（通信与信息系统专业论文）智能建筑无线传感器网络控制节点的设计实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着物联网产业的不断发展，作为物联网核心的无线传感器网络技术得到 越来越多的研究和关注。目前无线传感器网络的应用不断扩大和丰富，逐渐渗透 到农业、工业、军事、环保等应用领域。无线传感器网络由各种传感器节点构成， 传感器节点的设计与应用场景的相关性很强，因此针对特定应用场景的传感器节 点设计成为研究的关键问题之一。 本论文的工作依托于国家发改委c n g i “下一代互联网技术实现智能建筑节能 的应用示范 项目。论文以智能建筑为应用背景，设计一种智能建筑无线传感器 网络控制节点，以克服现有节点通用性差、控制方式单一、环境自动调节能力不 强的缺点。该节点具有智能红外控制信号学习功能，可以根据环境门限值自动控 制调节灯光和空调等电气设备，该节点组成的网络能够实现多种接入方式的远程 监控和网络设备管理等功能。 论文首先分析了无线传感器网络的特点及其在智能建筑中的应用，根据智能建 筑的特点提出了一种适用于智能建筑的无线传感器网络控制节点设计方案。控制 节点的设计分为通用模块、智能控制模块两部分。通用模块给出了包括处理器、 无线通信、数据采集、能量管理等子模块的硬件设计方案和具体实现方法；智能 控制模块包括空调控制、灯光控制、人体红外控制部分，论文详细给出了各个功 能模块的硬件和软件实现方法。此外，本文结合智能建筑的特点，设计出该控制 节点用于远程监控的具体方案。 最后本文搭建智能建筑无线传感器网络平台，给出了该节点在实际环境下的 测试结果，并进行了性能分析和功能验证。实验结果表明，本论文所设计的无线 传感器网络控制节点在扩展性、通用性、设备控制和室内环境调节方面具有一定 优势，满足智能建筑远程监控和节能的需求。 关键词：无线传感器网络；控制节点；智能控制；智能建筑 分类号：t n 9 1 5 0 4 ；t n 9 1 5 0 5 ；t p 2 1 2 9 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s 。i r a c i ： w i t l ln l ed e v e l o p m 锄to fi i l t 黜to f 1 1 1 i n g si 1 1 d u 卿；m o r ea n dm o r er e s e a r 曲鹤 a n dc o n c e m sh a v eb 锨ld o i 坞o nt h ew i r e l e s ss 肌s o rn e t 、) l ，o f kt e d m o l o g y w l l i c hi s 坞 c 0 化o ft l l ei i l t e m e to ft h i n g s t h ea p p l i c a t i o i l so ft 1 1 ew i r e l e s ss 哪o rn e 俩o r kc 0 n t i n u e t 0 e x p a n d 甜l de l 】u r i c l l 雩脚u a l l yp e n e 眦i n g i n t oa 鲥c u l t u r e ，i 幽包噶n l i l i t 龇m e l l v i r o m n e i l t a lp r o t e c t i o n ，e t c t h ew i r c l 销ss a ：l s o rn c t w o r kc o m p r i s 懿o fv a d o u ss 既困d r n o d 懿，w t l o s ed e s i g ni ss t r o n 百yc o r r d a t e dw i l l e i r 印p l i 训o n e n 撕。伪s o l e d e s i 印o fs e l l s o rn o d e sm e c t i n gn l ep a r t i 饥l 盯印p l i c a t i o ns c e i l eb e c o m 髓t h ek e yi s g 嘴 o f s 伽y 1 1 1 i sp 印e ri sb 弱e do nt h cc n g ip r o j e c t t l l l ea p p l i c a t i o no ft l l en e x tg 饥e r a t i o n m 锄e tt e c l l i l o l o 百e si i ii n t e l l i g e i l tb u i l d i n gt or e a l i z e 锄g ) rc o i l s e r v a t i o n p a p c r 试【髓 i r l t e l l i 咎mb l l i l d i l 鸣蠲a na p p l i c a t i o nb a c k 孕伽l l d ，d e s i 粤：1 sal 【i i l do fi n t e