基于无线传感网的楼宇监控平台设计*

张景卓　肖大为　张　振

(1.海军工程大学理学院　武汉　430033)(2.海军工程大学兵器系　武汉　430033)(3.华为技术有限公司　北京　100000)



基于无线传感网的楼宇监控平台设计*

张景卓1肖大为2张振3

(1.海军工程大学理学院武汉430033)(2.海军工程大学兵器系武汉430033)(3.华为技术有限公司北京100000)

摘要随着低碳生活概念的普及，对建筑的要求不再局限于简单的居住、取暖和照明等基本功能，同时还要满足节能环保的要求。针对这种情况，设计了一种基于无线传感网的楼宇监控平台，可以智能的收集楼内功耗和温湿度，并对电源进行智能控制。利用无线传感网低成本、易部署、易维护的特点，可以方便地对已有建筑进行部署升级，使智能楼宇不再是少数建筑的专利。

关键词无线传感网; 节能; 单片机

1引言

智能楼宇可以根据某个区域内当前的气温、湿度等环境数据智能的精确调节该区域的环境，从而提供更舒适的生活工作环境。同时如果检测到某个区域内没有人员活动，它也可以智能地取消环境调节措施如关闭空调、照明等，来达到节能的目的。它的出现将会让人们忘记诸如“人走灯灭”、“节约用水”、“空调调到25℃以上”等标语，因为这一切都会自动而智能地完成。

无线传感网强大的信息收集能力与智能楼宇调节环境所需要采集大量数据的需求一拍即合，而传感网的从终端到节点的数据信息反馈机制，也满足了智能楼宇所需求的远程调节环境控制设备的能力[1]。而传感网节点低成本、易部署、易维护的特点，更是将楼宇升级的成本降到最低，使得智能楼宇不再仅仅是少数高档建筑的专利，而可以“飞入寻常百姓家”[2～5]。

节点硬件设计是基于加州大学伯克利分校研制的Mica2系列进行改进，该平台原本针对室外障碍物较少的环境，当部署在楼内时，遮挡和电磁干扰都会导致其传输距离的大大缩短，因此本文对传感器节点进行了针对性改进，确保其通信畅通。同时针对楼宇监控所需传感器进行了相关软硬件设计，实现了对楼内温湿度，电量的监控以及电源的远程控制。

2系统总体设计

2.1系统功能

基于无线传感网的智能楼宇的监控平台需要能够采集建筑物中各处环境信息和各个插座上每个插孔上的能耗情况，将这些数据汇总到汇聚节点，汇聚节点要将数据传输到与之相连的PC终端上，而终端可以发送指令更新环境信息采集节点的采样频率和各个插孔的通断。这个无线传感网与一般意义上的环境信息收集网络的主要区别有两个：一是网络中有两种类型的节点，这两种节点需要能为彼此转发数据，因此要将两种节点组成一个异构的无线传感网;第二，系统需要具有远程开关插座电源和改变传感器采样频率的能力，这就使这个网络从单纯的传感网变成了具有执行能力的“反馈网”。

无线传感网的典型结构由传感器节点、汇聚节点和与汇聚节点相连的计算机组成。传感器节点的功能是检测环境信息，对数据进行初步处理，并传输处理过的数据[6～9]。这里对数据的初步处理可以实现初步的数据融合，从而降低通讯数据量以节省能耗，这些数据是通过传感器节点组成的多跳网络传输的，它们在传输过程中可能被多个节点接收并处置，通过多跳路由最终到达汇聚节点。汇聚节点会将收集到的数据通过诸如RS-232，USB的接口传输到与之相连的计算机进行处理，也可以接收计算机发出的指令并将其传送给各网络节点。虽然叫做“传感”网，它的功能并不仅仅是收集信息，通过信息的下行通道，终端的控制者可以控制传感器节点控制的执行器，从而实现信息的反馈，从而形成一个闭环的控制系统。其系统功能如图1所示。

图1　楼宇监控系统功能图

2.2系统组成

要实现向节点下载程序和调试传感器节点，需要专门的下载板和通信板(文中使用的是串口，故为串口板)。有的应用中通信板和传感器节点会集成起来，产生诸如带有RS-232或USB的节点，但在本应用中，为了最小化传感器节点的体积，使用了二者分离的方案。此外为了减少设计负担，使用传感器节点与串口板相连作为汇聚节点，而没有专门的汇聚节点。

传感器节点的一大特点就是应用相关性。这是因为不同的应用场景对于传感器节点从外形到性能的要求大大不同。尽管不同传感器节点使用的硬件大不相同，但它们包含的模块大致相同。一般情况下，传感器节点可以分为四大模块：传感器模块，处理器模块，无线通信模块和能量供应模块。它们之间的关系如图2所示。

