【《建筑室内环境监测系统架构设计案例》3400字】

建筑室内环境监测系统架构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u27081建筑室内环境监测系统架构设计案例 1213351.1系统功能设计 1136191.2无线通信方式比较 254341.3系统总体设计 4本章以建筑室内环境检测调研的结果为基础，提出一套基于无线传感网络的建筑环境检测的解决方案。确定系统需实现的基本功能后，对比主流无线通信方式，选择适用于本系统的无线通信方式，之后阐述了实现系统各部分功能模块的具体设计方案。1.1系统功能设计基于无线传感网络的建筑室内环境监测设备通过一个无线收发系统来实现环境质量参数的采集、获取。该环境监测系统利用终端节点采集满足室内热环境所需的相关环境数据，并将采集到的各类数据发到上位机系统。上位机通过对数据的再处理，对采集到的环境参数进行界面显示、存储、阈值报警等功能。为热环境分析提供温度、湿度、光照强度等数据，也可以为其他场合的环境监测提供数据支持。根据各模块的功能分类，可将系统分为上位机和下位机个部分。下位机系统分为采集单元终端和协调器两部分，主要功能是通过下位机采集终端定时采集的数据，通过Zigbee无线通信网络将数据发送至协调器，再经由下位机协调器实时发送至上位机系统。上位机系统定时接收来自建筑环境内各节点的数据包，上位机系统的设计能够完成数据的进一步处理，包括数据的实时显示、声光报警、存储、生成变化趋势图等功能，提高了系统整体的智能监测程度，完成同时设计的声光报警功能和变化曲线图能够提示使用人员及时地发现系统中的异常数据和建筑环境状态的异常变化。系统方案如图1.1所示。图1.1系统方案图通过对热环境测试现状的分析，以及无线传感网络（WSN）的诸多优势，故本文选用无线传感网络作为系统采集数据的基础通信方式，选用无线通信网络也解决了传统的热环境测试中存在的手持式设备获取环境数据的问题，同时还有具有布置采样点的灵活性优势。1.2无线通信方式比较无线通信方式从出现至今，由于维护成本低，数据获取便捷，故障诊断方便等突出优势，已经在各行各业大放异彩。目前市面上应用较多的短距离无线通信主要包括Zigbee、Wi-Fi、蓝牙和射频通信，它们的定义是根据不同的协议标准来制定的[27]，在短距离通信应用的场合它们各自有各自的特点。但是目前为止，由于应用的对象、应用的场合不同，关于WSN网络仍没有统一的标准定义。在常用的几种无线通信方式中、选取最适合热环境测试系统的一种，也是本系统开发初期需要考虑的重要因素中的一个。现对常用的几种无线通信方式进行简要介绍和对比。1）Zigbee通信技术IEEE协会是上世纪60年代成立的非营利性国际组织，在电气和电子领域具有极大的影响力，在无线传感网络开始发展初期，IEEE开发出一套新型的无限通信技术，后经IEEE801.15.4协议标准延伸出了Zigbee协议标准[28]。之后各大知名公司如飞利浦、三星电子、摩托罗拉等知名公司成立了Zigbee联盟，推动着基于Zigbee的各类成套系统不断出现，ZigBee可轻松实现无线区域工作,已经应用在了多个国家的多个行业。Zigbee网络被人们熟知的特点主要有功耗较低、成本较低、传输速率较低、易组网等特点[29]。Zigbee的工作频段灵活，设备根据功能不同分为路由节点、协调节点和终端节点三类。其中协调器负责了整个网络的运行、控制和管理及维护[30]，并为其他节点分配地址。路由器负责使数据能够按照设定路径传输，终端单元通过和其他模块对接，作为数据获取的起始端。Zigbee网络根据内部功能的划分不同分为三种拓扑结构：Star、Tree和Mesh-Tree，且在理论上能够连接最大节点数65536[31]，这也是Zigbee的另一个特点，网络容量较大。2）Wi-Fi通信技术1999年Interbrand公司命名了Wi-Fi无线网络技术，当时的Wi-Fi设备体积很大，功耗也很高，能兼容的设备也很少。发展至今Wi-Fi已经经历了数个版本的更新。20年后，Wi-Fi已经更新到了Wi-Fi6，采用1.5GHz和5GHz双频段，无论在功耗还是数据传输速度都已经有了很大的飞跃，Wi-Fi设备的体积也越来越小。Wi-Fi无线网络在有线网络的基础上做出延伸，大幅节约了有线网络的成本，在信息化、物联网的工业背景下，Wi-Fi在各类电子设备的信息交换中，起着不可取代的作用，应用范围极为广阔。各类智能设备都可以通过连接入同一热点的Wi-Fi网络，实现远程的控制和信息的获取。