基于无线传感网络的楼宇监控系统研究.doc

1、基于无线传感网络的楼宇监控系统研究摘 要基于无线传感网络的楼宇监控系统相较于传统的有线监控系统有很大的优势。本文分析了基于无线传感网络的楼宇监控系统的研究背景、ZigBee 技术并提出了设计方案。在设计过程中，需要注意采取合适的拓扑结构、并采取措施进行程序设计和优化。 （摘要要突出楼宇监控系统的设计要点） 关键词无线传感器网络；zigbee；楼宇监控；设计；发展 中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0198-02 一、研究背景 以信息技术和通信技术为代表的科技的高速发展对各个领域都产生了巨大冲击，在生产和生活中， “智能系统”的概念已经被大家所

2、熟悉。把智能系统应用于楼宇之中的想法由来已久，而楼宇监控系统以中央计算机为核心，加强对楼宇设备和楼宇环境的监控，是智能楼宇设计的关键。 国外楼宇监控系统的起步较早，掌握了最先进的技术。而我国楼宇监控系统的起步晚，发展迅速。从上世纪九十年代的单一功能专用系统开始不断发展，技术日趋成熟，到目前为止处于系统集成阶段。国内楼宇监控系统主要存在理论研究落后于楼宇监控系统的发展，专业人才的匮乏，施工队伍技术能力有限，缺少相应的法律法规等方面的问题。 二、无线传感网络 2.1 无线传感网络优势 在楼宇监控系统发展初期，一直以有线的方式组建。但是有线的楼宇控制系统存在很大弊端。其一，可扩展性差，系统在大楼建设

3、时需要完整规划，并加以布线，一旦后期需要更新或者增加设备，布线也需要随之更新甚至需要重新布线，将严重影响建筑的美观；其二，缺乏标准，楼宇监控系统设备缺乏国际标准，在通信和控制方面会遇到难题；其三，在布线量大的情况下还有可能产生安全隐患。 近年来无线网络的发展为楼宇监控系统带来了转机。在监控区域内大量传感器组成的大规模、自组织、多跳的无线网络系统即为无线传感器网络。无线传感器网络目前已广泛应用于军事、医疗卫生护理、气象及地理研究等方面，也同样适用于楼宇监控系统。 基于无线传感网络的楼宇监控系统有很多优点。由于传感器网络的动态性，网络中任意一个节点出现故障都不会影响系统的整体功能，因此，其具有高可

4、靠性。传感器的体积小、功耗低、成本低，系统在部署时可以一次性实现，后期网络的修改不需要布线。 2.2 无线通信技术 目前，用于短距离通信的无线通信技术有红外技术、蓝牙技术、Wi-Fi 技术、ZigBee 技术等。红外技术的致命缺陷是两个通信设备中间不能有障碍物，一旦存在障碍物，就会导致通信中断。蓝牙技术被广泛用于手机等移动终端，但是传输范围过小（约 10 米） ，抗干扰能力弱，价格较高，因此不能适用于楼宇监控系统。目前所有的智能手机都支持 Wi-Fi，Wi-Fi 的普及率非常高，其协议完整而复杂，能耗较高。而 ZigBee技术基于 IEEE802.15.4，是一种双向无线通讯技术，具有价格低廉

5、、低复杂度、高可靠、低功耗、短时延的特点，符合楼宇监控系统可靠、低成本的要求，也和传感器的低功耗不谋而合，因此本系统采用 Zigbee 技术。 2.3 ZigBee 技术芯片选择 在应用方案方面，主要有三种：“ZigBee RF+MCU”、 “ZigBee 协议栈芯片+外挂芯片” 、 “单 SOC”。对于“ZigBee RF+MCU”方案，芯片集成度较高，搭建完整 ZiBee 协议硬件平台只需要很少的元件，但是数据收发必须结合单片机，也就是说在实际应用中，至少需要两个芯片，成本高、体积大。 “ZigBee 协议栈芯片+外挂芯片”方案中，ZigBee 芯片上集成了无线射频收发和微处理器，但是需要

