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研究生:凃柏村
論文名稱:ZigBee技術應用於路燈監控系統之研究
論文名稱(外文):Application of ZigBee to Street Light Monitoring System
指導教授:魏忠必
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:111
中文關鍵詞:無線感測網路路燈ZigbeeGoogle Earth
外文關鍵詞:Wireless sensor networkstreetlightZigbeeGoogle Earth
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本文應用無線感測網路於路燈監控系統之研製,使用Zigbee無線感測網路模組,將路燈狀態傳回管理員監控端中心,監控人員可以在第一時間內,發現路燈是否有異常狀態發生,當發生異常狀態時,本系統利用Google Earth 將異常路燈位址,即時顯示於監控畫面,提供監控管理者查詢該地區路燈維修單位,進而以簡訊或電話通報維修人員。相較於以往,路燈須由路人察覺故障或異常,並主動通報維修單位來的快速且即時。
本文探討的路燈監控狀態包括:白天路燈狀態、晚上路燈狀以及Zigbee無線感測網路模組狀態。異常狀態包括:白天光線充足時,路燈異常開啟。晚間光線昏暗時,路燈未開啟,以及Zigbee無線感測網路模組發生斷電或傳輸故障等情形。本文監控系統可分為自動與手動模式,自動模式可以立即將路燈狀態傳回監控端。手動模式在於白天:06:01AM~05:59PM,光線不足時,手動強制開燈,以確保用路人安全。晚上:06:00PM~06:00AM,光線充足時,手動強制關燈,以達到節約能源。

In this thesis, the wireless sensor network is used to develop a streetlight monitoring system. Zigbee wireless sensor module was chosen to operate the system to monitor streetlights’ functioning so that the operator of the supervisory system will be able to detect the streetlights that are malfunctioned promptly. The information of which streetlight is malfunctioned and where it is located will be displayed on server’s monitor via Google Earth online map, which allows the system operator to inform maintenance workers through phone calls or text messages. In comparison to the traditional way which relies on passengers who spot the malfunctioned streetlight and inform the maintenance unit actively, this system is much faster and effective.
In this system, three conditions are monitored: streetlight functioning during daytime and at night, as well as the module itself. Under the monitoring, defined malfunctioned situations are (1) streetlights on during daytime when the sunlight is strong enough, (2) streetlights are still off at night or when the surroundings are getting dark during daytime, and (3) power disconnection or breakdown in transmission of the Zigbee wireless sensor network. The proposed streetlight monitoring system has two modes—automatic and manual. The automatic functions inform the server streetlights’ condition, while the manual is designed to open the lights under two conditions. At first, whenever the natural lights are not strong enough in daytime, it is turn on to ensure the passengers’ safety. Secondly, to turn off the light whenever there is ample lighting provided by the surroundings during the night to save energy.
Keywords:Wireless sensor network, streetlight, Zigbee, Google Earth.

中文摘要 i
英文摘要 ii
謝 誌 iii
目 錄 iv
圖 目 錄 vi
表 目 錄 xi
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法 4
1.4 論文架構 6
第二章 無線感測網路系統 7
2.1 無線感測網路 7
2.2 IEEE 802.15家族傳輸協定 11
2.3 Zigbee IP-Link 2220H 傳輸模組 19
2.4 小結 22


第三章 無線路燈照明監控系統規劃 23
3.1 路燈照明監控管理的概述 23
3.2 整體規劃與設計 26
3.3 開發軟體工具介紹 38
3.4 小結 45
第四章 系統測試與模擬 47
4.1 硬體測試環境 47
4.2 路燈照明監控管理中心介面 51
4.3 路燈照明監控電路於戶外測試模擬 77
4.4 小結 80
第五章 結論與展望 81
5.1 結論 81
5.2 展望 82
參考文獻 83
附錄A Zigbee無線網路技術 87
附錄B 無線路燈照明監控系統硬體電路 97