由于在日常生活中Wi-Fi无线网络的使用频率高，一些发达国家将部分人流量较大的城市实现了Wi-Fi全覆盖[32]。但Wi-Fi无线网络中的信息安全，一直被使用者所担忧。3）蓝牙通信技术蓝牙（BlueTooth）和Wi-Fi都属于短距离通信的常用通信技术，1998年Nokia、Ericsson、Intel等公司联合推出了蓝牙技术。同时期流行的通信方式还有红外技术，蓝牙的优势在于能够获取更高的传输速度，在通信范围内，可以完成实时的数据传输，而红外设备在数据传输时需要通过接口对接口。早期的蓝牙设备只能实现点对点的通信网络，蓝牙技术的不断发展优化，目前已经能实现“多对多”的网络结构，同时技术的成熟也会使降低成本的同时，提升性能，近年来在无线传感网络中蓝牙技术也越来越受到相关工程技术人员的青睐。蓝牙5.1版本于2019年发布，抗干扰性得到了进一步优化，最大传输速度可达48Mbit/s，最大传输距离也拓展至300米。目前蓝牙技术主要应用于计算机、移动终端的外设扩展、智能家居的物联网技术等，都是通过建立的蓝牙通信网络，扩大信息交换的范围。蓝牙技术虽然也得到了广泛的应用，但蓝牙无线网络的成本较高，需要在特定的制式网络通道下才能实现，实现技术相对其他短距离通信方式也更为复杂。常用无线通信方式性能如表1.1所示：表1.1常用无线通信方式性能对比参数名称ZigBeeWi-Fi蓝牙协议标准IEEE801.15.4IEEE801.11IEEE801.15.1工作频率1.4GHz/915MHz/868MHz1.4GHz/5GHz1.4GHz最大传输速率256Kbps11Mbps1Mbps网络节点数650002557覆盖距离0-70m0-100m0-100m最大功耗10mW100mW100mW抗干扰性强较强弱通过以上常用无线通信方式的对比，三种常用无线通信方式都具有各自鲜明的特点，这也使它们在不同领域应用的侧重点不同。通信技术的发展也有很多场合下，各类通信方式可以通过通信协议之间的转换交叉使用，协同完成目标任务。设计人员可以根据实际的工程需要来选择一种或者多种无线通信方式，具体表现在：功耗、节点数目、抗干扰性、成本、传输速率等方面。通过上一章对热环境测试的分析，热环境测试具有数据通信量低，采样频率较低，距离短和分布式监测的特点。根据热环境测试的模型不同，有单节点和多节点两种场合。采样周期根据模型选取的不同有数小时到数天不等。这些特点与Zigbee网络的低功耗、节点容量大、传输速率低等特性相匹配。此外Zigbee无线通信网络实现起来也相对简单，可大幅减小软硬件的成本。故本文采用Zigbee无线通信方式作为主要的环境采集系统数据获取的载体。为改善传统单一的数据监测方式，系统还使用了Wi-Fi无线网络，将环境监测设备与人们常用的移动通信设备建立通信，扩大了系统的监测能力，也方便使用人员在更大范围内实时地获取系统监测到的数据。1.3系统总体设计为了改善传统热环境测试中采用的人工记录数据、所使用的仪器多为单一参数设备和传统的手持设备检测方式。本文基于Zigbee无线通信网络技术，设计一套热环境数据采集系统。本系统作为初始开发，选取参数类型依据热环境所需的常用参数：温度、湿度、光照强度和风速。考虑到CO2浓度也是作为环境评价标准的一个重要参数，同时也为系统可以获取更高集成度，加入了二氧化碳浓度作为采集参数。在每个采集终端单元都设计了能够获取这五类参数的传感器，经由Zigbee无线通信网络的协调器转发至上位机，完成数据的再处理。根据热环境测试在不同场合的需求，上位机设计了PC端Labview上位机和Android端App。Android端上位机通常使用在采集密度低和采样周期较短的场合，Android端App可以实现数据的实时显示和声报警，特点是通过Wi-Fi网络，增加了系统的监测距离范围，改善了传统监测中存在的监测方式单一的问题。PC端Labview上位机可使用在多节点采集，长周期的环境监测场合，利用Labview开发出一套人机交互界面，实时显示系统采样数据，各采样数据能够汇总成曲线，能够存储在目标文件夹，能够在Labview上位机界面中设定各参数阈值，实现报警功能，具有一定的数据分析能力。系统的整体框架如图1.2所示。图1.2系统的整体框架图系统的具体实现和开发包括上位机软硬件开发和下位机虚拟仪器开发两部分。上位机系统包括协调器和采集单元终端两部分，这两部分根据Zigbee协议标准负责不同功能，协调器和采集单元终端能够建立稳定的Zigbee网