传感器技术在智能建筑中的应用设计研究

郭婺

摘要：智能建筑是当今智慧生活的重要组成部分之一，随着生活质量要求的不断提高与需求的日益丰富，传感器技术发展与应用无疑发挥着更加重要的作用。本研究针对智能建筑重点技术需求，将以典型的传感技术为主要手段，并通过射频识别技术，对建筑内人员信息进行数据采集，分析楼内人员密度，并对建筑内温湿度和空气质量等环境变量实现实时智能监控，保护人员安全及生活质量，方便管理人员设定数值与日常维护。本设计方案的提出能够有效地提升现代建筑的智能化水平，便于推广应用，为传感技术在建筑领域的应用设计研究提供了理论参考。

关键词：传感器;智能建筑;射频识别

中图分类号：U24                                             文献标志码：A

0 引言

我国的智能建筑自20世纪90年代开始已发展多年，人们对智能建筑的认识也在逐步加深。现在，智能建筑业已成为大型建筑、商业建筑、各种公共建筑，甚至住宅领域向着改善建筑功能发展的理想目标[ 1-2 ]。目前，我国的智能化建筑已进入规模化，市场和技术也比较成熟。我国智能建筑行业有2000多家系统集成商，智能工程总产量基本占全球的一半。但较高层次的智能建筑大多集中在大型公共建筑（包括办公楼）和商业建筑;住宅建筑的智能化程度较低[3-7] 。因此，本设计将应用典型成熟传感技术，结合射频识别技术，对人员密集多样的公共与住宅建筑展开智能化应用设计研究。

1 系统方案的选择与确定

1.1 控制方案的确定

本设计方案旨在实现智能建筑的即刻信息追踪统计和环境监测，管理人员可通过 RFID 射频识别进行管理，系统自动进行信息统计。本设计是由 STM32单片机核心电路、红外传感器、DHT11温湿度传感模块、MQ-135空气质量传感模块、RFID 射频识别模块、蜂鸣器报警模块、LM-2596稳压电路、HC-12无线遥控模块、OLED 显示模块和电源电路等功能模块组成。

1.2 单片机芯片的选择

随着技术进步以及单片机应用发展趋势，销售市场上的wifi网络收发芯片种类也越来越复杂。因此，在整个检测过程中必须选择合适的收发器芯片。只有选择合适的收发芯片，才能保证电路质量和工作效率，节约成本。因此，在进行单片机设计选择时，一定要有专业参数与应用要求作为参考，综合考虑实际情况，以下两个方面应该是重点参考：

（1 ）要充分考虑编写程序是否相对方便;

（2 ）考虑功能损耗和传输输出功率，建立的电源电路要稳定。

根据以上要求现提出如下3 种方案，选择最优设计方案。

方案一：计划采用的主要控制芯片控制模块为51系列芯片。51微控制器是一款高度集成且具有成本效益的芯片，51系列产品集成在单晶硅中占有举足轻重的地位。  On-chip 是在微小的芯片单元上制作一个功能完善的电子单片机，其性价和功能是大部分用户可以接受的，并且开发便捷，目前在使用中性能部分获得了良好的商业评价。

方案二：MSP430系列单片机设计产品是向市面上推广的一种较低功率损耗的，且含有简单指令集合的综合信号分析器件。之所以将 MSP430称之为最小的数字电路模块和含有各种性能的处理系统，是由于 MSP430系列产品的部分产品存储速度快，在设计方案的应用、调整组装、开发设计和应用层面等多个方面具有诸多优势。此外，它还具有解决问题工作能力强、处理速度快、成本极低、运行记忆丰富多彩等特点。

方案三：STM32系列微控制器功能强大且价格低廉，是专为嵌入式开发设计的芯片内核，使用率高。它还拥有最好的外部设备：1μs 双十二位 ADC、4 Mbit/sec UART、18 Mbit/sec SPI 等，出色的集成度、良好的实时性能和便于控制的小规模操作特点，以上的诸多优点使其被广大用户所接受。