图2　自动定位系统组成框图

1) 处理器模块为系统的核心，控制所有的程序动作，包括工作状态转换、采集温度和功耗信息、无线与串口通信。控制模块采用了ATmega128L作为处理器单元，在软件开发上基于开源操作系统TinyOS进行，其具有高度的并行性和模块化，并预置的大量实用模块可以让开发工作更直接地面向应用，而无需纠缠于底层硬件的控制[13]。

2) 传感器模块负责采集楼宇的温湿度以及功耗信息，在处理器模块的控制下周期进行，本系统中温湿度及功耗传感器均采用了数字传感器，从而避免了复杂的校准过程，同时利用TinyOS的自建模块，降低了使用通用IO模拟数字传感器通信接口的设计工作量。

3) 通信模块采用CC1000射频芯片，控制器要与CC1000相连时，通过三串行配置口控制CC1000选择不同模式;能够通过双向同步数据信号接口交换数据;并能监视RSSI获取信号强度的输出。

4) 能量供应模块功能是为系统提供所需的能源。环境监测节点与电量监测节点将使用不同的电源设计。这是因为电量监测节点可以方便地从插座中获取能量，故使用无电池的设计，它通过小型变压器将220V电压降低，再将低压交流电转成直流电压，为整个节点提供能量。而环境监测节点则需使用电池供电。

3硬件设计

本文的硬件设计基于加州大学伯克利分校研制的Mica2系列[11]，主要改进在于应用于楼内场景时无线通信模块，以及采集楼内信息的几种传感器的外围电路。

3.1无线通信模块

为了使传感器节点在楼内仍然具有足够的通信距离，除了采用发射功率最大，接收灵敏度最高的CC1000外，还在CC1000的发送端增加了一个功率放大器来提供足够的输出功率。

功率放大器的结构如图3所示。

图3　功率放大器结构

功率放大器的核心器件是一个型号为2SK3028的N沟道MOSFET，它的增益带宽为900MHz，常用于GSM的应用。其提供的增益为最低12.5dB，输出功率为最低27.0dBmW。漏极效率为46%。一般情况下，考虑功耗因素，传感网节点并不会采用如此的功率放大器，但是由于部署在楼宇内，可以考虑部分节点使用建筑物内电源供电，于是这些节点即可使用功率放大器。这些节点可以包括墙壁等障碍物附近的环境监测节点和所有智能插座节点(因为智能插座节点可以方便地从插座取电)。而周围障碍物较少的位置的环境监测节点仍可采用无功率放大器的节点设计，从而提供更高的灵活性。

2SK3078周围的匹配电路基本参考了官方的数据手册，故不再赘述。值得注意的是由两个多路开关UPG2214控制的切换电路。标号为U6的多路开关输入接到CC1000的发送端和接收端(二者连到了一起)。而标号U7的开关输入接到天线端。而两个开关的控制端TE和RE均由ATmega128L的通用IO控制。当处于接收状态时，U6输入与OUT1相连，U7输入与OUT2相连，从而使天线接收的信号仅通过导线接入CC1000的接收端。而当处于发送状态时，U6的输入端与OUT2相连，U7的输入端与OUT1相连，于是CC1000发送端的输出信号会通过功率放大器到达天线端。图中的UPG2214是一个GaAs的L，S波段MMIC的单刀双掷开关，可用于0.05GHz～3GHz的应用，控制电压为1.8V～5.3V。

3.2温湿度传感器

环境监测节点需要采集温度和湿度信息。传感器节点使用的温度传感器是DALLAS公司的DS18B20，湿度传感器采用的是SENSIRION公司的SHT11。SHT11是一种集成温湿度传感芯片。这里没有使用SHT11的温度测量功能，而使用DS18B20主要基于两点考虑：首先，如果使用SHT11同时测量温湿度，那么读取温湿度值时需要顺序地进行，这样就增加了采样时间，使用DS18B20测温，就可以使测量温度和湿度的过程并行起来;其次，DS18B20是一种使用单线总线的传感器，可以在MCU的一个IO接口上连接多个DS18B20，实现多点测量，这对于楼宇内的温度监测也很实用，虽然目前的系统没有使用此功能，但出于扩展性的考虑，仍然使用了DS18B20。

3.3电量计量模块与电源通断控制

V9311是杭州万工科技的一款低功耗单相计量SOC芯片，集成模拟前端、电量计量模块、增强型8052MCU、RTC、Flash和LCD驱动等功能模块，用于为单相多功能表提供单芯片解决方案。

芯片从电压、电流传感器采样得到原始电压值，首先通过放大器放大信号，然后经过相位补偿，采样，校准，滤波等操作，获得对应数字值，并存入数据寄存器。在接收到UART端口上的通知时，MCU会读取数据寄存器中的计量值，并通过UART将计量值发送给ATmega128。其电流电压传感器的连接方式如图4和图5所示。

