基于嵌入式和無線收發(fā)模塊的教學(xué)樓節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要： 將嵌入式技術(shù)、ZIGBEE 無線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合設(shè)計了教學(xué)樓智能節(jié)能控制系統(tǒng)。給出了教學(xué)樓節(jié)能系統(tǒng)的總體框圖，并提供了ARM 和無線ZIGBEE 模塊通信的串口程序。同時提供了教室燈光檢測終端即亮度監(jiān)控儀的設(shè)計框圖，并給出了節(jié)能系統(tǒng)的采光電路和實現(xiàn)原理。最后，說明了本節(jié)能控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況和價值。

目前，國內(nèi)各大高校中，同學(xué)們的自覺節(jié)能意識薄弱，在教室光線足夠亮?xí)r也開燈，課上完離開教室后燈還亮著的現(xiàn)象普遍存在;而且，學(xué)校節(jié)能規(guī)劃極為欠缺，教室的燈光控制由專門的管理人員手工管理，教室極多，管理人員管理不過來，這樣就造成不必要的電能浪費和經(jīng)濟(jì)損失。本文將嵌入式技術(shù)、新興的ZIGBEE 無線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合設(shè)計了教學(xué)樓節(jié)能控制系統(tǒng)，以便能為學(xué)校節(jié)能及國家節(jié)能做出微薄貢獻(xiàn)。

1 教室樓節(jié)能系統(tǒng)方案

教學(xué)樓智能節(jié)能系統(tǒng)按功能分由主控制器、ZIGBEE 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、亮度檢測三部分組成。其中，主控制器負(fù)責(zé)接受來自ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的判斷和處理;ZIGBEE 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)主控制器和亮度檢測部分的通信;亮度檢測部分負(fù)責(zé)室內(nèi)燈光的采集、分析和相應(yīng)處理。

系統(tǒng)主控制器采用ARM9 架構(gòu)的32 位嵌入式RISC 處理器。通過在亮度監(jiān)控儀和主控制器中嵌入ZIGBEE 無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點和系統(tǒng)主控制器的數(shù)據(jù)傳送，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的無線通信。

節(jié)能系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)中，亮度監(jiān)控儀的功能是采集教室光度信號加以處理以確定教室的光線亮度，并通過無線方式將數(shù)據(jù)傳送給節(jié)能系統(tǒng)的主控制器。主控制器根據(jù)教室亮度監(jiān)控儀發(fā)送來的信息和學(xué)校相關(guān)作息時間信息對教室燈的亮滅情況做出判斷，并將相關(guān)操作指令傳給亮度監(jiān)控儀，最后由亮度監(jiān)控儀來完成教室燈的亮滅工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

節(jié)能系統(tǒng)主控制器主要由基于S3C2440 的ARM9控制器和基于CC2430的無線收發(fā)傳輸模塊兩部分組成。其內(nèi)部存儲亮度標(biāo)準(zhǔn)信息、學(xué)校作息時間等學(xué)校節(jié)能參考信息，通過和外部發(fā)送來的各個教室亮度信息比較，下達(dá)指令給教室的亮度監(jiān)控儀，后者實現(xiàn)燈具的開關(guān)操作。亮度監(jiān)控儀主要是由CC2430芯片、采光電路及相關(guān)CC2430 外圍部件構(gòu)成。

2.1 ARM9 硬件設(shè)計

ARM 是對一類微處理器的通稱，也可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字?；贏RM 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32 位RISC 微處理器75%以上的市場份額。開發(fā)基于ARM 的控制器有著廣泛的應(yīng)用前景。

控制器硬件設(shè)計采用功能強(qiáng)大S3C2440 芯片加上其他功能模塊。處理器采用SAMSUNG 生產(chǎn)的S3C2440.選取三星生產(chǎn)的K9F120 芯片構(gòu)成64MNAND FLASH.用兩片32M 的HY57V561620 構(gòu)成64M SDROM. LCD 由CPU 外加驅(qū)動電路控制。

2.2 亮度監(jiān)控儀設(shè)計

亮度監(jiān)控儀結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖2 亮度監(jiān)控儀結(jié)構(gòu)框圖。

其中，亮度監(jiān)控儀處理器采用CC2430 芯片，該芯片的CPU 寄存器與標(biāo)準(zhǔn)的8051 寄存器相同，同時CC2430 芯片內(nèi)部集成傳統(tǒng)的CC2420 芯片的功能。

亮度監(jiān)控儀主要功能是讀取照度傳感器采集信號，經(jīng)過AD 處理后，將數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去，供上位機(jī)查詢;并在收到上位機(jī)指令后，進(jìn)行燈具合理控制實現(xiàn)教室智能節(jié)能的功能。照度傳感器采用on9658 光電集成傳感器，其為可見光照度傳感器，主要電氣特點是靈敏度高，電流隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)呈線性變化;內(nèi)置微信號CMOS 放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流大，溫度穩(wěn)定性好。其主要功能是采集教室的亮度信號，傳送給CC2430 處理器。

照度傳感器工作電路如下。由于CC2430 的AD輸入范圍為0~3.3V,此處選擇一個3.V 穩(wěn)壓二極管。

圖3 照度傳感器電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 無線傳輸模塊軟件設(shè)計

無線ZIGBEE 支持星型，格型，簇型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。考慮到本模塊要應(yīng)用到教學(xué)樓節(jié)能中，此處選擇星型結(jié)構(gòu)。典型的星形網(wǎng)絡(luò)由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干網(wǎng)絡(luò)終端組成。其中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器控制整個網(wǎng)絡(luò)的通信，負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信。每個網(wǎng)絡(luò)終端提供240個節(jié)點供終端設(shè)備使用，終端設(shè)備之間不能直接通信，只能通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器配合完成設(shè)備之間的通信。

