許 歡 魯志康

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000;2.紹興文理學院 機械與電氣工程學院，浙江 紹興 312000)

隨著世界信息化的高速發(fā)展和技術(shù)的不斷進步，人們逐漸開始接受智能建筑這種新生的事物.智能建筑不僅能夠利用先進的計算機和控制等技術(shù)提供安全可靠的內(nèi)部建筑環(huán)境，而且也能與自然生態(tài)環(huán)境和社會環(huán)境和諧共生、共同發(fā)展[1].如今越來越多的大樓需要安裝大樓的溫濕度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備采用的集中制管理方式的監(jiān)控技術(shù)，現(xiàn)代監(jiān)控方式使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線通信被應(yīng)用到樓宇自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上，使數(shù)據(jù)實時傳送，用戶更加方便快捷的進行信息交互[2].本系統(tǒng)在OneNet云平臺基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種樓宇溫濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng).將樓宇內(nèi)各處溫濕度傳感器通過WiFi接入云平臺[3].用戶可以登入互聯(lián)網(wǎng)連接云端查看環(huán)境參數(shù)及設(shè)備運行情況，可提高設(shè)備的自動化程度，創(chuàng)造高效、舒適、安全的工作環(huán)境，對減輕人們的工作強度，降低成本等都有重要的意義.

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文采用現(xiàn)場遠程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，系統(tǒng)架構(gòu)分為三部分：下位機，云平臺和上位機.下位機為現(xiàn)場控制層和感知執(zhí)行層，STM32F407作為下位機的核心，溫濕度傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊，空調(diào)和除濕機作為執(zhí)行模塊[4-6].主控核心一方面將數(shù)據(jù)通過WiFi模塊傳送到云平臺，另一方面接收其控制指令實行對執(zhí)行模塊的控制.上位機為用戶應(yīng)用層，為面向用戶的移動終端，包括PC、智能手機、PAD端，完成信息訪問、監(jiān)控和決策功能.云平臺為中心管理層，作為連接上下位機的橋梁，對數(shù)據(jù)進行解碼、解析、分類和存儲，并對處理過后的數(shù)據(jù)在進行運算和整理[7].

圖1 現(xiàn)場遠程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)工作流程如下：傳感器將獲得溫濕度參數(shù)傳給STM32F407，經(jīng)預處理后通過WiFi模塊上傳至云平臺，與系統(tǒng)對各個位置設(shè)定的溫濕度閾值進行比較.根據(jù)比較結(jié)果做出相應(yīng)決策來控制下位機和通知上位機.用戶可通過上位機查詢當前環(huán)境參數(shù)和決策控制狀態(tài)[8-9].當決策結(jié)果為降溫、除濕時，命令通過WiFi模塊給下位機控制執(zhí)行機構(gòu)空調(diào)和除濕機工作；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或環(huán)境出現(xiàn)較大波動時，需要將信號同時發(fā)送給上位機和下位機.下位機發(fā)出現(xiàn)場報警信號，上位機向用戶發(fā)送報警消息.用戶也可以依據(jù)實際需求，通過移動終端提前干預空調(diào)和除濕機工作，或修改溫濕度閾值改善樓宇環(huán)境參數(shù).

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主要硬件模塊設(shè)計

硬件部分主要由處理器模塊、WiFi模塊、繼電器模塊、執(zhí)行機構(gòu)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊組成[10].處理器模塊以ST公司生產(chǎn)的STM32F407高性能處理器芯片為核心，具備1024 KB FLASH和192 KB SRAM，集成FPU和DSP指令.采用TLP2161光耦隔離芯片，具有很強的抗干擾性；ESP8266 WiFi模塊通過串口與處理器模塊連接，具有功耗低，數(shù)據(jù)傳輸速率快，可靠性強的特點；數(shù)據(jù)采集模塊主要為各個溫濕度傳感器、信號調(diào)理電路、RS485接口電路和模擬量數(shù)字量輸出電路；執(zhí)行機構(gòu)模塊為相應(yīng)系統(tǒng)指令的空調(diào)、除濕機和報警器.主要硬件模塊設(shè)計如圖2所示[11].

