试述无线传感器网络在楼宇自动控制中的应用

摘要：随着现代科学技术的发展，建筑智能化程度越来越高，楼宇自动化系统作为智能建筑的重要组成部分获得了广泛应用，它集监视、控制和管理于一体，满足了人们对于建筑中电力、照明、空调、消防、安保等方面的需求，为人们工作与生活的舒适性、安全性提供保障。

关键词：楼宇自动化；控制；无线传感器；应用

中图分类号：TP212文献标识码： A 文章编号：

楼宇自动化系统是广义的，是建立在无线传感器的基础上实现的，主要起到对火灾、安保、电力等进行实时监控的作用。通过无线传感器对相关数亿的采集与监视，运用现代计算机技术、通信技术对这些数据进行处理、运算和判断，实现楼宇各种功能的自动控制。随着现代科技的发展，无线传感器网络技术具有非常广阔的前景。

一、无线传感器网络系统概述

无线传感器网络的主要功能是实时监测，在现代军事、特殊环境监测、智能建筑中应用十分广泛。该系统与数字蜂窝移动通信系统（GSM）、蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（WLAN）等无线通信网络不同，无线传感器网络是类似于传统Ad-hoe网络，没有基站设备支持，自组织、自管理的多跳网络。无线传感器网络是Ad-Hoe网络应用在传感器技术中的一种具有动态拓扑结构的组织网络。

1、自组织的网络：无线传感器网络通常具备自组织能力；

2、自管理的网络：无线传感器网络通常具备自管理能力；

3、网络规模大，分布密集：无线传感器网络中的节点数量多于传统Ad-hoc网络中的节点数量，并且分布密度大；

4、网络节点易出错：无线传感器网络中的节点较之传统Ad-hoe网络中的节点更容易出错；

5、单个节点能力较弱：无线传感器网络的节点的计算能力、存储能力十分有限，无法进行复杂的计算和数据存储；

6、节点间广播式通信：无线传感器网络节点主要采用广播方式通信，而传统Ad-hoe网络大都采用点对点通信；

7、以数据为中心的网络：与数据为中心的含义指无线传感器网络运行时，通常只关心整个任务的执行情况，用户在使用网络查询事件时，只关心是否获得了所需的数据，不关心数据是由哪个节点发来。

二、硬件选型设计

传感器是楼宇监控系统的重要组成部分，好比人体的皮肤和神经系统，负责对环境的整体感知，其中温度和烟雾是楼宇监控的主要监测对象。

2.1温度传感器

楼宇室内的环境温度传感器可以选择瑞士盛世瑞恩传感器公司SHT10，用它采集各点位温度，将这些数据通过显示单元直观显示给用户，让人们可以知道实时的楼内温度，空调系统则通过这些数据可以自动的对室内温度进行自动调节，以达到人们舒适与节能的目的。SHT10包括电源和地共有四只管脚。DATA负责串行数据发送，与处理芯片cc2430连接，进行数据传送，SCK是串行时钟连接，与处理芯片连接进行时钟同步。布线时需要0.1μF的去耦电容接在电源和地间，DATA线接外部上拉电阻，芯片结构见图2-1。

图2-1SHT10电路连接图

在楼宇监控平台中，还有一种基于感应人体温度的红外探测器CH-718。从生物学角度看，有恒定体温的人体会发出波长比较固定的红外线，如果感应到该波段红外线，红外探测器就会发出信号。红外探测器CH-718在楼宇安保系统中用于监测人员的活动，从而对重要区域进行监视，确保人员物资的安全。下面是CH-718的技术参数。

红外探测器CH-718功耗很低，输出电压和处理芯片CC2430相匹配。触发方式可以配置，方便后续应用。

2.2烟雾传感器

我们选择烟雾传感器HIS07监测烟雾，它是离子式的，工作稳定可靠，广泛运用于消防报警中。离子感烟探测方式中，内电离室是密封的，烟雾进不去，当没有烟雾时离子能到达对面电极，内、外电离室电压、电流平衡；有烟雾进入外电离室，烟雾阻挡了离子到达对面电极，外电离室电场失去平衡，报警器探测到后发出警报。HIS07输出电压是5v和CC2430不匹配，采用电阻分压来解决。

