯节能管控系统，使路灯照明系统高效而节能。关键词：ZigBee；路灯节能管控；Java Web；远程控制inXX大学硕士学位论文基于ZigBee的路灯节能管控系统设计与实现vAbstractStreet light lightmg system is an miportant component of city mfiastiiicture. Howevei, street lights are usually distnbuted in the high streets and back lanes of the city, with a huge number.So there exist some shoitconuiigs, such as not energy saving, not enviroiuiiental piotection, inconvenient to manage and maintain in the traditional lighting systems.But ZigBee wueless conunumcation teclmology makes it possible to solve the above topics. The ZigBee wueless conunumcation teclmology has the advantages of low installation cost, high secuiity, high stability and farther signal tiansmission distance If ZigBee teclmology is applied to street lighting system, it will reach the target of high efficiency, eneigy saving, trouble effective treatment, extensive transnussion routes, Secure signal tiansmission, simple installation and low cost.Tluough the study of ZigBee teclmology, combine with the actxial needs of the existing street light lighting system, design and implement the Street Light Economy Management and Contiol System, finally I realize that tluough the system users can remotely control ZigBee street light nodes, real-time monitof and manage uifbnnation, aclueving the goal of automation management in the street light lighting systemMain work includes: (1) Build a ZigBee street light node hardware platform, thus the cooidinatoi and loutei can work effectively; (2) Design and implement the Street Light Economy Management and Control System based on Java Web teclmology; (3)Iinplement basic information management fiinctions of the Street Light Economy Management and Contiol System; (4) Piogiam to realize data commumcation between the Street Light Economy Management and Control System system and ZigBee cooidmatoi; namely the street light remote contiolDeploy the ZigBee street light node enviiomnent and the Street Light Economy Management and Control System website, then users can visit the Street Light Economy Management and Contiol System website by the mobile tenninal and the computer terminal biowsei; filially