基于6LoWPAN的智慧校園空調監控系統設計

王慧嬌，邱 贊

(桂林電子科技大學 計算機與信息安全學院，廣西 桂林 541004)

基于6LoWPAN的智慧校園空調監控系統設計

王慧嬌，邱 贊

(桂林電子科技大學 計算機與信息安全學院，廣西 桂林 541004)

針對總線制空調監控系統存在布線施工成本高、聯網結構復雜、維護難度大等問題，設計了一種基于6LoWPAN的智慧校園空調監控系統;首先給出了系統的整體功能及網絡架構；然后，給出了傳感器節點、系統核心模塊及網關節點的硬件設計；接下來對6LoWPAN協議及簡化進行了描述，給出了系統嵌入式軟件的設計；最后給出了相關的空調控制策略；測試和實驗結果表明，該空調監控系統具有結構簡潔，擴展性高，實時在線響應，有效解決了校園空調物聯網的信息互聯問題，利用云平臺智能管理達到節能減排目標。

空調監控系統；IPv6；6LoWPAN；智慧校園

0 引言

隨著現代教育建設不斷前進，高校能耗逐年攀升，近年來的能耗統計數據顯示，高校能耗已經超過人均指標的數倍[1]。校園中大量空調的使用在帶來舒適性的同時，也加大了校園能耗。在智慧校園的發展中，出現了大量具有環保、智慧、節能的物聯網智慧應用[2-3]，如：校園智慧路燈、智慧教室等，其中智慧空調監控更是其重要的應用之一。

目前常規的空調監控系統主要采用CAN總線、BACnet總線、LonWorks總線等總線制網絡[4]，但采用總線制網絡存在著施工難度大，網絡結構復雜，擴展和維護困難，需要總線交換機、集線器等硬件的問題。

無線傳感器網絡(wireless sensor network，WSN)[5-7]具有價格低廉、結構緊湊、易于布置的優點，非常適合校園空調監控與控制。文獻[8]設計了基于ZigBee的智能中央空調無線監控系統，文獻[9]設計了基于ZigBee無線傳感器網絡的遠程監控系統，文獻[10]設計了一種在無線傳感網絡基礎上，引入WiFi和GSM網絡的智能空調監控系統。

上述工作都實現了對設備的無線遠程監控，但無法實現WSN和Internet的點對點的通信。針對其不足，同時為了更好達到降低校園能耗的要求以及擴充智慧校園應用，本文設計了一種基于6LoWPAN[11-13]的實時空調監控系統。采用無線自組網的組網方式，可以彌補現有監控方法的不足，同時也是物聯網應用的主要趨勢。

1 基于6LoWPAN的智慧校園空調監控系統功能和網絡架構

1.1 系統功能

本文設計的空調監控系統主要實現對空調所在的環境條件如溫度、濕度、電能等信息的實時監測與控制，主要功能如下：

1)空調所在環境信息的采集和傳輸。基于6LoWPAN的空調監控系統針對整個校園內的空調運行情況進行監測，實現空調運行監測、環境溫度監測、環境濕度監測、自主聯網等功能，最后通過IPv6網絡將數據匯集到云端服務器完成統一的平臺管理。

2)空調消耗電能統計。本文設計的系統旨在從節能角度出發，對空調用電情況進行監測，實現電能采集，網絡節點將數據匯集到云端服務器，達到消耗電能統計，根據統計可針對非正常用電的空調進行控制或進行故障查驗。

3)空調設備的控制。當環境信息和消耗電能信息被采集并傳輸到云端服務器后，在服務器中對其數據進行分析和處理，當發現其值超過預設閥值時，可以通過網關節點對具有給定IP地址的節點發送控制命令，使其驅動設備開關，對空調進行控制。

1.2 系統網絡架構

空調監控系統建立在IPv6網絡基礎之上，采用IPv6主干網和6LoWPAN無線網絡相結合的方式。IPv6解決了網絡地址資源數量問題，實現多種接入設備連入互聯網[14-15]。基于6LoWPAN的設備可以直接連接IPv6網絡，并且可以和其他IPv6的監測設備無縫兼容并入校園物聯網系統，構建綜合用電管理為應用背景的智慧校園節能網絡。

智慧校園空調監控系統在網絡架構上分為3個層次，由6LoWPAN網絡層、IPv6網絡傳輸層和云端網絡層組成。本系統的網絡架構如圖1所示。

圖1 空調監控系統網絡架構圖

1)6LoWPAN網絡層由無線空調控制器作為傳感器節點構成無線自組網絡，負責實時數據的采集、收發和空調控制，該層由無線監控節點和6LoWPAN網關構成，每個6LoWPAN網關設備負責管理一棟大樓或一片區域并把本區無線覆蓋所有的無線節點接入IPv6網絡，區域內的無線節點以Mesh路由組網方式自動鏈接形成無線傳感網絡。

