楼宇光控文献综述.docx

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楼宇光控文献综述

学校代码：

11517

学号：

201150712239

HENANINSTITUTEOFENGINEERING

文献综述

题目楼宇光控系统设计

学生姓名张传涛

专业班级电气工程及其自动化1122

学号201150712239

系（部）电气信息工程学院

指导教师（职称）邱建文（讲师）

完成时间2013年月日

楼宇光控系统的设计

摘要：

针对当今高校教室中白天光线足够亮时灯具还开着的电能浪费现象，分析了教室灯光智能控制原理和实现方法，并扩展到整个教学楼教室灯光智能控制，提出了融合ARM9控制技术、Zigbee无线通信技术和传感器技术于一体的学校楼宇智能光控系统的设计思路，并在此基础上开发了智能光控系统的硬件装置和相应软件。

系统以ARM9主控制器作为整个教学楼智能光控系统的控制中心，负责规定系统的工作时间和实时监控教学楼各个教室中系统硬件的工作性能，并定时下达系统工作命令。

主控制器和一个Zigbee无线收发模块通过串口线相连，主控制器下达的命令通过该Zigbee模块无线发送给具有无线收发功能的亮度监控仪，亮度监控仪收到命令后经过检测灯具开或关状态，教室自然光亮度采集，分析处理等相应操作后完成教室灯具的控制工作，达到节能的目的。

系统在硬件实现方面主要是设计Zigbee无线收发模块和亮度监控仪模块；软件实现方面主要是编写主控制器中的控制程序，Zigbee模块中无线收发函数和亮度监控仪中的功能函数。

该系统体积小，成本低，效果好，整个光控节能系统便于推广。

希望本课题的研究能为各高校在教室灯光节能方面有所帮助，对国家号召的节能事业有所贡献！

关键词：

CC2430/ARM9/传感器/节能

1绪论

1.1选题背景

目前，由于国内很多学校教室开放型的用电管理模式和学生节能意识淡薄，全国很多学校的教学楼里普遍存在严重的电能浪费现象。

在白天教室内光线充足或室内无人或人数很少的情况下，也全部开启室内灯具[1]。

有三种情况最为常见：

第一种，早上学生到教室时，教室光线暗就把灯具打开照明，但在光线变得足够亮时，由于学生学习问题或节能意识等问题，教室里亮着的很多灯具不能及时关闭；第二种，中午或下午上完课放学后，教室里没有学生了，但是教室的灯具还亮着很多，这样的情况时常发生；第三种，上午或者下午上课时由于天气原因教室光线暗，这时把灯具打开，但是在光线渐渐变亮后，很多时候我们的同学不能把灯具及时关闭。