implementing higlily efficient and eneigy saving of the street light lighting system Key words: ZigBee; Street Light Economy Management and Control; Java Web; remote基于ZigBee的路灯节能管控系统设计与实现XX大学学位论文第一章绪论1.1研究背景与意义在网络发达的现代，越来越多的网络设备进入到人们的日常生活之中，从可上网的 手表、智能手机、谷歌眼镜到上网本、平板电脑、笔记本、智能电视，从医疗行业中可 穿戴的医疗设备到各行各业的通信系统、通信设备，网络无处不在，所有信息都在网络 中流通，所有东西都可以上网，都能通过网络交流彼此，物联网的概念在这样的发展 趋势下应运而生。随着物联网的发展，人们不再满足于蜂窝式移动通信系统为信息交互带來的便捷， 信息的交互开始朝着短距离无线传输通信和移动组网通信的方向发展。在这种需求下， 包括无线局域网（WLAN）、蓝牙2 （Blue-Tooth）技术、超宽带（UWB）技术以及 ZigBee技术等在内的各种短距离无线通信技术Pl开始出现。ZigBee无线通信技术以其 低成本、低能耗、快速组网、短距离通信等特点在众多的短距离无线通信技术中脱颖而 出，它在适用于低速率个域网的各个领域中有着广泛的应用，比如在智能家居中的自 动化控制中，包括：通过手机等终端手持设备作为远程遥控器，可用其监控家里的情况 （包括电器、门窗、烟尘、火灾、天然气、防盗情况等），并且通过手机远程遥控家里 的门窗、电灯、电器、报警系统、安保系统、烟尘检测系统、火灾、燃气泄漏检测系统 等，为人们的家庭安全提供保证；在工业自动化控制中，在不适合人工检测的高灵活性、 高强度和高危险场合下，借助ZigBee网络和传感器能够很方便地自动采集数据、分析 处理数据和存储各类数据，然后方便进行数据挖掘，为最后的决策分析做辅助支持，例 如危险物质的化学成分分析、矿洞勘测、石油钻井勘测、火灾预警、自然灾害分析和预 警等；在农业领域，利用ZigBee网络和传感器技术，可以实现自动化采集农作物生长 所需元素的含量数据，包括：土壤湿度、温度、PH值、气压、氮浓度、农药含量等数 据，农民根据这些数据，就能极早的发现问题，并作出调整，提高农作物产量和质量， 在家禽和家畜的饲养过程中，也能通过ZigBee网络和传感器定期定时向饲养管理员提 供动物的生长情况和健康情况，帮助管理员统一方便地管理，动物生病后能够极早地得 到救治，保证动物健康养殖；在医疗行业，利用ZigBee技术制造的可穿戴医疗设备， 能够实时准确地测量出病人的各项身体指标，有体温、心跳、血压血脂，并向医护人员 传递相应信息，方便医生及时救治，对于重症患者尤其需要。在早期路灯照明系统7】之中，釆用的是人工去监视路灯情况，纸上记录，并手动去 控制路灯开关；随着城市的发展，对城市路灯的要求越來越高，后來就出现了时间控制 和光照控制；但是随着网络的出现和短距离无线网通信技术的发展，这种控制方式也渐 渐地不能满足需求了，针对其存在的不环保、不节能、管理经费大、使用寿命短、无法 远程操控以及故障维修无法及时反应并且效率低等现象，ZigBee无线通信技术能有效 的解决上述问题，弥补传统照明系统的缺陷，达到安全、节能、环保、维护方便快捷的 目标，并朝着单灯控制、远程管控的方向发展。1.2研究现状路灯照明系统是城市基础设施中的重要组成成分，路灯普遍分布于城市的大街小 巷，数量庞大，是现代文明中不可或缺的一部分，随着人们生活水平的提高、物联网以 及智能化的发展需要，传统灯光照明系统暴露出了不节能、不环保、不方便管理和维护 滞后的缺陷，渐渐不再能满足市场的需求。在ZigBee技术应用之前，最常应用到灯光照明系统中的无线通信技术是电力载波 8】，如果将ZigBee技术和电力载波无线通信技术相比，结果如下：第一，应用成本方 面，由于电力载波信号传输方式为随着电力线传输，需要安装的设备包括：电力设备、 单灯控制设备和集中控制设备，因此电力载波技术的设备安装费用高，而ZigBee只需 要安装单灯控制器和集中控制器；第二，信号传输距离方面，电力载波的信号传输距离 较近，并且容易受到电力阻抗的影响，而ZigBee技术中，因为相邻ZigBee节点设备之 间可以自动组网，因此传输距离远；第三，抗干扰性方面，电力载波信号抗干扰性能力 强，但是信号受环境因素影响较大，而ZigBee抗干扰能力弱，同时易受同频无线电影 响；第四，传输数据保密性方面，电力载波通信信息没法儿作加密处理，因此信号传输 过程中保密性低，且通讯过程容易遭到破坏，而ZigBee通信技术，通讯过程都是经过 加密处理的，因此通信信息保密性高；第五，同功率传输质量方面，电力载波传输信号 时，容易受到脉冲的干扰，而ZigBee在空旷的环境中，传输信号质量高；第六，传输 信号轻度和稳定性方面，电力载波在信号传递过程中，信号的稳定性差，随着电力线的 长度增加，传输信号衰减越厉害，而ZigBee信号是在网络节点之间的传输的，因此传 输信号稳定，综上，ZigBee在安装成本、通讯保密、信号稳定性和传输距离方面都具 有不小的优势，因此ZigBee技术也应该灯光照明系统中占据一席之地，并不断地研究 和发展。