基于云平台的楼宇温湿度监控系统设计

许 欢 鲁志康

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000;2.绍兴文理学院 机械与电气工程学院，浙江 绍兴 312000)

随着世界信息化的高速发展和技术的不断进步，人们逐渐开始接受智能建筑这种新生的事物.智能建筑不仅能够利用先进的计算机和控制等技术提供安全可靠的内部建筑环境，而且也能与自然生态环境和社会环境和谐共生、共同发展[1].如今越来越多的大楼需要安装大楼的温湿度监控网络系统，相比于传统工业设备采用的集中制管理方式的监控技术，现代监控方式使用网络技术，无线通信被应用到楼宇自动化监控网络系统上，使数据实时传送，用户更加方便快捷的进行信息交互[2].本系统在OneNet云平台基础上，设计了一种楼宇温湿度远程监控系统.将楼宇内各处温湿度传感器通过WiFi接入云平台[3].用户可以登入互联网连接云端查看环境参数及设备运行情况，可提高设备的自动化程度，创造高效、舒适、安全的工作环境，对减轻人们的工作强度，降低成本等都有重要的意义.

1 系统设计方案

1.1 系统总体结构

本文采用现场远程监测系统结构，如图1所示，系统架构分为三部分：下位机，云平台和上位机.下位机为现场控制层和感知执行层，STM32F407作为下位机的核心，温湿度传感器作为数据采集模块，空调和除湿机作为执行模块[4-6].主控核心一方面将数据通过WiFi模块传送到云平台，另一方面接收其控制指令实行对执行模块的控制.上位机为用户应用层，为面向用户的移动终端，包括PC、智能手机、PAD端，完成信息访问、监控和决策功能.云平台为中心管理层，作为连接上下位机的桥梁，对数据进行解码、解析、分类和存储，并对处理过后的数据在进行运算和整理[7].

图1 现场远程监测系统结构

整个系统工作流程如下：传感器将获得温湿度参数传给STM32F407，经预处理后通过WiFi模块上传至云平台，与系统对各个位置设定的温湿度阈值进行比较.根据比较结果做出相应决策来控制下位机和通知上位机.用户可通过上位机查询当前环境参数和决策控制状态[8-9].当决策结果为降温、除湿时，命令通过WiFi模块给下位机控制执行机构空调和除湿机工作；当系统出现故障或环境出现较大波动时，需要将信号同时发送给上位机和下位机.下位机发出现场报警信号，上位机向用户发送报警消息.用户也可以依据实际需求，通过移动终端提前干预空调和除湿机工作，或修改温湿度阈值改善楼宇环境参数.

2 系统硬件设计

2.1 主要硬件模块设计

硬件部分主要由处理器模块、WiFi模块、继电器模块、执行机构模块、数据采集模块和电源模块组成[10].处理器模块以ST公司生产的STM32F407高性能处理器芯片为核心，具备1024 KB FLASH和192 KB SRAM，集成FPU和DSP指令.采用TLP2161光耦隔离芯片，具有很强的抗干扰性；ESP8266 WiFi模块通过串口与处理器模块连接，具有功耗低，数据传输速率快，可靠性强的特点；数据采集模块主要为各个温湿度传感器、信号调理电路、RS485接口电路和模拟量数字量输出电路；执行机构模块为相应系统指令的空调、除湿机和报警器.主要硬件模块设计如图2所示[11].

图2 系统硬件设计图

2.2 温度采集模块设计

温度传感器选用美国Dallas公司生产的DS18B20单总线数字温度传感器，具有体积小、稳定性强、测温精度高的特点.本系统拟采用多个位置实时传送温度数据，故采用外部供电模式下的多个传感器连接，即利用其单总线特质，单根总线挂载多个DS18B20组成测温系统.此外，需要在控制端连接一个4.7 k的上拉电阻，单片机通过读取每个传感器唯一的序列号，确定其地址.DS18B20电路设计如图3所示.

2.3 湿度采集模块设计

湿度传感器选用DHT11数字温湿度传感器，与DS18B20一样，只用到其三个引脚.具有体积小、超快响应、低功耗、抗干扰能力强和测量精度高的特点，采用单线制串口连接[12].信号在开始信号后进入高速模式并传输都为8位的数字信号：整数位、小数位和校验位[13-15].校验通过后随即转入低功耗模式，等待下一次开始采集信号指令，校验不通过时将删除数据.DHT11电路设计如图4所示.

3 系统软件设计

3.1 单片机软件设计

单片机软件设计如图5所示.系统基于Keil uvision5集成环境，采用C语言程序开发.接收的数据量包括温湿度调整、外部设备、通讯参数和设备重启.外部设备包括空调、除湿机和报警器的配置信息.通讯参数包括目标IP、波特率、数据位、停止位和校验方式.

图3 DS18B20电路设计图

图4 DHT11电路设计图

系统初始化成功后，先判断上位机端有无命令下达，执行相应动作；再按获取到的温度、湿度参数和系统设定的最低阈值作比较，执行相应调温、除湿操作，从而实现自动控制[16].当温湿度高于警报值的时候，系统向上位机报告报警信息，同时自动打开下位机报警继电器实现报警.正常情况下，系统存储数据，通过WiFi模块用EDP协议传送云平台，以便用户随时查询[17].

3.2 云服务器设计

为了节约开发成本，缩短开发周期，系统选择中国移动公司的OneNet作为设备云平台[18-19].移动终端与OneNet通信方式有两种：RestFul API和EDP，考虑到温湿度需要实时上报、透传、存储和控制命令下达，系统采用EDP方式. OneNet平台作为数据中心， 只要在指定官网或APP登入就能实现远程监测[20].Onenet云平台流程设计如图6所示.

图5 单片机软件设计图

图6 OneNet云平台流程设计图

4 结论

基于云平台的楼宇温湿度监控系统，用户可以在移动监测终端通过移动APP对系统进行访问，发送指令，提高了系统的灵活性和开放性，又方便了管理人员管理.数字化、信息化与智能建筑的融合促使楼宇自动化往更深层次发展.系统在综合监控和及时管理方面有较大突破，一方面可降低开发与运行成本，降低开发的难度，缩短开发周期，另一方面对设备进行远程监控和管理，基于OneNet云平台实现报警信息的及时发送，提高了整个系统响应的速度.此外，本系统留有余地进行优化，应用于更多环境参数的控制，探索自动化与互联网的充分结合具有良好的适普性.