l l i g e n tw i r e l e s s s e i l s o rn c 铆o r kc o n 仃0 ln o d 髓t 0o v 盯c o m et l 坞m 锄ys h o r t c o m i i l g s0 fn l e 伽玎t m t c 0 咀吼o nn o d e s ，s u c h 弱p o o rv e r s a _ t i l i 坝m o n o t o n ec o r 曲r o lm 锄e r a l l dw e a ka u t o m a 缸c 曲啊r 0 姗伽t a lr e g u l 鲥0 nc 印a c 诹，n l en o d ew i t t l l ei n t e l l i g e n t 瓜c o r l t r o ls i 伊a l l e a n l i n ga b i l i t y ，c 觚a u t o m a t i c a l l ya d j u s tt l l el i g l l t i n 吕a i rc o n d i t i 砌n g 觚do m 盱e l e c t r i c c q u i p m e n t sa c c o r d i n gt 0m e 饥v i 】r o 呦即t a l 也1 髑h 0 1 d ，锄d 1 1 i e v c 瑚n o t em o i l i t o r i n g 觚dn e t w o r kd 嘶c em 孤a g 锄e n tu i l d c rav a r i o u sa c c 豁sm e n l o d s f i 瑙t m ep a p e rg i v e sas i m p l er e v i e wo n 圮r 懿e 疵ho ft h ei 1 1 t e l l i g e n tb u i l d i n ga n d w i r e l 鹪ss a 坶o rn e t w o f l 【，觚a l y z e s 也ed 埔m c t e r i s t i c so ft l l e 、析r c l 懿ss 豇圆阿n 加d 【锄d t l l er o q l l i 阳m e n t so fi m e l l i g e n tb u i l d i i l ga p p l i c a t i o no n l ew i r e l 髓ss e m rn 咖血t l l 饥 i nl 如【cw i t l lt l l ec h 删e r i s t i c so fm e 硫e l l i g e n tb u i l d i n 吕呻锄t sad e s i g ns c h e m eo f 、衍r c l 髓ss e 璐o rn e 锄，o r kc o n t r o ln o d 髓l a ti sm i t a b l ef 0 ri i l t e l l i g 朗tb u i l d i n g s 瑚a g e n l e d 商朗i sd i v i d e di i l t 0 啪p a r t s o n ei s 吐怆g 肌e r a lc o i l 仃o lm o d u l e ，w h i c h a c c 0 椭p l i s h 伪廿l eh a r d w a r ed 鹤i 印a n d 廿l es p e c m cr c a l i z a t i o n m e t l l o do f 也e 双l b - m o d u l 鹤a si i l c l u d ep r o c 懿s 0 瑙，w i r c l 器sc o m 皿埘1 i c a t i o n s ，d a t ac o l l e c t i o n s ，锄e 理；y m 缸吼g e m 锄s ，e t c t h co t h 盯i s 血e 硫e l l i g 锄tc o 咖lm o d u l 岱，w i l i c hi i l v o l v 岱l e h a r d w 撇，脚a r e 缸di m p l e m 豇止血o nm e t h o d so fm e 吼i t 卜m o d l l l 髓o fa i r - c o n d i t i o i l i n g c o n t m l ，l i g h 恤g - c o 曲la n dm eb o d y 证晒嗣c o n t m l m o 嗍v l i sp 印e rp p o s 鹤a d e 血l i t es d l 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；t n 9 1 5 0 5 ；t p 2 1 2 9 v 致谢 本论文的工作是在我的导师秦雅娟教授的悉心指导下完成的，秦雅娟教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 秦雅娟老师对我的关心和指导。 