目前各大科技公司都相继提出了基于ZigBee的智能照明系统的设计方案，并设计 实现了该照明系统，包括：上海顺舟网络科技有限公司、北京龙创信恒科技有限公司、 上海澳霖科技有限公司等。其中，上海顺舟网络科技有限公司的基于ZigBee技术的智能照明控制方案最为成 熟。在该技术方案中9,智能照明控制系统是由照明控制器、智能网关与节能平台三部 分组成，其中照明控制器内置了 ZigBee无线通信模块，用来实现无线照明单灯控制、 时段控制与无线照明调节灯光亮度;智能网关是使用ZigBee转GPRS网关，集成了 GPRS 技术和ZigBee技术，可以实现两种网络（GPRS网络和ZigBee网络）之间的数据转换 和通讯，可以进行个域网和城域网结合的命令控制；节能平台是整个系统的中枢，负责 对整个系统的集中管理与监控，提供网页版系统软件和安卓应用版系统软件，使用户能 够通过个人电脑、平板、智能手机APP等登录系统软件并对灯光照明系统进行控制和 管理；系统使用地理信息系统GIS技术，能够每盏路灯进行精确定位（定位到经纬度）, 方便照明设备的维护。该方案在对现有的路灯系统的控制设施、配电设施等运行环境和 相关设施进行实时监控的情况下，增添了通信服务功能和信息处理功能，有效地达到了 减少路灯系统建设预算的目的。然而ZigBee技术在路灯照明系统中的应用也存在一些问题1】，如：ZigBee网络内 部通信存在问题，即在正常的通信联系中由于其他电信号（同频无线电）和障碍物的干 扰会影响ZigBee信号的有效传输；根据地理路线图来控制路灯检修的设计，会因为道 路规划致使得城市路灯布局的改变而需要经常更新，会增加后期的维护经费；由于 ZigBee传输方式是2.4GHz无线电传输，因此它易受同频无线电的影响，造成信号抗干 扰性弱；所以未來路灯照明系统的研究会逐渐解决这些难题；成本问题，虽然ZigBee 具有低成本的特点，在一个实际ZigBee网络中，需要使用成百上千的ZigBee节点，也 是一笔不小的开销，这些都是未来研究者们需要思考和解决的问题。总的來说，ZigBee技术具有安装成本低（需要安装集中控制器和单灯控制器）、保 密性高（通信是经过加密的）、信号稳定性高和传输距离远（附近节点之间可以组网传 输）等优点，并且ZigBee技术相比以往无线通信一般使用蓝牙、GPRS等技术更具有 灵活性、可靠性和低成本的优势。如果ZigBee技术能有效地应用到路灯智能系统之中， 那么必将具有高效、节能、故障有效处理、传输路线广泛、传输信号安全、安装简洁和 造价低廉的优势，最终ZigBee技术能够促进城市照明系统有效的管理，以及提高城市 照明系统的工作效率。现代社会倡导资源的可持续发展和全球信息化共亨，可以预见 ZigBee技术必将推动节能减排和物联网的发展，未來ZigBee技术必将得到广泛应用， 研究ZigBee技术的应用将成为未來无线网络技术发展潮流和趋势。1.3完成的工作（1）学习和研究ZigBee网络环境的搭建，最终使用IAR软件编写并修改ZigBee 节点（ZigBee协调器和ZigBee路由器）的程序，部署了系统硬件环境，实现ZigBee 协调器和ZigBee路由器之间的通信，以及部署了路灯节能管控系统的服务器和ZigBee 协调器之间的串口通信，实现了硬件环境的搭建部分。项目釆用低功耗、低成本、短距 离、自组织的ZigBee无线通信技术來组网实现底层硬件环境的搭建，相比以往无线通 信使用的电力载波、蓝牙、WiFi、GPRS等技术更具有低成本、高效、可靠和节能环保 的优势。（2）学习了 jQuery EasyUlM界面技术,使用基于 SSH13 （Sprmg 技术、Stmts2 技术和Hibemate技术）的Java Web技术设计并编写代码，实现了路灯节能管控系统， 使用户在电脑端、手机终端对路灯进行远程实时监控及数据采集存储等的操作成为可 能。（3）项目软件设计实现了路灯节能管控系统用來监控ZigBee硬件搭建的网络中的 路灯节点状态和传递控制命令，并采用B/SW1模式的服务架构，可供所有具有浏览器的 终端设备登录和使用，如给手机端和电脑端用户提供服务。相对于一般工业控制的C/S 模式更能吸引方便用户使用，更具有发展前景。1.4论文结构安排第一章，绪论，概括性地介绍项目的研究背景以及研究意义，阐述项目的研究现状 以及技术发展趋势，并说明本项目己完成的工作内容。第二章，ZigBee无线通讯技术及实验环境简述，介绍ZigBee无线通讯技术的定义 和特点以及对ZigBee协议框架的理解。介绍实际开发用到的网蜂ZigBee开发套件，主 要是开发套件核心设备的简介和开发环境的描述。第三章，基于ZigBee的路灯节能管控系统设计与实现，介绍基于ZigBee的路灯节 能管控系统的整体架构、基于ZigBee的路灯节能管控系统需求和基于ZigBee的路灯节 能管控系统的总设计。