图4　V9311锰铜分流器电流输入

图5　V9311电阻分压式电压输入

在目前设计中，电量监测节点需要完成的功能是分别监测插座上两个插孔的用电情况，并可在远程命令下分别控制两个插孔电源的通断。于是V9311的外围电路就需要完成如下两个功能：首先切换电流输入通道，从而使V9311能够监测两个插孔的电流;第二控制插孔通断，这将通过继电器来完成。

插座电源的控制方式是通过MCU的通用IO控制小型继电器来打开或者闭合火线的连接。连接状态如图6所示。

图6　小型继电器连接

图6中DK1a-3V就是控制电压为3V，交流耐压250V的小型继电器，其内部有一常开触点。NC是继电器的公共触点，C1、C2是继电器线圈的两端，当线圈C1上超过2.1V的电压时，继电器就会使NC和NO间的连接导通。图6中的J1与J2的作用是将继电器分别串联到两个插孔的火线上。

4软件设计

智能楼宇平台的软件平台可以分为两部分：一是节点软件，二是数据中心软件。节点软件又可以分为运行于传感器节点和运行于汇聚节点上。传感器节点上的软件需要完成的任务是控制传感器收集环境信息或电量监控信息，并通过节点自组织的网络传输这些信息，还要能接收汇聚节点发出的指令来执行一些指令，如切断插座电源，改变传感器采样周期等;而汇聚节点上的软件则需要收集传感器节点发送的信息，将其通过与数据中心相连的接口(如RS-232串口)发送到PC终端，并接收数据中心发出的命令，将其通过无线网络发送出去。前两者主要是在TinyOS操作系统上基于nesC的编程。而数据中心的软件功能较为简单，主要是读取汇聚节点发送到串口的数据包，解析数据包的内容，并提供发出某些指令的功能[12]。

传感器节点的软件是智能楼宇平台软件设计的重点。可以将传感器节点软件设计分成三个模块：环境信息采集模块、能耗监测模块和网络通信模块。其中环境信息采集模块的主要功能是控制温度传感器DS18B20和湿度传感器SHT11，包括通过传感器特定的接口对其进行配置，控制其进行温度和湿度的采集，并通过接口获取这些环境数据，这些控制都基于TinyOS实现。而能耗检测模块在ATmega128L上完成的任务和环境信息采集模块类似，而且控制的端口是标准的UART接口，操作更为简单;额外的控制任务是对插座上的两个插孔进行轮询。除此以外此模块还需对能耗监测芯片V9311内部的8052单片机进行编程，这部分编程需要完成的任务包括：芯片及外围电路的初始化，采集指定的电量监控信息，接受ATmega128L在串口上发出的信息，以约定的格式传输采集的信息。综上所述，环境监测模块的任务主要是驱动传感器，而能耗监测模块还需要完成“传感器”自身的控制。而传感器数据的上传和控制指令的分发主要基于TinyOS的自组织网络完成[10]。

图7　V9311控制程序流程

下面以能耗+检测模块的TinyOS程序设计为例说明系统读取传感器的方式，温湿度传感器的采集难点主要在于针对数字传感器的自定义协议读取数据，其他工作流程完全相同。对于能耗监测模块而言，控制器模块和能量监测芯片之间是通过串口上自定义的一次握手协议完成。其中V9311的控制流程如图7所示，而ATmega128L的控制如图8所示。V9311在未接收到读取命令FF时，周期性更新传感器数据，而接收命令时则通过串口发出读数。ATmega128L芯片读取流程则是：在发出读取命令后，从串口循环读数，读入40字节后将其转换为电流电压数据，并通过网络进行发送。

图8　能耗监测模块TinyOS程序流程图

5结语

本文基于无线传感网络，利用了TinyOS的网络传输协议及传感器控制协议，设计了一种楼宇监测系统，可实现对楼内温湿度、能耗的采集和对楼内电源的远程控制。

参 考 文 献

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收稿日期：2016年1月6日,修回日期：2016年2月17日

作者简介：张景卓，女，硕士，讲师，研究方向：数字信号处理。肖大为，男，博士，讲师，研究方向：水声信号处理。张振，男，博士，工程师，研究方向：电子线路设计。

中图分类号TP393

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.026

Design of Building Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

ZHANG Jingzhuo1XIAO Dawei2ZHANG Zhen3

(1.College of Science, Naval University of Engineering, Wuhan430033)(2.Department of Weaponry Engineering， Naval University of Engineering, Wuhan430033)(3.Huawei Technologies Co., LTD, Beijing100000)

AbstractAs low-carbon lifestyle becomes more and more popular, the requirements of the buildings are not limited to rudimental accommodation, warming and cighting, energy efficiency is also urgent need. As a result, a building monitor system based on wireless sensor network is developed, which could monitor and control the power preciously and smartly. As the system is low-cost, easy to deploy and maintain, it could be used to update old buildings, so that smart buildings are not limited to some new buildings.

Key Wordswireless sensor network, energy efficiency, MCU Class NumberTP393