基于Arduino的智能樓宇無線多傳感器監控系統設計

向紅標　巴簡程　楊璐　黃戰華　劉會平

摘要：針對傳統樓宇傳感器監控系統布線復雜、功能單一等缺點，利用Arduino開源平臺、無線模塊Xbee、LEWEI50物聯網開放平臺搭建智能樓宇多傳感器無線監控系統。系統以Arduino Uno為主控板，采用模塊化設計，在局域網內部采用Xbee無線模塊組網，實現對溫濕度傳感器、空氣質量傳感器、煙霧傳感器、電能能耗傳感器的數據采集和開關控制命令的傳輸，在外部通過W5100以太網模塊實現互聯網數據傳輸與監控。該系統實現對室內溫度、濕度、空氣質量指數、煙霧及電能等數據的無線實時采集;通過互聯網、微信實現對傳感器數據的遠程實時監測;通過物聯網開放平臺實現微信、微博、短信等多種方式的報警功能;實現對智能樓宇開關的遠程控制。實驗結果表明，該系統無線通信距離遠、實時性好、運行穩定、擴展性強。

關鍵詞：Arduino主控板;智能樓宇;Xbee模塊;無線通信;空氣質量;物聯網

中圖分類號：TP212.6

文獻標志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0095–06

Design of wireless multi-sensor monitor and control system of intelligent building based on Arduino

XIANG Hongbiao1，2，3， BA Jiancheng1，2， YANG Lu1，2， HUANG Zhanhua3， LIU Huiping4

（1. Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control， Tianjin 300384， China; 2. National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education， Tianjin 300384， China; 3. School of Precision Instrument &Opto-Electronics Engineering， Tianjin University， Tianjin 300372， China; 4. Tianjin Eco-City Investment and Development Co.， Ltd.， Tianjin 300467， China）

Abstract： According to the shortcomings of traditional building sensor monitoring system， such as complex wiring and single function， a wireless monitor and control system of intelligent building is designed. The system comprises Arduino open source platform， Xbee wireless module and the open platform of the LEWEI50 Internet of things. The system uses Arduino Uno as the main control board， and adopts modular design. In order to get the data and control command from temperature and humidity sensor， air quality sensor， smoke sensor and electric energy metering sensor， the internal LAN is built up by wireless Xbee modules， meanwhile the data transmission and monitoring in the external Internet is achieved through W5100 Ethernet module. The system not only can get indoor wireless real-time data acquisition from temperature， humidity， air quality index， smoke and electric quantity， but also can achieve online real-time monitor function through Internet. In addition， the warning function on Wechat， Weibo， and SMS is implemented by the Internet of things， and the remote-control switch is also carried out in this system. The experimental results show that the system has the advantages of long wireless communication distance， good real-time performance， stable operation and strong expansibility.

Keywords： Arduino main control board; intelligent building; Xbee module; wireless communication; air quality; internet of things

0 引言

傳統樓宇傳感器設計一般采用有線布線方式，有諸多弊病，如資源浪費、線路易損、布線復雜、功能單一等。隨著人們對辦公環境質量要求的日益提高，無線傳感網絡技術在智能樓宇中的應用已成為發展的必然趨勢[1-2]。近距離無線通信一般采用WiFi、藍牙、Zigbee[3]等技術，Zigbee是一種近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，在無線物聯網領域已得到廣泛應用。相對而言，WiFi、藍牙技術存在功耗較大，傳輸距離較近的缺點。Xbee模塊[4-5]是美國DIGI公司的一款基于Zigbee協議的無線傳輸模塊，實驗證明，Xbee無線模塊[6-7]的傳輸范圍是一般基于Zigbee協議無線模塊的2～3倍，具有更好的通信距離和抗干擾能力，能有效避免信號盲點，且功耗更低。

目前關于智能樓宇監控系統的研究逐漸深入，室內環境監測除對室內溫度、濕度及煙霧等監控外，空氣質量指數也成為人們廣泛關注的問題[8-10]。隨著國家對節能減排的重視，智能樓宇能耗系統的監控也成為家庭電能消耗最優配置、探求有效電能節約途徑的核心組成部分。此外，互聯網遠程控制使得樓宇控制系統更為方便快捷，是智能樓宇發展的重要方向[11]。

