无线传感器网络在智能楼宇中的应用

邱秀玲

摘 要：无线传感器网络技术是信息获取的重要方法，当前广泛应用在楼宇智能化建设。出于为人们提供一个舒适、安全、便捷与高效环境，在智能楼宇中的相关应用例如独居老人监控、室内导航、火灾救援等设备均应明确位置信息。所以，节点定位技术等对于智能楼宇建设尤为关键。文章立足智能楼宇，重点分析无线传感器网络的具体应用。

关键词：智能楼宇;无线传感器网络;应用分析

0 引言

智能楼宇是近些年出现的概念，通过系统集成，实现通信技术与计算机技术等之间的融合、自动化监控楼内设备、高效管理信息资源，从而为人们提供舒适安全的环境。智能楼宇的前提是有效监控楼宇内资源，而实现监控离不开有效定位楼宇内人员及设备。但实际上，ZigBee技术通过信号传播能量定位，不仅受限内环境的影响导致定位不稳，而且精度并不高，难以满足室内定位实际需求。基于智能楼宇宽阔的室内定位发展前景与现阶段室内定位技术的不完善，无线传感器网络技术受到越来越多的科技公司与科研机构的关注，更是挑战性极强的研究课题。

1 智能家居系统

1.1 硬件设计

1.1.1  监控模块

不受到地点时间限制的智能监控模块，可以直接借助宽带网络或者是局域网络，通过浏览器实施远程的语音通话与影像监控，而且也支持远程PC机、本地卡存储、移动端进行邮件与FTP传输。另外，还可以通过远程影音摄录，提高安全防护的专业性，并且增加一定的生活乐趣。关于视频监控模块，其主要功能是监控室内电器与环境。无线传输模块比如CC2430内具有8051微控制器内核，能和继电器直接接入有效控制家用电器，也能接入传感器例如温度传感器等，对热水器、空调温度进行控制与检测[1]。

1.1.2 检测模块

该模块的主要功能是随时检测与记录房间人数，同时也能实时监测人体的体征情况，比如可以监测房间内是否有人跌倒并及时报警等。通过激光传感设备对房间人数进行监测，利用激光对射式传感设备在房间的出入口安装传感器，每门安装两对而且每对囊括发射及接收部件各一个，可以对出入门人的动作进行实时监测;通过超声波测距传感设备检测人体的体征与行动，使用超声波能对物体距离进行测量，以此测量人体的移动情况。在天花板上安装超声波测距传感设备，还能测量人体有没有跌倒，人体如果在超声波传感设备的可测范围内发生跌倒，测量的距离数据会出现变化，进而能对有人体跌倒结果及时检测，从而为有小孩、老人家庭提供便利。

1.1.3 安防模塊

该模块的主要功能为对房间的气、火、电等状态进行监测，避免煤气中毒、火灾、触电等事件发生，为家庭安全提供保障。录入通过各种传感器和无线通信模块连接，以此形成无线传感器网络，比如通过烟雾、火焰及煤气传感器等实现家居智能安防。

1.2 软件设计

1.2.1 家居远程监控系统

该模块可以执行高加密语音电话、远程操控等多功能。如果业主外出办事，能借助固定电话、手机控制家里的窗帘、空调以及灯光电器等，让其提前进行制热、制冷、关闭与打开;而且还能清楚家中的电器与电路能否正常工作，获得室内环境中的空气质量数据，进而控制紫外线杀菌设备达到杀菌、换气的目的;依据外界天气情况适度控制屋内空气的温度与湿度。通过固定电话、手机进行自动化的宠物喂食、花草浇水等。

1.2.2 智能监控软件

之所以设计家居智能监控模块，其主要目的是依托传感器对家中的重要设备进行监测与控制。例如监控家居燃气设备通过系统监测在使用燃气时家中是否有人并进行定时计数，而一定时间之后要是家中处于无人状态，会由系统发出提醒信息且将燃气阀关闭。

2 安全防护系统

2.1 选择传感器的要求

2.1.1 体积与安装

在智能楼宇安全防护系统中，由于室内环境良好，所以和工业化环境、室外环境相比，其工作适度、温度、空气环境均更胜一筹[2]。在选择传感器时，不需要如同化工应用传感器那样考虑结构的复杂要求。关于体积方面应尽可能小，而且也没有特殊的安装要求，可以依据使用需求随意安装。

2.1.2 传感器通信方式

从某种角度来讲，传感器通信是确保传输传感器数据的一项关键内容。在选择传感器时应关注节点控制器的选择，而在此应关注传感器通信方式的选择，也就是传感器和控制器间需具备一样的通信方式，这样检测数据才能实时被输送到节点控制器。