具体包括系统功能需求、故障管理需求、系统总架构、系统业务 流程和技术架构。第四章，ZigBee路灯节点和通信网络的设计和实现，通过ZigBee路灯节点的设计, 实现ZigBee路灯的底层硬件环境的搭建，介绍了 ZigBee路灯节点总体设计思路，主要 包括总体设计分析、ZigBee协调器节点和ZigBee路由器节点的功能设计和实现以及硬 件编程部分核心代码的设计。介绍了硬件开发工具和开发环境。最后介绍了本项目中 ZigBee路灯节点的安装过程、部署方法和测试例程。第五章，路灯节能管控系统设计与实现，分四个部分详细介绍本系统的设计实现。 分别是路灯节能管控系统的总体设计，包括系统需求分析、系统总功能模块设计和系统 实体关系分析；路灯节能管控系统详细设计，包括数据库设计和具体功能设计；系统安 装及测试，包括对系统安装过程的介绍和典型的测试用例；最后是对系统关键代码的分 析。第六章，总结与展望，总结自己完成的相关工作，然后在此基础上提出可以改进的 地方，分析下一步的工作内容。71 钱志鸿，王义君物联网技术与应用研究卩电子学报,2012,40(5):1024-1029.2 Chun-Liang Hsu. Constnicting intelligent living-space contiollmg system with blue-tooth and speech-recogmtion inicioprocessorfJ. Expert Syst. Appl., 2009, Vol.363 赵陈亮.典型超宽带信号的发射与接收技术D.南京理工人学,2013.4 Sangsoon Lim、Suchul Lee, Joon Yoo. Chong-Kwon Kin】. NBP: light-weight Narrow Band Protectionfor ZigBee and Wi-Fi coexistence J. EURASIP Journal on Wireless Conununications and Nenvorkuig, 2013, Vbl.2013 (1)、pp.1-13.5 刁彩萍.现代无线通信技术的发展现状及未来发展趋势探析J.电子制作,20XX.l:161.6 李岩岩，李敬兆.ZigBee技术在路灯监控系统中的应用J.微型机与应用,2013,32(5):51-53.7 鲁进，郭利进.基于ZigBee的LED路灯照明系统设计与研究J.微型机与应用,2013,32(9):78-84.8 胡津津.基于电力线载波技术的LED交通信号灯故障检测模块的设计J宿州学院学 报,2011(2):59-60.9 上海顺舟网络科技有限公司.ZigBee技术在城市智能照明与监控网中的作用EB/OL.http:/ c.gongkong.conVslninconVa30456.htnil10 符红ZigBee技术在家庭智能照明系统中的应用J.工业控制计算机,2013,26(7):55,69.11 王道新，熊祖彪，陈竞，刘玉.基于IAR集成开发平台的ARM程序设计方法J.电子设计应用， 2005,10:102-10412 王德安.运用jQueiyEasvUI_ASP_NET技术操作分类表J.电脑编程技巧与维护,2014,13:29- 34,61.13 张晓诺.基于SSH框架的OA系统设计与实现J.轻工科技,20XX, 1:73-74.14 仝行常.基于E/S模式管理信息系统开发的探讨卩科技信息,2008,11:86,95. 陶国喜C/S模式与B/S模式探讨J企业家天地,20093244第二章ZigBee无线通信技术及实验环境介绍2.1 ZigBee无线通信技术介绍2.1.1 ZigBee无线通信技术定义和特点ZigBee,也称紫蜂，是一种低速短距离传输的双向无线网络通信技术，其底层是采 用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层，并在此基础上拓展了网络层和应用 层，应用层包括应用支持子层、ZigBee设备对象ZDO和具体应用。ZigBee技术被广泛应用到低速个域网的场合下，其特点决定了它的适用范围， ZigBee主要特点有低速率、低成本、低耗能，可以提供可靠的数据加密传输，强大的 组网能力（即每个ZigBee网络理论上可以支持65000个节点）和数据路由功能和支持 多种网络拓扑结构（星型、网状和树状结构）和多种网络节点之间的通讯方式（单播、 多播和广播）。2.1.2 ZigBee协议框架图2.1展现了 ZigBee协议栈的体系结构，由ZigBee联盟定义ZigBee协议是在个域 网协议IEEE 802.15.4规定的物理层PHY和媒体访问层MAC技术规范的基础上，作出 了扩展，它的扩展部分包括网络层NWK和应用层APS：物理层和媒体访问层为ZigBee 上层通信奠定基础，实现物理无线通信，提供可靠的访问权限管理；ZigBee协议的网 络层提供路由功能和多条功能，并可以构建多种网络拓扑结构，即星型结构、树状结构 和网状结构；应用层包括应用支持子层、ZigBee设备对象ZDO和具体应用；ZigBee协 议栈将协议各个层的功能用函数实现，并提供各层的功能函数，用户开发ZigBee模块 的应用，可直接作用在ZigBee提供的应用层上；协议栈就是将各个层定义的协议都集 合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供API（应用层），用户可以直接调用，在应 用层添加自定义的功能代码作为用户应用口。