基于無線傳感技術的樓宇環境監測系統設計

摘 要:首先介紹樓宇能源管理系統，分析了環境監測對樓宇節能的重要性，然后提出了樓宇環境無線傳感監測方案，設計并實現了基于無線傳感網絡的環境監測系統，最后總結了工程應用中如何選擇監測點位置。

關鍵詞:樓宇能源管理系統; 無線傳感網絡; 樓宇; 環境監測系統; 節能

中圖分類號:TN919 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0053-03

Design of Building Environment Monitoring System Based on Wireless Sensor Technology

CUI Ran1， MA Xu-dong1， PENG Chang-hai2

(1. School of Automation， Southeast University， Nanjing 210096， China; 2. School of Architecture， Southeast University， Nanjing 210096， China)

Abstract: The building energy management system is introduced， and the importance of environment monitoring for energy saving is analysed. The wireless sensor moni-toring scheme building environment is put forward. The enviroment monitoring system based on wireless sensor network is designed and realized. The issues on how to select monitoring points in engineering application was solved by means of summarization.

Keywords: building energy management system; wireless sensor network; building; environment monitoring system; energy-saving

0 引 言

20世紀80年代的能源危機讓世界意識到節約能源的重要性，在樓宇電力節能方面出現了很多實際有效的技術和方法。新的空調控制理論、DDC控制器、最優化的控制思想不斷應用到樓宇能耗設備上。傳統的樓宇自控系統BAS從對設備的控制逐漸發展成為包含了對能源的管理和控制的樓宇能源管理系統BEMS。

樓宇中能耗設備眾多，其中空調和照明系統的能耗占樓宇總能耗的70%以上。由于樓宇特殊的構造和結構特點，如何在樓宇中建立統一的實時監測平臺，診斷樓宇的節能水平，是樓宇能源管理系統中需要解決的一個重要問題。

國際能源組織IEA認為BEMS是在提供愉快舒適的室內環境和保證使用者安全的前提下實現建筑物的節能效果和人力的節約。因此，以室內環境為監測對象，通過對室內溫度和光照強度的監測，能反映空調系統和照明系統消耗能源所產生的效果，從而可以在此基礎上優化系統運行，達到節能的目的。

為實現對室內環境的監測，需要在樓宇內的不同區域布置大量傳感裝置。而在樓宇中采用傳統的有線監測網絡將產生巨大的安裝成本且對樓宇本身存在一定程度的損傷(特別是對既有建筑而言)。如果采用無線傳感技術，則布線工作即可免去，工程的總成本將大幅降低。因此，通過無線傳感技術實現樓宇內的環境信息的采集和傳輸是成功建立監測系統的關鍵。

1 無線傳感網絡

1.1 網絡協議

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量小型或微型的各類集成化傳感器節點協作地實時感知、監測各種環境對象信息，通過嵌入式系統對信息進行智能處理，并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端。

節點間無線通信協議采用基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee協議[1](見圖1)。Zigbee協議支持支持星形和網狀拓撲結構，具有低功耗、網絡容量大、傳輸距離遠等特點，非常適合用于樓宇環境監測。IEEE 802.15.4標準是針對無線個人局域網(Low-rate Wireless Personal Area Network)，把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間的低速互連提供統一的標準。采用免執照2.4 GHz和868/915 MHz的ISM頻段，能夠方便自由地構建無線局域網絡。

圖1 ZigBee協議結構

1.2 拓撲結構

網絡拓撲結構采用網狀結構網絡(Mesh Network)(見圖2)[2]。網狀網絡具有很廣的的傳送范圍，而且通過鏈路冗余的方式使得網絡的可靠性進一步提高。只要是在通信距離范圍內的任意兩個節點都可以建立起一個通信鏈路。該鏈路建立后如果因干擾而中斷，節點會自動搜索其他相鄰的節點，重新建立一條新的鏈路。不僅如此，網絡中的任何兩個設備都可以相互通信，即使不在直接通信的范圍內，也可以通過多個中間設備中繼的方式進行傳輸，即多跳的傳輸方式。動態路由和多跳傳輸增強了網絡的健壯性，除了中心節點，任何一個節點的損壞對不會對整個網絡產生影響。基于這些特性，網狀網絡非常適合在樓宇自動化和樓宇監控方面的應用。

圖2 網狀網絡拓撲圖

2 樓宇環境監測系統的實現

2.1 硬件平臺

數據采集裝置采用美國克爾斯博科技公司(Crossbow)MTS系列多功能傳感器板(見圖3(a))和基于TI CC2420的MicaZ射頻處理器(見圖3(b))為平臺，實現數據的采集和傳輸。與中心節點通信的網關采用Crossbow的MIB520(見圖3(c))作為網絡基站。MIB520網關通過USB接口實現對節點的在線編程和數據接收。

2.2 TinyOS微操作系統

TinyOS是UC Berkeley(加州大學伯克利分校)開發的開放源代碼操作系統，專為嵌入式無線傳感網絡設計，操作系統基于構件(Component-based)的架構使得快速的更新成為可能，而這又減小了受傳感網絡存儲器限制的代碼長度。TinyOS的構件包括網絡協議、分布式服務器、傳感器驅動及數據識別工具。其良好的電源管理源于事件驅動執行模型，該模型也允許時序安排具有靈活性。TinyOS已被應用于多個平臺和感應板中。

