袁 猛，曲凯亮

（济南城投设计有限公司，山东 济南 250000）

0 引 言

智能楼宇通过各种系统集成，促进计算机技术和通信技术相互融合，自动化监控内部设备，高效集成各种资源，为居民营造优良、舒适环境。建筑智能楼宇前提在于有效监控楼内资源，而若想实现高效监控效果，则少不了针对智能楼宇人员和设备的有效定位。实质上，ZigBee技术使用信号传播能量进行定位，极有可能引起内部环境影响而出现不稳定情况，而且精度偏低，无法切实满足室内实际需求。这种情况下，使用无线传感技术，即可针对室内情况进行有效定位，提高整体监控效果。

1 智能楼宇无线传感器选择要求

（1）传感器通信方式的选择。在传感器通信中，传感器之间通信所传输信息均为数据重要信息。在选择传感器时，应考虑节点控制器的选取，而传感器通信模式则是由传感器和控制器通信模式决定，这样就可以将传感器探测信息实时地传送给节点控制器。

（2）体积、安装方面的选择。在智能楼宇监测中，由于内部环境优良，其工作温度、湿度、空气环境均优于室外环境和工业化环境。在选取传感器时，无需选择化学工业复杂结构传感器，对尺寸的要求尽可能“小”，对安装方法的要求尽可能“简”，可以按照楼宇实际需求来进行安装，如果能装到节点控制器上，则可以降低线路需求。

（3）严格控制测量精度要求。与化学环境相比，其测量参数对化学制品质量有很大影响。在建筑环境中，测量主要指标仅作为参考。而在控制系统层面，则是动态设置操作阀值，比如烟雾传感器，在烟雾浓度达到某个阈值时，就会发出烟雾警报。但测量精度不能太低，否则会导致测量准确性和敏感度降低，从而影响到监测工作质量。

（4）兼容性要求。在设计中，所设计系统主要是针对老建筑中已有传感器进行更新，必须要兼顾现有传感系统和传统监控系统兼容性。

2 基于无线传感技术的智能楼宇监控系统结构与功能分析

2.1 无线传感装置

在基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)智能建筑监测系统中，传感器作为环境信息采集装置，必须根据实际情况选用相应传感器。传感器元件则主要是从现有产品中采购，在系统整体设计中，并未进行无线传感器设计，仅对这一部分进行了选择。目前，无线传感器多采用 ZigBee协议，其具有低功耗优势，能满足电池供电等应用需求，并具有自组织网络。

2.2 收集端面板组件

采集终端是完成无线通信的终端，对某一特定区域内的传感器进行采集、处理，再通过计算、处理，将数据传送给上级节点，最后由软件控制系统完成处理。同时，该数据采集终端接收来自上层控制系统的控制信息，从而实现对无线传感器的控制。数据采集终端是实现无线传感器和上层软件控制的桥梁。目前，这一部分需要结合现有成熟的控制技术，针对实际工程中出现的问题进行设计，对采集终端板的需求是兼容性好、成本低且操作灵活。

2.3 虚拟管理平台装置

可视化管理平台主要是将大楼全部监测资料集成，为使用者提供更好的操作界面，便于对建筑物进行监视和管理。在这一系统设计中，这一环节也要单独进行，其要求采用模块化配置模式，灵活地添加或删除节点，以便于不同建筑对监控管理要求达标。在软件控制系统中，还包含数据库的设计与管理，软件系统可以将所收集到的数据实时存入数据库，并根据各种情况对数据库实时访问，便于对数据进行分析和管理[1]。

3 基于无线传感技术的智能楼宇监控系统设计分析

基于层次结构的智能 WSN系统，在真实环境中，在传感节点顶端下一层传送网络。所有基站都与互联网相连，在系统操作期间，传感器节点实时采集建筑物的烟尘浓度、温度、湿度率及图像。例如，信息的实时获取，可以由一个自组织的网络来获取。采集了传感器的数据，并将其全部传输至网络节点，其他接入点传送网路向基地台传送资料。

