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

摘 要： 將嵌入式技術、ZIGBEE 無線通信技術和傳感器技術相結合設計了教學樓智能節(jié)能控制系統(tǒng)。給出了教學樓節(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)控儀的設計框圖，并給出了節(jié)能系統(tǒng)的采光電路和實現原理。最后，說明了本節(jié)能控制系統(tǒng)的實際應用情況和價值。

目前，國內各大高校中，同學們的自覺節(jié)能意識薄弱，在教室光線足夠亮時也開燈，課上完離開教室后燈還亮著的現象普遍存在;而且，學校節(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濟損失。本文將嵌入式技術、新興的ZIGBEE 無線通信技術和傳感器技術相結合設計了教學樓節(jié)能控制系統(tǒng)，以便能為學校節(jié)能及國家節(jié)能做出微薄貢獻。

1 教室樓節(jié)能系統(tǒng)方案

教學樓智能節(jié)能系統(tǒng)按功能分由主控制器、ZIGBEE 無線傳輸網絡、亮度檢測三部分組成。其中，主控制器負責接受來自ZIGBEE 網絡的數據，并根據數據做出相應的判斷和處理;ZIGBEE 無線傳輸網絡負責主控制器和亮度檢測部分的通信;亮度檢測部分負責室內燈光的采集、分析和相應處理。

系統(tǒng)主控制器采用ARM9 架構的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，實現各網絡子節(jié)點和系統(tǒng)主控制器的數據傳送，從而實現整個系統(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)結構框圖

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據傳送給節(jié)能系統(tǒng)的主控制器。主控制器根據教室亮度監(jiān)控儀發(fā)送來的信息和學校相關作息時間信息對教室燈的亮滅情況做出判斷，并將相關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。其內部存儲亮度標準信息、學校作息時間等學校節(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，下達指令給教室的亮度監(jiān)控儀，后者實現燈具的開關操作。亮度監(jiān)控儀主要是由CC2430芯片、采光電路及相關CC2430 外圍部件構成。

2.1 ARM9 硬件設計

ARM 是對一類微處理器的通稱，也可以認為是一種技術的名字。基于ARM 技術的微處理器應用約占據了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用前景。

控制器硬件設計采用功能強大S3C2440 芯片加上其他功能模塊。處理器采用SAMSUNG 生產的S3C2440.選取三星生產的K9F120 芯片構成64MNAND FLASH.用兩片32M 的HY57V561620 構成64M SDROM. LCD 由CPU 外加驅動電路控制。

2.2 亮度監(jiān)控儀設計

亮度監(jiān)控儀結構框圖如下：

圖2 亮度監(jiān)控儀結構框圖。

其中，亮度監(jiān)控儀處理器采用CC2430 芯片，該芯片的CPU 寄存器與標準的8051 寄存器相同，同時CC2430 芯片內部集成傳統(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，經過AD 處理后，將數據無線發(fā)送出去，供上位機查詢;并在收到上位機指令后，進行燈具合理控制實現教室智能節(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，電流隨光照強度增強呈線性變化;內置微信號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)軟件設計

3.1 無線傳輸模塊軟件設計

無線ZIGBEE 支持星型，格型，簇型三種拓撲結構?？紤]到本模塊要應用到教學樓節(jié)能中，此處選擇星型結構。典型的星形網絡由一個網絡協調器和若干網絡終端組成。其中，網絡協調器控制整個網絡的通信，負責建立和維護網絡通信。每個網絡終端提供240個節(jié)點供終端設備使用，終端設備之間不能直接通信，只能通過網絡協調器配合完成設備之間的通信。

無線ZIGBEE 模塊的主要功能是實現串口和ZIGBEE 網絡協議的雙向數據轉換，一方面將串口發(fā)來的數據，經過ZIGBEE 協議轉換成能發(fā)送到網絡中的數據。另一方面，將ZIGBEE 網絡中傳輸來的數據，經過ZIGBEE 協轉換成能用串口傳輸的數據，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 控制器軟件設計

ARM 控制器通過分析自身內部儲存的學校作息時間和無線傳輸模塊串口送來的教室亮度信息，通過串口下達相應指令給無線傳輸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)控儀實現教師相應燈具的開光。ARM 控制器實現上述功能要編寫串口應用程序。

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

① 初始化函數。

初始化主要實現引腳功能的選擇、串口數據的格式設置、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)設置如下：

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

ULCON0 =0X03;//數據格式為8 位，一停止位，無校驗位