基于無線傳感技術的智能樓宇監控系統設計研究

袁 猛，曲凱亮

（濟南城投設計有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

智能樓宇通過各種系統集成，促進計算機技術和通信技術相互融合，自動化監控內部設備，高效集成各種資源，為居民營造優良、舒適環境。建筑智能樓宇前提在于有效監控樓內資源，而若想實現高效監控效果，則少不了針對智能樓宇人員和設備的有效定位。實質上，ZigBee技術使用信號傳播能量進行定位，極有可能引起內部環境影響而出現不穩定情況，而且精度偏低，無法切實滿足室內實際需求。這種情況下，使用無線傳感技術，即可針對室內情況進行有效定位，提高整體監控效果。

1 智能樓宇無線傳感器選擇要求

（1）傳感器通信方式的選擇。在傳感器通信中，傳感器之間通信所傳輸信息均為數據重要信息。在選擇傳感器時，應考慮節點控制器的選取，而傳感器通信模式則是由傳感器和控制器通信模式決定，這樣就可以將傳感器探測信息實時地傳送給節點控制器。

（2）體積、安裝方面的選擇。在智能樓宇監測中，由于內部環境優良，其工作溫度、濕度、空氣環境均優于室外環境和工業化環境。在選取傳感器時，無需選擇化學工業復雜結構傳感器，對尺寸的要求盡可能“小”，對安裝方法的要求盡可能“簡”，可以按照樓宇實際需求來進行安裝，如果能裝到節點控制器上，則可以降低線路需求。

（3）嚴格控制測量精度要求。與化學環境相比，其測量參數對化學制品質量有很大影響。在建筑環境中，測量主要指標僅作為參考。而在控制系統層面，則是動態設置操作閥值，比如煙霧傳感器，在煙霧濃度達到某個閾值時，就會發出煙霧警報。但測量精度不能太低，否則會導致測量準確性和敏感度降低，從而影響到監測工作質量。

（4）兼容性要求。在設計中，所設計系統主要是針對老建筑中已有傳感器進行更新，必須要兼顧現有傳感系統和傳統監控系統兼容性。

2 基于無線傳感技術的智能樓宇監控系統結構與功能分析

2.1 無線傳感裝置

在基于無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)智能建筑監測系統中，傳感器作為環境信息采集裝置，必須根據實際情況選用相應傳感器。傳感器元件則主要是從現有產品中采購，在系統整體設計中，并未進行無線傳感器設計，僅對這一部分進行了選擇。目前，無線傳感器多采用 ZigBee協議，其具有低功耗優勢，能滿足電池供電等應用需求，并具有自組織網絡。

2.2 收集端面板組件

采集終端是完成無線通信的終端，對某一特定區域內的傳感器進行采集、處理，再通過計算、處理，將數據傳送給上級節點，最后由軟件控制系統完成處理。同時，該數據采集終端接收來自上層控制系統的控制信息，從而實現對無線傳感器的控制。數據采集終端是實現無線傳感器和上層軟件控制的橋梁。目前，這一部分需要結合現有成熟的控制技術，針對實際工程中出現的問題進行設計，對采集終端板的需求是兼容性好、成本低且操作靈活。

2.3 虛擬管理平臺裝置

可視化管理平臺主要是將大樓全部監測資料集成，為使用者提供更好的操作界面，便于對建筑物進行監視和管理。在這一系統設計中，這一環節也要單獨進行，其要求采用模塊化配置模式，靈活地添加或刪除節點，以便于不同建筑對監控管理要求達標。在軟件控制系統中，還包含數據庫的設計與管理，軟件系統可以將所收集到的數據實時存入數據庫，并根據各種情況對數據庫實時訪問，便于對數據進行分析和管理[1]。

3 基于無線傳感技術的智能樓宇監控系統設計分析

基于層次結構的智能 WSN系統，在真實環境中，在傳感節點頂端下一層傳送網絡。所有基站都與互聯網相連，在系統操作期間，傳感器節點實時采集建筑物的煙塵濃度、溫度、濕度率及圖像。例如，信息的實時獲取，可以由一個自組織的網絡來獲取。采集了傳感器的數據，并將其全部傳輸至網絡節點，其他接入點傳送網路向基地臺傳送資料。