秦雅娟教授悉心指导我完成了实验室的科研工作以及论文工作，在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向秦雅娟老师表示衷心的谢意。 高德云副教授对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，牛延超博士、郑涛博士、梁露露博士、段俊 奇博士、张琳娟博士、方然硕士、林一多硕士、崔捷硕士、崔英硕士、苑乐硕士、 元楠硕士、赵旭硕士、雷振飞硕士等同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此 向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 绪论 1 绪论 近年来随着无线通信技术、传感器技术、嵌入式技术、信息分布式处理技术 的不断发展，无线传感器网络已经成为当前研究和应用的热点。无线传感器网络【l 】 【2 】是由部署的传感器节点采集数据，多个传感器节点协作感知，通过嵌入式微处理 器处理，以自组织网络方式传输到目的终端的技术。由于无线传感器网络具有多 学科多领域高度交叉的特点，其功能和应用多种多样，作为一种新兴技术对社会 产生了重大的影响，麻省理工学院( m i t ) 将其评为将改变世界1 0 个技术之首【3 j 。 专家预测无线传感器网络构成的物联网产业将会成为计算机技术后的第三次信息 产业浪潮。无线传感器网络最普遍的特点是设备具有监测、计算、通信的能力， 能够对相关事件进行反馈并传送给特定的接收对象一。2 0 0 5 年1 1 月的信息社会世 界峰会上，国际电信联盟兀u 正式提出了以“无线传感器网络”为核心技术的“物 联网概念。根据i t u 的报告描述，人们在物联网时代可以从任何时间地点的人与 人之间的沟通扩展到物与物、人与物之间的沟通。物联网技术将互联网技术扩展 延伸为任何物品和物品之间进行通信和信息交换。 2 0 0 9 年1 月，美国总统奥巴马与美国工商业领袖举行的圆桌会议上，m m 首 席执行官彭明盛首次提出了“智慧地球 概念。m m 提出把新一代i t 技术运用到 各个领域中，包括公路、建筑、铁路、隧道、桥梁、油气管道等。通过传感器、 通信网络、信息处理系统等，将这些设备普遍连接，实现国家甚至全球“更透彻 的感知、更加广泛的互联、更深入的智能化和更智慧的洞察 。这一概念的提出立 即受到了科学界和社会各界的广泛关注。2 0 l o 年3 月，十一届人大三次会议政府 工作报告指出，要大力发展战略新兴产业，加快物联网的研发和应用。以无线传 感器网络技术为核心的物联网产业发展正式上升为国家战略高度。 基于无线传感器网络的智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n 曲以建筑物为平台，兼备信 息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统、公共安全系统等，集结构、 系统、服务、管理及其优化组合为一体，向人们提供安全、高效、便捷、节能、 环保、健康的建筑环境【5 j 。智能建筑系统利用无线通信技术、微处理技术、传感器 技术将建筑内的各种子系统有机地连接在一起，将建筑物由原来的孤立、静止、 无法感知的状态变为可以自由感知、精确控制、主动交换的系统，帮助建筑物与 外界自由进行信息交换。 本文是在无线传感器网络、智能建筑等技术背景下研究开发智能建筑无线传 感器网络控制节点，给出了在智能建筑节能方面的典型应用，为人们更好的生活 提供安全舒适的环境。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1无线传感器网络及其应用研究 典型的无线传感器网络结构如图1 1 所示。无线传感器网络节点的根据功能不 同可以分为普通节点( s e l l s o rn o d e s ) 和网关节点( s i i l l 【n o d e s ) 。普通节点使用温湿度、 压力、光强、气体传感器等对环境信息进行检测和采集，网关节点汇聚普通节点 的信息给服务器或终端。由于功能的不同，网关节点比普通节点有更高的处理速 度、更高的能量供应和更强的信息传输能力。随着无线传感器网络的不断发展， 其应用也在向各个领域渗透。从环境监控、医疗保健、定位跟踪到物流信息、建 筑节能等。 图1 1 无线传感器网络结构 f i g u r el - lw i r e l 髂s 蝴s o rn c t w o 呔眦h i t t u 旭 传统的无线传感器网络的特点【6 】主要有： 大规模网络； 能量受限： 动态性网络； 可靠的网络； 应用相关的网络： 以数据为中心的网络。 无线传感器网络研究方面，热点涉及节点定位、能量管理、网络自组织、数 据查询与管理、自适应技术、网络安全等。美国麻省理工大学、加州大学伯克利 分校等高校很早就开展了无线传感器网络的基础理论与关键技术的研究阴。