以上列举的三种情况，在国内很多院校普遍存在，这些浪费电能的现象长期存在，小对学校，大对国家都会造成巨大的经济损失。

所以设计学校教室灯具照明节能系统是学校节能应当解决的关键问题。

学校教室采用光控系统可以有效节约电能，教室照明光控系统借助各种“预设置”控制方式和控制组件，对教室不同时间不同位置的光照度进行精确分析和合理管理来达到节能目的。

这种自动调节照度的方式，充分利用室外的自然光，只有当必需时才把灯打开，利用最少电能保证所要求的照度水平，节电效果十分明显。

它不仅可以节省大量资金，而且在一定程度上减少更换灯管的数量，降低了照明系统的运行费用，教室灯具的管理也变得简单。

随着国内高校教室不断扩建，教室照明用电量不断增加，教室照明用电管理不善将造成学校电能浪费和经济损失。

另外，随着社会自动化程度不断提高和计算机技术的普及，灯光管理也在朝着自动化、智能化方向发展。

例如楼道灯光的自动控制等等。

因此教室灯光控制也应该朝着智能的方向发展。

于是，开发价格低、布局简单、实用的教室灯光自动控制系统具有重要的现实意义。

本文以节能为出发点，结合学校教室用电浪费的实际情况，研究了教室照明光控系统，希望对高校教室灯光节能工作有所帮助，对国家号召的节能事业有所贡献！

1.1.1世界节能问题

目前，世界上许多发达国家已经制定了很多法律法规来规范能源的使用。

例如，日本1979年开始实施《节约能源法》，对能源消耗标准作了严格规定[2]。

2002年修改的《节约能源法》提高了汽车、空调、冰箱、照明灯、电视机、复印机、计算机等产品的节能标准。

美国过去十年间共出台《21世纪清洁能源的能源效率与可再生能源办公室战略计划》、《国家能源政策》等10多个政策来推动节能。

由于全世界面临越来越严峻的能源问题，国内外对于智能建筑的研究有着极高的热情。

智能建筑物或智能大厦是楼宇自动化系统、通信自动化系统和办公自动化系统三者的有机结合，其中建筑环境是智能大厦的支持平台[3]。

本文研究的教室光控系统就属于智能建筑中的照明监控系统。

在全球节约能源的形势下，国内外一些企业推出了一些针对酒店或小区的灯光控制系统，但其控制策略一般比较简单，对于灯光的控制只涉及有人开灯与无人闭灯。

对于教室这样一个有着多种因素影响灯开闭的环境，其研究力度仍显不足。

横观国内外各大高校，电能浪费的现象普遍存在，尤其是教室电能浪费。

1.1.2国内高校教学楼节电现状

目前，电费支出成为各高校成本支出中重要的组成部分，为了减少电能的浪费，各大院校纷纷制定相应规章制度以节约用电。

对教室照明管理的要求是在充分保证教室照度的前提下，尽可能地节约电能。

现在国内各高校通常有“无专人管理”、“利用定时开关”、“专人负责”三种管理模式，它们都有自己明显的弊端，也就造成了大量电能的浪费[4]。

第一种模式是最为浪费的一种模式，因为在强光下人眼对弱光不敏感，自然光照度大于灯具光照度的情况下，难以觉察到灯光的存在，这就造成白天长明灯现象。

第二种模式比第一种模式在节能方面有很大提高，但它致命缺点是无法及时地保证各个教室的照度，因为自然光照不仅受时间、季节等因素影响，而且还要受天气变化等因素的影响，因此这种模式极有可能达不到照度要求或者节能效果不明显。

第三种模式在照度和节能两方面都大有提高，但需要有专门人员负责管理，而且控制的准确度因人而异，很难做到科学和准确。

鉴于以上种种原因，提高教室用电效率就成为学校节能的重要措施之一，教室光控系统的设计无疑就成为一项重要课题。

1.2选题意义

当今，由于大学开放型的用电管理模式和学校学生节能意识淡薄，全国各高校教室里普遍存在着严重的电能浪费现象。

由于学生学习或者节能意识等问题，教室自然光亮度足够亮时，教室里灯还开着的现象比比皆是。

另外，中午或下午下课学生离开教室后，教室里灯开着的现象在很多学校也时常发生。

所以，怎样有效地减少教室的用电浪费是摆在各高校面前的一个大问题。

在对很多高校的调查中我们发现，各学校对于教学楼里的照度都非常重视[5]。

依照国家相关标准规定，大学教室平均照度为400LUM（流明）左右，为让学生有一个好的学习环境，大部分高校的教室照度都高于标准。

现今，高校教室照明用电基本处于一种粗放式管理状态，概括为三种模式：

一是无专人管理，由学生自行控制开启，再由值日学生在自习后关闭灯具；二是利用定时开关，根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源；三是由专人负责，即管理人员根据作息时间和天气情况分楼或分层送电。

但是每一种模式都有自己的弊端，所以设计一种新颖的教室智能光控系统是形式的需要[6]。

为了节省学校教室照明的用电量，减少学校的经济损失和响应国家节能号召，本课题在前人研究的基础上更加全面地研究了教室智能节能系统，希望对国内各学校的教室用电节能有所帮助，对国家的节能事业有所贡献。

