探究建筑設備物聯網中無線網絡的設計與實現

石洪巍

（中國聯通西安市分公司，陜西 西安 710065）

0 引言

在城市化建設背景下，我國逐漸開始建設智能建筑，其和傳統建筑相比，具有諸多優勢，且經濟效益可觀。最近幾年，隨著我國通信技術、控制技術、微計算機技術、多媒體技術的不斷發展，智能建筑技術也在不斷的進步。現階段，在建筑各樓宇自控子系統之間可以實現關聯，可以完成遠程控制和多個子系統操作任務。雖然智能建筑技術降低了建筑能耗，提升了樓宇智能化水平，但是仍然存在一些問題。無線網絡，具有節點部署方便、網絡維護簡單、無需布線等優勢，并且成本和功耗相對較低，因此，我們可以在建筑設備物聯網中，對無線網絡進行設計和實現，進而有效促進智能建筑的長期穩定發展。

1 建筑設備物聯網中無線網絡的優點

無線網絡技術應用至建筑設備物聯網中，促進智能建筑無線網絡系統的發展。智能建筑網絡系統運用有線網絡技術開展通信工作，其綜合布線工作是十分復雜的，而且擴展性不理想。在樓宇設備物聯網中的，運用無線網絡就可以解決有線網絡無法解決的問題，且無線網絡節點在部署、維護等，均比有線網絡更簡單，因此可把該網絡更好運用至智能建筑物內。

伴隨物聯網技術在建筑領域的應用不斷加強，物聯網技術為智能建筑的發展提供了重要的保障，在技術方面的支持十分有力。物聯網技術也是未來建筑在發展中所要使用的創新型技術，該技術目前正在不斷優化。物聯網技術將各種建筑設備組合成一個復雜的無線通信網絡系統，形成通信與計算相結合的復雜無線網絡。建筑設備物聯網可運用無線傳感器網絡系統在建筑設備中運用。建筑設備物聯網的網絡拓撲結構主要由無線網絡以太網組成。在功能上，通過物聯網無線傳感器節點獲取建筑室內二氧化碳和溫度的數據參數信息（這些信息是非常重要的），并通過無線網絡發送到管理控制中心和管理控制中心系統，由管理控制中心接收數據每個節點模塊，并以SQL數據庫的形式存儲數據。建筑設備物聯網通過無線網絡技術物聯網技術實現對建筑設備的遠程控制和管理，實現智能建筑節點的數據訪問。

通過無線網絡的設計和實現，可以提供給建筑設備物聯網一個底層硬件平臺，在平臺中可以實現數據采集與執行控制命令，可以對有線通信面臨的問題進行有效解決，可以對智能建筑技術發展需求進行滿足。在建筑設備物聯網中，對無線網絡進行應用具備以下幾個優點：第一，在建筑物初期設計、建造、使用時，通過無線網絡，可以避免復雜的綜合布線設計和繁瑣的布線施工，還可以對后期的維護費用進行降低。第二，通過無線網絡，所有無限節點都可以在無線網絡信號覆蓋區域中的任何一點，加入到網絡中，不會被有線網絡信息點位置固定的限制所束縛[1]。第三，如果利用有限通信網絡，因為其可擴展性相對較差，建筑設計人員在設計工作中需要對建筑未來發展需求進行全面考慮，需要對相應的信息點進行預留，致使建筑中存在大量利用率較低的信息點。在后期進行使用時，如果需求超出了當初的設計，便需要重新進行布線。而通過無線網絡，可以有效減少或避免出現上述情況。第四，由于受到建筑自身功能與結構的影響，一些部位無法進行布線，利用無線網絡不會碰到該問題。第五，在建筑使用時，有可能出現調整功能區域，或者是出現自動化系統升級改造情況，這時如果利用的是有線網絡，需要對傳感器與執行器位置進行重新設施，需要消耗大量的人力和物理；而通過無線網絡，可以有效控制成本[2]。