圖3 硬件平臺

TinyOS的程序采用的是模塊化設計，所以它的程序核心往往都很小(一般來說核心代碼和數據大概在400 B左右)，能夠突破傳感器存儲資源少的限制，這能夠讓TinyOS很有效的運行在無線傳感器網絡上并去執行相應的管理工作等。TinyOS本身提供了一系列的組件，可以很簡單方便的編制程序，用來獲取和處理傳感器的數據并通過無線電來傳輸信息。TinyOS在構建無線傳感器網絡時，它會有一個基地控制臺，主要是用來控制各個傳感器子節點，并聚集和處理它們所采集到的信息。TinyOS只要在控制臺發出管理信息，然后由各個節點通過無線網絡互相傳遞，最后達到協同一致的目的。

利用TinyOS微操作系統構建的無線傳感網絡具有以下特點:

(1) 基于組件的架構(Componented-based Architecture)

TinyOS提供一系列可重用的組件，一個應用程序可以通過連接配置文件(A Wiring Specification)將各種組件連接起來，以完成它所需要的功能。

(2) 事件驅動(Event-Driven Architecture)

TinyOS的應用程序都是基于事件驅動模式的，采用事件觸發去喚醒傳感器工作。

(3) 任務和時間并發(Tasks and Events Concurrency Model)

Tasks一般用在對于時間要求不是很高的應用中，且Tasks之間是平等的，即在執行時是按順序先后來得，而不能互相占先執行，一般為了減少Tasks的運行時間，要求每一個Task都很短小，能夠使系統的負擔較輕。

Events一般用在對于時間的要求很嚴格的應用中，而且它可以占先優于Tasks和其他Events執行，它可以被一個操作的完成或是來自外部環境的事件觸發，在TinyOS中一般由硬件中斷處理來驅動事件。

(4) 裂相操作Split-Phase Operations

在TinyOS中由于Tasks 之間不能互相占先執行，所以TinyOS沒有提供任何阻塞操作，為了讓一個耗時較長的操作盡快完成，一般來說都是將對這個操作的需求和這個操作的完成分開來實現，以便獲得較高的執行效率。

2.3 固件程序設計

無線節點采用了Crossbow的MicaZ收發處理器、MTS300溫度/光照集成傳感器以及MIB520網關，實現MESH網狀結構網絡。在節點端，利用XMesh提供的組件進行程序開發，組件主要包括:Main，XMTS300M，QueueSend，TimerC，XmeshBinaryRouter，NoLeds，HPLPowerManagementM，Voltage，PhotoTemp，Sounder，GenericCommPromiscuous等。通過Main組件啟動時鐘組件TimerC、通信組件GenericCommPromiscuous、路由組件XMeshBinaryRouter以及傳感器組件XMTS300M等，實現了多跳結構的自組織網絡，并使用HPLPowerManagementM模塊對節點進行休眠控制以降低功耗。

在網關處，網絡中所有節點的信息都最終發送到網關的匯聚節點sink0，通過節點匯聚節點sink0由MIB520網關發送到上位機。組件采用XServer中間件的相關組件，包括調度組件Main、網管監測組件Xheartbeat、基站組件XmeshBaseM、路由組件XmeshBinaryRouter、LED組件NoLeds、下行命令組件XcommandC，組件間的結構關系如圖4所示。

圖4 網關組件連接圖

3 監測點位置選擇

由于樓宇構造和結構的特殊性，在無線傳感網絡的實際應用中需要注意以下問題。

3.1 節點位置

網絡節點位置和數量的選擇是構建無線通信網絡首先要考慮的問題。由于樓宇中結構復雜，合理地選取發射器、中繼器和接收器的位置是保證網絡健壯性的關鍵。從節點間相互通信的角度考慮，最佳位置要能使節點彼此間在可視直線距離范圍內，保證節點間通信和連接的穩定。

3.2 傳輸距離

在樓宇內，信號的實際傳送距離與理想狀態有很大的差距，主要原因有三個:

(1) 傳輸距離引起的信號衰減;

(2) 傳輸過程中障礙物引起的信號衰減;

(3) 其他設備的電磁干擾。

當發送器和接收器之間具有一條暢通無阻的可視路徑時，在發射信號強度一定的情況下，接收信號強度的衰減與傳輸距離的平方成反比關系。在實際應用中，由于障礙物的存在和信號發射的干擾，距離的冪指數通常大于2，約在2~4之間[3]。因此，在樓宇中布置傳感器節點時，要根據環境正確評估傳輸距離，確保信息的有效傳輸。

3.3 信號強度檢測

信號強度檢測的目的是為了確認節點位置的選取是否正確，各節點之間的通信是否穩定可靠。通過信號強度檢測，合理改變各節點的位置或適當添加中繼器來增強網絡的健壯性。目前，幾大知名的傳感器節點生產廠家如Crossbow等的節點都具有接收信號強度(RSSI)監測功能，可及時發現網絡中薄弱點，及時地予以調整。

3.4 電磁干擾

樓宇內手機、微波爐等電磁設備都會產生無線波，對無線通信網絡產生干擾。無線通信網絡采用擴頻技術(Spread Spectrum)實現信號的傳輸，抗干擾能力得到增強，但在布置無線節點時，仍要注意與電磁設備保持一定的距離，同時也避免無線節點的電磁場對其他設備的干擾。

4 結 語

隨著《節約能源法》和《公共建筑節能設計標準》等相關法律法規的出臺，以及人們節能意識的不斷提高，如何保證室內環境的舒適性，同時降低樓宇的能耗，將是樓宇節能研究的主要課題。無線傳感技術以其便利性和不斷降低的成本，在降低能源消耗、改善室內環境、延長能耗設備使用壽命、減少設備維護費用等方面被廣泛應用，為實現節能建筑、綠色建筑的目標提供了重要的技術支持。

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