2)IPv6網絡傳輸層是IETF(互聯網工程任務組)設計的用于替代現行版本IP協議(IPv4)的下一代IP協議層，主要負責6LoWPAN網絡與云端服務器之間的數據傳輸，它是空調監控網絡的主干網。

3)云端服務網絡層主要承載數據服務器、智能管理服務器等云平臺服務程序載體，匯集各個校區監測數據并針對各種應用進行數據處理、統計分析與展示。系統通過基于6LoWPAN的空調監控器構建校園無線空調物聯網絡，實時獲取相關空調運行數據和環境溫度，作為空調控制器啟停依據，同時通過采用無線路由的方式進行實時雙向通信并完成空調控制，從而改變了原有的人為自主的控制方式。

2 基于6LoWPAN的空調監控系統硬件設計

2.1 無線空調主機監控器

無線空調主機監控器作為6LoWPAN網絡節點，即系統的測控布點設備，設備要完成空調運行狀態監測、空調用電監測、通斷控制、環境溫度、環境濕度監測以及無線聯網功能。本文設計的所有的6LoWPAN節點都是全功能無線節點，每個節點都能完成自身數據收發和其他節點的路由數據轉發。無線空調監控器的電路結構如圖2所示。

圖2 監控器的電路結構圖

為了提高監控器電氣安全性，空調監控器采用標準電能表布局設計。通過6LoWPAN核心板的SPI口連接CS5460采集芯片完成交流電壓、電流、電能測量功能；STM32系列處理器內置了ADC口，可以直接測量溫度傳感器的變送電壓；空調電源控制電路選用磁保持繼電器，利用MCU的GPIO口驅動雙向推挽晶體管電路控制保持繼電器線圈瞬間通電方向控制繼電器的吸合，這種繼電器在通斷以后自動保持開關狀態，靜態保持不需要電流；這種設計降低控制器的自身運行功率，監控器自身功率小于0.5 W，運行一年耗電小于3度。

2.2 基于6LoWPAN的核心模塊

空調監控系統的執行設備是基于6LoWPAN來實現的實時空調監控，由于校園空調種類繁多需要針對不同類型的空調設計相應的設備，因此所設計的空調監控系統設備采用嵌入式模塊化設計思路，將6LoWPAN核心功能獨立設計，整合壓縮關鍵軟硬件構成通用嵌入式系統模塊。通過擴展不同的外部電路功能模塊完成針對獨立空調、中央空調等各種空調及供電回路監測任務。圖3所示為基于6LoWPAN核心模塊電路結構圖。

圖3 基于6LoWPAN核心模塊電路結構圖

為了提高6LoWPAN核心模塊功能性和適應性， CPU選用Cortex-M3微處理器STM32系列，將FREERTOS實時操作系統和6LoWPAN協議軟件移植到STM32系列MCU上運行，編譯成核心模塊軟件庫方便設備開發，核心模塊硬件設計成郵票半孔核心板構成通用模塊，模塊內部集成了RF、LCD顯示和CPU輔助電路，并設計預留多種擴展總線，通過核心模塊配合不同的底板形成各種基于6LoWPAN系統的空調監控設備。

2.3 網關節點

6LoWPAN網關設備作為網絡中的AP接入點，負責把本區域內所有的6LoWPAN節點接入IPv6網絡。一個無線分區負責一棟大樓接入任務，網絡設計容量需要超過上千節點，因此本文設計的網關采用基于4核處理器的Linux核心板用于處理網絡數據和鏈接，通過外部數據總線鏈接多個無線收發器完成多個6LoWPAN無線AP接入點鏈接，多個收發器數據并行處理提高CPU利用率。通過主板自身的以太網口接入IPv6交換機。收發器直接采用6LoWPAN核心模塊設計，通過一塊配有總線驅動器和電源變送的底板將核心模塊做成6LoWPAN總線制收發器。可以根據應用需要通過總線添加收發器。網關可以隨交換機安裝于機柜或單獨安裝在合適的無線覆蓋位置，提供靈活安裝模式，模塊接口采用總線可以布線外掛，方便選取合適無線信號覆蓋AP接入點。