基于ZigBee的路灯节能管控系统设计与实现2. U；HZ868/915MIK图2.1 ZigBee协议栈体系结构2.1.3 ZigBee组网方式在ZigBee网络中，存在三种ZigBee节点设备，分别是ZigBee协调器Coordinator ZigBee路由器Routes、ZigBee终端End Deviceo ZigBee协调器是用來组建网络的，决 定了路由和终端节点能否加入该网络，它始终处于供电模式，是整个网络的数据中心， 为路由和终端设备提供存储服务和路由功能。ZigBee路由器与ZigBee协调器功能的区 别是除了组建网络之外其他的功能都能提供。相比路由器和协调器，ZigBee终端的功 能就简单多了，它是数据的采集装置，将采集的数据发送给父节点存储，可以处于睡眠 状态，达到节能的目的。在一个ZigBee网络中有且仅有一个协调器，它负责组网，路 由和地址分配，自动将16位短地址分配给该网络中的各个节点。理论上一个ZigBee网 络中最多可以存在65000个节点，且ZigBee的组网方式很多，最基本的包括星型网络、 网状网络和网状网络，如图2.2所示。SXX大学学位论文协i月曙图2.2 ZigBee组网方式2.2实验环境介绍为实现路灯设备的模拟以及ZigBee通信网络的搭建需要一些硬件设备的支持，结 合本设计网络方式（网状网络至少需要4个节点）搭建的需要，本项目选用了四个ZigBee 模块作为通信网络设备，因此选购了两套网蜂ZigBee开发套件，以供本项目原型模拟 设计。其中，一套完整的网蜂ZigBee开发套件国的基本版本包括：两个全能节点（根 据需要可以设定为协调器、路由器和终端设备中的任意一种）、一个CC-DEBUGGER 代码下载仿真器、两个天线、两根USB转方口线、一张开发光盘（包括教程、例程）。 网蜂ZigBee开发套件的基础功能底板上留有核心芯片模块插入接口、包含USB转串口 电路（不带串口的电脑用户和笔记本用户也适用）、具有多个IO标准输入输出接口（支 持增加温度、湿度传感器模块等外围设备），还提供PA功放模块的接，因此网蜂ZigBee 开发套件非常适合ZigBee网络环境模拟项目的使用，项目开发套件如图2.3所示：9基于ZigBee的路灯节能管控系统设计与实现图2.3项目开发套件2.3本章小结本章介绍了 ZigBee无线通讯技术及本项目开发所用开发件套件，重点在于阐明 ZigBee协议栈体系结构和ZigBee组网方式。本章内容为后续ZigBee网络的搭建和路灯 节点的设计提供技术支持。16孙静，陈佰红.Zigbee协议栈及应用实现J通化师范学院学报,2007,28(4)35-37.1 刀 ZigBee. Zigbee 的协调器、路由器、终端的概念EB/OL. http:/www.embedu.oig/Column/Cohimn591.htm18网蜂 ZigBee 开发套件.网蜂 Zigbee 开发套件使用教程EB. OL. http7/fd51dc513b3567ecl02d 8a2d.html1CXX大学学位论文第三章基于ZigBee的路灯节能管控系统设计3.1基于ZigBee的路灯节能管控系统需求基于ZigBee的路灯节能管控系统的主要目标是实现路灯照明系统的自动化管理， 保证路灯监控管理的实时性、方便路灯控制操作和确保故障监测处理能及时有效进行,卜图3.1为系统功能图:12InternM ；igBcc网络Pdft.手机终端端昭灯2 屮32Kv 图3.1系统功能图从上图中分析得知：基于ZigBee的路灯节能管控系统分为ZigBee路灯节点硬件部 分和路灯节能管控网站部分，其中，ZigBee节点模块硬件部分，主要包括搭建路灯节 点所在的ZigBee网络、采集路灯节点数据、传输节点数据以及与应用服务器之间的数 据通信过程；而路灯节能管控网站部分，主要进行系统管理、路灯管理、路灯控制、路 灯监控和路灯分布情况等操作。基于ZigBee的路灯节能管控系统具体功能需求由以下部分具体描述：（1）ZigBee路灯节点组网和数据传输功能描述：本项目中有两种ZigBee路灯节点，即ZigBee协调器切和ZigBee路由 器20】。协调器节点功能包括组网、路由、串口接收数据和向路由器发送命令。路由器节 点功能包括加入网络、路由、接收ZigBee无线网络数据、接收路由器发送來的命令、 定时和普通控制LED灯的开闭。输入：路灯控制命令。输出：LED灯的当前或定时状态。（2）系统基本信息管理功能描述：系统基本信息管理，主要包括人员管理、角色管理和个人信息维护。