無線ZIGBEE 模塊的主要功能是實現(xiàn)串口和ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，一方面將串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過ZIGBEE 協(xié)議轉(zhuǎn)換成能發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)。另一方面，將ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)中傳輸來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過ZIGBEE 協(xié)轉(zhuǎn)換成能用串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以便控制器查詢。

無線傳輸ZIGBEE 模塊程序流程圖如圖4 所示。

圖4 無線傳輸ZIGBEE 模塊程序流程圖。

3.2 ARM 控制器軟件設(shè)計

ARM 控制器通過分析自身內(nèi)部儲存的學(xué)校作息時間和無線傳輸模塊串口送來的教室亮度信息，通過串口下達(dá)相應(yīng)指令給無線傳輸ZIGBEE 模塊，后者通過無線方式傳輸指令給亮度監(jiān)控儀，最終有亮度監(jiān)控儀實現(xiàn)教師相應(yīng)燈具的開光。ARM 控制器實現(xiàn)上述功能要編寫串口應(yīng)用程序。

其中串口應(yīng)用程序主要包括四部分：初始化函數(shù)、發(fā)送函數(shù)、接收函數(shù)、主函數(shù)。

① 初始化函數(shù)。

初始化主要實現(xiàn)引腳功能的選擇、串口數(shù)據(jù)的格式設(shè)置、時鐘源選擇及查詢方式等功能。串口主要寄存器(S3C2440 有三個UART,此處選擇串口0)設(shè)置如下：

GPHCON =0Xa0;//GPH2,GPH3 為 TXD0,RXD0功能

ULCON0 =0X03;//數(shù)據(jù)格式為8 位，一停止位，無校驗位[!--empirenews.page--]

UCON0 =0X05; //時鐘源為pclk ,查詢方式

UBRDIV0 =(PCLK /(57600 ×16)-1);//設(shè)置波特率57600

② 發(fā)送函數(shù)和接收函數(shù)。

兩函數(shù)通過對UTRSTAT0 寄存器相應(yīng)位判斷來實現(xiàn)發(fā)送或接受的功能。

發(fā)送判斷指令：

while (!(UTRSTAT0 & 0X04))//判斷當(dāng)UTRSTAT0寄存器[2]位為1 時，執(zhí)行發(fā)送指令

接受判斷指令：

while (!(UTRSTAT0 & 0X01)) //判斷當(dāng)UTRSTAT0寄存器[0]位為1 時，執(zhí)行讀取指令

③ 主函數(shù)

主函數(shù)主要實現(xiàn)UART0 的初始化，信息判斷和相應(yīng)功能函數(shù)調(diào)用等功能。

3.3 亮度監(jiān)控儀軟件設(shè)計

亮度監(jiān)控儀主要的功能是對可見光照度傳感器on9658 采集的亮度信號進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)無線發(fā)送，AD 轉(zhuǎn)換程序如下：

4 系統(tǒng)實際應(yīng)用

該自動節(jié)能系統(tǒng)在我校實驗室已成功應(yīng)用。其中，在10m×12m 的實驗室內(nèi)只需放3 個亮度監(jiān)控儀，分別用于檢測控制實驗室離窗子較近的一排燈，實驗室中間一排燈，實驗室離過道近的一排燈。三個亮度監(jiān)控儀的選擇和運行由一個zigbee 協(xié)調(diào)器統(tǒng)一控制。

經(jīng)教學(xué)樓里的實際測試，亮度監(jiān)控儀和zigbee 協(xié)調(diào)器的傳輸距離要小于30 米，因此在同一樓層要根據(jù)樓宇的實際設(shè)計來確定zigbee 協(xié)調(diào)器的多少和位置，不可以按照理論的數(shù)值來確定傳輸模塊的距離。在功耗方面由于是定時檢測教室的亮度，為了降低功耗，zigbee 協(xié)調(diào)器和亮度監(jiān)控儀在大部分時間是控制在休眠模式以等待外來中斷的喚醒，這樣就大大增強(qiáng)了電池的使用壽命。本系統(tǒng)中的zigbee 協(xié)調(diào)器和亮度監(jiān)控儀均采用兩節(jié)1.5 伏干電池供電。經(jīng)實際檢測，無線模塊在實驗室運行八個月來，模塊電源電壓均在2.7 伏以上，由此可見，基于CC2430 的無線模塊功耗極低。以此為據(jù)，理論上兩節(jié)1.5 伏干電池，可供單個無線模塊工作2 到3 年。因此這種價格低、功耗小、功能大的節(jié)能系統(tǒng)值得推廣。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的基于S3C2440 芯片、CC2430 無線通信芯片和傳感器技術(shù)的教學(xué)樓智能節(jié)能控制系統(tǒng)，性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)清晰具有良好的擴(kuò)展性。學(xué)校教學(xué)樓中，可以在原來的設(shè)備布局基礎(chǔ)上少做作處理，便可利用該設(shè)備達(dá)到學(xué)校節(jié)能的效果。將嵌入式技術(shù)和ZIGBEE 無線收發(fā)技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)樓的節(jié)能中，成本低，便于推廣。學(xué)校教學(xué)樓及與節(jié)能相關(guān)的樓棟都可以利用此技術(shù)進(jìn)行節(jié)能。