6、外加存储器或处理器，成本高、无线性能差，而且程序存贮在外部存储器中，易造成代码泄露。而“单SOC”方案集成了无线射频收发、微处理器和 Flash，集成度高、成本低、功耗低，降低了用户的硬件设计成本，但是性能可能会有所降低。权衡之下，本文采用了“单 SOC”方案。 决定应用方案之后，需要进一步确定芯片型号。目前商场上 ZigBee芯片的供应商主要为 TI、Frescale、Ember、Jennic。TI 提供了免费的ZigBee 协议栈，开发成本较低。继 TI 推出 CC2430 这一真正实现单芯片解决方案的芯片后，根据 CC2439 在实际应用在出现的问题， TI 推出CC2530 芯片。CC

7、2530 加大了缓存，存储容量最大可达 256K，最大通信距离也增长到 400 米，因此本设计采用 CC2530 芯片。 2.4 传感器的选择 2.4.1 温湿度传感器选择 温湿度监控是楼宇监控很重要的一部分，考虑到一般楼宇对室内温湿度的精度要求不高，因此着重考虑低功耗、低成本以及抗干扰能力强的温湿度传感器，本文选用 SHT11 传感器。SHT11 是一款高集成度、全量程标定，数字输出的温湿度传感器，其温度检测范围为-40123 摄氏度，湿度检测范围在 0100RH，满足日常测温测试要求。 2.4.2 烟雾传感器选择 烟雾传感器主要有离子式、光电式、气敏式三种类型。离子式烟雾传感器通过电离室引

8、起的电压变化测得烟雾的微电流变化，宏观上表现为电离室的等效电阻增加，电压增大，从而据此确定烟雾情况。相对于光电式烟雾传感器，离子式烟雾传感器对微小烟雾粒子更加敏感，对较大烟雾粒子相对不敏感。由于气敏式烟雾传感器更注重分析空气内可燃气体成分，在普通楼宇的火灾报警上，离子式比气敏式烟雾传感器性能更强。本文采用了 HIS-07 离子式烟雾报警器，该报警器的技术比较先进，工作稳定可靠，安装方便，体积小，耐腐蚀能力强，被广泛用于消防报警系统。 2.4.3 红外传感器选择 GH-718 是一种自动控制红外传感器，其灵敏度高，可靠性强，在系统中可以对红外线信号实时监控。其具有全自动感应的特点，一旦有人进入感

9、应区，输出高电平；离开感应区，输出低电平。根据这一特点，可用于设计红外入侵监控系统。另外，可以设置光敏控制，可以用于楼道照明，在白天的时候不感应，晚上光线弱的时候感应。 三、设计方案 本设计将系统从功能上分为多个子系统：消防报警与控制系统、环境控制与管理系统、保安监控系统、照明控制与管理系统、电力供应及管理系统、交通运输系统。各个子系统采用不同的传感器检测，并将检测所得数据通过 ZigBee 子节点传输。 系统框图如（图 1）： 3.1 系统整体要点 基于无线传感网络的楼宇监控系统在应用过程中应注意以下几点：其一，系统的可行性，是否容易实施；二，可扩展性，由于信息系统的不断发展以及系统前期成本

10、的限制，系统未来可能会有更新，因此当前设计必须给未来更新留有余地；三，稳定性，必须保证系统能长时间运行，有极低的故障概率，一旦发现系统中存在异常，应能及时通知客户；四，高效性，系统所有功能都能有效应用，避免冗余，浪费资源；五，易操作性，由于监控系统建成后的操作人员一般是保安，他们一般不具有超强的计算机操作能力，因此需要人机互动简明易懂，容易上手。 3.2 系统结构 从网络层面上，楼宇监控系统可以分为无线传感网络和上位机监控部分。传感器网络包含了传感器节点、汇聚节点及管理节点，各个节点可以随机分布，通过自组织方式组网。由于发射功率随通信距离增大而增大，为解决功耗增大的矛盾，采用中继多跳的方式进行