能 够对系统中用户信息进行增加、删除、查询，能够修改个人信息，比如修改密码、用户 基本资料，还可以管理整个系统的角色以及操作权限。输入：用户在路灯节能管控系统中的输入。输出：系统基本信息的输出。（3）路灯信息管理功能描述：系统路灯信息的管理包括路灯信息、路灯状态信息、路灯位置信息和地 理位置信息管理，支持增加、删除、修改和查询的操作。输入：用户在路灯节能管控系统中的输入。输出：路灯各种信息的输出。（4）路灯控制功能描述：路灯的远程控制，分为路灯普通控制和路灯定时控制，通过提交路灯控 制的表单，后台程序将对ZigBee网络中路灯节点传输控制命令，进行路灯远程操作。输入：用户在路灯节能管控系统中的输入。输出：路灯控制命令数据，路灯控制记录。（5）路灯监控功能描述：路灯监控包括路灯实时监控部分和故障情况管理。实时监控负责在浏览 器上显示节点是否发生故障还是一切正常；故障情况管理主要是定义故障内容，支持增 加、删除、修改和查询操作。输入：后台故障数据的输入。输出：故障信息数据的记录。（6）路灯分布功能描述：路灯分布图在地图中展示当前路灯节点分布情况和当前路灯状态。输入：数据库中路灯情况信息表。输出：路灯节能管控网站在浏览器的路灯分布图。系统要解决的关键问题为路灯节点网络通信中的组网和数据传输过程以及协调器 节点和监控服务器端的串口通信过程。本系统的故障管理需求通过设计基于ZigBee的路灯节能管控系统的故障管理模块 來解决，当系统发生故障时，就将该故障相关信息自动记录到数据库的故障情况表中， 如果需要查看故障信息，则可以通过访问路灯节能管控系统的故障检测模块得到故障情 况，管理员在故障发生之后，可马上得到故障信息，并及时处理，以保证路灯照明系统 正常运行。本系统对性能的需求表现为对路灯信息获取的实时性的需求。自本系统开始运行， 协调器就在不断的收集路由节点的信息，及时与服务器上的路灯节能管控系统进行串口 通信，然后将数据写到数据库中。3.2基于ZigBee的路灯节能管控系统总设计3.2.1技术架构图3.2总技术架构图基于ZigBee的路灯节能管控系统的总技术架构如图3.2所示，该架构由硬件技术 部分和软件技术部分构成。硬件技术部分的基础是ZigBee协议栈的无线组网技术，具 体负责组织ZigBee网络，实现ZigBee节点之间数据的无线传输，即路灯状态信息和命 13基于ZigBee的路灯节能管控系统设计与实现令数据的传输。ZigBee功能底板PH上集成了 PL2303芯片，因此支持USB转串口功能, 实际硬件部署如下，将ZigBee协调器模块用USB转串口线直接连接到服务器上，用于 串口通信，实现将协调器收集到的数据发送到服务器的串口端，然后调用JAVA】代码, 从服务器的串口端读取数据，反之亦然。软件技术部分是使用MVC23】设计模式，由 Spnng24技术、Stmts225技术和Hibernate26技术搭建的路灯节能管控系统，通过浏览器 的访问方式，向电脑用户和手机用户展示路灯监控结果和提供路灯远程控制功能。3.2.2系统架构经过仔细分析和调研，设计了基于ZigBee的路灯节能管控系统的整体架构，如图 3.3 所75。用户访问模块图3.3基于ZigBee的路灯节能管控系统的总架构基于ZigBee的路灯节能管控系统的总架构可划分为三个部分，分别是ZigBee无线 通信模块、监控中心和用户访问模块。ZigBee无线通信模块是以一个ZigBee协调器和多个ZigBee终端组成的网状网络构 成，主要负责路灯节点的网络部署、采集节点数据和传输节点数据的功能。实验场景如 下：ZigBee路由器作为终端模拟为路灯节点，作为ZigBee数据采集模块；ZigBee协调 器作为数据收集模块，将所有路灯节点信息实时收集起来，然后通过串口连接，与一台 作为监控中心的服务器进行数据通信。监控中心是一台应用服务器，在服务器上部署由Stmts、Spnng和Hlbernate框架技 XX大学学位论文术和Java Web其他技术】实现的路灯节能管控系统。用户访问模块是指在ZigBee无线通信模块和监控中心部署好之后，用户通过电脑 或者手机浏览器登录该路灯节能管控系统网站，就能操作该系统的各项功能，包括对路 灯状态进行远程操控、查看故障情况和录入路灯系统信息等功能。3.2.3系统业务流程基于ZigBee的路灯节能管控系统包括系统管理员和一般用户这两类角色，这两类 角色的操作权限绚如下：（1）系统管理员既对系统基本信息管理，也对设备管理。系统管理员能够登录网 站，能够进行系统基本信息管理、路灯管理、路灯控制、路灯监控和路灯分布显示等操 作，部分支持信息的增加、批量删除、修改和查询功能。（2）一般用户角色的操作为个人信息管理、查看路灯控制信息、查看路灯监控信 息和查看路灯分布图，其中只有个人信息管理支持修改操作，其他模块只支持查看功能。图3.4基于ZigBee的路灯节能管控系统业务流程图15XX大学学位论文图3.4为基于ZigBee的路灯节能管控系统业务流程图，从图中可以看出：系统管 理员登录系统成功之后，具有系统管理、路灯管理、路灯控制和查看路灯分布的五大权 限，即有权限对系统的基本各项信息进行管理和维护，并且该角色也相当于ZigBee路 灯节点设备管理员，同时也负责路灯节点信息的管理和维护，路灯控制，通过查看路灯 监控状态，检测故障和查看路灯分布情况，并且处理故障。