国内方 面，中科院自1 9 9 9 年开展无线传感器网络的研究，清华大学、东南大学、北京交 通大学等高校也在积极开展传感器网络方面的研究，研究领域涉及操作系统、硬 件设计及无线传感器网络节能方法、覆盖控制、路由协议等。北京交通大学下一 代互联网互联设备国家工程实验室在2 0 0 5 年底研制出b j t u 口v 6 微型传感路由器， 2 绪论 该成果通过教育部科技成果鉴定，是我国第一套完全具有自主知识产权的传感器 核心网络设备。 目前，无线传感器网络在很多领域都展现出广阔的应用前景哆，其应用领域包 括： 1 环境监测。环境监测是无线传感器网络应用的主要方向之一。基于无线传感器 网络的特点，可以在诸如作物管理、森林火灾、农业、地震、活火山保护等方 面进行应用。也可以用于测量大规模环境参数，如山体滑坡、大气气象参数和 环境污染的研究【9 1 甚至是行星运行的探索。基于w s n 的潜在应用前景，市场已 经将其确定为研究发展和新应用的核心技术。全球市场预期到2 0 2 9 年将会在 这一领域投入超过4 5 0 0 亿美元。与此同时，由于微电子技术的进步，其成本 将会大幅下降。嵌入式传感器网络技术的影响巨大，目前全球多处部署了这一 网络技术。例如，布于整个欧盟的宏观环境监测项目，以及城市交通和污染监 测，还有在沿海地区的( c e s n 项目) 潮汐行为监测。以上这些都是环境监测 中的一些趋势。 2 交通运输。交通运输及其管理是当前社会的热点问题j 1 0 】，为了避免长时间的 交通拥堵以及能够节约燃料和减少废气排放。应用无线传感器网络建立智能运 输系统( r r s ) 解决方案，通过智能道路流量分析提供实时路况给管理人员， 它还可以帮助确定事故原因，查明肇事车辆。由于无线传感器网络便于部署、 成本低廉、易于重新配置的特性，在交通运输领域的应用越来越广泛。1 9 9 5 年 美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划 ，并在2 0 2 5 年全面投入使 用。该系统综合运用大量传感器网络，配合g p s 系统、区域网络系统等资源， 目的是使所有车辆都能保持在高效、低耗的最佳运行状态，前后自动保持车距， 推荐最佳路线，并就潜在的故障发出警告。目前在美国的宾夕法尼亚州的匹兹 堡市就已经建有这样的交通信息系统。 3 医疗护理。医疗护理也是一个重要的无线传感器网络应用。通过无线传感器网 络可以帮助医生查明影响老年人的疾病原因【1 1 】。无线传感器网络和一些远程医 疗设备的组合应用可以远程监控病人的体温，血压，呼吸等活动。通过多媒体 传感器，可以及时发现病人的紧急情况。并与家人或者其周围人取得联系，可 以使病人得到及时救助。美国英特尔公司目前正在研制家庭护理的无线传感器 网络系统。该系统是美国“应对老龄化社会技术项目”的一个环节。根据演示， 该系统在鞋、家具、以及家用电器中嵌入传感器，帮助老年人及患者、残障人 士独立地进行家庭生活，并在必要时由医务人员、社会工作者进行帮助。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 2 智能建筑 世界上第一幢智能大厦1 9 8 4 年诞生于美国的康涅狄格州的哈特福德市，是由 当时金融大厦改造而成的的第一栋智能建筑，命名为“都市大厦”。随后，智能建 筑在世界范围内蓬勃发展起来。自1 9 8 5 年开始，日本和欧洲开始发展智能建筑技 术。我国第一栋智能建筑是建于1 9 8 9 年的北京发展大厦，随后一批智能化程度较 高的智能建筑逐渐建成，目前我国智能建筑进入了建设高峰期，已有建筑3 0 0 0 多 栋。 智能建筑是用通信技术、信息技术、控制技术，按照系统工程原理将建筑物 有机的结合起来，通过对建筑设备系统的自动监控和信息资源的有效管理，从而 向使用者提供智能的综合信息服务，以获得舒适、高效和便利的建筑环境。智能 建筑的四个要素即结构、系统、设施和管理，他们之间的最优化配置达到人们生 活舒适、便利的生活环境【1 2 1 。智能建筑网络是智能建筑的基础，为其各子系统的 互通提供基础信息环境，是智能建筑的神经中枢，为实现系统集成提供支撑平台。 作为信息交换的平台，其基本架构由四部分组成：主干网、楼内l a n 、对外互联 网和建筑设备自动化系统的设备监控网【1 3 j 。 1 主干网负责中心服务器与建筑物内部的各个u 蝌之间的连接，是建筑物 内部各个l 蝌之间的主要通道。要求可靠性高、具有可扩展性、传输速 率较高。目前常见的主干网有：f d d i 、a t m 网、高速以太网、吉比特网 左盘 守o 2 楼内u 阑通常采用以太网、令牌环网、星形以太网。由于内部u 阑的速 率一般要求达到1 0 m b i 讹以上，所以一般采用u 州交换技术。 3 对外互联网是智能建筑信息的进出口，对外的网络互连设备综合利用已有 通信手段实现智能建筑与外界的通信交流。对外互联网络包括：微波信道、 卫星通信网、公用交换电话网p s t n 、数字数据网d d n 、综合业务数字网 i s d n 以及帧中继网等。 