3 基于6LoWPAN的空調監控系統軟件設計

3.1 6LoWPAN協議棧設計

本文根據6LoWPAN協議棧標準和需求劃分軟件層次，設計實現6LoWPAN協議棧軟件層，如圖4所示。物理層以IEEE 802.15.4為標準的無線收發器為基礎，增加收發器驅動和點對點無線連接控制完成了MAC層的設計。空調監控系統是樓宇組網，而IEEE 802.15.4標準通信是點對多點星形鏈接的無線網絡，因此在設計中增加了Mesh路由層解決IEEE802.15.4底層無線連接易受大樓墻壁等阻隔導致覆蓋范圍小的問題，對IEEE 802.15.4的MAC層進行簡化，實現無線組網多跳路由算法，采用非信標通信，提高網絡數據刷新率、組網容量及跨越樓內障礙的能力，擴大無線覆蓋范圍。 IEEE 802.15.4的標準是運行在2.4 GHz頻段的無線頻段進行收發信息，使用頻段與Wi-Fi相同，為了擴大基于IEEE 802.15.4設備的傳輸距離，本文系統擴充了一個700～900 MHz頻段版本，將覆蓋范圍提高到500 m，并基于此設計驅動和接口。兩個頻段的使用可以實現大型樓宇無線覆蓋，減少了IPv6網關的安裝數量，提高了網絡鏈路可靠性。6LoWPAN層實現IPv6到無線傳輸的數據打包。IPv6層和應用層為應用程序實現了TCP和UDP接口程序，應用程序可以通過SOCK函數格式實現網絡連接。

圖4 6LoWPAN協議棧分層結構

3.2 軟件系統設計

空調監控系統軟件由嵌入式軟件和上位機的云平臺軟件構成。嵌入式軟件是運行在M3處理器內核上的基于MDK環境設計開發的軟件系統，并移植FREERTOS實時操作系統，將6LoWPAN協議軟件集成到實時操作系統中，嵌入式軟件多任務處理流程如圖5所示。

圖5 嵌入式軟件任務流程圖

嵌入式軟件以FREERTOS實時操作系統為內核，將6LoWPAN協議棧、采集及控制運行在不同的進程中，每個進程相互獨立循環執行，通過信號量和消息隊列完成采集控制進程和無線通信進程之間的通信和同步。通信進程將中心下發的控制參數指令通過消息隊列通知控制進程執行輸出到外圍控制電路；采集進程完成一個采集流程時通過信號量喚醒控制進程，利用消息隊列將各個采集參數傳遞給通信進程等待中心查詢。

上位機的云平臺軟件針對校園空調系統多樣復雜的應用背景進行設計。辦公樓采用時間和環境溫度濕度管理；數據機房需要實時監測空調運行根據季節調控恒定溫度確保中心設備正常運行；實驗室、教學樓根據房間內人數和開門時間調節決定空調開機數量和時間等，因此本文空調監控系統提出采用云平臺縱向綜合管理，區別于傳統系統分層管理控制。服務軟件采用B/S和C/S結合模式開發，所有的空調監控節點都直接連接到云平臺的數據主服務器，各個部門通過分服務器或臺式機的管理程序連接主服務器。主服務器上有采用B/S架構的后臺管理程序，工作人員通過后臺程序的人機接口將空調分類建立檔案以及其他數據庫操作。各部門的管理程序采用C/S模式開發，針對本部門特點執行相應管理辦法監控所屬空調運行。當出現新部門或新管理需求時，通過增加新客戶端管理程序或修改相應部門管理程序軟件完成功能升級改進，避免對其他管理程序構成干擾。全校能耗數據和空調運行狀態能在主服務器完成統計分析生成報表，后勤維護部門根據平臺報表信息對空調進行維護保養，節能決策部門可以根據歷史報表調整相應節能管理辦法，這種縱向管理云平臺系統提高學校相關職能部門管理靈活性和工作效率。

4 空調監控系統控制策略

在校園中運行本文設計的空調監控系統，云平臺將采集到整個校園內的空調所在的環境溫度、濕度、電能等信息，將其數據存儲在云平臺的數據主服務器中，用戶通過應用程序界面可以對校園內某臺空調某時段的溫度、濕度和電能信息進行查看或手動控制，同時，系統也會根據空調監控系統控制策略進行自動調節。控制策略如表1所示。

表1 空調監控系統控制策略

當空調監控系統采集的信息超過了預設的閥值時，監控界面會發出提示，并根據控制策略，自動地對相應IP地址的節點啟動電磁閥控制設備對空調運行情況進行調節，若是電能異常，并將提醒相關人員進一步對情況進行查驗排除異常。采用控制策略，系統將可以自動地進行調節，改變人為自主的控制方式，實現智能控制。

