基于嵌入式和无线收发模块的教学楼节能系统的设计

摘 要： 将嵌入式技术、ZIGBEE 无线通信技术和传感器技术相结合设计了教学楼智能节能控制系统。给出了教学楼节能系统的总体框图，并提供了ARM 和无线ZIGBEE 模块通信的串口程序。同时提供了教室灯光检测终端即亮度监控仪的设计框图，并给出了节能系统的采光电路和实现原理。最后，说明了本节能控制系统的实际应用情况和价值。

目前，国内各大高校中，同学们的自觉节能意识薄弱，在教室光线足够亮时也开灯，课上完离开教室后灯还亮着的现象普遍存在;而且，学校节能规划极为欠缺，教室的灯光控制由专门的管理人员手工管理，教室极多，管理人员管理不过来，这样就造成不必要的电能浪费和经济损失。本文将嵌入式技术、新兴的ZIGBEE 无线通信技术和传感器技术相结合设计了教学楼节能控制系统，以便能为学校节能及国家节能做出微薄贡献。

1 教室楼节能系统方案

教学楼智能节能系统按功能分由主控制器、ZIGBEE 无线传输网络、亮度检测三部分组成。其中，主控制器负责接受来自ZIGBEE 网络的数据，并根据数据做出相应的判断和处理;ZIGBEE 无线传输网络负责主控制器和亮度检测部分的通信;亮度检测部分负责室内灯光的采集、分析和相应处理。

系统主控制器采用ARM9 架构的32 位嵌入式RISC 处理器。通过在亮度监控仪和主控制器中嵌入ZIGBEE 无线收发模块，实现各网络子节点和系统主控制器的数据传送，从而实现整个系统的无线通信。

节能系统的总体框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

本系统中，亮度监控仪的功能是采集教室光度信号加以处理以确定教室的光线亮度，并通过无线方式将数据传送给节能系统的主控制器。主控制器根据教室亮度监控仪发送来的信息和学校相关作息时间信息对教室灯的亮灭情况做出判断，并将相关操作指令传给亮度监控仪，最后由亮度监控仪来完成教室灯的亮灭工作。

2 系统硬件设计

节能系统主控制器主要由基于S3C2440 的ARM9控制器和基于CC2430的无线收发传输模块两部分组成。其内部存储亮度标准信息、学校作息时间等学校节能参考信息，通过和外部发送来的各个教室亮度信息比较，下达指令给教室的亮度监控仪，后者实现灯具的开关操作。亮度监控仪主要是由CC2430芯片、采光电路及相关CC2430 外围部件构成。

2.1 ARM9 硬件设计

ARM 是对一类微处理器的通称，也可以认为是一种技术的名字。基于ARM 技术的微处理器应用约占据了32 位RISC 微处理器75%以上的市场份额。开发基于ARM 的控制器有着广泛的应用前景。

控制器硬件设计采用功能强大S3C2440 芯片加上其他功能模块。处理器采用SAMSUNG 生产的S3C2440.选取三星生产的K9F120 芯片构成64MNAND FLASH.用两片32M 的HY57V561620 构成64M SDROM. LCD 由CPU 外加驱动电路控制。

2.2 亮度监控仪设计

亮度监控仪结构框图如下：

图2 亮度监控仪结构框图。

其中，亮度监控仪处理器采用CC2430 芯片，该芯片的CPU 寄存器与标准的8051 寄存器相同，同时CC2430 芯片内部集成传统的CC2420 芯片的功能。

亮度监控仪主要功能是读取照度传感器采集信号，经过AD 处理后，将数据无线发送出去，供上位机查询;并在收到上位机指令后，进行灯具合理控制实现教室智能节能的功能。照度传感器采用on9658 光电集成传感器，其为可见光照度传感器，主要电气特点是灵敏度高，电流随光照强度增强呈线性变化;内置微信号CMOS 放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，温度稳定性好。其主要功能是采集教室的亮度信号，传送给CC2430 处理器。