圖 目 錄

圖1.1 Zigbee網路即時路燈監控系統架構 3
圖1.2 研究步驟流程圖 5
圖2.1 無線感測網路系統架構 9
圖2.2 UWB使用環境示意圖 16
圖2.3 Zigbee的應用範圍 18
圖2.4 Zigbee IP-Link 2220H模組 20
圖3.1 路燈照明管理作業流程圖 25
圖3.2 路燈自動監測回報系統 27
圖3.3 路燈照明故障自動通報系統架構 30
圖3.4 路燈照明問題 31
圖3.5 照明感測電路立體3D圖 32
圖3.6 路燈照明偵測電路硬體架構 33
圖3.7 日光感測電路立體3D圖 34
圖3.8 路燈照明整體系統硬體架構 35
圖3.9 路燈簡訊通報流程 35
圖3.10 路燈照明監控系統工作流程圖 37
圖3.11 「BASCOM-8051」開發環境 38
圖3.12 ISP-Flash Programmer V3.0a 燒錄環境 39
圖3.13 監控系統開發介面 40
圖3.14 IP-Link 2220H傳輸模組的通訊設定 41
圖3.15 IP-Link 2220H內部參數設定 42
圖3.16 IP-Link 2220H睡眠模式參數設定 43
圖3.17 Google Earth結合Google 搜尋,以搜尋台北101為例 44
圖3.18 Google Earth之KML原始檔,以台北101地理位置為例 45
圖4.1管理監控中心測試環境 47
圖4.2 照明感測電路 48
圖4.3 日光感測電路 48
圖4.4 精誠路之路燈3號 49
圖4.5 東興路之路燈9號 50
圖4.6 向上路之路燈5號 50
圖4.7 美村路之路燈1號 51
圖4.8 路燈監控中心首頁 52
圖4.9 監控管理人員登入視窗 52
圖4.10 登入帳號、密碼正確 53
圖4.11 登入帳號或密碼錯誤 53
圖4.12 路燈監控操作系統 54
圖4.13 白天自動模式,路燈皆正常 55
圖4.14 白天路燈異常於白天亮起之模擬操作電路 56
圖4.15 白天自動模式,向上路-路燈5號異常亮起 57
圖4.16 白天自動模式,精誠路-路燈3與美村路-路燈1號異常亮起 57
圖4.17 夜晚路燈正常開啟之模擬操作電路 58
圖4.18 夜晚路燈異常故障之模擬操作電路 59
圖4.19 夜晚自動模式,路燈皆正常 60
圖4.20 夜晚自動模式,東興路-路燈9號故障 60
圖4.21 夜晚自動模式,精誠路-路燈3與向上路-路燈5號故障 61
圖4.22 白天自動模式,路燈異常亮起 62
圖4.23 白天手動模式,關閉異常亮起路燈 62
圖4.24 夜晚自動模式,路燈正常亮起 63
圖4.25 夜晚手動模式,路燈強制關閉 64
圖4.26 白天自動模式,向上路-路燈5號Zigbee電力中斷 65
圖4.27 夜晚自動模式,精誠路-路燈3號與美村路-路燈1號之Zigbee電力中 斷65
圖4.28 台中市路燈監控管理區域劃分 66
圖4.29 西區路燈故障通報,以精誠路為例 67
圖4.30 Google Earth之故障路燈定位查詢操作介面 68
圖4.31 路燈定位程序完成 69
圖4.32 路燈定位之地理位置,以精誠路-路燈3號為例 69
圖4.33 路燈定位程序失敗 70
圖4.34 路燈定位之地理位置收尋失敗 70
圖4.35 開啟路燈位置之定位執行檔視窗 71
圖4.36 開啟執行Google Earth程式 72
圖4.37 載入故障路燈3D地圖相關位置,以向上路-路燈5號為例 72
圖4.38 電子影像地圖查詢介面 73
圖4.39 路燈故障簡訊通報介面 74
圖4.40 路燈維護人員接收簡訊通報畫面 74
圖4.41 指示燈號說明介面 75
圖4.42 變更監控管理員程序 76
圖4.43 變更監控管理人員為岱宗之路燈監控系統中心畫面 76
圖4.44 依實際路燈間隔距離擺放照明監控電路 77
圖4.45 白天照明監控電路戶外測試 78
圖4.46 白天照明監控電路戶外測試之監控管理中心畫面 78
圖4.47 夜晚照明監控電路戶外測試 79
圖4.48 夜晚照明監控電路戶外測試之監控管理中心畫面 79
圖A.1 Zigbee技術的通訊協定架構 87
圖A.2 Zigbee之星狀拓樸 89
圖A.3 Zigbee之網狀拓樸 89
圖A.4 Zigbee之樹狀拓樸 90
圖A.5 IEEE 802.15.4之實體層和媒體存取控制層關係架構圖 91
圖A.6 IEEE 802.15.4之實體層示意圖 92
圖A.7 IEEE 802.15.4之媒體存取控制層示意圖 93
圖A.8 Superframe的架構 95
圖B.1 照明感測電路圖 97
圖B.2 日光感測電路圖 99
圖B.3 89S51 Microchip接腳圖 102
圖B.4 ADC0804類比數位轉換IC接腳圖 104
圖B.5 9Pin RS-232串列埠接腳圖,以公頭為例 104
圖B.6 MAX232電壓準位轉換IC接腳圖 107
圖B.7 LF411運算放大器接腳圖 107
圖B.8 7805穩壓IC之硬體接腳圖 108
圖B.9 AC-DC之POWER SUPPLY元件 109
圖B.10 DC-AC之固態電譯SSR 110
圖B.11 固態電譯SSR之結構圖 110
圖B.12 光敏電阻Cds之結構 111

表 目 錄

表2.1 各式新興無線通訊傳輸的協定 10
表2.2 IEEE 802.15之家族 10
表2.3 多頻段(OFDM)、直接序列(CDMA)之比較 15
表2.4 Bluetooth、UWB與Zigbee的比較 19
表2.5 IP-LINK 2220H燈號顯示狀態說明 21
表2.6 IP-Link 2220H的特性 21
表2.7 IP-Link 2220H的硬體規格 22
表3.1 2006年全年路燈故障查報研究資料 28
表3.2 路燈故障電話通報資料分析 31
表3.3 照明功能不足時所衍生的各種問題 32
表3.4 IP-Link 2220H參數設定及其功能說明 41
表4.1 路燈照明測試環境所需要的硬體設備及其功能 49
表4.2 路燈指示狀態分析模式 54
表4.3 指示燈號顏色代表之意義 75
表A.1 IEEE 802.15.4之實體層與媒體存取控制層的功能特色 94
表B.1 89S51 Microchip接腳說明 101
表B.2 ADC0804類比數位轉換IC接腳說明 103
表B.3 RS-232串列埠接腳說明 105
表B.4 MAX232電壓準位轉換IC接腳說明 106


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[31] ZigBee Alliance, http:// www.ZigBee.org。

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