4 建筑设备自动化系统的设备监控网络，通常采用现场总线技术进行架构， 如r s 4 8 5 总线、l o n w o d 娼总线、b a c n 就总线等。【1 4 】 从智能建筑的定义中我们知道，智能建筑的基本功能就是为人们提供一个安 全、高效、舒适、便利的建筑空间。因此，从功能实现上可以将智能建筑系统分 为如图1 2 所示的建筑设备监控系统、办公自动化系统和通信网络系统。这三个子 系统涵盖了安全性、便捷性、舒适性三大服务领域，安全性方面如火灾自动报警、 自动喷淋灭火、防盗报警、电梯运行监控、应急照明、出入控制等功能；舒适性 方面提供如空调控制、供热控制、给排水控制、供配电监控、卫星电视、背景音 4 绪论 乐、装饰照明、视频点播等功能：便捷性方面提供如综合布线、电话通信、办公 自动化、宽带接入、物业管理等功能。 图1 - 2 智能建筑网络系统 f i g u l - 2i n t e l l i g e mb l l i l d i i l gn e “，o 】出s y s t e m 本文中主要研究基于智能建筑的设备监控网络。如图1 3 所示，在当前的智能 建筑中，设备监控网络一般采用两级网络的结构。顶层采用以太网、c d m a 等无 线网。主要侧重于使用计算机局域网技术的信息管理，特点是高速、网络资源共 享和服务器间通信。局域网一般接入互联网，这样外界可以通过网络访问智能建 筑系统。底层采用工控总线或者无线局域网、无线个域网方式。底层网分布在建 筑物各个角落，连接数字控制器。如果网络结构过大可以将底层网划分为控制域， 控制域之间采用一定的拓扑结构连接最后接入到局域网中j 1 5 j 。控制域的信息主要 是控制信息和环境变量。底层网信息的特点是实时性、控制相关、随机性，底层 信息主要用于建筑环境实时信息的传输，控制信息的传输以及突发报警信息传输 处理等。这些信息的整体监控由服务器进行，可以通过服务器向底层网或者控制 域发送指令。 5 北京交通大学硕士学位论文 图1 3 智能建筑监控网络结构 f i g u r el 一3i n t e l l i g 饥tb u i l d i n gm o n i t 0 1 血gn 娟阳r k 设备监控网络通过传感器获知环境信息，采用终端控制节点实现设备自动控 制，传输上用无线网络传输控制信号和环境信息，最终构建成完整的智能建筑节 能系统。构成设备监控网络的主要元素有：控制终端、汇聚节点、协调器( 网关) 、 服务器。控制终端由不同厂家来开发与终端电气设备相连，主要完成环境信息采 集、环境信息检测和对终端电气设备的控制等。不同的控制终端采用相同的通信 协议连接到底层网络上。汇聚节点也叫路由节点，主要功能是承载控制信息和环 境信息并作为信息的中转站，将信息汇聚处理并传输给上层协调器。协调器的处 理能力一般比控制终端盒汇聚节点强，汇聚节点( 路由节点) 将信息最终传送给 协调器，由协调器转换成服务器所在网络的网络协议，同时协调器也负责信息接 收发送的缓存。服务器负责环境信息数据库的维护，提供人机接口网络等。外界 可以由以太网或其他网络直接访问服务器从而获得建筑内环境信息并控制终端设 备。智能建筑设备监控网络技术应该具有如下特点【1 4 】： 1 ) 要有很好的实时性和确定性； 2 ) 传送信息多为短帧消息，交换频率快； 3 ) 容错能力强、安全性好、可靠性较高； 4 ) 控制网络协议简单实用、效率较高； 5 ) 与信息网络之间有高效率的通信，易于实现与信息网络的集成。 等。 智能建筑设备监控网络使用的网络技术主要有l 0 n w o r k s 技术、b a c n e t 技术j 1 6 1 6 绪论 1 l o r l 、v o r k s 技术 ， l o m ) r o r k s 技术是美国e c h e l o n 公司1 9 9 2 年开发的一种开放分布式现场总线技 术。广泛应用于家庭、楼宇、工业等自动化领域。l 0 n w ，o r k s 总线技术是目前智能 建筑网络中应用较多的总线技术，l o n w r k s 总线属于实时控制网络，主要包括智能 设备、通信介质、通信协议、互连设备等。技术核心为l o n t a l k 协议和神经元芯片 ( n e u r o nc 1 1 i p ) 。 l o n t a l k 是l o n w o r k s 技术的通信协议，采用国际标准化组织( i s o ) 定义的o s i 七层网络协议标准。l 0 n t a l k 协议是直接面向对象的网络协议，直接固化到神经元 芯片中，可以使简短的控制消息在各种媒体间安全可靠地传输，保证了实时性和 接口的简洁、直观的现场总线要求。l 0 n 1 阿k 协议具有以下特点： 1 1 可靠性高； 2 1 实时性强； 3 ) 多通信介质、多节点网络； 4 ) 节点成本低、维护方便； ， 5 ) 通信带宽较低； 6 1 传输报文一般是较短的控制数据。 神经元芯片( n 即r o nc l l i p ) 是低成本的现场总线处理器，同时具有控制和通信功 能。