張景卓　肖大為　張　振

(1.海軍工程大學(xué)理學(xué)院　武漢　430033)(2.海軍工程大學(xué)兵器系　武漢　430033)(3.華為技術(shù)有限公司　北京　100000)

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基于無線傳感網(wǎng)的樓宇監(jiān)控平臺設(shè)計*

張景卓1肖大為2張振3

(1.海軍工程大學(xué)理學(xué)院武漢430033)(2.海軍工程大學(xué)兵器系武漢430033)(3.華為技術(shù)有限公司北京100000)

摘要隨著低碳生活概念的普及，對建筑的要求不再局限于簡單的居住、取暖和照明等基本功能，同時還要滿足節(jié)能環(huán)保的要求。針對這種情況，設(shè)計了一種基于無線傳感網(wǎng)的樓宇監(jiān)控平臺，可以智能的收集樓內(nèi)功耗和溫濕度，并對電源進行智能控制。利用無線傳感網(wǎng)低成本、易部署、易維護的特點，可以方便地對已有建筑進行部署升級，使智能樓宇不再是少數(shù)建筑的專利。

關(guān)鍵詞無線傳感網(wǎng); 節(jié)能; 單片機

1引言

智能樓宇可以根據(jù)某個區(qū)域內(nèi)當(dāng)前的氣溫、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)智能的精確調(diào)節(jié)該區(qū)域的環(huán)境，從而提供更舒適的生活工作環(huán)境。同時如果檢測到某個區(qū)域內(nèi)沒有人員活動，它也可以智能地取消環(huán)境調(diào)節(jié)措施如關(guān)閉空調(diào)、照明等，來達到節(jié)能的目的。它的出現(xiàn)將會讓人們忘記諸如“人走燈滅”、“節(jié)約用水”、“空調(diào)調(diào)到25℃以上”等標語，因為這一切都會自動而智能地完成。

無線傳感網(wǎng)強大的信息收集能力與智能樓宇調(diào)節(jié)環(huán)境所需要采集大量數(shù)據(jù)的需求一拍即合，而傳感網(wǎng)的從終端到節(jié)點的數(shù)據(jù)信息反饋機制，也滿足了智能樓宇所需求的遠程調(diào)節(jié)環(huán)境控制設(shè)備的能力[1]。而傳感網(wǎng)節(jié)點低成本、易部署、易維護的特點，更是將樓宇升級的成本降到最低，使得智能樓宇不再僅僅是少數(shù)高檔建筑的專利，而可以“飛入尋常百姓家”[2～5]。

節(jié)點硬件設(shè)計是基于加州大學(xué)伯克利分校研制的Mica2系列進行改進，該平臺原本針對室外障礙物較少的環(huán)境，當(dāng)部署在樓內(nèi)時，遮擋和電磁干擾都會導(dǎo)致其傳輸距離的大大縮短，因此本文對傳感器節(jié)點進行了針對性改進，確保其通信暢通。同時針對樓宇監(jiān)控所需傳感器進行了相關(guān)軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了對樓內(nèi)溫濕度，電量的監(jiān)控以及電源的遠程控制。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1系統(tǒng)功能

基于無線傳感網(wǎng)的智能樓宇的監(jiān)控平臺需要能夠采集建筑物中各處環(huán)境信息和各個插座上每個插孔上的能耗情況，將這些數(shù)據(jù)匯總到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c之相連的PC終端上，而終端可以發(fā)送指令更新環(huán)境信息采集節(jié)點的采樣頻率和各個插孔的通斷。這個無線傳感網(wǎng)與一般意義上的環(huán)境信息收集網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別有兩個：一是網(wǎng)絡(luò)中有兩種類型的節(jié)點，這兩種節(jié)點需要能為彼此轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此要將兩種節(jié)點組成一個異構(gòu)的無線傳感網(wǎng);第二，系統(tǒng)需要具有遠程開關(guān)插座電源和改變傳感器采樣頻率的能力，這就使這個網(wǎng)絡(luò)從單純的傳感網(wǎng)變成了具有執(zhí)行能力的“反饋網(wǎng)”。

