無線傳感器網絡在智能樓宇中的應用

邱秀玲

摘 要：無線傳感器網絡技術是信息獲取的重要方法，當前廣泛應用在樓宇智能化建設。出于為人們提供一個舒適、安全、便捷與高效環(huán)境，在智能樓宇中的相關應用例如獨居老人監(jiān)控、室內導航、火災救援等設備均應明確位置信息。所以，節(jié)點定位技術等對于智能樓宇建設尤為關鍵。文章立足智能樓宇，重點分析無線傳感器網絡的具體應用。

關鍵詞：智能樓宇;無線傳感器網絡;應用分析

0 引言

智能樓宇是近些年出現的概念，通過系統(tǒng)集成，實現通信技術與計算機技術等之間的融合、自動化監(jiān)控樓內設備、高效管理信息資源，從而為人們提供舒適安全的環(huán)境。智能樓宇的前提是有效監(jiān)控樓宇內資源，而實現監(jiān)控離不開有效定位樓宇內人員及設備。但實際上，ZigBee技術通過信號傳播能量定位，不僅受限內環(huán)境的影響導致定位不穩(wěn)，而且精度并不高，難以滿足室內定位實際需求。基于智能樓宇寬闊的室內定位發(fā)展前景與現階段室內定位技術的不完善，無線傳感器網絡技術受到越來越多的科技公司與科研機構的關注，更是挑戰(zhàn)性極強的研究課題。

1 智能家居系統(tǒng)

1.1 硬件設計

1.1.1? 監(jiān)控模塊

不受到地點時間限制的智能監(jiān)控模塊，可以直接借助寬帶網絡或者是局域網絡，通過瀏覽器實施遠程的語音通話與影像監(jiān)控，而且也支持遠程PC機、本地卡存儲、移動端進行郵件與FTP傳輸。另外，還可以通過遠程影音攝錄，提高安全防護的專業(yè)性，并且增加一定的生活樂趣。關于視頻監(jiān)控模塊，其主要功能是監(jiān)控室內電器與環(huán)境。無線傳輸模塊比如CC2430內具有8051微控制器內核，能和繼電器直接接入有效控制家用電器，也能接入傳感器例如溫度傳感器等，對熱水器、空調溫度進行控制與檢測[1]。

1.1.2 檢測模塊

該模塊的主要功能是隨時檢測與記錄房間人數，同時也能實時監(jiān)測人體的體征情況，比如可以監(jiān)測房間內是否有人跌倒并及時報警等。通過激光傳感設備對房間人數進行監(jiān)測，利用激光對射式傳感設備在房間的出入口安裝傳感器，每門安裝兩對而且每對囊括發(fā)射及接收部件各一個，可以對出入門人的動作進行實時監(jiān)測;通過超聲波測距傳感設備檢測人體的體征與行動，使用超聲波能對物體距離進行測量，以此測量人體的移動情況。在天花板上安裝超聲波測距傳感設備，還能測量人體有沒有跌倒，人體如果在超聲波傳感設備的可測范圍內發(fā)生跌倒，測量的距離數據會出現變化，進而能對有人體跌倒結果及時檢測，從而為有小孩、老人家庭提供便利。

1.1.3 安防模塊

該模塊的主要功能為對房間的氣、火、電等狀態(tài)進行監(jiān)測，避免煤氣中毒、火災、觸電等事件發(fā)生，為家庭安全提供保障。錄入通過各種傳感器和無線通信模塊連接，以此形成無線傳感器網絡，比如通過煙霧、火焰及煤氣傳感器等實現家居智能安防。

1.2 軟件設計

1.2.1 家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)