通过以上分析，选择方案三为最终设计方案。

1.3 无线遥控模块的选择

根据具体要求现提出如下5 种方案，选择最优设计方案。

方案一：红外遥感技术有许多的优点，编码简单、解码容易、多路控制。但是障碍物会影响到遥控距离，丧失了遥测的实用性与可控性。

方案二：无线通信遥控器的工作原理是当遥控接收机设备接收到指令输出信号后，就可以进行简单实用的操作，具体根据实际需求确定所需要的机器设备，比如电子设备、机械专业设施等。之后，使用者根据实际需求实施每个需要的实际操作的具体内容。这种无线遥控器在工业生产控制器、无线网络智能家居系统等多个方向得到了广泛应用。遥控模块有很多优点，其最主要的优点是电源电路可以自由连接在一起，且没有间隙。其体积非常小且具有成本效益，能够完成现场大多数设计基本要求。但是要求专业人员具有较强的专业能力，能够对电路图具有较深的理解和认识。而无线通讯遥控器推送的信号不具体，无法近距离控制。需要注意的是，无线通信遥控器非常容易受到干扰信号的影响。如果必须有一定的穿透距离，或者没有位置控制，比如工业生产控制，无线通讯遥控器是解决困难的最佳选择。

方案三：使用 WIFI 模块无线传輸系统。

方案四：BT- HC05模块用于无线传输系统数据。它是一款高性能蓝牙串行模块，模块与单片机系统兼容，其数据传输安全性非常高。F9EA96CB-C49B-43E3-A9E7-5A009FAD84C1

方案五：HC-12无线串口通讯模块。模组内含有天线焊接孔 ANT2，方便客户焊接弹簧天线，客户可以根据应用规定选择任意一种常用天线。

通过以上分析，选择方案四为最终设计方案。

1.4 显示方案的选择

根据具体要求现提出如下3 种方案，选择最优设计方案。

方案一：LED 数码显示器是最为常见的显示屏，其更为适合日常生活。

方案二：LCD 液晶显示器的功耗低，电源电压不超过 5 V，小型设备利用其显示效果较好。其占地面积小、体积小，故所制作成的设备体积较小。显示器光线柔和，长时间观察液晶显示屏不会对眼睛产生不良刺激。其可以容纳显示的信息比其他显示屏更加丰富，且没有辐射，对人体健康沒有不利影响。

方案三：OLED 显示器具有轻薄、省电等特性，兼备许多 LCD 的长处与优势。

通过以上分析，选择方案三为最终设计方案。

1.5 温湿度传感器选型

温湿度传感器是一种能够共同采集特定自然环境中的温度和环境湿度数据信息的电子设备，用于确保所涉及的对象具有较高的性价比和优良的检测安全系数。如果要测试两种自然环境数据信息并具有长期的可靠性和更高的检测范围精度水平，那么温湿度传感器必须完成相关参数的精准有效测量。

考虑到温湿度传感器的正常工作电压为5 V，而 JCJ175A所使用的电源电压却远高于于此数值，如果选择使用 JCJ175A，则还需要使用升压装置。因此， JCJ175A绝非本设计的最优选择。其余两个温度和湿度传感器满足电压要求，因此可以将它们列入暂定的选择范围之内，但是对于测量温度范围的准确性，虽然 SHT11比 DHT11更为准确，但是本设计需要的是同时能够测得温度和湿度数据的传感器，不能单单只检测获得一个数据，而应该将温度和湿度结合起来综合分析，最终选择 DHT11作为温度和湿度传感器。

火焰传感器选型根据设计的实际要求，设计方案采用YL-38火焰传感器，可测试并报警760nm ～1 100 nm 技术范围内光波长的火焰或光源。

2 系统硬件设计

2.1 射频模块设计

RFID 是一种非接触式自动识别技术，无需手动控制识别工作。它由识别、解释、数据传输和系统软件组成。通信所需的频率辐射动能，一般适合长期使用。在一定频率条件下，有源电子标签可以完成较远距离读写的日常任务。

无源标签也称为无源电子标签。收到读卡器发出的微波加热信号后，它可以将微波加热能量的一部分转换成直流稳定电源，以保证自身正常工作。当无源电子标签靠近读卡器时，释放集成 IC 中的数据信息。它具有较强的抗干扰能力，在技术专业系统软件中更加高效便捷，识别距离可达10 m 以上。与数字功放电子标签相比，无源电子标签只有一个集成芯片和一个专门封装印刷的无线天线，因此其外观更小巧精致，价格更具性价比，但其微波加热传输距离相对有限。

2.2 烟雾与空气质量传感器选取与设计

MQ135蒸汽传感器对二氧化氮、硫氰酸钾和苯蒸汽的纵横比敏感，检测烟雾等有害物质时具有连接方便等优点，故选其用作火焰报警主要模块。

MQ135蒸汽传感器中使用的气敏材料，其在清洁空气中的电导率很低。当传感器所属的地理环境中存在空气污染时，传感器的电导率随着空气中空气污染蒸汽浓度的增加而增加。使用简单的电路，电导率的计算可以转换成与蒸汽浓度值相匹配的输出信号。 MQ135蒸汽传感器对硫酸盐和苯蒸汽高度敏感，也是检测浓烟和其他有害物质的理想选择。