3.1 監控系統總體框架

智能建筑監測系統包括以太網數據交互模塊、環境監測模塊、遠程能耗監測模塊、煙霧檢測模塊。系統硬件和軟件設計以 Arduino開放源碼為基礎，在局域網中各個模塊之間通過 Xbee無線通信模塊實現自組網和數據交互。在局域網之外，協調者通過W5100以太網模塊向LEWEI50物聯網開放云平臺發送數據，通過網絡、微信等方式獲取傳感器的實時數據，并通過微信、微博、短信等方式實現報警功能及遠程切換控制功能，掌握智能樓宇內部綜合信息情況，具體如圖1所示。

圖1 智能樓宇綜合管理監控系統

3.2 監控系統硬件設計

3.2.1 環境監測模塊

室內溫度、濕度和空氣品質監測模塊主要包括Arduino Uno主控板、Xbee proS1無線模塊、Arduino Xbee擴展板、溫濕度傳感器DHT22、空氣顆粒物傳感器GP2Y1051AU0F以及帶有 IIC接口的1602液晶顯示器。

DHT22溫濕度傳感器具有-40～80 ℃、分辨率0.1 ℃、±0.5 ℃的測量范圍；相對濕度測量范圍在0%～99.9%、分辨率為0.1%，精度在±2%范圍內，其讀出時間間隔要求超過2 s。GP2Y1051AU0F是一種夏普粉塵感應器，可以測量0.8 μm以下的微粒，它的內部對角處裝有紅外 LED和光電晶體管，可以探測到大氣中的塵埃的反射，從而探測到空氣中的微粒。

3.2.2 遠程切換和能量監控模塊

該系統的主要功能是對開關進行電壓、電流、功率和電量的檢測，并利用 Arduino繼電器進行開關的控制。主要包括 Arduino Uno主控板，Xbee proS1無線模塊、Arduino Xbee擴展板、電量消耗傳感器PZEM-004T及5 V光耦繼電器等。

PZEM-004T能監測電壓、電流、功率、電量4項指標，工作電壓在80～260 V，最高電流100 A，最高功率22 kW，工作頻率45～65 Hz，測量準確度為1.0，可以用串口傳送不同的信號，以讀取相應的參數值[2]。

3.2.3 公用網及專用網技術模塊

目前，公用網技術仍是移動通信運營商主要采用的技術。與專用網絡相比，公共網絡數據傳送速度更快，而且對信息的處理能力也更強。3G時代，數據傳輸速度可以達到100 kb/s；4 G時代，可以達到20～100 Mb/s，同時還可以兼容 全球移動通信系統（Global System for Mobile Communication，GSM）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、時 分 多 址（Time Division Multiple Access，TDMA）等移動設備，5 G時代數據傳輸速度將會得到極大提高，不同用戶之間的通信質量都會得到較大程度改善。專用網絡的主要用戶是公司，企業在日常運營和管理工作中，為了避免出現諸如信息泄漏等情況，必須使用內部網。Zigbee、Bluetooth和Wi-Fi是常見的網絡技術，在3種網絡技術中，Zigbee具有較高的可靠性和較低復雜度，可以迅速地構建出較為可靠的專用網絡。然而，該技術具有短程傳輸、只支持少量數據的能力，更適合在小型專用網絡中建立。雖然Bluetooth技術網絡復雜性要高于 Zigbee，但其最大傳輸距離只有10 m，最大的傳輸速度可以達到1 Mb/s，而且還可以提供更多的數據。Wi-Fi是局域網的一種，其采用 IEEE802.11的接入協議，通過Wi-Fi技術構建的網絡，可以提供最大傳輸距離和數據傳輸能力，盡管其復雜度最高，但其成本低、使用方便，因此很多公司將其作為智能樓宇專用網建設技術，把Wi-Fi技術作為適用于智能樓宇的視頻監控技術。

