基于多傳感器融合的智能樓宇管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡韶東 郭建軍 孔鎮(zhèn)清

摘 ?要：為了對(duì)樓宇建筑中眾多的房間進(jìn)行高效、智能地管理，方便樓層管理人員實(shí)時(shí)了解樓宇的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理維護(hù).本系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合溫濕度、光照強(qiáng)度、粉塵濃度、電流電壓檢測(cè)等多個(gè)傳感器對(duì)建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，通過(guò)主系統(tǒng)和多個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行管理控制，系統(tǒng)之間通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)信息到云端，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)APP上查看建筑的各項(xiàng)信息。在樓宇智能化管理中，以教學(xué)樓的管理最為典型，因此本文以教學(xué)樓管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，論證多傳感器融合技術(shù)在樓宇智能化管理中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ZigBee;多傳感器;樓宇智能化管理;物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在智能教學(xué)樓管理系統(tǒng)這個(gè)課題的研究上還有很大的發(fā)展空間.雖然“智慧教室”概念的提出較早，但在“智能教學(xué)樓”的方面上卻少有人涉足，人們大多注重對(duì)一兩個(gè)教室的智能化管理而缺乏對(duì)眾多教室像教學(xué)樓這樣的建筑的智能化管理，所以像教學(xué)樓管理系統(tǒng)這樣的樓宇智能化管理系統(tǒng)課題還有很大的研究發(fā)展空間.因此本文將以教學(xué)樓這一典型建筑的智能化管理系統(tǒng)作為多傳感器融合的樓宇智能化管理技術(shù)的應(yīng)用.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在樓宇建筑的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮設(shè)備管理與維護(hù)，實(shí)時(shí)地了解建筑所使用的設(shè)備的情況，尤其是建筑中日常運(yùn)行的設(shè)備，需要及時(shí)地進(jìn)行檢修以及相關(guān)的維護(hù).遠(yuǎn)程監(jiān)控管理也成為樓宇管理系統(tǒng)的重要組成功能.安防管理更是不可缺失的功能，該功能在教學(xué)樓管理上可以體現(xiàn)為學(xué)生的考勤功能，教室實(shí)時(shí)人數(shù)的檢測(cè).綜上，教學(xué)樓管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用在每間教室設(shè)置一個(gè)子系統(tǒng)，設(shè)置教學(xué)樓一個(gè)主系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，子系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集教室的環(huán)境數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)執(zhí)行自動(dòng)指令，并通過(guò)ZigBee無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街飨到y(tǒng)，主系統(tǒng)通過(guò)WiFi模塊上傳到云端實(shí)現(xiàn)在手機(jī)上查看數(shù)據(jù)信息.這樣的設(shè)計(jì)模塊在出現(xiàn)斷網(wǎng)也能使管理系統(tǒng)能在本地進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行，擺脫了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴.

2 多傳感器融合

系統(tǒng)的智能化管理離不開(kāi)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理。因此收集到的數(shù)據(jù)的多元和準(zhǔn)確率尤為重要，故該系統(tǒng)采用多傳感器融合的形式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集分析。下面是部分傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

2.1 ?ZigBee模塊

ZigBee是一種具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、控制和傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù).是一種更高效、更經(jīng)濟(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案.能夠符合現(xiàn)在大多數(shù)無(wú)線通信組網(wǎng)產(chǎn)品對(duì)功耗低、安全性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸速率的要求.因此ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)有消費(fèi)類電子產(chǎn)品和通信設(shè)備尤其是自動(dòng)化控制領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用.

2.2 粉塵濃度傳感器

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)教室的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的檢測(cè)，本系統(tǒng)使用GP2Y1014AUOF粉塵傳感器來(lái)收集該數(shù)據(jù)指標(biāo).粉塵灰塵傳感器的工作原理里面孔洞的兩側(cè)分別設(shè)置了紅外發(fā)光二極管用于發(fā)射紅外線和用于接收紅外線的光電晶體管，即該傳感器是基于光學(xué)檢測(cè)原理的模塊.當(dāng)氣體從傳感器中間的孔洞自由流過(guò)時(shí)，檢測(cè)發(fā)射的LED光線在空氣中的灰塵等顆粒折射后的光線情況，從而確定灰塵等小顆粒的含量.

2.3 ?光照強(qiáng)度傳感器

選擇BH1750FVI光照強(qiáng)度傳感器來(lái)檢測(cè)教室的照明情況，從而判斷是否需要開(kāi)燈補(bǔ)充光線.系統(tǒng)選用的光照強(qiáng)度傳感器檢測(cè)范圍在1Lux到65535Lux之間，這個(gè)寬泛的測(cè)量范圍已經(jīng)能滿足現(xiàn)在非常多的應(yīng)用場(chǎng)景，當(dāng)然也包括本系統(tǒng)的設(shè)計(jì).該傳感器不僅檢測(cè)范圍大而且檢測(cè)的分辨率能夠達(dá)到1Lux的變化幅度.模塊與MCU之間的通信方式為IIC串行通信，這種通信方式具備較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.4 溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器擁有較小的體積，消耗的能源和功率都很少適合這種需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的環(huán)境，因此與其他同類產(chǎn)品相比擁有較高的性價(jià)比。而且測(cè)量的溫濕度精度滿足本系統(tǒng)的功能需求。相對(duì)濕度的測(cè)量范圍為5～95%RH，溫度的測(cè)量范圍為-20～60℃。

2.5 紅外反射傳感器

本系統(tǒng)使用紅外反射傳感器來(lái)檢測(cè)學(xué)生的出入情況統(tǒng)計(jì)當(dāng)前教室的實(shí)時(shí)人數(shù)情況.該傳感器的核心元器件為T(mén)CRT5000傳感器，具有輸出信號(hào)分辨率高，波形完成且檢測(cè)靈敏度可調(diào)等特點(diǎn).