2.3 火焰传感器模块设计

火焰传感器对火焰最敏感，当自然环境火焰光谱仪或灯源未能达到设定阈值时，D0端口输出上拉电阻。当外界自然环境火焰光谱仪或灯源超过设定阈值时，模块 D0输出低频。模块数据输出 D0可立即接 MCU 设计，可根据MCU 设计检查高低工频，以便检查环境温度的变化。小板模拟量输出 A0可以和模块 AD 相连。通过 AD 转换，可以获得环境火焰光谱更精准的数值。

2.4 LM2596电源降压调整器电路设计

LM2596系列产品电源开关稳压器是一款降压电池管理芯片集成电路芯片，可输出2 A工作电压，另外具有很好的单调性。固定输出版本有3.3 V、9 V、12 V，也有输出可调版本。

3 系统软件设计

3.1 开发软件环境

设计方案是使用keil MDK 手机软件进行程序流程的编程，它具有易于工程项目风险管理等优点。uVi? sion有四个版本：uVision2、uVision3、uVision4、uVi? sion5，现阶段的新版本为 uVision5。它提供了一个自然环境，使开发人员更容易完成实际操作。在实际应用中，其编译过程清晰明了，大致有以下几个步骤：

（1 ）新建一个工程项目，选择 STM32作为集成 IC 的总体目标，设定工程项目的主要技术参数;

（2 ）编写 C 语言程序或选择源代码;

（3）编译应用软件;

（4 ）源代码中的错误更改。

3.2 射频识别模块程序设计

打开开关电源，使各控制模块逐渐进入运行状态，将 RFID 标签靠近读写器，写卡器获取识别信息，将信息发送给 STM32主板芯片。STM32主板芯片操纵集成 IC 芯片进行基于串行通信的数据传输，读卡器收集的数据和信息立即发送到终端设备。本设计方案的射频识别技术控制模块由进屋刷卡时的计算机操作系统和离家时的计算机操作系统两部分组成。进入楼内刷卡系统，通过 RFID 读卡器刷卡，读取卡的数据位，发送到总的控制系统，通过 RFID 刷卡系统分析卡的数据位，通过总的控制系统，使串口屏显示人员密度。F9EA96CB-C49B-43E3-A9E7-5A009FAD84C1

3.3 DHT11温度传感器模块程序设计

当发出一个渐进信号后，传感器可能会有工作方式的变化，即从信号的强弱判定工作的具体模式。服务器发送渐变信号后，温湿度传感器可以发送响应信号，同时发出数据信息。同一时刻，信号采集也在此时开启，此时的监控系统可以获取实时数据。在此模式下，DHT11接收到一个渐进信号以初始温度和湿度作为数据收集起点，直至整個过程结束。当 DHT11尚未收到信号时，DHT11将不再持续收集数据并处于待机状态。

服务器发出渐变信号后，经过短暂的固有延时，加载温湿度传感器信号，服务器发出渐变信号后，可以切换到键控模式或输出上拉电阻，系统总线由上拉电阻上拉。

3.4 空气质量检测软件设计

MQ135 蒸汽传感器通常使用的气敏材料是二氧化锡，它在清洁空气中的电导率很低。当传感器所属的地理环境中存在空气污染蒸汽时，传感器的导电性伴随着空气中空气污染蒸汽浓度的增加而发生相应变化。因此，应用简单的电源电路与配套设施，就可以将电导率换算转化为对应蒸汽浓度值的输出数据信号。MQ135 蒸汽传感器对二氧化氮、硫酸盐和苯蒸汽高度敏感，也是检测浓烟和其他有害物质的理想选择。

3.5 HMI串口屏模块程序设计

HMI手机软件一般分为两部分，即运行在 HMI 硬件配置的系统和运行在 PC 的 Windows 计算机操作系统下的界面组态软件。在应用过程中，用户必须先应用 HMI 界面组态软件，根据PC的系列参数和HMI产品对其进行设置。而对应的编译好的工程压缩文件将通过线通讯口下载到人机界面的CPU中运行并完成。

4 结论

在本设计过程中主要用到 STM32 主控制器、DHT11温湿度传感模块、MQ-135空气质量传感模块、RFID 射频识别模块、蜂鸣器报警模块、LM-2596 稳压电路、HC-12无线遥控模块和OLED显示模块。在技术上完成了对建筑环境监测系统的采集、传输和操控。通过本设计所采用的传感技术与射频技术手段对智能建筑的应用研究，可有效提高建筑的智能化水平，且本设计方案可操作性强，适于大规模推广应用。

参考文献：

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