11、通讯。上位机采用的是个人电脑，上位机监控软件将采集到的数据进行存储、分析、处理、显示，并在故障时报警。 根据楼宇监控区域的大小、节点数量和能耗等情况采用适合的网络拓扑结构对降低成本，提高监控系统的实用性有很大帮助。由于监控区域范围较广，节点数目多，分布于多楼层，需要着重考虑能耗问题（布线完成后更换电池比较难）以及通信距离的限制，不宜采用星形结构。而网状结构对节点要求高，需要大部分节点为功能节点，成本较高。簇状树形网络由于其能耗低、健壮、便于扩展的特点，适合因此本文采用簇状结构。 在楼宇监控系统中，每个房间放置一个 ZigBee 子节点，该节点连接多种传感器，负责采集各个传感器的数据如温度湿度信

12、息，通过多跳方式发送信息至上级路由节点。每个楼层都设置一个路由节点，用来收集下级子节点传来的数据，并将数据传至中心节点。中心节点负责协调网络，并和远程控制中心实现网络连接，使远程控制中心能够有效监控整个楼宇。 系统结构图如下： 3.3 系统软件部分 传感器节点的程序设计分为主程序、各项功能子程序（温度、湿度、通信等） 、人机交互子程序组成。主程序完成各部分模块的初始化工作，并等待中断，定时时间到时进行传感器节点的数据采集，读取数据并存储。为便于节点的维修工作，节点程序还需要具有一定的人机交互功能。而一些汇聚节点需要具有管理各个传感器节点的功能，定期查询各节点数据并将需要传送的数据传送给上位机监

13、控程序。 上位机软件需要获取信息、处理信息并显示给操作者，一旦发生异常则发出警报。从无线传感器网络中获取信息采用串口的方式，数据显示应简明易懂，要存储历史信息以方便对比及分析趋势。同时需要具有各节点的位置信息，一旦发生异常可以及时处理。 四、系统缺点和挑战 其自组织、自适应的特性让楼宇监控系统的可靠性有了很大保障。避免了有线连接，节点的部署更加容易，监控系统的成本也大大降低。但是也存在一些挑战，首先传感器节点受到能量限制，需要整个传感器网络维持低功耗，这对设计者是一个比较大的挑战。楼宇监控系统往往是一个庞大的网络，传感器节点众多，如果采取人工管理，费用过高，因此需要网络具有一定的自我检测和修复

14、的能力，以降低成本。无线传感网络结构和普通的网络有很大差异，传统的网络安全设施并不适用于无线传感网络。本设计采用单频率通信，极易受到网络攻击，因此需要一个适合无线传感网络的有效安全机制。本设计中没有考虑将上位机接入互联网，监控距离会受到一定限制。另外在实际操作中，需要的传感器种类会多于本设计涉及的传感器种类。 五、总结 基于无线传感网络的楼宇监控系统在国内兴起，为楼宇监控系统的发展提供了一个新的方向。本文设计的基于 ZigBee 的无线传感器网络在具备无线、可靠等优势的情况下也存在一些弊端。但是，可以预见，基于无线传感网络的楼宇监控系统将得到更加广泛的应用。 参考文献 1 韦文春.浅议高层住宅楼宇监控系统的设计方案J.城市建设理论研究.2012（28）. 2 姚忠孝.基于无线传感器网络的楼宇能耗检测系统研究与发现D.浙江工业大学.2010. 3 何佩.基于无线传感器网络的楼宇结构的监测系统的研究D.江南大学.2012. 4 崔然，马旭东，彭昌海.基于无线传感技术的楼宇环境监控系统设计J.现代电子技术.2010（7）.