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

2.2 溫度采集模塊設(shè)計

溫度傳感器選用美國Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、穩(wěn)定性強、測溫精度高的特點.本系統(tǒng)擬采用多個位置實時傳送溫度數(shù)據(jù)，故采用外部供電模式下的多個傳感器連接，即利用其單總線特質(zhì)，單根總線掛載多個DS18B20組成測溫系統(tǒng).此外，需要在控制端連接一個4.7 k的上拉電阻，單片機通過讀取每個傳感器唯一的序列號，確定其地址.DS18B20電路設(shè)計如圖3所示.

2.3 濕度采集模塊設(shè)計

濕度傳感器選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，與DS18B20一樣，只用到其三個引腳.具有體積小、超快響應(yīng)、低功耗、抗干擾能力強和測量精度高的特點，采用單線制串口連接[12].信號在開始信號后進入高速模式并傳輸都為8位的數(shù)字信號：整數(shù)位、小數(shù)位和校驗位[13-15].校驗通過后隨即轉(zhuǎn)入低功耗模式，等待下一次開始采集信號指令，校驗不通過時將刪除數(shù)據(jù).DHT11電路設(shè)計如圖4所示.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 單片機軟件設(shè)計

單片機軟件設(shè)計如圖5所示.系統(tǒng)基于Keil uvision5集成環(huán)境，采用C語言程序開發(fā).接收的數(shù)據(jù)量包括溫濕度調(diào)整、外部設(shè)備、通訊參數(shù)和設(shè)備重啟.外部設(shè)備包括空調(diào)、除濕機和報警器的配置信息.通訊參數(shù)包括目標IP、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗方式.

圖3 DS18B20電路設(shè)計圖

圖4 DHT11電路設(shè)計圖

系統(tǒng)初始化成功后，先判斷上位機端有無命令下達，執(zhí)行相應(yīng)動作；再按獲取到的溫度、濕度參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)定的最低閾值作比較，執(zhí)行相應(yīng)調(diào)溫、除濕操作，從而實現(xiàn)自動控制[16].當溫濕度高于警報值的時候，系統(tǒng)向上位機報告報警信息，同時自動打開下位機報警繼電器實現(xiàn)報警.正常情況下，系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)，通過WiFi模塊用EDP協(xié)議傳送云平臺，以便用戶隨時查詢[17].

3.2 云服務(wù)器設(shè)計

為了節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，系統(tǒng)選擇中國移動公司的OneNet作為設(shè)備云平臺[18-19].移動終端與OneNet通信方式有兩種：RestFul API和EDP，考慮到溫濕度需要實時上報、透傳、存儲和控制命令下達，系統(tǒng)采用EDP方式. OneNet平臺作為數(shù)據(jù)中心， 只要在指定官網(wǎng)或APP登入就能實現(xiàn)遠程監(jiān)測[20].Onenet云平臺流程設(shè)計如圖6所示.

圖5 單片機軟件設(shè)計圖

圖6 OneNet云平臺流程設(shè)計圖

4 結(jié)論

基于云平臺的樓宇溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以在移動監(jiān)測終端通過移動APP對系統(tǒng)進行訪問，發(fā)送指令，提高了系統(tǒng)的靈活性和開放性，又方便了管理人員管理.數(shù)字化、信息化與智能建筑的融合促使樓宇自動化往更深層次發(fā)展.系統(tǒng)在綜合監(jiān)控和及時管理方面有較大突破，一方面可降低開發(fā)與運行成本，降低開發(fā)的難度，縮短開發(fā)周期，另一方面對設(shè)備進行遠程監(jiān)控和管理，基于OneNet云平臺實現(xiàn)報警信息的及時發(fā)送，提高了整個系統(tǒng)響應(yīng)的速度.此外，本系統(tǒng)留有余地進行優(yōu)化，應(yīng)用于更多環(huán)境參數(shù)的控制，探索自動化與互聯(lián)網(wǎng)的充分結(jié)合具有良好的適普性.