内部有三个8 位的微处理器，媒体访问处理器( m a c ) 处理器负责介质访问， 网络处理器完成网络通信协议，应用处理器负责现场应用控制。神经元芯片的接 口设置丰富，共有1 1 个i o 口，可以按照现场要求灵活配置外围接口。支持的接 帮 口并口、r s 2 3 2 、通用i o 、并行接口、r s 4 8 5 等。神经元芯片能够处理现场控制 器、传感器的动作，还能够进行简单的数字运算、逻辑运算。是集数据采集、控 制、通信功能于一体的现场总线处理器。 l o i l w o 越技术可以嵌入到现场设备中，使设备和设备之间可以对等的进行通 信。同时，这些控制网络又可以通过互联网连接设备接入到互联网中。基于这种 基础架构，服务商可以基于此平台向用户提供各种增值服务。如：智能楼宇、便 利店、火车、飞机等领域。这一技术也被世界标准组织认证为相关行业标准。 2 b a c n e t 技术 b a c n e t 协议全称是楼宇自动控制协议( b u i l d i n ga u i o m a i i o n 锄dc o n 仃o l n e 帆o r k s ) ，主要针对楼宇自动控制领域制定的行业标准。该标准于1 9 9 5 年6 月正 式制定和公布，目的是使不同生产商提供的控制设备能够在一个平台上工作，只 要遵循该标准，不同的兼容系统都可以相互开放通信，确保用户不再依赖特定的 私有技术。b a c n e t 是现场总线在楼宇自动控制领域的国际标准( i s o1 6 4 8 4 5 ) 。 b a c n e t 协议模型特点是：所有的网络设备都是对等的，按照规定好的通信规 7 北京交通大学硕士学位论文 则可以相互通信；每个对象用属性来描述，每个设备都是一个对象的实体，b a c n e t 协议提供了识别和访问设备的方法；设备互相通信是通过读写设备对象的属性， 利用协议服务来完成的；设备的“一致性类”来决定服务请求实现或理解对象类 型种类的能力。b a c i l e t 网络并没有严格的规定拓扑结构，它可以直接连接到局域 网上，也可以通过a t m 连接在一起。b a c n e t 由多个b a c n e t 网段互联而成，每个 网段中的设备与物理介质相连访问控制m a c 地址。 以上所述的总线技术虽然有其技术优点，但是其结构封闭，标准互不兼容， 开放性较差。目前，随着网络技术走向体系结构的开放性和网络互连的方向，需 要设备监控网络系统具有标准化、开放性、可扩展性的特点。因此，从发展趋势 来看，智能建筑设备监控网络技术将从现场总线技术转向以无线传感器网络技术 为代表的开放性控制网络。 1 2 选题意义与目的 智能建筑网络因为应用场景的特殊性，如果将无线传感器网络应用于智能建筑 中，要求节点网络拓扑更加复杂，节点功能更加多样而且要考虑对不同设备之间 的互联互通性。另一方面，由于智能建筑领域往往对安全要求较高，而无线传感 器网络自组织的先天性缺乏应有的安全机制。m v 6 作为下一代网络协议，具有地 址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，可以满足无线传感器 网络在地址和安全方面的需求。因此，需要根据智能建筑的特点设计一种适用于 智能建筑的无线传感器网络控制节点，同时针对智能建筑中设备监控的控制协议、 控制方法等相关问题进行研究。 基于智能建筑的特点和要求，节点的设计要求满足支持口v 6 协议、硬件成本 低、能耗低、支持多跳的路由协议的要求。作为无线传感器网络关键设备的节点， 当前的节点设计功能单一、可扩展性差、通用性不强。尤其是针对智能建筑开发 的节点种类少、成本高、能耗大、通用性低，这些不足直接制约了无线传感器网 络在智能建筑领域的应用和发展。因此设计一种通用型智能控制节点，在智能建 筑领域有着重要的意义。 本文依托于国家发改委c n g i “下一代互联网技术实现智能建筑节能的应用示 范一项目，在传感器技术、微处理技术、m v 6 等技术背景下针对智能建筑应用场 景的特点和实际需求，开发了一种智能控制节点。该节点具有固定的口v 6 网络地 址、能够智能学习红外控制信号，根据环境值自动控制调节灯光和空调等设备， 并可通过互联网实现多种终端接入方式监控建筑内设备。这些以传感器节点、网 关、服务器和控制终端共同组成了智能建筑监控网络系统。 8 绪论 1 3 论文主要工作及结构 本文从智能建筑和无线传感器网络的研究背景和发展趋势入手，探讨了当 前智能建筑网络国内外研究现状。分析智能建筑网络的特点，提出将无线传感器 网络应用于智能建筑监控的的设计方案。为了适应智能建筑的特点，以嵌入式技 术、无线通信技术、红外技术为基础设计了不同功能的智能控制节点，通过这些 节点可以智能控制建筑内的设备，达到节能和智能化控制的目的。在此基础上构 建网络系统并设计了应用层控制协议。组建了适用于智能建筑的无线传感器网络 监控系统。 所做的研究内容和主要工作包括以下几个方面： 1 提出了智能控制节点的设计方法并设计了各个功能模块。 2 提出了节点控制部分的软件设计方案，完成了控制部分的软件开发工作。 