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?主系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

主系統(tǒng)的主要功能是協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)，下發(fā)指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能.完成接收子系統(tǒng)數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)以及連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)的功能.因?yàn)樾枰獙?shí)時(shí)接收各個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生來(lái)的數(shù)據(jù)信息，故需要設(shè)置緩存區(qū)來(lái)接收處理數(shù)據(jù)，采用環(huán)形隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的緩沖區(qū)作為主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，保證最新接收的數(shù)據(jù)的完整性.

3.2 ?子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

子系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)教室的智能化管理，其中包括對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的收集，不同于其他樓宇建筑，教學(xué)樓在環(huán)境數(shù)據(jù)上的收集監(jiān)控較為嚴(yán)格，因此設(shè)置了多個(gè)傳感器進(jìn)行收集，其中包括粉塵濃度、溫濕度、光照強(qiáng)度等，同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)上課考勤功能以及實(shí)時(shí)的人數(shù)檢測(cè)，能作為教室使用情況的統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的高效利用.因此系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)上需要完成外設(shè)的初始化設(shè)置，考勤功能以及自動(dòng)指令功能，同時(shí)與主系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信.

4 ?遠(yuǎn)程查看功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能采用ESP8266 WiFi模塊連接網(wǎng)絡(luò)將教室的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)APP端進(jìn)行查看教室信息.采用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，事先進(jìn)行g(shù)izwits協(xié)議的移植和調(diào)試，在程序中調(diào)用其API進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和指令接收。

手機(jī)APP連接設(shè)備可以查看主系統(tǒng)上傳樓宇建筑信息，如溫濕度、粉塵濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)和當(dāng)前實(shí)時(shí)的人數(shù)情況.同時(shí)也能在APP上進(jìn)行指令的下發(fā)進(jìn)行如照明情況設(shè)備、空調(diào)等的控制.

5 ?系統(tǒng)測(cè)試

以子系統(tǒng)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息收集功能和實(shí)時(shí)人數(shù)檢測(cè)功能作為測(cè)試項(xiàng)目.實(shí)時(shí)人數(shù)檢測(cè)功能是判斷兩個(gè)紅外反射傳感器的輸出電平高低情況，根據(jù)獲取的電平信號(hào)順序判斷人數(shù)的增加和減少.使用數(shù)組記錄不同時(shí)刻的電平狀態(tài)，根據(jù)輸出的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，該模塊的響應(yīng)速度較快，能滿足系統(tǒng)功能的演示需求.

通過(guò)多次的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)測(cè)量，本系統(tǒng)對(duì)光照強(qiáng)度、環(huán)境溫濕度等都能穩(wěn)定的測(cè)量，數(shù)據(jù)精度也滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

6 ?結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)提出了一種基于多傳感器融合的樓宇智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并以教學(xué)樓這一典型建筑作為論證對(duì)象設(shè)計(jì)了一套教學(xué)樓管理系統(tǒng).實(shí)現(xiàn)了多傳感器融合技術(shù)在樓宇管理中的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。基本上能實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)眾多教室的智能化管理控制.實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室環(huán)境數(shù)據(jù)的收集檢測(cè)，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)間的數(shù)據(jù)通信，遠(yuǎn)程查看設(shè)備信息.為樓宇智能化管理提供一種了解決方案.下一步將研究其他具體場(chǎng)景中的多傳感器融合管理方案，繼續(xù)完善系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉宏明.高校智慧教室建設(shè)存在的問(wèn)題及建議[J].信息與電腦（理論版），2018（23）：219-220.

[2] 李風(fēng)燕，張婧.智慧教室方案設(shè)計(jì)概述[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2019（16）：37-39.

[3] 張燁.高校教學(xué)樓節(jié)能管理的實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（33）：225-226.

[4] 王曉燕，余東先.智慧教育體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2019（19）：42-44.

[5] 王淑敏.基于大數(shù)據(jù)融合技術(shù)的機(jī)器人智能激光定位方法[J].激光雜志，2021，42（05）：112-115.

基金項(xiàng)目：

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020A1414050060），教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201802048037、201802299045和201901096025） ，校級(jí)本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革項(xiàng)目（仲教字〔2020〕32號(hào)），2020年度校級(jí)“十三五”規(guī)劃教材建設(shè)項(xiàng)目（仲教字〔2021〕3號(hào)），大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S201911347050、202011347086）.

作者簡(jiǎn)介：

一作：胡韶東（1998 -），男，廣東揭陽(yáng)人，在讀本科生. ?*通信作者：郭建軍

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