無線傳感網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和與匯聚節(jié)點相連的計算機組成。傳感器節(jié)點的功能是檢測環(huán)境信息，對數(shù)據(jù)進行初步處理，并傳輸處理過的數(shù)據(jù)[6～9]。這里對數(shù)據(jù)的初步處理可以實現(xiàn)初步的數(shù)據(jù)融合，從而降低通訊數(shù)據(jù)量以節(jié)省能耗，這些數(shù)據(jù)是通過傳感器節(jié)點組成的多跳網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)模鼈冊趥鬏斶^程中可能被多個節(jié)點接收并處置，通過多跳路由最終到達匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點會將收集到的數(shù)據(jù)通過諸如RS-232，USB的接口傳輸?shù)脚c之相連的計算機進行處理，也可以接收計算機發(fā)出的指令并將其傳送給各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。雖然叫做“傳感”網(wǎng)，它的功能并不僅僅是收集信息，通過信息的下行通道，終端的控制者可以控制傳感器節(jié)點控制的執(zhí)行器，從而實現(xiàn)信息的反饋，從而形成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1　樓宇監(jiān)控系統(tǒng)功能圖

2.2系統(tǒng)組成

要實現(xiàn)向節(jié)點下載程序和調(diào)試傳感器節(jié)點，需要專門的下載板和通信板(文中使用的是串口，故為串口板)。有的應(yīng)用中通信板和傳感器節(jié)點會集成起來，產(chǎn)生諸如帶有RS-232或USB的節(jié)點，但在本應(yīng)用中，為了最小化傳感器節(jié)點的體積，使用了二者分離的方案。此外為了減少設(shè)計負擔(dān)，使用傳感器節(jié)點與串口板相連作為匯聚節(jié)點，而沒有專門的匯聚節(jié)點。

傳感器節(jié)點的一大特點就是應(yīng)用相關(guān)性。這是因為不同的應(yīng)用場景對于傳感器節(jié)點從外形到性能的要求大大不同。盡管不同傳感器節(jié)點使用的硬件大不相同，但它們包含的模塊大致相同。一般情況下，傳感器節(jié)點可以分為四大模塊：傳感器模塊，處理器模塊，無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。它們之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2　自動定位系統(tǒng)組成框圖

1) 處理器模塊為系統(tǒng)的核心，控制所有的程序動作，包括工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換、采集溫度和功耗信息、無線與串口通信?？刂颇K采用了ATmega128L作為處理器單元，在軟件開發(fā)上基于開源操作系統(tǒng)TinyOS進行，其具有高度的并行性和模塊化，并預(yù)置的大量實用模塊可以讓開發(fā)工作更直接地面向應(yīng)用，而無需糾纏于底層硬件的控制[13]。

2) 傳感器模塊負責(zé)采集樓宇的溫濕度以及功耗信息，在處理器模塊的控制下周期進行，本系統(tǒng)中溫濕度及功耗傳感器均采用了數(shù)字傳感器，從而避免了復(fù)雜的校準過程，同時利用TinyOS的自建模塊，降低了使用通用IO模擬數(shù)字傳感器通信接口的設(shè)計工作量。

3) 通信模塊采用CC1000射頻芯片，控制器要與CC1000相連時，通過三串行配置口控制CC1000選擇不同模式;能夠通過雙向同步數(shù)據(jù)信號接口交換數(shù)據(jù);并能監(jiān)視RSSI獲取信號強度的輸出。

4) 能量供應(yīng)模塊功能是為系統(tǒng)提供所需的能源。環(huán)境監(jiān)測節(jié)點與電量監(jiān)測節(jié)點將使用不同的電源設(shè)計。這是因為電量監(jiān)測節(jié)點可以方便地從插座中獲取能量，故使用無電池的設(shè)計，它通過小型變壓器將220V電壓降低，再將低壓交流電轉(zhuǎn)成直流電壓，為整個節(jié)點提供能量。而環(huán)境監(jiān)測節(jié)點則需使用電池供電。

3硬件設(shè)計

本文的硬件設(shè)計基于加州大學(xué)伯克利分校研制的Mica2系列[11]，主要改進在于應(yīng)用于樓內(nèi)場景時無線通信模塊，以及采集樓內(nèi)信息的幾種傳感器的外圍電路。

3.1無線通信模塊

為了使傳感器節(jié)點在樓內(nèi)仍然具有足夠的通信距離，除了采用發(fā)射功率最大，接收靈敏度最高的CC1000外，還在CC1000的發(fā)送端增加了一個功率放大器來提供足夠的輸出功率。

功率放大器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　功率放大器結(jié)構(gòu)

功率放大器的核心器件是一個型號為2SK3028的N溝道MOSFET，它的增益帶寬為900MHz，常用于GSM的應(yīng)用。其提供的增益為最低12.5dB，輸出功率為最低27.0dBmW。漏極效率為46%。一般情況下，考慮功耗因素，傳感網(wǎng)節(jié)點并不會采用如此的功率放大器，但是由于部署在樓宇內(nèi)，可以考慮部分節(jié)點使用建筑物內(nèi)電源供電，于是這些節(jié)點即可使用功率放大器。這些節(jié)點可以包括墻壁等障礙物附近的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點和所有智能插座節(jié)點(因為智能插座節(jié)點可以方便地從插座取電)。而周圍障礙物較少的位置的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點仍可采用無功率放大器的節(jié)點設(shè)計，從而提供更高的靈活性。