1.3论文主要内容

本论文研究了学校楼宇节能的现状，详细介绍了楼宇智能光控系统中涉及的：

ARM技术，Zigbee技术，传感器技术。

重点说明了ARM控制器、Zigbee模块设计、亮度监控仪设计和工作原理以及系统性能测试过程。

课题工作重点如下：

（1）Zigbee无线模块设计

Zigbee无线模块处理器为CC2430，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。

CC2430外围电路主要有：

JTAG接口、串口电路、天线匹配电路、晶振电路和复位电路等。

Zigbee无线模块在整个系统中主要负责系统主控制器和亮度监控仪之间通信。

（2）亮度监控仪的设计

亮度监控仪的处理器为CC2430芯片，所以其具备无线收发功能。

另外，亮度监控仪中加入了On9658光电集成传感器用来检测教室的自然光亮度。

同时，亮度监控仪中设计了继电器电路用来控制灯具的开或关。

亮度监控仪主要作用有：

1）.判断教室灯具的开或关状态；

2）.将光电集成传感器采集的亮度信息A/D处理；

3）.根据前面判断的灯具状态、A/D转换的自然光亮度值和事先设定好的灯具开关阀值完成教室相关灯具的开关工作。

（3）ARM控制技术

系统主控制器采用ARM9来充当，它的处理器采用S3C2440芯片。

外围电路主要有：

电源电路、串口RS232接口电路、晶振电路、SDRAM和Flash存储电路等。

ARM控制器的主要作用是：

1）.存储（或随时修改）学校作息时间等学校节能参考信息；

2）.定时发出教室的灯具检测指令；

3）.实时监控教学楼各个教室中的系统硬件工作状态；

2硬件介绍

2.1Zigbee硬件电路设计

本系统中Zigbee无线模块的处理器为CC2430。

CC2430具有CC2420RF接收器以及增强性能的8051MCU，8KRAM等，其增强的8051MCU核的性能是工业标准8051核性能的8倍。

CC2430还具备直接存储器地址（DMA）功能、可编程看门狗定时器、AES-128安全协处理器、多达8输入的8~14位ADC、USART、睡眠模式定时、上电复位、掉电检测电路、21个可编程I/O管脚等，两个可编程的USART用于主从SPI或UART操作。

CC2430片上系统由CC2430加上Motorola的基于IEEE802.15.4标准的无线电定位引擎组成。

CC2430有一个内部系统时钟，该时钟的振荡源既可以用16MHz高频RC振荡器，也可以采用32MHz晶体振荡器，本设计中采用了32MHz晶体振荡器[12]。

Zigbee模块结构框图如下：

图1Zigbee模块结构框图

Fig.1Zigbeemodulestructurediagram

CC2430处理器的功耗较低，工作电压范围较宽（2.0V-3.6V），所以本设计中

采用了两节1.5V干电池直接供电。

JTAG接口主要是烧写，调试程序的人机接口。

2.2ARM处理器介绍

ARM（AdvancedRISCMachines），是对一类微处理器的通称，也可以认为是一种技术的名字。

ARM微处理器是一种高性能、低功耗的32位微处器，它被广泛应用于嵌入式系统中[6]。

其中，ARM9代表了ARM公司主流的处理器，已经在手持电话、机顶盒、数码像机、GPS、个人数字助理以及因特网设备等方面有了广泛的应用。

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。

ARM9处理器有以下特点[7]：

（1）32bit定点RISC处理器，改进型ARM/Thumb代码交织，增强性乘法器设计，支持实时（real-time）调试；

（2）片内指令和数据SRAM，而且指令和数据的内存容量可调；

（3）片内指令和数据高速缓冲器（cache）容量从4K位元元组到1M字节；

（4）设置保护单元，非常适合嵌入式应用对内存进行分段和保护；

（5）采用AMBA，HB总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线；

（6）支持外部协处理器，指令和数据总线有简单的握手信令支持；

（7）支持标准基本逻辑单元扫描测试方法学，而且支持BIST（built-in-self-test）；

（8）支持嵌入式跟踪宏单元，支持实时跟踪指令和数据。

3软件部分介绍

3.1Zigbee介绍

Zigbee是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，被称为“无线技术的下一次革命”。

Zigbee是基于IEEE802.15.4技术标准。

它的数据传输速率在10kb/s到250kb/s之间，因此其适合于低速率的无

线传输应用。

其传输距离可达到65-75米，如需传输更长的距离，只需在Zigbee设备之间添加基站即可。

Zigbee网络主要是为了自动化数据传输而建立的，它突出特点是应用简单，电池寿命长，通信范围大，数据传输速率低。

Zigbee可以构建一个由多达数万个无线模块组成的无线数据传输网络平台，十分类似现有的移动通信CDMA网。

一般来说，Zigbee比较适合应用于以下场所：

（1）需要无线通信交换信息的低成本装置的场所；

（2）数据的交换量较小、数据传输的速率要求不高的场所；

（3）功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间的场所；

（4）需要多个（尤其是大量）设备组成无线通信网路，主要进行监测和控制场所。

Zigbee技术是基于统一IEEE802.15.4技术标准的一种无线传输技术，其物理层和媒体接入层协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层和应用框架层由Zigbee技术联盟制定，应用层的开发要以用户自己的应用需求为依据[2]。

根据IEEE802.15.4标准协议，Zigbee的工作频段分为三个频段，分别为868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段为免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为250kbps，该频段为全球通用工业、科学、医学频段。

