基于物联网技术的无线型建筑环境监测系统设计与实现

引 言

建筑环境学是指建筑空间内，在满足使用功能的前提下， 如何让人们在使用过程中感到舒适和健康的一门科学。该学科主要由建筑外环境、室内空气品质、室内热湿与气流环境、建筑声环境和光环境等若干部分组成 [1]。建筑环境的监测和控制将直接关系到人们的舒适体验和健康。

在传统的建筑环境监测领域，系统通常采用上位机和下位机组成的分布式监测系统来实现对建筑环境的监测，下位机与各类传感器采用 RS485网络通信。这类监测系统具有结构灵活、易于扩展升级、成本低等特点 [2]。但随着建筑智能化的不断发展，人们对建筑环境监测的要求也不断提高， 通常需要进行长距离远程监测并进行大数据分析决策。因此如果仍采用传统的环境监测系统架构则布线工作量大、数据处理麻烦、不适合远距离传输等缺点凸显。随着物联网技术和无线传输技术的不断发展，设计一种布线工作量小或者无需布线的无线建筑环境监测系统成为可能。

1 系统网络组成和结构

系统网络主要由无线传感器网络和 Internet 网络组成， 结构如图 1 所示。无线传感器网络有两类节点，即无线传感器节点与 Sink 节点，两类节点之间通过无线通信形成无线传感器网。无线传感器节点是具有感知和通信功能的节点，在无线传感器网络中负责监测区域的感知和数据获取，以及完成与 Sink 节点的通信。Sink 节点又称基站节点，负责汇总由无线传感器节点发送的数据，并对数据进行融合、处理后通过 Internet 网络上传至云端服务器。电脑、手机等终端可通过 Internet 实时获取云服务器上的监测数据，从而实现对建筑环境的实时监测。无线传感器网络采用星型拓扑结构， 将传感器设置好后可自动组网。

2 系统硬件设计

2.1 无线传感器

建筑环境监测传感器的种类主要包括温度传感器、湿度传感器、甲醛传感器、雾霾传感器、VOC 传感器、噪声传感器等。各类传感器通常由感知模块、信息处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成，结构如图 2 所示。

（1）感知模块由敏感元件组成，用于记录被监控目标的物理参数。

（2）信息处理模块由嵌入式系统构成，用于处理存储感知模块采集的数据，并负责协调传感器节点各部分的工作。另外，还具有控制电源工作模式的功能，实现节能。

（3）无线通信模块的基本功能是将处理器输出的数据通过无线信道以及传输网络传送给 Sink 节点。

（4）能量供应模块为其他三个模块的工作提供能量。

多个传感器通过自组织方式构成无线网络，以协作方式感知、采集和处理网络覆盖区域中的特定信息，可实现对任意地点信息在任意时间的采集和处理。系统将 5 个无线温湿度传感器作为无线传感器节点。

2.2 Sink 节点

Sink节点是无线传感器网络的汇聚节点，主要负责无线传感器网络与 Internet网络的连接，其收到数据后，通过网关完成与公用网络的通信。

3 系统软件设计

系统软件由数据上传软件、云服务和系统监测程序组成。

（1）数据处理软件运行于 Sink 节点中，负责接收并处理传感器节点发送的数据，然后按照自定义的通信协议将数据上传至云服务器。

（2）云服务器负责接收和存储上传的数据。

（3）系统检测程序负责实时显示各传感器节点的监测值。

3.1 数据传输协议

Sink 节点与云服务器通过 HTTP 数据传输协议进行信息交互，客户端以 HTTP 协议中的 POST 请求方式将 XML 数据提交至云服务器，云服务器响应 Sink 节点同样以 POST 数据流方式传输 XML 应答数据。客户端和服务器端发送和解析 XML 数据时遵循数据传输协议。

XML 格式报文由公共报文头和报文体拼装而成，如图 3所示。报文前加 6 B 报文长度（不包含报文长度定义的 6 个字节，不足 6 位前面补 0）。

图 3 XML 报文格式

示例报文如图 4 所示。

图 4 示例报文

报文标签含义说明见表 1 所列。

通过该数据传输协议，Sink 节点与云服务器之间可通过HTTP 协议进行信息传输和解析。

3.2 系统监测程序

系统监测程序是用户与系统直接进行人机交互的窗口。因此，在完成系统功能的前提下，要尽量简洁、美观。系统采用 C#.net 语言开发，为增强监测点位的直观感受，采用Sweet Home 3D 软件对需要检测的建筑进行三维建模，程序将定时读取云服务器中的数据并显示到用户界面。另外，我们开发了基于 HTML5 的手机 WAP 软件，用户可在任何地方通过微信公众号实时查看建筑监控数据。建筑环境检测系统桌面程序界面如图 5 所示。

图 5 建筑环境检测系统桌面程序界面

手机 WAP 程序界面如图 6 所示。

图 6 建筑环境检测系统手机 WAP 程序界面

4 结 语

针对传统建筑环境监测系统布线工作量大，不适合长距离远程监控的缺点，本文设计并实现了运用无线传感器网络与 Internet 网络相结合的无线型建筑环境监测系统。该系统具有无需现场布线、结构灵活、易于扩展等特点。另外，系统通过手机 WAP 程序实现了随时随地查看监控数据的功能。经使用，系统稳定可靠，使用方便，为下一步建立建筑环境大数据平台提供了有效的数据支撑。