基于多傳感器融合的智能樓宇管理系統設計

胡韶東 郭建軍 孔鎮清

摘 ?要：為了對樓宇建筑中眾多的房間進行高效、智能地管理，方便樓層管理人員實時了解樓宇的各項數據進行管理維護.本系統通過結合溫濕度、光照強度、粉塵濃度、電流電壓檢測等多個傳感器對建筑進行數據的收集，通過主系統和多個子系統的設計模式進行管理控制，系統之間通過ZigBee無線模塊進行數據通信，同時上報數據信息到云端，實現在手機APP上查看建筑的各項信息。在樓宇智能化管理中，以教學樓的管理最為典型，因此本文以教學樓管理系統的設計為例，論證多傳感器融合技術在樓宇智能化管理中的應用。

關鍵詞：ZigBee;多傳感器;樓宇智能化管理;物聯網

0 引言

當前國內外在智能教學樓管理系統這個課題的研究上還有很大的發展空間.雖然“智慧教室”概念的提出較早，但在“智能教學樓”的方面上卻少有人涉足，人們大多注重對一兩個教室的智能化管理而缺乏對眾多教室像教學樓這樣的建筑的智能化管理，所以像教學樓管理系統這樣的樓宇智能化管理系統課題還有很大的研究發展空間.因此本文將以教學樓這一典型建筑的智能化管理系統作為多傳感器融合的樓宇智能化管理技術的應用.

1 系統設計方案

在樓宇建筑的管理系統設計中需要考慮設備管理與維護，實時地了解建筑所使用的設備的情況，尤其是建筑中日常運行的設備，需要及時地進行檢修以及相關的維護.遠程監控管理也成為樓宇管理系統的重要組成功能.安防管理更是不可缺失的功能，該功能在教學樓管理上可以體現為學生的考勤功能，教室實時人數的檢測.綜上，教學樓管理系統設計采用在每間教室設置一個子系統，設置教學樓一個主系統的設計模式，子系統負責收集教室的環境數據，分析數據執行自動指令，并通過ZigBee無線通信模塊將數據傳輸到主系統，主系統通過WiFi模塊上傳到云端實現在手機上查看數據信息.這樣的設計模塊在出現斷網也能使管理系統能在本地進行獨立運行，擺脫了對網絡的依賴.

2 多傳感器融合

系統的智能化管理離不開對數據的分析處理。因此收集到的數據的多元和準確率尤為重要，故該系統采用多傳感器融合的形式來進行數據的收集分析。下面是部分傳感器的應用設計。

2.1 ?ZigBee模塊

ZigBee是一種具有遠程監控、控制和傳感器網絡的通信技術.是一種更高效、更經濟的無線網絡解決方案.能夠符合現在大多數無線通信組網產品對功耗低、安全性、數據傳輸可靠性以及數據傳輸速率的要求.因此ZigBee協議標準在現有消費類電子產品和通信設備尤其是自動化控制領域均有廣泛的應用.

2.2 粉塵濃度傳感器

為了實現對教室的空氣質量數據的檢測，本系統使用GP2Y1014AUOF粉塵傳感器來收集該數據指標.粉塵灰塵傳感器的工作原理里面孔洞的兩側分別設置了紅外發光二極管用于發射紅外線和用于接收紅外線的光電晶體管，即該傳感器是基于光學檢測原理的模塊.當氣體從傳感器中間的孔洞自由流過時，檢測發射的LED光線在空氣中的灰塵等顆粒折射后的光線情況，從而確定灰塵等小顆粒的含量.