串口主要是调试和与上位机通信。楼宇平台工作时，只有协调器需要串口模块。为了设计的统一性，所有的节点都有串口。CC2430具有UART模块，工作电压是3V。计算机串口标准是RS232，逻辑1的电平是-3到-15伏，逻辑0的电平是3到15伏。电平需要转换，采用MAX3232芯片实现。电路连接见图2-2。

图2-2MAX3232电路图

从前面模块的介绍知道，所需供电电压是9V（烟雾和红外传感器）和3V（其余模块）。9V电压还可以给充电模块供电，为锂电池充电，电池输出8.4伏电压可以在无市电时给9V的模块供电。电池充电采用TI公司的BQ24105模块，支持自动休眠降低功耗，还具备LED指示灯表示充电完成的情况。电路连接见图2-3。

图2-3电池充电模块电路

9V电压可以用DC/DC芯片降压到3V，这样外部只需要输入9V就足够了。当用220V交流电时，用市面上很常见的适配器就可以获得稳定的9V电压。电池和市电的切换用二极管就可以简单无缝切换。至于DC/DC芯片我们可以采用TPS62111，电压调节到需要的3.3V。电路连接见图2-4。

图2-4DC/DC电压转换模块

2.3处理芯片

CC2430是TI公司首选的传感器网络处理芯片。功耗小，有完善的软件支持和参考方案。内核是Intel8051，支持汇编和C语言编程，开发者都比较熟悉，还有对应的开发工具。高频电路部分集成在芯片内部，不需要太多高频硬件方面的经验。我们可以选择其作为传感器网络节点的平台。

三、软件设计

楼宇监控上层平台用于和无线传感器节点通信，监控节点所在房间区域的温度、湿度，是否有可疑人员闯入，是否有火灾发生。温度、湿度信息会存储到数据库，用曲线等直观的方式显示出来。整个无线传感器网络节点的连接状况也会反映出来。系统软件功能如下：

(1)连接协调器节点的串口，可与其良好通信，接收整个网络的汇总信息，发送控制信息。

(2)从收到的原始数据中解析出可理解的信息，然后更新界面上各节点、各房间的温度、湿度、红外、烟雾信息。

(3)节点在软件中的位置可以调整，按照每个房间节点的位置和号码进行设置。也就是将地理信息和节点绑定，在界面中可以直观的看到。不同的房间可以载入各自的房间平面图，更方便节点的摆放。

(4)实时的更新网络拓扑图，能看到网络中每个节点是怎么连接的，入网和退网都能如实的反映。

(5)检测到报警信息，包括红外、烟雾和高温情况，及时的报警；特别是有人闯入和发生火灾，需要让管理员及时发现，在界面上有直观的图片及文字显示，还能发出报警声。

(6)连接数据库，把解析好的信息存储起来。可以查询历史数据，能以曲线图方式直观表示其变化状况。发生报警的信息也会专门记录在库。各种数据能进行汇总，报告如平均温度等信息。

四、结语

楼宇监控是楼宇自动化系统的组成部分，在智能建筑中占据重要地位。现代智能化建筑中，以无线传感器网络技术的应用前景广泛。它的无线传输方式、低功耗、组网容易等特性给楼宇监控领域带来新的动力。而且无线传感器组成的楼宇监控系统运行稳定可靠，操作简单、易于扩展与升级，并且可以大幅度降低维护和巡检成本，给用户及维修人员带来很大的方便。

参考文献

[1]王再英,韩养社,高虎贤.楼宇自动化系统原理与应用.北京:电子工业出版社,2008

[2]曹靖华.基于无线传感器网络的远程医疗监护系统研究:[硕士学位论文].上海:上海交通大学,2008

[3]肖昕宇.基于Zig Bee技术的无线消防报警定位系统:[硕士学位论文].湖南:湖南大学,2007