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

摘 要： 將嵌入式技術(shù)、ZIGBEE 無(wú)線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)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(wú)線ZIGBEE 模塊通信的串口程序。同時(shí)提供了教室燈光檢測(cè)終端即亮度監(jiān)控儀的設(shè)計(jì)框圖，并給出了節(jié)能系統(tǒng)的采光電路和實(shí)現(xiàn)原理。最后，說(shuō)明了本節(jié)能控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況和價(jià)值。

目前，國(guó)內(nèi)各大高校中，同學(xué)們的自覺(jué)節(jié)能意識(shí)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(guò)來(lái)，這樣就造成不必要的電能浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。本文將嵌入式技術(shù)、新興的ZIGBEE 無(wú)線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)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(guó)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(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、亮度檢測(cè)三部分組成。其中，主控制器負(fù)責(zé)接受來(lái)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(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)主控制器和亮度檢測(cè)部分的通信;亮度檢測(cè)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(guò)在亮度監(jiān)控儀和主控制器中嵌入ZIGBEE 無(wú)線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)主控制器的數(shù)據(jù)傳送，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)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(hào)加以處理以確定教室的光線亮度，并通過(guò)無(wú)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(lái)的信息和學(xué)校相關(guān)作息時(shí)間信息對(duì)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(lái)完成教室燈的亮滅工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(wú)線收發(fā)傳輸模塊兩部分組成。其內(nèi)部存儲(chǔ)亮度標(biāo)準(zhǔn)信息、學(xué)校作息時(shí)間等學(xué)校節(jié)能參考信息，通過(guò)和外部發(fā)送來(lái)的各個(gè)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(shí)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(jì)

ARM 是對(duì)一類微處理器的通稱，也可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。基于ARM 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(chǎng)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(jì)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(dòng)電路控制。

2.2 亮度監(jiān)控儀設(shè)計(jì)

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(shí)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(hào)，經(jīng)過(guò)AD 處理后，將數(shù)據(jù)無(wú)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(shí)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(diǎn)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(hào)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(hào)，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(gè)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(jì)

3.1 無(wú)線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線ZIGBEE 支持星型，格型，簇型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？紤]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(gè)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(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)終端提供240個(gè)節(jié)點(diǎn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器配合完成設(shè)備之間的通信。

無(wú)線ZIGBEE 模塊的主要功能是實(shí)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(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)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(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)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(wú)線傳輸ZIGBEE 模塊程序流程圖如圖4 所示。

圖4 無(wú)線傳輸ZIGBEE 模塊程序流程圖。

3.2 ARM 控制器軟件設(shè)計(jì)

ARM 控制器通過(guò)分析自身內(nèi)部?jī)?chǔ)存的學(xué)校作息時(shí)間和無(wú)線傳輸模塊串口送來(lái)的教室亮度信息，通過(guò)串口下達(dá)相應(yīng)指令給無(wú)線傳輸ZIGBEE 模塊，后者通過(guò)無(wú)線方式傳輸指令給亮度監(jiān)控儀，最終有亮度監(jiān)控儀實(shí)現(xiàn)教師相應(yīng)燈具的開光。ARM 控制器實(shí)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(shí)現(xiàn)引腳功能的選擇、串口數(shù)據(jù)的格式設(shè)置、時(shí)鐘源選擇及查詢方式等功能。串口主要寄存器(S3C2440 有三個(gè)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(wú)校驗(yàn)位[!--empirenews.page--]

UCON0 =0X05; //時(shí)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(guò)對(duì)UTRSTAT0 寄存器相應(yīng)位判斷來(lái)實(shí)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(shí)，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(shí)，執(zhí)行讀取指令

③ 主函數(shù)

主函數(shù)主要實(shí)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(jì)

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

4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

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

經(jīng)教學(xué)樓里的實(shí)際測(cè)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(shí)際設(shè)計(jì)來(lái)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(lái)確定傳輸模塊的距離。在功耗方面由于是定時(shí)檢測(cè)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(shí)間是控制在休眠模式以等待外來(lái)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(shí)際檢測(cè)，無(wú)線模塊在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行八個(gè)月來(lái)，模塊電源電壓均在2.7 伏以上，由此可見，基于CC2430 的無(wú)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(gè)無(wú)線模塊工作2 到3 年。因此這種價(jià)格低、功耗小、功能大的節(jié)能系統(tǒng)值得推廣。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于S3C2440 芯片、CC2430 無(wú)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(lái)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(wú)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。