2SK3078周圍的匹配電路基本參考了官方的數(shù)據(jù)手冊，故不再贅述。值得注意的是由兩個多路開關(guān)UPG2214控制的切換電路。標號為U6的多路開關(guān)輸入接到CC1000的發(fā)送端和接收端(二者連到了一起)。而標號U7的開關(guān)輸入接到天線端。而兩個開關(guān)的控制端TE和RE均由ATmega128L的通用IO控制。當(dāng)處于接收狀態(tài)時，U6輸入與OUT1相連，U7輸入與OUT2相連，從而使天線接收的信號僅通過導(dǎo)線接入CC1000的接收端。而當(dāng)處于發(fā)送狀態(tài)時，U6的輸入端與OUT2相連，U7的輸入端與OUT1相連，于是CC1000發(fā)送端的輸出信號會通過功率放大器到達天線端。圖中的UPG2214是一個GaAs的L，S波段MMIC的單刀雙擲開關(guān)，可用于0.05GHz～3GHz的應(yīng)用，控制電壓為1.8V～5.3V。

3.2溫濕度傳感器

環(huán)境監(jiān)測節(jié)點需要采集溫度和濕度信息。傳感器節(jié)點使用的溫度傳感器是DALLAS公司的DS18B20，濕度傳感器采用的是SENSIRION公司的SHT11。SHT11是一種集成溫濕度傳感芯片。這里沒有使用SHT11的溫度測量功能，而使用DS18B20主要基于兩點考慮：首先，如果使用SHT11同時測量溫濕度，那么讀取溫濕度值時需要順序地進行，這樣就增加了采樣時間，使用DS18B20測溫，就可以使測量溫度和濕度的過程并行起來;其次，DS18B20是一種使用單線總線的傳感器，可以在MCU的一個IO接口上連接多個DS18B20，實現(xiàn)多點測量，這對于樓宇內(nèi)的溫度監(jiān)測也很實用，雖然目前的系統(tǒng)沒有使用此功能，但出于擴展性的考慮，仍然使用了DS18B20。

3.3電量計量模塊與電源通斷控制

V9311是杭州萬工科技的一款低功耗單相計量SOC芯片，集成模擬前端、電量計量模塊、增強型8052MCU、RTC、Flash和LCD驅(qū)動等功能模塊，用于為單相多功能表提供單芯片解決方案。

芯片從電壓、電流傳感器采樣得到原始電壓值，首先通過放大器放大信號，然后經(jīng)過相位補償，采樣，校準，濾波等操作，獲得對應(yīng)數(shù)字值，并存入數(shù)據(jù)寄存器。在接收到UART端口上的通知時，MCU會讀取數(shù)據(jù)寄存器中的計量值，并通過UART將計量值發(fā)送給ATmega128。其電流電壓傳感器的連接方式如圖4和圖5所示。

圖4　V9311錳銅分流器電流輸入

圖5　V9311電阻分壓式電壓輸入

在目前設(shè)計中，電量監(jiān)測節(jié)點需要完成的功能是分別監(jiān)測插座上兩個插孔的用電情況，并可在遠程命令下分別控制兩個插孔電源的通斷。于是V9311的外圍電路就需要完成如下兩個功能：首先切換電流輸入通道，從而使V9311能夠監(jiān)測兩個插孔的電流;第二控制插孔通斷，這將通過繼電器來完成。

插座電源的控制方式是通過MCU的通用IO控制小型繼電器來打開或者閉合火線的連接。連接狀態(tài)如圖6所示。

圖6　小型繼電器連接

圖6中DK1a-3V就是控制電壓為3V，交流耐壓250V的小型繼電器，其內(nèi)部有一常開觸點。NC是繼電器的公共觸點，C1、C2是繼電器線圈的兩端，當(dāng)線圈C1上超過2.1V的電壓時，繼電器就會使NC和NO間的連接導(dǎo)通。圖6中的J1與J2的作用是將繼電器分別串聯(lián)到兩個插孔的火線上。