5 結論

基于6LoWPAN的智慧校園空調監控系統利用物聯網技術實現校區空調縱向綜合管理系統。該系統在學校安裝運行并取得了良好的應用效果，組網運行穩定可靠，不僅實現了空調節能管理，又提供了空調運行信息為學校教學活動提供設備保障服務。系統基于IPv6的主干網框架下，IP容量較大能夠容納校園全部水電監測設備，可應用于直接組建校級、省級甚至全國的多級節能云平臺，有利于構建全國的教育能耗智能評估系統。

[1] 李曉明, 展 云, 魯武霞. 節能管理對高校可持續發展的價值及其實現[J]. 教育探索,2010(06)：83-85.

[2] 陳 平, 劉 臻. 智慧校園的物聯網基礎架構研究[J]. 武漢大學學報(理學版), 2012(S1)：141-146.

[3] 鄧 鵬. 基于物聯網的校園節能監控系統的研究[D]. 湖南工業大學,2013.

[4] 李明海, 趙明強, 魯 娟, 等. 基于LonWorks總線技術的中央空調監控系統設計[J]. 現代建筑電氣, 2015(12)：52-57.

[5] 王 偉, 王華奎. 基于無線傳感器網絡的工廠安防系統設計[J]. 計算機測量與控制，2011,19(3)：736-739.

[6] Chen Z N,Nan G F. Optimization of sensor deployment for mobile wireless sensor networks[A]. International Conference on Computational Intelligence and Vehicular System [C]. Washington D C,IEEE Comuter Society,2010:218-221.

[7] 任豐原, 黃海寧, 林 闖. 無線傳感器網絡[J]. 軟件學報，2011,14(7)：1282-1291.

[8] 張艷陽, 葉 峰, 吳麗菲, 等. 基于ZigBee的智能中央空調無線監控系統[J]. 自動化與儀表, 2013(07)：26-30.

[9] 范 燕, 俞 洋, 李永義, 等. 基于ZigBee無線傳感器網絡的遠程監控系統[J]. 實驗室研究與探索, 2016(01)：80-84.

[10] 陳志棟, 翁正國. 智能空調無線監控系統的設計[J]. 物聯網技術, 2016(03)：24-27.

[11] 唐智靈, 楊雪洲, 李思敏. 基于改進6LoWPAN的移動物聯網性能研究[J]. 計算機應用研究, 2010, 27(11)：4233-4236.

[12] Kushalnagar N, Montenegro G, Schumacher C. IPv6 over Low-Power wireless personal area networks (6LoWPANs): overview, assumptions, problem statement, and goals [D]. Heise Zeitschriften Verlag, 2007.

[13] Kim E, Kaspar D, Vasseur J. Design and application spaces for IPv6 over low-power wireless personal area networks (6LoWPANs) [D]. Springer Berlin Heidelberg, 2012.

[14] 黃祖成, 袁 峰, 李 引. 基于使用IPv6的低功耗無線個人局域網的無線傳感網在智慧路燈中的應用[J]. 計算機應用,2014(10)：3026-3033.

[15] 向 浩, 李 堃, 袁家斌. 基于6LoWPAN的IPv6無線傳感器網絡[J]. 南京理工大學學報(自然科學版), 2010(01)：56-60.

DesignofSmartCampusAirConditioningMonitoringSystemBasedon6LoWPAN

WangHuijiao,QiuZan

(SchoolofComputerandinformationsecurity,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

Aiming at the problems of air conditioning monitoring system by the bus system, such as high cost of wiring construction, complex network structure, and difficult maintenance. In this paper, a design of smart campus air conditioning monitoring system based on 6LoWPAN is proposed. First of the paper, all function and the network architecture of the system are described. The second is talking about the hardware design of sensor nodes, gateway node and the system core module. The Next is describing simplify of 6LoWPAN protocol and proposing the design of the system embedded software. Finally, the relevant air-conditioning control strategy is introduced. Test and experimental results show that the advantages of air conditioning monitoring system are simple structure, high scalability and real-time response. It effectively solves the problem of connecting air conditioning with the Internet, and makes use of cloud platform for smart management to achieve the targets of energy saving and emission reducing.

air conditioning monitoring system; IPv6; 6LoWPAN; smart campus

2016-11-03；

2016-11-23。

賽爾網絡下一代互聯網技術創新項目(NGII20150602)。

王慧嬌(1976-)，女，遼寧鐵嶺人，副教授，碩士研究生導師，主要從事無線傳感器網絡，嵌入式技術等方向的研究。

1671-4598(2017)04-0054-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

A