該模塊可以執(zhí)行高加密語音電話、遠程操控等多功能。如果業(yè)主外出辦事，能借助固定電話、手機控制家里的窗簾、空調以及燈光電器等，讓其提前進行制熱、制冷、關閉與打開;而且還能清楚家中的電器與電路能否正常工作，獲得室內環(huán)境中的空氣質量數據，進而控制紫外線殺菌設備達到殺菌、換氣的目的;依據外界天氣情況適度控制屋內空氣的溫度與濕度。通過固定電話、手機進行自動化的寵物喂食、花草澆水等。

1.2.2 智能監(jiān)控軟件

之所以設計家居智能監(jiān)控模塊，其主要目的是依托傳感器對家中的重要設備進行監(jiān)測與控制。例如監(jiān)控家居燃氣設備通過系統(tǒng)監(jiān)測在使用燃氣時家中是否有人并進行定時計數，而一定時間之后要是家中處于無人狀態(tài)，會由系統(tǒng)發(fā)出提醒信息且將燃氣閥關閉。

2 安全防護系統(tǒng)

2.1 選擇傳感器的要求

2.1.1 體積與安裝

在智能樓宇安全防護系統(tǒng)中，由于室內環(huán)境良好，所以和工業(yè)化環(huán)境、室外環(huán)境相比，其工作適度、溫度、空氣環(huán)境均更勝一籌[2]。在選擇傳感器時，不需要如同化工應用傳感器那樣考慮結構的復雜要求。關于體積方面應盡可能小，而且也沒有特殊的安裝要求，可以依據使用需求隨意安裝。

2.1.2 傳感器通信方式

從某種角度來講，傳感器通信是確保傳輸傳感器數據的一項關鍵內容。在選擇傳感器時應關注節(jié)點控制器的選擇，而在此應關注傳感器通信方式的選擇，也就是傳感器和控制器間需具備一樣的通信方式，這樣檢測數據才能實時被輸送到節(jié)點控制器。

2.1.3 測量精度

其實在測量精度方面也不需要過高的要求。與化工環(huán)境不同，測量的參數會對化工產品質量造成直接影響，而測量參數在樓宇環(huán)境中，更多是作為參考值。有關控制系統(tǒng)，會對動作閾值進行動態(tài)設定，以煙霧傳感器為例，如果煙霧濃度高出一定閾值會發(fā)出煙霧報警[3]。需要注意的是，傳感器精度不應該太低，這是因為精讀過低會降低參數檢測的靈敏度與精度，難以發(fā)揮理想的監(jiān)控作用。

2.2 硬件設計

2.2.1 控制器模塊

在安全防護系統(tǒng)設計中，可以采用STC12LE5616AD單片機作為控制器，它是功耗低、高速、抗干擾能力強的新一代8051單片機，而且和傳統(tǒng)8051完全兼容，速度能快8至12倍左右。STC12LE5616AD系列單片機還可提供另外的高速串行通信接口。安全防護系統(tǒng)主要使用SPI接口與控制器A/D轉換功能，控制器能夠把傳感器收集的模擬信號變?yōu)閿底中盘枺缓蠼柚鶶PI接口和無線通信傳輸數據[4]。因為STC12LE5616AD和安全防護系統(tǒng)可以使用相同的工作電壓，比如都是3.3 V，這在一定程度上實現了電源硬件設計的簡化。

2.2.2 無線通信模塊

安全防護系統(tǒng)中可以設計使用nRF905無線數據通信收發(fā)芯片，這種芯片工作于433/868/915 MHz ISM頻段，能夠借助SPI接口實現配置，兼容系統(tǒng)所選的控制器。SPI接口由功率放大器、頻率調制器等內部寄存器組成。

