基于WSN的大型建筑健康节能智能监控系统关键技术

【摘 要】本文探讨了大型建筑健康节能智能监控系统的关键技术如WSN、专家系统技术等，并结合具体系统进行了实例分析

【关键词】大型建筑 WSN 专家系统

“时尚的生活就是依靠科技降低成本，创造高舒适度的工作环境，实现科技以人为本。据专家预测，到2020年，我国新建的大型建筑面积约100亿平方米，如果这些建筑全部达到健康节能标准，每年可以节约3.35亿吨标准煤；空调高峰负荷可减少8000万千瓦，舒适节能的大型科技建筑，不仅带来小环境的舒适，也减少了对大环境的污染和破坏，而城市环境气候得到有效改善才是人们高质量生活的基础。

在大型公共场所的活动环境是否节能和健康往往被人们所忽略，二氧化碳传感器在大型建筑通风控制中非常重要。 根据相关标准，室内二氧化碳（CO2）的浓度和通风率之间有着密切的关系。无论是在空间内，人多或是少的情况下，此系统能有效地节约宝贵的能源和保持室内良好的空气品质。

首先介绍一下HVAC，HVAC代表加热、通风和空调，而IAQ代表室内空气质量。为保持能量损耗低，使用几乎封闭的加热和空调系统。根据室内人数或由于其它活动（例如用气体烹调），空气质量下降，这可以通过测量CO2的水平来检查。缺乏适当通风常常与其它污染物的聚集有关，这些污染物对建筑物居民或车辆或其它封闭区域的人可能更危险的影响。

相应的通风不但对人员的舒适重要，也对加热和空调系统的经济运行重要。美国OSHA （职业安全和健康管理局），对CO2列出STEL（最大短期暴露极限，15分钟） 30000ppm和 TWA （时间加权平均暴露极限，8小时） 5000 ppm的标准。

在大型建筑中，传感器的主要功能就是为了使整个大楼更安全、节能、舒适。而二氧化碳传感器和其它传感器一样，都属于最底层。它们把自己所测到的值通过数字或模拟信号，传送给数据采集器。之后再通过数据采集器传给中央处理器。

中央处理器再通过控制器来控制各设备的动作。通过中央处理器，二氧化碳传感器的主要功能就是调节大楼里的新风量，以保持室内空气清新。节约空调和通风机的能量消耗。接下来本文将详细讨论大型建筑健康节能智能监控系统所涉及的若干技术：

一、WSN系统设计

通过在成百上千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。本文以JN5139-Z01-M01R2为例进行阐述，可根据不同的室内大小及气候环境状况进行组网。

（一）星型组网

星型组网方式适合组网范围较小，设备相对集中，各终端与中心点间无明显阻挡的现场环境。 A.控制计算机端与JN5139-Z01-M01R2（根据通讯距离配置）无线收发模块，配置RS232接口与计算机COM口互联。模块最好放置在室内高处。B.现场端采用JN5139-Z01-M01R2无线收发模块，TTL接口（或RS232/RS485）与受控设备对接。采用陶瓷天线。 C.网络中任意一点都可作为与控制计算机互联的模块，控制点无需在中心点。

（二）自组网

自组网方式适合远距离通讯，设备分散的现场环境。

A.控制计算机端采用JN5139-Z01-M01R2中心无线收发模块，配置RS232接口与计算机COM口互联。采用2dB增益全向10厘米小天线，如需更远距离的通讯可配置高增益天线。B.在远端中继点配置JN5139-Z01-M01R2中心无线收发模块，采用2dB增益全向10厘米小天线，天线高度3米（越高接收范围越大）。作为中继点对远端设备进行中继转发。模块本身也可以与受控设备对接。如范围更大可根据实际情况增加中继点。

（三）混合组网

混合组网方式适合大型远距离通讯，设备分散，通讯环境复杂（阻挡物多）的大型建筑现场环境。

二、无线监测系统总体网络结构

本无线系统是由多个自给供电的WS节点组成的，每个节点都以有线方式接收一定区域内各传感器检测的数据、简单计算以及与其他节点及外界进行通信。

本系统采用混合组网方式，其主要好处是每个节点的范围都成倍地扩大了，没有最大通信距离的限制，因为它所有的节点都被用作中继器或路由器。

三、单网络结构

为基于WN的单网络无线传输，使用一个集成RS232的WN设备，传感器为有线集总接入该设备，再与另外一个WN设备配对接入后，通过无线传输给对方，再以串口传输至控制室（微机），通过专用软件分析相关测量参数，作出相应对策。如把得到某区域温度、光线强弱度等用程序进行回归分析。

四、专家系统库设计

所建立的系统数据库应可以兼容为两种类型：

（一）库内包含各种环境的标准参数，进而当前采集数据与系统库内的健康专家提供的数据进行“智能”对比“识别”；其二，根据地域差异或自己所感觉适合的气候环境不同，可以做到人为设置自己感觉健康舒适的环境参数，从而真正达到人性化的目的。

在系统开发时首先是硬件开发设计、调测为主，主要进行硬件系统的开发、设计及调测。其次是健康专家系统的研究，首先从人体舒适科学标准着手，再以专家系统判断研究为主。最后将以上两个方向结合起来进行整合开发设计、调测优化。

大型建筑的健康节能智能监控系统中采用低功耗微控制器组成无线自组织网互相连接，在组网时应仔细考虑各传感器的数据传输的顺序及干扰问题，由于温湿、光电传感器、CO（二）风速等用于大型建筑环境检测虽有丰富个例，但是综合起来形成复合因子没有太多先例可以遵循，笔者采用多元回归分析进行分析得到各因子权值，还可以采用同样的方法对健康专家系统库的人体舒适度进行设计调试、优化。

本文受湖南省大学生创新性实验与研究型学习项目资助（2013NO395）资助；湖南人文科技学院校级双语建设课程项目资助；湖南省高等学校教学改革研究项目资助（2012NO461）；湖南人文科技学院教学改革重点项目（RKJGZ1213）资助；