3 提出了并完成了设备间通信的应用层控制协议。 4 通过搭建智能建筑传感器网络，对设计的智能控制节点的性能和功能进行 测试与分析。 后续章节的主要结构为： 第二章研究智能建筑无线传感器网络的相关技术，说明了其架构和主要特 点，介绍了常见的各种节点硬件平台，分析了现有无线传感器网络节 点的不足。 第三章提出一种智能建筑无线传感器网络控制节点的设计方案，给出了节点 通用模块和智能控制模块的软硬件实现方法。 第四章搭建智能建筑节能系统，详细说明了系统中远程监控的实现方法，介 绍了网络管理系统的使用。 第五章在实际环境中测试分析节点的通信性能与验证了各功能模块的实现 情况。 第六章结论与展望，总结本论文所做的工作，针对现有方案的不完善方面， 对下一步的工作进行了展望。 9 北京交通大学硕士学位论文 2 智能建筑无线传感器网络相关技术研究 本章主要研究智能建筑无线传感器网络的相关技术。说明了智能建筑无线传 感器网络的架构和特点，分析了适用于智能建筑无线传感器网络的传感器节点的 硬件特性。 2 1 智能建筑无线传感器网络架构和特点 智能建筑无线传感器网络架构如图2 1 所示，功能节点( a c n l a t o r n o d e s ) 与传统 的无线传感器节点不同，节点具有控制系统和功能模块来执行设备控制。各种功 能节点间组成控制子域，分别控制该域内的设备、感知域内环境，环境信息和控 制信息通过网关、服务器、互联网等网络管理设备发送给用户。用户在p c 或手持 终端上即可实现对建筑中各种设备的设备远程查询、远程控制、自动报警、集中 管理功能。具体功能包括： 7 t 一、 ，7盔、 、 ，_ 、 ，fo_一 、 ，、 ， 、 ，7 ；一、蕾一一二p 一功肖 西滁节庙 鏊网关 图2 1 智能建筑无线传感器网络架构 f i g u 2 li n t c m g 既tb i l 诅i d i n g 删鹪n s o rn 矗w o d 【a r c h i 慨n 玳 l o 智能建筑无线传感器网络相关技术研究 1 设备控制 t ， 完成对设备的开关、状态监控、定时等功能。包括电脑、传真、电话、投影 仪、百叶窗、饮水机、空调、灯光、微波炉、打印机等。实现功能包括：( 1 ) 空 调的自动调节和自动开关，远程控制。( 2 ) 打印机的远程使用和开关，具有用户 图形界面显示和图形控制功能的操作界面。( 3 ) 灯光的远程控制，无人状态下灯 光自动关闭。检测建筑物内光线强度自动补光和灯光随动系统。( 4 ) 百叶窗自动 控制系统，根据室内光线情况自动控制百叶窗开合角度。 2 安防控制 完成环境监控和火灾、跑冒滴漏情况下的报警。( 1 ) 对环境进行监控，当环 境的有害气体浓度超标时及时通风，提高环境质量。( 2 ) 烟雾报警，烟雾浓度或 温度变化超过警戒线时向服务器或者物业报警。( 3 ) 探测到门窗破坏和陌生人入 侵时自动报警。( 4 ) 自动检测人体红外射线，无人情况下对门锁门窗状态检测和 报警。 3 建筑物环境监测 实现室内环境各项指标的监测、数据存储、图形界面显示。( 1 ) 利用温湿度 传感器监测室内温度、湿度。当温湿度超过门限值时开启空调调节温度，开启加 湿器改善室内湿度值。( 2 ) 建筑内灰尘、c 0 2 等空气指标降低时自动通风，营造 舒适的工作环境。( 3 ) 图形界面显示温湿度变化，方便随时掌握环境情况。( 4 ) 定时控制、远程控制，人进入建筑提前通风加热，提高环境质量。 从上述对智能建筑无线传感器网络架构和实现功能的描述中，可以归纳出智能建 筑无线传感器网络具有如下特点： 1 环境方面： 1 ) 节能性：利用传感器技术、自动控制技术，提高能源利用效率。节省人 力、时间、费用、能量以及设备系统在建筑物中的使用管理效率。 2 ) 舒适性：智能建筑中的空调自动控制系统、灯光控制系统、空气质量检 测系统、门窗控制系统等能够使人们工作和生活时的环境条件达到最佳 设置，从而带给人们舒适宜人的生活条件。 3 ) 适应性：无线网络或者嵌入建筑物中的有线网络不妨碍原有办公系统， 通信系统的使用。办公组织结构变更、办公设备的更换、网络设备的变 化对现有智能建筑网络的服务功能不会产生影响。 4 ) 安全性：不仅能够保护建筑安全，而且能够防止信息泄露和数据破坏， 防止系统非法进入或不正确使用。 5 ) 便利性：具有高效的信息服务功能，及时掌握建筑内环境信息。远程或 自动控制建筑电气设备。 北京交通大学硕士学位论文 6 ) 可靠性：具有故障报警功能，能够尽早发现系统故障，尽力排除。力求 将影响降低到最低程度和最小范围内。 2 功能实现方面： 1 ) 具有较强的环境信息搜集能力，和信息处理能力。 2 ) 智能建筑网络能够与外界信息系统通信，能够接入现有网络。 3 ) 具有可扩展性和适应性。随着设备的更新和技术的进步，可以同步更新 为现有设备。 4 ) 信息综合能力和网络一体化能力。将空调、灯光、安防、电力等子系统 构成综合系统，实现统一控制，对未来需要添加的系统预留接口。 5 ) 实现最佳控制为中心的能力。