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