基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線型建筑環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

引 言

建筑環(huán)境學(xué)是指建筑空間內(nèi)，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(xué)。該學(xué)科主要由建筑外環(huán)境、室內(nèi)空氣品質(zhì)、室內(nèi)熱濕與氣流環(huán)境、建筑聲環(huán)境和光環(huán)境等若干部分組成 [1]。建筑環(huán)境的監(jiān)測和控制將直接關(guān)系到人們的舒適體驗和健康。

在傳統(tǒng)的建筑環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，系統(tǒng)通常采用上位機和下位機組成的分布式監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)對建筑環(huán)境的監(jiān)測，下位機與各類傳感器采用 RS485網(wǎng)絡(luò)通信。這類監(jiān)測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)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(fā)展，人們對建筑環(huán)境監(jiān)測的要求也不斷提高， 通常需要進(jìn)行長距離遠(yuǎn)程監(jiān)測并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析決策。因此如果仍采用傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)則布線工作量大、數(shù)據(jù)處理麻煩、不適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)热秉c凸顯。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計一種布線工作量小或者無需布線的無線建筑環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成為可能。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成和結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 Internet 網(wǎng)絡(luò)組成， 結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有兩類節(jié)點，即無線傳感器節(jié)點與 Sink 節(jié)點，兩類節(jié)點之間通過無線通信形成無線傳感器網(wǎng)。無線傳感器節(jié)點是具有感知和通信功能的節(jié)點，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域的感知和數(shù)據(jù)獲取，以及完成與 Sink 節(jié)點的通信。Sink 節(jié)點又稱基站節(jié)點，負(fù)責(zé)匯總由無線傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、處理后通過 Internet 網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器。電腦、手機等終端可通過 Internet 實時獲取云服務(wù)器上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對建筑環(huán)境的實時監(jiān)測。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 將傳感器設(shè)置好后可自動組網(wǎng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無線傳感器

建筑環(huán)境監(jiān)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(yīng)模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

（1）感知模塊由敏感元件組成，用于記錄被監(jiān)控目標(biāo)的物理參數(shù)。

（2）信息處理模塊由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，用于處理存儲感知模塊采集的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)傳感器節(jié)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(xiàn)節(jié)能。

（3）無線通信模塊的基本功能是將處理器輸出的數(shù)據(jù)通過無線信道以及傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給 Sink 節(jié)點。

（4）能量供應(yīng)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(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的特定信息，可實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集和處理。系統(tǒng)將 5 個無線溫濕度傳感器作為無線傳感器節(jié)點。

2.2 Sink 節(jié)點

Sink節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點，主要負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與 Internet網(wǎng)絡(luò)的連接，其收到數(shù)據(jù)后，通過網(wǎng)關(guān)完成與公用網(wǎng)絡(luò)的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)上傳軟件、云服務(wù)和系統(tǒng)監(jiān)測程序組成。

（1）數(shù)據(jù)處理軟件運行于 Sink 節(jié)點中，負(fù)責(zé)接收并處理傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后按照自定義的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。

（2）云服務(wù)器負(fù)責(zé)接收和存儲上傳的數(shù)據(jù)。

（3）系統(tǒng)檢測程序負(fù)責(zé)實時顯示各傳感器節(jié)點的監(jiān)測值。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

Sink 節(jié)點與云服務(wù)器通過 HTTP 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行信息交互，客戶端以 HTTP 協(xié)議中的 POST 請求方式將 XML 數(shù)據(jù)提交至云服務(wù)器，云服務(wù)器響應(yīng) Sink 節(jié)點同樣以 POST 數(shù)據(jù)流方式傳輸 XML 應(yīng)答數(shù)據(jù)。客戶端和服務(wù)器端發(fā)送和解析 XML 數(shù)據(jù)時遵循數(shù)據(jù)傳輸協(xié)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(jié)，不足 6 位前面補 0）。

圖 3 XML 報文格式

示例報文如圖 4 所示。

圖 4 示例報文

報文標(biāo)簽含義說明見表 1 所列。

通過該數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，Sink 節(jié)點與云服務(wù)器之間可通過HTTP 協(xié)議進(jìn)行信息傳輸和解析。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測程序

系統(tǒng)監(jiān)測程序是用戶與系統(tǒng)直接進(jìn)行人機交互的窗口。因此，在完成系統(tǒng)功能的前提下，要盡量簡潔、美觀。系統(tǒng)采用 C#.net 語言開發(fā)，為增強監(jiān)測點位的直觀感受，采用Sweet Home 3D 軟件對需要檢測的建筑進(jìn)行三維建模，程序?qū)⒍〞r讀取云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)并顯示到用戶界面。另外，我們開發(fā)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(jiān)控數(shù)據(jù)。建筑環(huán)境檢測系統(tǒng)桌面程序界面如圖 5 所示。

圖 5 建筑環(huán)境檢測系統(tǒng)桌面程序界面

手機 WAP 程序界面如圖 6 所示。

圖 6 建筑環(huán)境檢測系統(tǒng)手機 WAP 程序界面

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)建筑環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布線工作量大，不適合長距離遠(yuǎn)程監(jiān)控的缺點，本文設(shè)計并實現(xiàn)了運用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與 Internet 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的無線型建筑環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有無需現(xiàn)場布線、結(jié)構(gòu)靈活、易于擴展等特點。另外，系統(tǒng)通過手機 WAP 程序?qū)崿F(xiàn)了隨時隨地查看監(jiān)控數(shù)據(jù)的功能。經(jīng)使用，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使用方便，為下一步建立建筑環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。