4軟件設(shè)計

智能樓宇平臺的軟件平臺可以分為兩部分：一是節(jié)點軟件，二是數(shù)據(jù)中心軟件。節(jié)點軟件又可以分為運行于傳感器節(jié)點和運行于匯聚節(jié)點上。傳感器節(jié)點上的軟件需要完成的任務(wù)是控制傳感器收集環(huán)境信息或電量監(jiān)控信息，并通過節(jié)點自組織的網(wǎng)絡(luò)傳輸這些信息，還要能接收匯聚節(jié)點發(fā)出的指令來執(zhí)行一些指令，如切斷插座電源，改變傳感器采樣周期等;而匯聚節(jié)點上的軟件則需要收集傳感器節(jié)點發(fā)送的信息，將其通過與數(shù)據(jù)中心相連的接口(如RS-232串口)發(fā)送到PC終端，并接收數(shù)據(jù)中心發(fā)出的命令，將其通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。前兩者主要是在TinyOS操作系統(tǒng)上基于nesC的編程。而數(shù)據(jù)中心的軟件功能較為簡單，主要是讀取匯聚節(jié)點發(fā)送到串口的數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，并提供發(fā)出某些指令的功能[12]。

傳感器節(jié)點的軟件是智能樓宇平臺軟件設(shè)計的重點?？梢詫鞲衅鞴?jié)點軟件設(shè)計分成三個模塊：環(huán)境信息采集模塊、能耗監(jiān)測模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。其中環(huán)境信息采集模塊的主要功能是控制溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器SHT11，包括通過傳感器特定的接口對其進行配置，控制其進行溫度和濕度的采集，并通過接口獲取這些環(huán)境數(shù)據(jù)，這些控制都基于TinyOS實現(xiàn)。而能耗檢測模塊在ATmega128L上完成的任務(wù)和環(huán)境信息采集模塊類似，而且控制的端口是標準的UART接口，操作更為簡單;額外的控制任務(wù)是對插座上的兩個插孔進行輪詢。除此以外此模塊還需對能耗監(jiān)測芯片V9311內(nèi)部的8052單片機進行編程，這部分編程需要完成的任務(wù)包括：芯片及外圍電路的初始化，采集指定的電量監(jiān)控信息，接受ATmega128L在串口上發(fā)出的信息，以約定的格式傳輸采集的信息。綜上所述，環(huán)境監(jiān)測模塊的任務(wù)主要是驅(qū)動傳感器，而能耗監(jiān)測模塊還需要完成“傳感器”自身的控制。而傳感器數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的分發(fā)主要基于TinyOS的自組織網(wǎng)絡(luò)完成[10]。

圖7　V9311控制程序流程

下面以能耗+檢測模塊的TinyOS程序設(shè)計為例說明系統(tǒng)讀取傳感器的方式，溫濕度傳感器的采集難點主要在于針對數(shù)字傳感器的自定義協(xié)議讀取數(shù)據(jù)，其他工作流程完全相同。對于能耗監(jiān)測模塊而言，控制器模塊和能量監(jiān)測芯片之間是通過串口上自定義的一次握手協(xié)議完成。其中V9311的控制流程如圖7所示，而ATmega128L的控制如圖8所示。V9311在未接收到讀取命令FF時，周期性更新傳感器數(shù)據(jù)，而接收命令時則通過串口發(fā)出讀數(shù)。ATmega128L芯片讀取流程則是：在發(fā)出讀取命令后，從串口循環(huán)讀數(shù)，讀入40字節(jié)后將其轉(zhuǎn)換為電流電壓數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)進行發(fā)送。

圖8　能耗監(jiān)測模塊TinyOS程序流程圖

5結(jié)語

本文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用了TinyOS的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議及傳感器控制協(xié)議，設(shè)計了一種樓宇監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對樓內(nèi)溫濕度、能耗的采集和對樓內(nèi)電源的遠程控制。

參 考 文 獻

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收稿日期：2016年1月6日,修回日期：2016年2月17日

作者簡介：張景卓，女，碩士，講師，研究方向：數(shù)字信號處理。肖大為，男，博士，講師，研究方向：水聲信號處理。張振，男，博士，工程師，研究方向：電子線路設(shè)計。

中圖分類號TP393

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.026

Design of Building Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

ZHANG Jingzhuo1XIAO Dawei2ZHANG Zhen3

(1.College of Science, Naval University of Engineering, Wuhan430033)(2.Department of Weaponry Engineering， Naval University of Engineering, Wuhan430033)(3.Huawei Technologies Co., LTD, Beijing100000)

AbstractAs low-carbon lifestyle becomes more and more popular, the requirements of the buildings are not limited to rudimental accommodation, warming and cighting, energy efficiency is also urgent need. As a result, a building monitor system based on wireless sensor network is developed, which could monitor and control the power preciously and smartly. As the system is low-cost, easy to deploy and maintain, it could be used to update old buildings, so that smart buildings are not limited to some new buildings.

Key Wordswireless sensor network, energy efficiency, MCU Class NumberTP393