3.1 监控系统总体框架

智能建筑监测系统包括以太网数据交互模块、环境监测模块、远程能耗监测模块、烟雾检测模块。系统硬件和软件设计以 Arduino开放源码为基础，在局域网中各个模块之间通过 Xbee无线通信模块实现自组网和数据交互。在局域网之外，协调者通过W5100以太网模块向LEWEI50物联网开放云平台发送数据，通过网络、微信等方式获取传感器的实时数据，并通过微信、微博、短信等方式实现报警功能及远程切换控制功能，掌握智能楼宇内部综合信息情况，具体如图1所示。

图1 智能楼宇综合管理监控系统

3.2 监控系统硬件设计

3.2.1 环境监测模块

室内温度、湿度和空气品质监测模块主要包括Arduino Uno主控板、Xbee proS1无线模块、Arduino Xbee扩展板、温湿度传感器DHT22、空气颗粒物传感器GP2Y1051AU0F以及带有 IIC接口的1602液晶显示器。

DHT22温湿度传感器具有-40～80 ℃、分辨率0.1 ℃、±0.5 ℃的测量范围；相对湿度测量范围在0%～99.9%、分辨率为0.1%，精度在±2%范围内，其读出时间间隔要求超过2 s。GP2Y1051AU0F是一种夏普粉尘感应器，可以测量0.8 μm以下的微粒，它的内部对角处装有红外 LED和光电晶体管，可以探测到大气中的尘埃的反射，从而探测到空气中的微粒。

3.2.2 远程切换和能量监控模块

该系统的主要功能是对开关进行电压、电流、功率和电量的检测，并利用 Arduino继电器进行开关的控制。主要包括 Arduino Uno主控板，Xbee proS1无线模块、Arduino Xbee扩展板、电量消耗传感器PZEM-004T及5 V光耦继电器等。

PZEM-004T能监测电压、电流、功率、电量4项指标，工作电压在80～260 V，最高电流100 A，最高功率22 kW，工作频率45～65 Hz，测量准确度为1.0，可以用串口传送不同的信号，以读取相应的参数值[2]。

3.2.3 公用网及专用网技术模块

目前，公用网技术仍是移动通信运营商主要采用的技术。与专用网络相比，公共网络数据传送速度更快，而且对信息的处理能力也更强。3G时代，数据传输速度可以达到100 kb/s；4 G时代，可以达到20～100 Mb/s，同时还可以兼容 全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、时 分 多 址（Time Division Multiple Access，TDMA）等移动设备，5 G时代数据传输速度将会得到极大提高，不同用户之间的通信质量都会得到较大程度改善。专用网络的主要用户是公司，企业在日常运营和管理工作中，为了避免出现诸如信息泄漏等情况，必须使用内部网。Zigbee、Bluetooth和Wi-Fi是常见的网络技术，在3种网络技术中，Zigbee具有较高的可靠性和较低复杂度，可以迅速地构建出较为可靠的专用网络。然而，该技术具有短程传输、只支持少量数据的能力，更适合在小型专用网络中建立。虽然Bluetooth技术网络复杂性要高于 Zigbee，但其最大传输距离只有10 m，最大的传输速度可以达到1 Mb/s，而且还可以提供更多的数据。Wi-Fi是局域网的一种，其采用 IEEE802.11的接入协议，通过Wi-Fi技术构建的网络，可以提供最大传输距离和数据传输能力，尽管其复杂度最高，但其成本低、使用方便，因此很多公司将其作为智能楼宇专用网建设技术，把Wi-Fi技术作为适用于智能楼宇的视频监控技术。