3.2.4 自組網Xbee模塊

Zigbee網絡包括3種基本的結點，即協調者、路由器和終端。具體實踐中，利用 Xbee模塊實現 Zigbee自組網，使用應用程序界面（Application Program Interface，API）方式進行通信，將傳輸和接收的數據以 API方式進行封裝，每個 Xbee終端都會將傳感器數據傳輸到 Xbee路由器或協調器，最后將數據信息經由以太網傳送到服務器云平臺，而每個Xbee終端都可以監聽 Xbee協調器從服務器云平臺發出的控制指令。在 Zigbee網絡中，使用 XCTU軟件對不同的 Xbee模塊進行配置，設定 PANID以確保各模塊之間的數據傳送[3]。

3.3 監控系統軟件設計

3.3.1 Xbee終端組件設計

Xbee的軟件模塊包括傳感器數據讀取、Xbee數據的發送和接收、液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）等，軟件實現了環境監測模塊、遠程監控系統的遠程切換控制模塊，并給出了流程圖。應該注意的是，Xbee模塊擴展板使用 Arduino Uno的預設串口通信接口D0、D1，如果其他傳感器需要串口通信，則可以使用 Arduino軟串口庫中的D2～D7作為軟串口通信接口，為了確保在程序異常操作時，系統會自動重置監控狗定時器。

3.3.2 Ethernet數據模塊設計

以太網網絡模塊程序主要包含 Xbee協調器接收和傳輸 Xbee終端的數據，W5100以太網模塊W5100數據上載和接收服務器控制指令。在此基礎上，采用LEWEI50云平臺的 TCP通信協議庫功能，實現數據上傳和遠程切換的逆向控制。

3.3.3 開放的云計算平臺LEWEI50的設置

LEWEI50物聯網開放平臺為客戶提供了基于云計算的傳感器應用，用戶基于用戶名和傳感器標識，利用以太網模塊完成相應身份信息的上傳，最后通過互聯網實時獲取傳感器數據。同時，用戶還可以定制控制指令，將其通過云平臺傳輸到 Arduino以太網模塊中，再由 Xbee終端進行控制。另外，該平臺還可以對每個傳感器的正常數據進行定制，當超過正常范圍時，會通過短信等方式進行報警[4]。

3.3.4 試驗資料和性能試驗

該系統可以在LCD上查看傳感器的數據，也可以在 Live 50物聯網開放平臺的網頁和微信客戶端上查看，并可以查看到實時的數據或者數據曲線。在傳感器超過正常值的情況下，將發出警報，用戶可以使用微信的遠程切換操作。經過長期驗證試驗，各模塊均能正常工作，其中無線模塊的內部傳輸距離遠、穿透性好，并能長期、穩定的工作。網頁和微信客戶端能對傳感器的信號進行實時讀取，超過標準時可以進行網絡報警，也可以對熱水器、凈化器、照明設備等發出指令進行控制。

4 基于無線傳感技術的智能樓宇監控系統維護建議

（1）對監測系統運行人員進行管理。建立完善員工管理體系，以實現對建筑的智能化監控。智能建筑監測系統的設備和技術具有尖端特征，因此相關人員必須具備一定的專業知識和豐富經驗。有關人員在入職之前，需進行崗前評估，經考核合格后方可獲得證書。同時，在接到上級指令后，智能樓宇管理人員要督促各個崗位員工認真做好本職工作，并科學規范值班方案，防止節假日期間安全監控系統突發故障問題，實現全面性防范目標。

（2）加強對樓宇智能化的監測和管理。隨著時代進步和技術發展，在建筑智能化監控系統設計中，需要特定系統操作者根據建筑監控系統維護手冊，對其進行定期維護。智慧建筑管理必須加強對無線監測系統的基本建設，并投入大量專項資金，保證其日常維修經費充足，避免在后期智能樓宇監測時出現問題[5]。

5 結 論

綜上所述，在我國現代建筑發展過程中，智能樓宇建筑已經成為大勢所趨。此外無線傳感技術的發展，更是為智能樓宇增添了新活力。融入無線傳感技術，建構健全智能樓宇監控系統，即可使得智能樓宇更具智能化、信息化、可視化及人性化特點，持續完善智能樓宇監控技術，通過自動化監控樓內設備綜合獲取智能樓宇中關鍵信息，為智能樓宇監控質量的提升保駕護航。