一般用户在登录该系统之后, 可以对个人信息进行维护、修改密码、可以查看路灯控制信息、查看路灯监控状态和查 看路灯分布图。3.3本章小结本章介绍了基于ZigBee的路灯节能管控系统总架构，根据基于ZigBee的路灯节能 管控系统的需求分析來设计系统的业务流程和确立系统技术组织总架构，为本系统的具 体设计和实现奠定基础。1刃徐健，杨珊珊.基于CC2530的ZigEee协调器节点设计J.物联网技术，2012,5:55-57.20 ZigBee. ZigBee 路由浅析EB/OL. http:/weiiku.baidu.conVview/bd 128c4b2bl60b4e767fc f56.html21 Xin, Zhenghua, Chen, Guolong, Li, Xianwei, Hu, Liangvi, Yuan, Jun. Gu. Haifeng, Cao. Pei. Reseaich on the ZigBee Network and Equipment Design Based on the CC2530J Sensors & Transducers, 2013, Vol. 158 (11), pp.89-9422 Whiter Cazzola, Edoardo Vacclii Java: Bringing a richer annotation model to JavaJ Computer Languages, Systems & Stnictuies, 201423 李海涛,MVC设计模式在JSP开发中的应用J.电脑编程技巧与维护,2011,10:91,92,95.24 孟琼.Spnng框架事务处理技术研究J.计算机与现代化,2012,12:204-206.25 刘艳春.Stmts2框架核心配置文件的研究与应用J.计算机技术与发展,2013,23:77-81.26 李德JavaEE基于Hibernate的ORM框架J电子技术研发,2013,2:7-9.27 赵姝菊 基于JavaWeb项目开发之JavaBean应用探究J电脑知识与技术,2012.8(5): 1094097.28 王非.基于角色权限管理的B/S与C/S教务管理系统安全体系的研究与设计J.辽宁师范人学 学报,2012,35(4):488-492.ie第四章ZigBee路灯节点和通信网络的设计与实现4.1 ZigBee路灯节点总体设计ZigBee路灯节点作为基于ZigBee的路灯节能管控系统项目的硬件设计部分，需要 实现的功能是搭建路灯节点的ZigBee网络、接收路灯节能管控系统的控制命令、发送 控制命令给对应路灯节点和定时操纵路灯状态，为路灯节能管控系统的运行提供硬件支 持，ZigBee路灯节点总体设计框图，如图4.1所示：RULERAPP Layer:CONTRO1.LRRSM小；畀、W.KELtSSCDMMIXICATTONAPS Layer:SECURITY COWMERCI AlCOORDINATORNWK gycr:CREATE MESH NIKMAC layerPHY layerROUTERAPP Layer:U1NTRWJ.I-：DWlkfclESSOOMHLICATION-APS Layer:SECURITY COMMERCIALNWK Layer;JOIX HESH MKMAC layerPHY layer图4.1路灯节点总体设计图从上图中，可以看出两种路灯节点的设计结构和路灯节点组成的网状网络通信情 景，路灯节点具体设计内容将在后面章节展开介绍。4.2实验模拟开发环境关于ZigBee路灯节点的开发模块，考虑到易学易用和集成度高，本项目选用的是 网蜂ZigBee开发套件中的ZigBee模块，实验模拟开发环境的介绍将会从开发模块与开 发工具以及路灯节点安装、部署和测试这两个方面來展开叙述：4.2.1开发模块与开发工具的介绍ZigBee节点设备，即ZigBee开发模块，是由CC2530核心板和节点功能底板构成。如图4.2所示:=iteiiiiiiiiiiiJ2n图4.2 ZigBee节点设备(1)CC2530 芯片4008JO5OOOOO00000CC2530核心板是一款支持ZigBee技术的芯片，其包括CPU和内存、时钟和电源 管理和外设等ZigBee节点核心功能，相当于ZigBee节点的心脏。（2）节点功能底板具有如下特点：底板尺寸：长7厘米，宽5厘米；功能底板带有USB转串口功能（型号PL-2303） 支持串口通信；底板功能接口为调试接口，该调试接口兼容TI标准的仿真工具、引出 所有10 口、常用的串口引脚以及5V/3.3V引脚；功能按键为1个复位和2个普通按键;LED指示灯为1个电源指示灯、1个组网指示灯和2个普通LED；模块支持WeBeeCC2530核心板和CC2530加功率放大器PA的核心板】。