2.3 ?光照強度傳感器

選擇BH1750FVI光照強度傳感器來檢測教室的照明情況，從而判斷是否需要開燈補充光線.系統選用的光照強度傳感器檢測范圍在1Lux到65535Lux之間，這個寬泛的測量范圍已經能滿足現在非常多的應用場景，當然也包括本系統的設計.該傳感器不僅檢測范圍大而且檢測的分辨率能夠達到1Lux的變化幅度.模塊與MCU之間的通信方式為IIC串行通信，這種通信方式具備較強的抗干擾能力。

2.4 溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器擁有較小的體積，消耗的能源和功率都很少適合這種需要長時間運行測量數據的環境，因此與其他同類產品相比擁有較高的性價比。而且測量的溫濕度精度滿足本系統的功能需求。相對濕度的測量范圍為5～95%RH，溫度的測量范圍為-20～60℃。

2.5 紅外反射傳感器

本系統使用紅外反射傳感器來檢測學生的出入情況統計當前教室的實時人數情況.該傳感器的核心元器件為TCRT5000傳感器，具有輸出信號分辨率高，波形完成且檢測靈敏度可調等特點.

3 ?系統軟件設計

3.1 ?主系統程序設計

主系統的主要功能是協調各個子系統，下發指令，實現遠程監控功能.完成接收子系統數據并分析數據以及連接物聯網平臺上傳數據的功能.因為需要實時接收各個子系統發生來的數據信息，故需要設置緩存區來接收處理數據，采用環形隊列數據結構的緩沖區作為主系統的數據緩存區，保證最新接收的數據的完整性.

3.2 ?子系統程序設計

子系統需要實現的功能是對教室的智能化管理，其中包括對環境數據信息的收集，不同于其他樓宇建筑，教學樓在環境數據上的收集監控較為嚴格，因此設置了多個傳感器進行收集，其中包括粉塵濃度、溫濕度、光照強度等，同時需要實現上課考勤功能以及實時的人數檢測，能作為教室使用情況的統計，實現教學資源的高效利用.因此系統程序設計上需要完成外設的初始化設置，考勤功能以及自動指令功能，同時與主系統進行實時通信.

4 ?遠程查看功能設計

系統的遠程監控功能采用ESP8266 WiFi模塊連接網絡將教室的數據上傳到云平臺，實現在手機APP端進行查看教室信息.采用機智云物聯網平臺，事先進行gizwits協議的移植和調試，在程序中調用其API進行數據上傳和指令接收。

手機APP連接設備可以查看主系統上傳樓宇建筑信息，如溫濕度、粉塵濃度等環境數據和當前實時的人數情況.同時也能在APP上進行指令的下發進行如照明情況設備、空調等的控制.

5 ?系統測試

以子系統的環境數據信息收集功能和實時人數檢測功能作為測試項目.實時人數檢測功能是判斷兩個紅外反射傳感器的輸出電平高低情況，根據獲取的電平信號順序判斷人數的增加和減少.使用數組記錄不同時刻的電平狀態，根據輸出的測量結果來看，該模塊的響應速度較快，能滿足系統功能的演示需求.

通過多次的實地數據測量，本系統對光照強度、環境溫濕度等都能穩定的測量，數據精度也滿足系統設計要求。

6 ?結語

本系統提出了一種基于多傳感器融合的樓宇智能管理系統設計，并以教學樓這一典型建筑作為論證對象設計了一套教學樓管理系統.實現了多傳感器融合技術在樓宇管理中的實際應用場景。基本上能實現對教學眾多教室的智能化管理控制.實現了對教室環境數據的收集檢測，通過ZigBee無線通信模塊實現主機和從機間的數據通信，遠程查看設備信息.為樓宇智能化管理提供一種了解決方案.下一步將研究其他具體場景中的多傳感器融合管理方案，繼續完善系統的設計。

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基金項目：

廣東省科技計劃項目（2020A1414050060），教育部產學合作協同育人項目（201802048037、201802299045和201901096025） ，校級本科教學質量與教學改革項目（仲教字〔2020〕32號），2020年度校級“十三五”規劃教材建設項目（仲教字〔2021〕3號），大學生創新創業訓練計劃項目（S201911347050、202011347086）.

作者簡介：

一作：胡韶東（1998 -），男，廣東揭陽人，在讀本科生. ?*通信作者：郭建軍

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