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(xiàn)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(xiàn)各網絡子節(jié)點和系統(tǒng)主控制器的數據傳送，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(xiàn)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(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。考慮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(xié)調器和若干網絡終端組成。其中，網絡協(xié)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(xié)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(xiàn)串口和ZIGBEE 網絡協(xié)議的雙向數據轉換，一方面將串口發(fā)來的數據，經過ZIGBEE 協(xié)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(xié)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(xiàn)教師相應燈具的開光。ARM 控制器實現(xiàn)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(xiàn)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
UCON0 =0X05; //時鐘源為pclk ,查詢方式
UBRDIV0 =(PCLK /(57600 ×16)-1);//設置波特率57600
② 發(fā)送函數和接收函數。
兩函數通過對UTRSTAT0 寄存器相應位判斷來實現(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UTRSTAT0寄存器[0]位為1 時，執(zhí)行讀取指令
③ 主函數
主函數主要實現(xiàn)UART0 的初始化，信息判斷和相應功能函數調用等功能。
3.3 亮度監(jiān)控儀軟件設計
亮度監(jiān)控儀主要的功能是對可見光照度傳感器on9658 采集的亮度信號進行相應轉換，并實現(xiàn)無線發(fā)送，AD 轉換程序如下：
4 系統(tǒng)實際應用
該自動節(jié)能系統(tǒng)在我校實驗室已成功應用。其中，在10m×12m 的實驗室內只需放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)調器統(tǒng)一控制。
經教學樓里的實際測試，亮度監(jiān)控儀和zigbee 協(xié)調器的傳輸距離要小于30 米，因此在同一樓層要根據樓宇的實際設計來確定zigbee 協(xié)調器的多少和位置，不可以按照理論的數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，這樣就大大增強了電池的使用壽命。本系統(tǒng)中的zigbee 協(xié)調器和亮度監(jiān)控儀均采用兩節(jié)1.5 伏干電池供電。經實際檢測，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，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 結語
本文設計的基于S3C2440 芯片、CC2430 無線通信芯片和傳感器技術的教學樓智能節(jié)能控制系統(tǒng)，性能優(yōu)越，結構清晰具有良好的擴展性。學校教學樓中，可以在原來的設備布局基礎上少做作處理，便可利用該設備達到學校節(jié)能的效果。將嵌入式技術和ZigBee無線收發(fā)技術應用到教學樓的節(jié)能中，成本低，便于推廣。學校教學樓及與節(jié)能相關的樓棟都可以利用此技術進行節(jié)能。