具备设备管理自动化的管理系统，完成环 境控制的最优化设置。 2 2 智能建筑无线传感器网络节点类型 智能建筑无线传感器网络节点以一种微型化的嵌入式系统提供了无线传感器 网络的基础支撑平台，目前国内外出现多种无线传感器网络硬件平台。主流的传 感器节点如图2 2 所示，有t 0 l 髓、pa m p s 系列、m i c a 系列、s e i l r i a w i n s 、s 邺p o t 、 s m a r t 姗等。 霞甄：习 鲑、蓦”“一爹 瞄壁堕篷 薯 一 图2 2 主流传感器节点 f i g u 代2 2m a i l is 蛐s o rn o d 岱 1 2 智能建筑无线传感器网络相关技术研究 m i c a 系列传感器节点采用资源较低的趟瓜平台，具有低功耗、低成本、可扩 展性强的特点。s 吼s p o t 传感器节点采用a i m 9 处理器，具有高性能和使用周期较 长的特点。i n l o t e 2 节点采用p x a 2 7 0 处理器，使用动态电源管理技术，在保证高 性能的同时最大限度地降低能量消耗。t e l o s 节点采用m s p 4 3 0 处理器，具有功耗 低、接口丰富等优点。 虽然以上节点硬件平台具有各自的优点并能够满足某些应用。但是对于智能 建筑环境，需要节点的通用性和可扩展性更强，能够外接多种传感器模块。另一 方面节点需要大规模部署，所以要求节点成本更加低廉。智能建筑的安全性要求 节点支持m v 6 协议和可靠的设备控制协议。因此，需要设计一种适用于智能建筑， 满足智能建筑运行特点的无线传感器网络节点。 2 3 本章小结 本章首先介绍了智能建筑无线传感器网络的架构及其特点，然后分析现有传 感器节点的硬件性能，指出了现有节点的优点和不足。 1 3 北京交通大学硕士学位论文 3 智能控制节点设计 针对智能建筑无线传感器网络的特点和实际需求，本文提出了一种无线传感 器网络控制节点的设计方案。实现了一种智能控制节点。该节点具备智能红外控 制信号学习功能，可以根据环境门限值自动控制调节灯光和空调等电气设备，并 实现多种接入方式的远程监控。 3 1 智能控制节点设计原则 智能控制节点由处理器模块、无线通信模块、传感器模块、电源模块及接口 模块组成。节点作为一个整体的计算系统，要求各个模块之间协调工作，能够高 效的协同工作，共同完成某种功能。节点具有较强的可扩展性，可以根据实际场 景的需要添加相应的传感器、存储器或者太阳能电池等。把节点分为主板和传感 板，其中处理器模块、无线通信模块、电源模块和接口模块整合到主板上，把传 感器放到扩展板上，这样可以根据实际应用的需要，通过更换扩展板来实现不同 功能。对于节点的设计，其工作主要依据以下几个方面进行。 1 低成本。智能控制节点通常大量部署在建筑物的角落内，为了保证节点的 广泛使用，节点需要低成本以节约系统布设费用。所以成本的高低是节点 设计好坏的重要指标。 2 微型化。由于节点能量的限制，节点本身尺寸不能做的太大。而且为了不 影响建筑环境和建筑内设备，节点微型化是需要考虑的原则之一。 3 可扩展性。节点具有通用处理能力、通信能力、电源供给能力的基础上需 要有完善规范的外部接口，来满足不同环境和应用场景的需求。 4 灵敏可靠。智能建筑网络需要对电气设备可靠动作，服务器需要正确采集 设备状态和环境数值。因而灵敏可靠的控制部分也是设计的主要原则之 一。 基于上述原则，一个智能控制节点的硬件体系结构应尽量简单且实用。本文 提出一种通用型节点构架。如图3 1 所示，该架构包括处理器模块、射频模块以及 通用接口上的功能模块。 1 4 智能控制节点设计 。 处理器模块 ，、 ，、，、 温湿 空调灯光 通射 s 微 度采 控制挖制 用 存：处 频 pm 集模 模块模块 1 0 储：理 驱 l _ 带 t a 块口 器i 器接c 天 动线 口 l 图3 1 节点硬件框架图 f i g u 3 - lh a r d 啪他劬m 剑呻r ko f 也en o d 伪 3 1 1 建筑节能对节点的性能要求 1 智能控制节点需要实现电气设备如空调、照明器具的控制，如自动开关控 制、温湿度调节、定时和状态检测等。 2 节点需要实现实时监控非法闯入、探测温湿度变化是否超过门限指标。 3 节点可以实时检测室内环境的温湿度数值，并传输到服务器端的数据库。 4 节点可以按照用户的喜好和环境光强，进行相应的设置。实现灯光自动控 制和远程控制。 3 1 2 节点参数指标要求 根据建筑节能对节点的性能要求，设定参数指标如下： 1 接收灵敏度：9 0 d b m 2 湿度测量范围： 0 一l o o r h 3 温度测量范围： - 4 0 + 1 2 3 8 4 光强测量范围：l 7 00 0 0l x 5 湿度测量精度：士3 o l 讯 6 温度测量精度： 士0 4 7 光强测量精度： 士1 l l u x 8 c p u 与射频部分接口：s p i 9 c p u 与数字传感器接口：1 2 c 北京交通大学硕士学位论文 3 2 节点通用模块设计 节点通用模块设计指的是所有传感器节点所必须的处