本文設計基于Arduino的智能樓宇物聯網無線多傳感器監控系統[12]，監控對象各傳感器均采用模塊化設計，并通過互聯網實現對樓宇環境和設備的智能監控。主要分監測和控制兩部分：通過無線數據傳輸方式對室內狀況進行監測，如溫度、濕度、PM2.5、煙霧、能耗等，在Web或微信端通過互聯網查看實時數據和曲線，在超過用戶定義的正常參數范圍值時可通過微信、微博、短信等方式實現報警;同時還通過互聯網實現對電器設備的遠程控制，如控制照明設備、空氣凈化器、熱水器等。

1 系統總體框架

智能樓宇監控系統主要由以太網數據交互模塊、環境監測模塊、能耗監測遠程開關模塊、煙霧檢測模塊等組成。系統框架如圖1所示，系統的硬件電路與程序開發主要基于Arduino開源平臺，在局域網內部各模塊通過Xbee無線通信模塊進行自組網及數據交互，Xbee通信采用API模式進行組網，環境監測模塊終端、煙霧監測模塊終端及能耗監測遠程開關控制模塊終端將數據信息發送給Xbee路由器，Xbee路由器再將信息傳送給Xbee協調器;在局域網外部，協調器將數據信息通過W5100以太網模塊傳送給互聯-LEWEI50物聯網開放云平臺，用戶可通過互聯網、微信獲取傳感器實時數據，還可通過微信、微博、短信等方式實現報警功能及遠程開關控制功能。

2硬件設計

各模塊以Arduino Uno主控板為核心，Arduino采用開放源代碼的軟硬件平臺，具有類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。模塊通過Arduino主控板編寫程序，通過Arduino Xbee擴展板連接Xbee pro S1無線模塊進行無線數據交互。

2.1 環境監測模塊

環境監測模塊用于監測室內溫度、濕度及空氣質量。主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1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、帶IIC接口的1602LCD顯示屏組成，其結構圖如圖2所示。

溫濕度傳感器DHT22的溫度量程為-40～80°C，分辨率為0.1°C，精度為±0.5°C;相對濕度量程為0%～99.9%，分辨率為0.1%，精度為±2%，該傳感器讀取時間間隔需大于2s，其波特率為9600bit/s?？諝忸w粒物傳感器GP2Y1051AU0F是夏普灰塵傳感器，可測量0.8μm以上的微小粒子，其內部對角安放著紅外線發光二極管和光電晶體管，通過探測空氣中塵埃反射光來檢測空氣顆粒物質量，波特率為2400bit/s。

2.2 能耗監測遠程開關控制模塊

能耗監測遠程開關控制模塊負責測量開關的電壓、電流、功率及電量數據，并通過Arduino控制繼電器實現對開關控制。主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1無線模塊、Arduino Xbee擴展板、電量能耗傳感器PZEM-004T、5V光耦繼電器、帶IIC接口的1602LCD顯示屏組成，其結構圖如圖3所示。

能耗傳感器PZEM-004T，能監測電壓、電流、功率、電量4個參數，工作電壓范圍80～260V，最大電流為100A，最大功率為22kW，工作頻率45～65Hz，計量精度為1.0級，該傳感器通過串口發送不同信號來讀取相應的參數值，串口波特率為9600bit/s。光耦繼電器為5V繼電器，最大輸出為：直流30V/10A，交流250V/10A。

2.3 煙霧監測模塊

煙霧監測模塊用于監測室內煙霧值，并通過蜂鳴器實現警報功能。主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1無線模塊、Arduino Xbee擴展板、MQ-2煙霧傳感器、有源蜂鳴器、帶IIC接口的1602LCD顯示屏組成，其結構圖如圖4所示。

煙霧傳感器MQ-2屬于二氧化物半導體氣敏材料，對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，其檢測可燃氣體的煙霧范圍是100～10000ppm。