照度传感器工作电路如下。由于CC2430 的AD输入范围为0~3.3V,此处选择一个3.V 稳压二极管。

图3 照度传感器电路。

3 系统软件设计

3.1 无线传输模块软件设计

无线ZIGBEE 支持星型，格型，簇型三种拓扑结构。考虑到本模块要应用到教学楼节能中，此处选择星型结构。典型的星形网络由一个网络协调器和若干网络终端组成。其中，网络协调器控制整个网络的通信，负责建立和维护网络通信。每个网络终端提供240个节点供终端设备使用，终端设备之间不能直接通信，只能通过网络协调器配合完成设备之间的通信。

无线ZIGBEE 模块的主要功能是实现串口和ZIGBEE 网络协议的双向数据转换，一方面将串口发来的数据，经过ZIGBEE 协议转换成能发送到网络中的数据。另一方面，将ZIGBEE 网络中传输来的数据，经过ZIGBEE 协转换成能用串口传输的数据，以便控制器查询。

无线传输ZIGBEE 模块程序流程图如图4 所示。

图4 无线传输ZIGBEE 模块程序流程图。

3.2 ARM 控制器软件设计

ARM 控制器通过分析自身内部储存的学校作息时间和无线传输模块串口送来的教室亮度信息，通过串口下达相应指令给无线传输ZIGBEE 模块，后者通过无线方式传输指令给亮度监控仪，最终有亮度监控仪实现教师相应灯具的开光。ARM 控制器实现上述功能要编写串口应用程序。

其中串口应用程序主要包括四部分：初始化函数、发送函数、接收函数、主函数。

① 初始化函数。

初始化主要实现引脚功能的选择、串口数据的格式设置、时钟源选择及查询方式等功能。串口主要寄存器(S3C2440 有三个UART,此处选择串口0)设置如下：

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

ULCON0 =0X03;//数据格式为8 位，一停止位，无校验位[!--empirenews.page--]

UCON0 =0X05; //时钟源为pclk ,查询方式

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

② 发送函数和接收函数。

两函数通过对UTRSTAT0 寄存器相应位判断来实现发送或接受的功能。

发送判断指令：

while (!(UTRSTAT0 & 0X04))//判断当UTRSTAT0寄存器[2]位为1 时，执行发送指令

接受判断指令：

while (!(UTRSTAT0 & 0X01)) //判断当UTRSTAT0寄存器[0]位为1 时，执行读取指令

③ 主函数

主函数主要实现UART0 的初始化，信息判断和相应功能函数调用等功能。

3.3 亮度监控仪软件设计

亮度监控仪主要的功能是对可见光照度传感器on9658 采集的亮度信号进行相应转换，并实现无线发送，AD 转换程序如下：

4 系统实际应用

该自动节能系统在我校实验室已成功应用。其中，在10m×12m 的实验室内只需放3 个亮度监控仪，分别用于检测控制实验室离窗子较近的一排灯，实验室中间一排灯，实验室离过道近的一排灯。三个亮度监控仪的选择和运行由一个zigbee 协调器统一控制。

经教学楼里的实际测试，亮度监控仪和zigbee 协调器的传输距离要小于30 米，因此在同一楼层要根据楼宇的实际设计来确定zigbee 协调器的多少和位置，不可以按照理论的数值来确定传输模块的距离。在功耗方面由于是定时检测教室的亮度，为了降低功耗，zigbee 协调器和亮度监控仪在大部分时间是控制在休眠模式以等待外来中断的唤醒，这样就大大增强了电池的使用寿命。本系统中的zigbee 协调器和亮度监控仪均采用两节1.5 伏干电池供电。经实际检测，无线模块在实验室运行八个月来，模块电源电压均在2.7 伏以上，由此可见，基于CC2430 的无线模块功耗极低。以此为据，理论上两节1.5 伏干电池，可供单个无线模块工作2 到3 年。因此这种价格低、功耗小、功能大的节能系统值得推广。

5 结语

本文设计的基于S3C2440 芯片、CC2430 无线通信芯片和传感器技术的教学楼智能节能控制系统，性能优越，结构清晰具有良好的扩展性。学校教学楼中，可以在原来的设备布局基础上少做作处理，便可利用该设备达到学校节能的效果。将嵌入式技术和ZIGBEE 无线收发技术应用到教学楼的节能中，成本低，便于推广。学校教学楼及与节能相关的楼栋都可以利用此技术进行节能。