2 建筑設備物聯網中無線網絡的選型

在建筑設備物聯網中，無線網絡屬于底層硬件平臺，是系統實現的基礎。因此，需要根據智能建筑的特點，挑選合適的無線網絡。在通信頻率方面，可以挑選433MHz，其具有較好的信號穿透性，不容易受到阻礙物影響，適合用再建筑中；并且成本相對較低，該頻段不需要申請ISM頻段，有助于推廣產品和降低成本，并且該技術利用的射頻芯片技術較為成熟，價格較為便宜，對于微處理器要求相對較低，而且該技術協議較為簡練，可以有效降低開發成本與時間；該通信頻率功耗也相對較低，傳輸速率是9600bps，在滿足應用的基礎上，較低速率可以節能無限節點，其利用的無線射頻芯片采用的是低功耗技術，在空閑時可以進入到睡眠模式；具有較大的網絡容量，可以利用16位網絡地址，可以容納65536個無限節點，可以完全適用到智能建筑中[3]。在網絡拓撲結構方面，可以挑選基于區域分簇的網絡結構，在該結構中，以物聯網節點為核心，主要負責和維護無線網絡，并且擔當所在區域的簇頭。中繼節點提供數據路由服務，并且可以經過一定算法當選所在區域的簇頭；終端節點主要負責采集數據和執行控制命令。該無線網絡拓撲結構和其他相比，更加適用于智能建筑中，具有較高的網絡穩定性，且核心節點工作負擔較低、路由開銷相對較低，設計較為簡單。

3 建筑設備物聯網中無線網絡的設計與實現

3.1 無線模塊節點設計

在建筑設備物聯網中，無線收發芯片與微處理器組成了無線模塊節點，其中微處理器屬于核心部件，在對微處理器處理速度進行選擇時需要結合無限階段的需求來進行。通常情況下，微處理器低功耗都是經過多種工作模式來實現的，我們可以利用軟件的方式，調整微處理器工作模式，進而對功耗進行降低。結合實際需求，在微處理器芯片設計方面，可以集成度合適的芯片，這樣不僅可以降低設計成本與難度，還可以對芯片設計周期與開發周期進行縮短。在設計與選擇無線節點時，可以利用較高性能、成本較低、功耗較小的微處理器芯片，如ARMCortex-M4，其處理速度可以實現26MHz，閃存可以實現66K，SRAM內存可以實現9K，該芯片中集成復位電路、RC振蕩器等功能。

此外，針對無線收發芯片，在設計時應利用小體積、管腳數量較少的電路板芯片，這樣不僅可以節約空間，還可以保證芯片豐富的硬件功能，進而有效提升無線網絡的安全性。在實際設計中，可以利用CC1200無線收發芯片，其功耗較小、成本較低，其可以實現在443MHz頻段工作，并且內部集成了調至解調器與接受發射機等。

3.2 傳感器與執行器模塊節點的設計

無線傳感器模塊節點，其主要是采集建筑內部溫度與二氧化碳等環境信息數據，因此需要由相應功能傳感器來完成采集不同信息數據，傳感器節點主要由無線節點模塊與傳感器組成，執行器節點主要是控制建筑內用電設備，其由無線模塊與執行設備相互結合組成[4]。在傳感器節點與執行器節點軟件工作流程中，需要加電節點，初始化節點后，和無線網絡對接，在傳感器節點接入到網絡后，讀取傳感器采集的數據值，并把采集到的數據根據數據格式進行包裝，發送給目的節點，目的節點在對數據包進行接收后進行響應，把回應幀返回給傳感器節點，然后傳感器節點在確認接收到回應幀后，對數據包發送，發送成功便完成了一個周期工作。執行節點工作原理主要是在加電后連接網絡，對控制命令的送達進行等待，在對控制命令進行接收后，對相應操作進行執行，經過物聯網節點船體，達到執行器節點，在完成命令后進入到休眠狀態，對下一次控制命令進行等待，進而實現喚醒。

4 結束語

總而言之，在新時代背景下，在建筑設備物聯網中，進行無線網絡設計和實現是非常重要的，不僅可以有效降低電力能耗和成本，還可以有效促進建筑設備物聯網的發展。現階段，由于受到多種因素的影響，建筑設備物聯網中無線網絡的設計與實現還存在一些問題，嚴重阻礙了智能建筑的發展。因此，在實際工作中，我們需要給予無線網絡設計與實現足夠的重視，并結合實際情況，通過科學合理的手段，挑選合適的無線通信頻率和無線網絡拓撲結構，并以此為基礎，對無線網絡關鍵技術進行研究，進而高效完成無線網絡系統軟硬件設計與集成，把其更好的應用到實際中。