2.4 以太網Internet模塊

以太網Internet模塊通過Xbee協調器收發Xbee終端各傳感器數據采集信號，并利用以太網模塊W5100轉發到LEWEI50云服務器數據庫中，通過Internet可實現在線實時監控，主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1無線模塊、Arduino Xbee擴展板、W5100網絡擴展模塊組成，結構示意圖如圖5所示。

2.5 自組網Xbee模塊配置

Zigbee網絡中包含有3種不同類型的基本節點：協調器、路由器和終端。本文通過Xbee模塊進行Zigbee自組網，并采用API模式通信，所發送或接收的數據將封裝成API幀格式，各Xbee終端通過固定的數據幀發送傳感器數據給Xbee路由器或協調器，最終通過以太網將數據信息轉送給服務器云平臺，同時各Xbee終端也監聽Xbee協調器來自服務器云平臺的控制命令。通過XCTU軟件對Xbee模塊配置不同參數來定義Zigbee網絡中的不同類型，并設置共同的PANID保證模塊間的數據傳輸。

3 軟件設計

系統軟件設計主要由各無線終端模塊、以太網數據模塊、LEWEI50開放云平臺設置3部分構成。分別完成各模塊傳感器的數據采集、局域網內部數據交互、數據云端服務器存儲及控制命令發送等功能。

3.1 Xbee終端模塊程序設計

Xbee終端模塊程序主要分為傳感器數據讀取、Xbee數據發送與接收、LCD液晶顯示等。針對環境監測模塊、能耗監測遠程開關控制模塊進行程序設計，其流程圖如圖6、圖7所示。需要指出的是，由于Xbee模塊擴展板占用了Arduino Uno板默認串口通信端口D0和D1，若其他傳感器還需串口通信，可利用Arduino軟串口庫任意定義D2～D7作為軟串口的通信端口。本文中空氣顆粒物傳感器、電能能耗傳感器均需定義軟串口實現數據通信。程序流程圖中設置看門狗定時器，以保證程序的非正常運行時進行系統自動復位。

3.2 以太網數據模塊程序設計

以太網Internet模塊程序主要包括通過Xbee協調器對Xbee終端數據的接收與發送，以太網模塊W5100數據上傳與服務器控制命令的接收，其流程圖如圖8所示。以太網模塊程序首先配置網絡IP地址、DNS服務器等數據，再利用LEWEI50云平臺TCP通信協議庫函數實現數據上傳、遠程開關的反向控制。

3.3 LEWEI50開放云平臺設置

LEWEI50物聯網開放平臺為用戶提供傳感器云服務。用戶根據Userkey、傳感器標識，通過以太網模塊實現對應標識的數據上傳，最終實現Internet對傳感器數據的實時采集;同時用戶可自定義控制命令函數，通過云平臺發送給Arduino以太網模塊，再通過無線Xbee終端執行控制命令。此外，云平臺可自定義各傳感器數據正常值范圍，若超出正常值范圍時會通過微博、微信、短信等方式實現報警。

4 實驗數據及功能測試

傳感器數據信息可通過LCD液晶屏查看，同時也可通過LEWEI50物聯網開放平臺網頁、微信客戶端查看，用戶可查看實時數據或數據曲線，如圖9、10所示。當傳感器超出正常范圍時，會發送報警信號;用戶可通過微信客戶端進行遠程開關控制。

經30d長時間驗證測試，系統各模塊工作正常，無線模塊室內傳輸距離遠、穿透性強（能穿透4～5堵墻），設備能長時間連續穩定工作。網頁、微信客戶端能實時讀取傳感器信號，在超出正常值范圍時能通過網絡報警，同時也能通過發送命令控制開關熱水器、凈化器、照明設備等。5 結束語

本系統以Arduino主控板為核心，利用傳感器、以太網模塊、Xbee無線模塊以及互聯網平臺LEWEI50搭建了無線樓宇監控系統，實現了對樓宇常用數據的實時采集及上傳、并且具有報警和遠程開關控制功能。本系統利用Xbee無線模塊進行數據交互，減小了采集布線對樓宇環境的影響，同時也實現了傳感器探測的靈活性，利用LEWEI50物聯網開放平臺實現了對樓宇傳感器的實時監測與智能控制，具有開發價值和實用性。

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（編輯：莫婕）