本项目开发工具为CC-DEBUGGER仿真器，它是用來将IAR工程中的代码拷到ZigBee节点设备上，还可以在拷入代码之后马上进入代码调试模式。如图4.3所示:1SXX大学序位论文图 4.3 CC-DEBUGGER 仿真器CC-DEBUGGER仿真器卩。】使用说明，步骤如下：（1）第一次插入WeBee仿真器，需要安装驱动，从指定路径安装驱动。拔下重新 插入，检测到仿真器驱动己安装。驱动路径如下图4.4所示：（己经安装IARforc8051）图4.4仿真器驱动所在路径（2）在IAR软件中打开建好的工程，然后选择需要拷入的类别，有协调器、路由 器和终端,用仿真器将服务器和ZigBee设备连接起来，然后点击工具栏中download and debugger”按钮将代码拷贝到ZigBee节点之中。本项目开发环境为IAR软件，使用TI协议栈Zstack-CC2530-2.5.1a,下图4.5为IAR 软件界面：19基于ZigBee的路灯节能管控系统设计与实现 J8*314I2IXHVMcvnU” AMmtlX2l97B LMMdMB9M WvmOCeaefCJX：eC99rt*Mv*BEdMFt JM2311 Pa KTR Tj m图4.5 IAR软件界面4.2.2 ZigBee路灯节点安装、部署与测试4.2.2.1 ZigBee路灯节点安装过程ZigBee模块安装步骤卩J如下：打开IAR软件，选择workspace, file卜open H workspace,在文件选择框中选择woikPiojectszstackSamplesSaiiipleAppCC2530DB 下的 SampleApp.eww 匸程文件，文件路径如图4.6所示：图4.6文件路径注意工程为work,该工程中包括拷到协调器和路由器节点上的程序。当你要拷贝 到协调器时选择CooidmatorEB,然后点击MAKE编译程序。完毕之后，点击downloadxXX大学序位论文and debugger按钮，进入个人调试模式。点击stop debuggmg,退出该模式。到此代码拷 贝完成。同理，当你要拷贝代码到路由器时，唯一不同的是选择RouteiEB模式。4.2.2.2 ZigBee路灯节点部署与测试由于只测试Zigbee路灯节点部分，因此需要借助串口调试助手，预期目标是根据 串口助手发出的命令协调器和路由器作出处理，控制LED灯的开关。ZigBee模块部署 步骤如下所示：将准备好的协调器设备通过USB转方口线连接到服务器上，其他三个路由器设备, 安装上充电电池（注意：充点电池和USB转串口线不能同时接到设备上，否则设备可 能烧毁）。硬件设备按上述要求连接好之后，推开协调器的电源开关，蓝色LED为电源指示 灯，然后等待协调器创建网络，直到靠近CC2530芯片的黄色LED灯常亮后，表示网 络建好。推开一个路由器设备的电源开关，等待橙色灯亮，表示该设备己经连接到协调器创 建的网络之中。之后，打开另一个路由器的开关，依此类推。至此，ZigBee路灯节点部署好了，下面进入测试，测试过程：打开串口调试助手卩设置好端口号（即ZigBee协调器的接到服务器的端口号） 和波特率卩习（即模块代码中选用的波特率，本实验为115200bps）之后，点击打开串口 按钮。在发送区输入“$02B01”，点击手动发送按钮，串口助手界面如图4.7所示：图4.7串II助手界面观察到的现象为：节点编号为02的名为B的LED灯被点亮了。自此测试完毕。4.3 ZigBee路灯节点具体设计ZigBee路灯节点作为基于ZigBee技术的路灯节能系统的原型的硬件部分，是保证 整个系统可正常运行的物理基础，最终可以支撑本系统的ZigBee路灯节点端的运行环 境，同时服务器端的ZigBee协调器通过串口线与服务器上部署的路灯节能管控系统进 行实时串口通信，并最终实现接收路灯节能管控系统的控制命令、发送控制命令给对应 路灯节点、普通控制和定时操纵路灯状态的功能，路灯节点设计按照具体节点功能类型 的不同划分为ZigBee协调器节点的设计和ZigBee路由器节点的设计。（1）ZigBee协调器节点的设计ZigBee协调器作为ZigBee网络的中心节点，需要实现的功能为负责ZigBee网络的 创建、决定其他节点是否能加入本网络以及向ZigBee路由器节点直接传达服务器端路 灯节能管控系统的控制命令。（2）ZigBee路由器节点的设计ZigBee路由器用来模拟路灯节点，其主要功能为监听ZigBee无线网络中的消息、 根据控制命令來改变自身LED的状态和定时改变LED状态。4.3.1 ZigBee协调器节点的设计与实现ZigBee协调器作为ZigBee网络的中心节点，需要实现的功能为负责ZigBee网络的 创建、决定其他节点是否能加入本网络以及向ZigBee路由器节点直接传达服务器端路 灯节能管控系统的控制命令，其功能结构图如图4.8所示：图4.8 ZigBee协调器应用功能结构图其中创建网络和管理节点的功能34不需要自己编写，模块自动就能帮你实现网络 层的功能，只需要根据具体要求在工程中相应的文件中进行参数配置即可，配置文件