另外915MHz的数据传输速率为40kbps，868MHz频段的数据传输速率为20kbps，传输速率相对的较小。

3.2ADS介绍

ARM应用软件的开发工具根据功能的不同，分别有编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、嵌入式实时操作系统、函数库、评估板、JTAG仿真器、在线仿真器等，目前世界上约有四十多家公司提供以上不同类别的产品。

用户选用ARM处理器开发嵌入式系统时，选择合适的开发工具可以加快开发进度，节省开发成本。

因此一套含有编辑软件、编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、工程管理及函数库的集成开发环境（IDE）一般来说是必不可少的。

使用集成开发环境开发基于ARM的应用软件，包括编辑、编译、汇编、链接等工作全部在PC机上即可完成，调试工作则需要配合其他的模块或产品方可完成。

ARM现在有多种开发工具，例如ARMSDT（ARMSoftwareDevelopmentKit）、ADS（ARMDeveloperSuite）、RealViewMDK、GNU、ARMREALVIEWDEVELOPERSUITE、IAREWARM等共超过十种开发工具。

在本课题的设计中选择使用了ADS开发工具，后面将重点讲述ADS开发软件和怎么使用ADS开发软件[22]。

ADS（ARMDeveloperSuite），是ARM处理器下最主要的开发工具。

ADS包括三种调试器ARMExtendedDebugger，AXD向下兼容的ARMDebuggerforWindows/ARMDebuggerforUNIX和ARM符号调试器。

其中AXD不仅拥有低版本ARM调试器的所有功能，还新添了图形用户界面，更方便的视窗管理数据显示，格式化和编辑以及全套的命令行界面。

ADS对汇编、C/C++、java支持的均很好，是目前最成熟的ARM开发工具。

很多ARM开发软件（例如Keil）也是借用的ADS的编译器。

4结论

针对当今各大高校白天时间教室的电能不注意节约的问题，本课题深入研究和设计了教学楼智能光控系统。

整个光控系统是以学校教室节能为目的，过程中以教室的自然光亮度为依据来判断教室里灯具应该关闭与否，利用Zigbee无线通信网络实现整个系统的相互通信，采用功能强大、可扩展性能比较好的S3C2440作主控制器的处理器，最终设计了一个价格低廉，便于在原来的灯具设施上添加，节能效果比较显著的教学楼智能光控节能系统。

在课题研究的过程中，从最初对ARM，Zigbee网络和传感器知识不了解，不熟悉，到最后成功将ARM技术，Zigbee网络技术和传感器技术应用到一个教学楼的智能光控系统中，我的知识收获颇多。

经过一年多学习研究课题的过程，不仅在专业方面有了一个很大的提高，在生活和精神方面的收获也是令人感到欣慰的。

在专业方面：

熟悉了当今嵌入式领域使用最广泛的处理器内核ARM，并掌握和成功运用了功耗低、主频高、外围接口丰富的ARM9S3C2440处理器；学习了解了有线通信和无线通信的重要区别；学习并使用了内部集成8051内核的CC2430射频芯片，并以CC2430为处理器设计了Zigbee无线通信模块和亮度监控仪；认识了Zigbee无线通信网络并将之运用到该课题设计中；学习了光电集成传感器的工作原理并在此基础上设计了采光电路；掌握了用小电流控制大电流的继电器的使用方法和继电器驱动电路的设计方法。

在生活和精神方面：

在学习研究课题的过程中遇到麻烦问题是不可避免的，经过一年多课题研究的磨练，我多次亲身体会了遇到困难不要轻易放弃的重要性。

我懂了无论在学习中还是在生活中遇到困难都不能轻易地放弃，只要坚持问题就一定能解决。

在学习过程中遇到困难时，要学会静下心来分析问题，要积极地向老师请教，虚心地向同学学习。

要坚持，不能轻易放弃。

在生活中遇到困难同样要学会坚持，学会不断地想办法去解决问题。

另外，学习和生活过程是一个大家相互学习，相互交流沟通，相互帮助的过程。

只有做到这三个相互一个人才能更快，更多，更好地学习新知识，才能更好地生活。

当然本课题设计有很多的不足：

系统在教室节能方面只是考虑了亮度的问题，这是不完善的。

更加完善的教室节能系统还应该考虑教室里人员存在和位置问题。

系统在设计时选择了外围扩展性能较好的ARM9作为系统的主处理器，为以后改进完善教室智能光控节能系统提供条件。

课题设计的基于ARM技术、Zigbee无线通信技术和传感器技术的教学楼智能光控系统，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处理，便可利用该设备达到学校节能的效果。

将ARM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。

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