基于物聯網技術的無線型建筑環境監測系統設計與實現

李銳 劉海波 韓旭 顧靜超

摘 要：針對傳統建筑環境監測系統現場布線工作量大、不適合長距離遠程監控的特點，設計并實現了由無線傳感器、Sink節點、云服務、桌面端監控軟件、手機端WAP軟件組成的無線型建筑環境監測系統。前端傳感器無需現場布線、可自動組網并通過Sink節點定時發送采集數據至云端服務器。用戶可以通過桌面程序或手機端WAP程序實時查看監控數據，極大地減少了現場工作量，提高了用戶體驗。

關鍵詞：物聯網;無線傳輸;建筑環境;監測系統;Sink節點;WAP

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-00-02

0 引 言

建筑環境學是指建筑空間內，在滿足使用功能的前提下，如何讓人們在使用過程中感到舒適和健康的一門科學。該學科主要由建筑外環境、室內空氣品質、室內熱濕與氣流環境、建筑聲環境和光環境等若干部分組成[1]。建筑環境的監測和控制將直接關系到人們的舒適體驗和健康。

在傳統的建筑環境監測領域，系統通常采用上位機和下位機組成的分布式監測系統來實現對建筑環境的監測，下位機與各類傳感器采用RS 485網絡通信。這類監測系統具有結構靈活、易于擴展升級、成本低等特點[2]。但隨著建筑智能化的不斷發展，人們對建筑環境監測的要求也不斷提高，通常需要進行長距離遠程監測并進行大數據分析決策。因此如果仍采用傳統的環境監測系統架構則布線工作量大、數據處理麻煩、不適合遠距離傳輸等缺點凸顯。隨著物聯網技術和無線傳輸技術的不斷發展，設計一種布線工作量小或者無需布線的無線建筑環境監測系統成為可能。

1 系統網絡組成和結構

系統網絡主要由無線傳感器網絡和Internet網絡組成，結構如圖1所示。無線傳感器網絡有兩類節點，即無線傳感器節點與Sink節點，兩類節點之間通過無線通信形成無線傳感器網。無線傳感器節點是具有感知和通信功能的節點，在無線傳感器網絡中負責監測區域的感知和數據獲取，以及完成與Sink節點的通信。Sink節點又稱基站節點，負責匯總由無線傳感器節點發送的數據，并對數據進行融合、處理后通過Internet網絡上傳至云端服務器。電腦、手機等終端可通過Internet實時獲取云服務器上的監測數據，從而實現對建筑環境的實時監測。無線傳感器網絡采用星型拓撲結構，將傳感器設置好后可自動組網。

2 系統硬件設計

2.1 無線傳感器

建筑環境監測傳感器的種類主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、甲醛傳感器、霧霾傳感器、VOC傳感器、噪聲傳感器等。各類傳感器通常由感知模塊、信息處理模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成，結構如圖2所示。

（1）感知模塊由敏感元件組成，用于記錄被監控目標的物理參數。

（2）信息處理模塊由嵌入式系統構成，用于處理存儲感知模塊采集的數據，并負責協調傳感器節點各部分的工作。另外，還具有控制電源工作模式的功能，實現節能。

（3）無線通信模塊的基本功能是將處理器輸出的數據通過無線信道以及傳輸網絡傳送給Sink節點。

（4）能量供應模塊為其他三個模塊的工作提供能量。

多個傳感器通過自組織方式構成無線網絡，以協作方式感知、采集和處理網絡覆蓋區域中的特定信息，可實現對任意地點信息在任意時間的采集和處理。系統將5個無線溫濕度傳感器作為無線傳感器節點。

2.2 Sink節點

Sink節點是無線傳感器網絡的匯聚節點，主要負責無線傳感器網絡與Internet網絡的連接，其收到數據后，通過網關完成與公用網絡的通信。

3 系統軟件設計

系統軟件由數據上傳軟件、云服務和系統監測程序組成。

（1）數據處理軟件運行于Sink節點中，負責接收并處理傳感器節點發送的數據，然后按照自定義的通信協議將數據上傳至云服務器。

（2）云服務器負責接收和存儲上傳的數據。

（3）系統檢測程序負責實時顯示各傳感器節點的監測值。

3.1 數據傳輸協議

Sink節點與云服務器通過HTTP數據傳輸協議進行信息交互，客戶端以HTTP協議中的POST請求方式將XML數據提交至云服務器，云服務器響應Sink節點同樣以POST數據流方式傳輸XML應答數據。客戶端和服務器端發送和解析XML數據時遵循數據傳輸協議。

XML格式報文由公共報文頭和報文體拼裝而成，如圖3所示。報文前加6 B報文長度（不包含報文長度定義的6個字節，不足6位前面補0）。

示例報文如圖4所示。

報文標簽含義說明見表1所列。

通過該數據傳輸協議，Sink節點與云服務器之間可通過HTTP協議進行信息傳輸和解析。

3.2 系統監測程序

系統監測程序是用戶與系統直接進行人機交互的窗口。因此，在完成系統功能的前提下，要盡量簡潔、美觀。系統采用C#.net語言開發，為增強監測點位的直觀感受，采用Sweet Home 3D軟件對需要檢測的建筑進行三維建模，程序將定時讀取云服務器中的數據并顯示到用戶界面。另外，我們開發了基于HTML5的手機WAP軟件，用戶可在任何地方通過微信公眾號實時查看建筑監控數據。建筑環境檢測系統桌面程序界面如圖5所示。

手機WAP程序界面如圖6所示。

4 結 語

針對傳統建筑環境監測系統布線工作量大，不適合長距離遠程監控的缺點，本文設計并實現了運用無線傳感器網絡與Internet網絡相結合的無線型建筑環境監測系統。該系統具有無需現場布線、結構靈活、易于擴展等特點。另外，系統通過手機WAP程序實現了隨時隨地查看監控數據的功能。經使用，系統穩定可靠，使用方便，為下一步建立建筑環境大數據平臺提供了有效的數據支撐。

參 考 文 獻

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