2.3 構建無線傳感器網絡

通常的無線傳感網絡系統(tǒng)，主要包含匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點以及管理節(jié)點。針對傳感器節(jié)點所監(jiān)測的各項數據，順著其他傳感器節(jié)點進行逐跳傳輸，在實際的傳輸過程中可通多個節(jié)點處理監(jiān)測數據，通過多跳后路由至匯聚節(jié)點，依托衛(wèi)星或者是互聯網到達管理節(jié)點。針對構建的任意無線傳感器網絡，良好的網絡拓撲結構能有效控制傳感器節(jié)點通信功率，以此在確保網絡連通性的基礎上能避免節(jié)點間存在的通信干擾，進一步提升網絡整體通信效率。以智能樓宇具體情況為依據，可以設計樹形網絡拓撲結構，需注意的是其維持星形拓撲的簡潔性，較低存儲器需求和較少上層路由信息，從而降低成本[5]。采取新的“多跳”能力可處理因為功耗低的RF收發(fā)器所引發(fā)的覆蓋面積問題，這樣網絡開發(fā)者與架構者不需要通過功率大距離遠的無線通信器，便能夠覆蓋范圍更大的區(qū)域。這一系統(tǒng)的網絡流設計程如下：依據具體情況，各個樓層安裝數量不同的溫度、煙霧以及紅外傳感器。而且每一個傳感設備攜帶一片無線通信板塊與控制器，進而構建一個終端節(jié)點。所謂各個樓層，主要指的是一個匯聚節(jié)點，每個樓層終端節(jié)點把所采集的數據信息傳輸到與之相應的匯聚節(jié)點，由此匯聚節(jié)點依托GPRS模塊把數據輸送到監(jiān)控室的上機位。

除以上兩種智能樓宇系統(tǒng)，也可以把無線傳感器網絡應用在溫室群自動化監(jiān)控系統(tǒng)。對溫室監(jiān)控系統(tǒng)的應用情況與發(fā)展過程進行研究分析，能明確在溫室群監(jiān)控系統(tǒng)中應用無線傳感器網絡技術具備可行性與適用性。設計主要思想是將單個溫室作為單位分簇，分配一個溫室號且依據溫室號進行路由發(fā)現[6]。

3 結語

首先，本文設計以無線傳感器網絡為支撐的智能家居系統(tǒng)，不僅具有強大的信息交互功能，而且對居住環(huán)境加以優(yōu)化，幫助人們提高空間使用效率與節(jié)約各種能源，可以遠程控制家電設備，同時和無線傳感器網絡優(yōu)勢相結合，提供較強移動性、靈活布局、穩(wěn)定數據傳輸的家居系統(tǒng)。其次，本文設計以無線傳感器網絡為支撐的安全防護系統(tǒng)。系統(tǒng)的微控制器采取STC12LE5616AD單片機，而系統(tǒng)中的無線通信模塊采取nRF905無線收發(fā)芯片，通過兩者構建樹狀無線通信網絡系統(tǒng)。第一，以無線傳感器網絡建立安全防護管理系統(tǒng)替代以往使用的樓宇報警系統(tǒng)，防止在緊急情況發(fā)生時傳統(tǒng)方式在報告方面存在的滯后缺點。第二，通過樹狀網絡結構，在匯聚節(jié)點上統(tǒng)一收集傳感器所采集的樓層信息，而且對數據信息及時傳遞，將其實時輸送至監(jiān)控室上位機，以此能減少維護安全設施設備的時間。

[參考文獻]

[1]趙強.無線傳感器網絡在智能樓宇中的應用技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2017.

[2]梁艷絨.無線傳感器網絡在智能樓宇自控系統(tǒng)的應用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2015（1）：27-29.

[3]吳平.基于無線傳感器網絡的智能樓宇安全系統(tǒng)的設計[J].自動化技術與應用，2014（3）：99-102.

[4]白華.淺談無線傳感器網絡在智能樓宇空調自控系統(tǒng)中的應用[J].科技咨詢導報，2007（25）：7.

[5]張冰潔.智能樓宇模擬量監(jiān)測的無線傳感器網絡及拓撲控制[D].成都：電子科技大學，2007.

[6]李玲.面向智能樓宇模擬量監(jiān)測的無線傳感器網絡協議設計[D].成都：電子科技大學，2006.

（編輯 王永超）