2.1.3 测量精度

其实在测量精度方面也不需要过高的要求。与化工环境不同，测量的参数会对化工产品质量造成直接影响，而测量参数在楼宇环境中，更多是作为参考值。有关控制系统，会对动作阈值进行动态设定，以烟雾传感器为例，如果烟雾浓度高出一定阈值会发出烟雾报警[3]。需要注意的是，传感器精度不应该太低，这是因为精读过低会降低参数检测的灵敏度与精度，难以发挥理想的监控作用。

2.2 硬件设计

2.2.1 控制器模块

在安全防护系统设计中，可以采用STC12LE5616AD单片机作为控制器，它是功耗低、高速、抗干扰能力强的新一代8051单片机，而且和传统8051完全兼容，速度能快8至12倍左右。STC12LE5616AD系列单片机还可提供另外的高速串行通信接口。安全防护系统主要使用SPI接口与控制器A/D转换功能，控制器能够把传感器收集的模拟信号变为数字信号，然后借助SPI接口和无线通信传输数据[4]。因为STC12LE5616AD和安全防护系统可以使用相同的工作电压，比如都是3.3 V，这在一定程度上实现了电源硬件设计的简化。

2.2.2 无线通信模块

安全防护系统中可以设计使用nRF905无线数据通信收发芯片，这种芯片工作于433/868/915 MHz ISM频段，能够借助SPI接口实现配置，兼容系统所选的控制器。SPI接口由功率放大器、频率调制器等内部寄存器组成。

2.3 构建无线传感器网络

通常的无线传感网络系统，主要包含汇聚节点、传感器节点以及管理节点。针对传感器节点所监测的各项数据，顺着其他传感器节点进行逐跳传输，在实际的传输过程中可通多个节点处理监测数据，通过多跳后路由至汇聚节点，依托卫星或者是互联网到达管理节点。针对构建的任意无线传感器网络，良好的网络拓扑结构能有效控制传感器节点通信功率，以此在确保网络连通性的基础上能避免节点间存在的通信干扰，进一步提升网络整体通信效率。以智能楼宇具体情况为依据，可以设计树形网络拓扑结构，需注意的是其维持星形拓扑的简洁性，较低存储器需求和较少上层路由信息，从而降低成本[5]。采取新的“多跳”能力可处理因为功耗低的RF收发器所引发的覆盖面积问题，这样网络开发者与架构者不需要通过功率大距离远的无线通信器，便能够覆盖范围更大的区域。这一系统的网络流设计程如下：依据具体情况，各个楼层安装数量不同的温度、烟雾以及红外传感器。而且每一个传感设备携带一片无线通信板块与控制器，进而构建一个终端节点。所谓各个楼层，主要指的是一个汇聚节点，每个楼层终端节点把所采集的数据信息传输到与之相应的汇聚节点，由此汇聚节点依托GPRS模块把数据输送到监控室的上机位。

除以上两种智能楼宇系统，也可以把无线传感器网络应用在温室群自动化监控系统。对温室监控系统的应用情况与发展过程进行研究分析，能明確在温室群监控系统中应用无线传感器网络技术具备可行性与适用性。设计主要思想是将单个温室作为单位分簇，分配一个温室号且依据温室号进行路由发现[6]。

3 结语

首先，本文设计以无线传感器网络为支撑的智能家居系统，不仅具有强大的信息交互功能，而且对居住环境加以优化，帮助人们提高空间使用效率与节约各种能源，可以远程控制家电设备，同时和无线传感器网络优势相结合，提供较强移动性、灵活布局、稳定数据传输的家居系统。其次，本文设计以无线传感器网络为支撑的安全防护系统。系统的微控制器采取STC12LE5616AD单片机，而系统中的无线通信模块采取nRF905无线收发芯片，通过两者构建树状无线通信网络系统。第一，以无线传感器网络建立安全防护管理系统替代以往使用的楼宇报警系统，防止在紧急情况发生时传统方式在报告方面存在的滞后缺点。第二，通过树状网络结构，在汇聚节点上统一收集传感器所采集的楼层信息，而且对数据信息及时传递，将其实时输送至监控室上位机，以此能减少维护安全设施设备的时间。

[参考文献]

[1]赵强.无线传感器网络在智能楼宇中的应用技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2017.

[2]梁艳绒.无线传感器网络在智能楼宇自控系统的应用[J].仪器仪表与分析监测，2015（1）：27-29.

[3]吴平.基于无线传感器网络的智能楼宇安全系统的设计[J].自动化技术与应用，2014（3）：99-102.

[4]白华.浅谈无线传感器网络在智能楼宇空调自控系统中的应用[J].科技咨询导报，2007（25）：7.

[5]张冰洁.智能楼宇模拟量监测的无线传感器网络及拓扑控制[D].成都：电子科技大学，2007.

[6]李玲.面向智能楼宇模拟量监测的无线传感器网络协议设计[D].成都：电子科技大学，2006.

（编辑 王永超）