3.2.4 自组网Xbee模块

Zigbee网络包括3种基本的结点，即协调者、路由器和终端。具体实践中，利用 Xbee模块实现 Zigbee自组网，使用应用程序界面（Application Program Interface，API）方式进行通信，将传输和接收的数据以 API方式进行封装，每个 Xbee终端都会将传感器数据传输到 Xbee路由器或协调器，最后将数据信息经由以太网传送到服务器云平台，而每个Xbee终端都可以监听 Xbee协调器从服务器云平台发出的控制指令。在 Zigbee网络中，使用 XCTU软件对不同的 Xbee模块进行配置，设定 PANID以确保各模块之间的数据传送[3]。

3.3 监控系统软件设计

3.3.1 Xbee终端组件设计

Xbee的软件模块包括传感器数据读取、Xbee数据的发送和接收、液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）等，软件实现了环境监测模块、远程监控系统的远程切换控制模块，并给出了流程图。应该注意的是，Xbee模块扩展板使用 Arduino Uno的预设串口通信接口D0、D1，如果其他传感器需要串口通信，则可以使用 Arduino软串口库中的D2～D7作为软串口通信接口，为了确保在程序异常操作时，系统会自动重置监控狗定时器。

3.3.2 Ethernet数据模块设计

以太网网络模块程序主要包含 Xbee协调器接收和传输 Xbee终端的数据，W5100以太网模块W5100数据上载和接收服务器控制指令。在此基础上，采用LEWEI50云平台的 TCP通信协议库功能，实现数据上传和远程切换的逆向控制。

3.3.3 开放的云计算平台LEWEI50的设置

LEWEI50物联网开放平台为客户提供了基于云计算的传感器应用，用户基于用户名和传感器标识，利用以太网模块完成相应身份信息的上传，最后通过互联网实时获取传感器数据。同时，用户还可以定制控制指令，将其通过云平台传输到 Arduino以太网模块中，再由 Xbee终端进行控制。另外，该平台还可以对每个传感器的正常数据进行定制，当超过正常范围时，会通过短信等方式进行报警[4]。

3.3.4 试验资料和性能试验

该系统可以在LCD上查看传感器的数据，也可以在 Live 50物联网开放平台的网页和微信客户端上查看，并可以查看到实时的数据或者数据曲线。在传感器超过正常值的情况下，将发出警报，用户可以使用微信的远程切换操作。经过长期验证试验，各模块均能正常工作，其中无线模块的内部传输距离远、穿透性好，并能长期、稳定的工作。网页和微信客户端能对传感器的信号进行实时读取，超过标准时可以进行网络报警，也可以对热水器、净化器、照明设备等发出指令进行控制。

4 基于无线传感技术的智能楼宇监控系统维护建议

（1）对监测系统运行人员进行管理。建立完善员工管理体系，以实现对建筑的智能化监控。智能建筑监测系统的设备和技术具有尖端特征，因此相关人员必须具备一定的专业知识和丰富经验。有关人员在入职之前，需进行岗前评估，经考核合格后方可获得证书。同时，在接到上级指令后，智能楼宇管理人员要督促各个岗位员工认真做好本职工作，并科学规范值班方案，防止节假日期间安全监控系统突发故障问题，实现全面性防范目标。

（2）加强对楼宇智能化的监测和管理。随着时代进步和技术发展，在建筑智能化监控系统设计中，需要特定系统操作者根据建筑监控系统维护手册，对其进行定期维护。智慧建筑管理必须加强对无线监测系统的基本建设，并投入大量专项资金，保证其日常维修经费充足，避免在后期智能楼宇监测时出现问题[5]。

5 结 论

综上所述，在我国现代建筑发展过程中，智能楼宇建筑已经成为大势所趋。此外无线传感技术的发展，更是为智能楼宇增添了新活力。融入无线传感技术，建构健全智能楼宇监控系统，即可使得智能楼宇更具智能化、信息化、可视化及人性化特点，持续完善智能楼宇监控技术，通过自动化监控楼内设备综合获取智能楼宇中关键信息，为智能楼宇监控质量的提升保驾护航。