基于LoRa技術(shù)的建筑空氣質(zhì)量監(jiān)測凈化系統(tǒng)設(shè)計

周 電

(上海泰豪環(huán)境科技有限公司, 上海 200092)

0 引 言

傳統(tǒng)建筑空氣質(zhì)量監(jiān)測凈化系統(tǒng)在本地通信方面主要采用RS-485或ZigBee方式,實現(xiàn)空氣質(zhì)量檢測設(shè)備、凈化控制設(shè)備及管理服務(wù)器之間的通信。RS-485方式布線復雜,在設(shè)備數(shù)量多的情況下需要增加集中器設(shè)備,導致工程造價高,無法廣泛使用,而ZigBee傳輸?shù)木嚯x較短,穿透能力較差,數(shù)據(jù)傳輸可靠性大幅降低。因此,需要在建筑環(huán)境內(nèi)設(shè)計、安裝低成本、高精度的智慧空氣質(zhì)量監(jiān)測凈化系統(tǒng),實現(xiàn)對建筑內(nèi)空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測和自動凈化,最大限度降低空氣污染對人體健康造成的損害。

本文提出了基于LoRa(Long Range)技術(shù)的建筑空氣質(zhì)量監(jiān)測凈化系統(tǒng),通過建立的空間空氣質(zhì)量綜合指數(shù)模型和用戶偏好模型,實時計算出設(shè)備運行策略,并對用戶反饋操作進行修正。該系統(tǒng)不僅要考慮新建項目,還需要考慮既有項目的改造,因此在系統(tǒng)設(shè)計中引入相關(guān)的技術(shù)作為支撐。

1 LoRa及物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

LoRa技術(shù)是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案,目前主要在全球免費頻段運行,包括433、868、915 MHz等。在實際應用中,采用LoRa協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無線通信距離超過15 km(郊區(qū)環(huán)境),電池使用壽命可達10年以上,并且能夠?qū)?shù)百萬的無線傳感器節(jié)點與LoRa技術(shù)網(wǎng)關(guān)連接起來。幾種無線通信方式對比如表1所示。

表1 幾種無線通信方式對比

從表1可以看出,LoRa通信方式在傳輸距離、傳輸速率、功耗等方面具有明顯的優(yōu)勢。設(shè)計方案中選用LoRa無線通信技術(shù)來實現(xiàn)多個傳感器的數(shù)據(jù)傳輸,解決小數(shù)據(jù)量在復雜環(huán)境中的超遠距離通信問題。

LoRa無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括網(wǎng)關(guān)(或稱基站)、終端(可置LoRa模塊)、應用服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,應用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。LoRa網(wǎng)絡(luò)組成示意圖如圖1所示。

圖1 LoRa網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是典型的星型拓撲結(jié)構(gòu),其中LoRa網(wǎng)關(guān)是透明傳輸?shù)闹欣^,連接后端中央服務(wù)器和終端設(shè)備。終端設(shè)備是單跳于一個或多個網(wǎng)關(guān)通信,而網(wǎng)關(guān)與節(jié)點間均是雙向通信。

LoRa的終端節(jié)點就是多合一環(huán)境傳感器,這些節(jié)點通過無線通信與網(wǎng)關(guān)連接,再通過3G網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。在具體實現(xiàn)上,選取一款高性能LoRa通信模塊,集成在多合一環(huán)境傳感器中,實現(xiàn)多種環(huán)境信息的集中傳輸。LoRa模塊與微控制器(MCU)之間通過SPI接口進行通信,實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)至無線信道的傳輸。LoRa模塊對外接口如圖2所示。

圖2 LoRa模塊對外接口

相比其他物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù),LoRa通信采用基于擴頻技術(shù)的無線傳輸方案,具有傳輸距離遠、功耗低等特點,適合于需要一定規(guī)模組網(wǎng)、數(shù)據(jù)量要求不大的應用場合,非常適用于建筑空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),無需過多的運營與維護成本,且能滿足智能化運營要求。

實踐發(fā)現(xiàn),LoRa技術(shù)應用下網(wǎng)關(guān)設(shè)備可同時接收與處理多路信號,網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)量相比其他傳統(tǒng)技術(shù)高出1個數(shù)量級以上,大大提高通信穩(wěn)定性。因此,LoRa技術(shù)的應用不僅能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?同時還有高容量、低功耗等特點,因此成為智能建筑系統(tǒng)中空氣質(zhì)量監(jiān)測凈化的技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于LoRa技術(shù)的建筑空氣質(zhì)量監(jiān)測凈化系統(tǒng)可以實時采集建筑內(nèi)實時空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)采集處理后的結(jié)果作為凈化設(shè)備的控制依據(jù)?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測指標包括溫度、濕度、PM2.5、PM10和CO2,其中PM2.5和CO2數(shù)據(jù)是最重要的參考指標。室內(nèi)空氣凈化設(shè)備根據(jù)室內(nèi)結(jié)構(gòu)、安裝空間等要求可選擇不同風量的產(chǎn)品,可以支持幾百平方米的室內(nèi)空氣凈化。相對而言,室內(nèi)空氣監(jiān)測設(shè)備根據(jù)安裝位置的空氣流通情況,只能采集局部的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),因此需要部署多個監(jiān)測設(shè)備計算加權(quán)平均數(shù)據(jù)作為空氣凈化設(shè)備的指標輸入。即空氣監(jiān)測凈化系統(tǒng)需要對建筑內(nèi)部進行虛擬分組管理,根據(jù)室內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)將多個監(jiān)測設(shè)備和多個凈化設(shè)備劃分為一組,監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)經(jīng)過加權(quán)平均處理后作為凈化設(shè)備的輸入指標,控制凈化設(shè)備自動調(diào)節(jié)凈化風量,實現(xiàn)自動凈化的功能。基于LoRa技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測凈化系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示,系統(tǒng)由設(shè)備層、通信層和應用層組成。

圖3 基于LoRa技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測凈化系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備層為系統(tǒng)的最底層,空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備采集實時空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),空氣凈化設(shè)備控制器實現(xiàn)對空氣凈化設(shè)備的啟停/調(diào)檔控制,是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源,是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)?？諝鈨艋O(shè)備控制器以ARM處理器STM32為控制核心,由電源電路、風機控制電路以及LoRa通信芯片組成,目前市場上存在較多成熟產(chǎn)品?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測設(shè)備由溫/濕度傳感器、PM2.5傳感器、CO2傳感器及LoRa通信芯片組成,是整個環(huán)境實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ),稱為多合一環(huán)境傳感器設(shè)計。該傳感器按照模塊化設(shè)計思想,集電源單元、5種環(huán)境傳感器模組、LoRa無線模組、MCU、按鍵、LED顯示等多功能于一體。同時,基于LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò),多個環(huán)境傳感器可以組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的多個測點信息集中管理?；贚oRa無線通信的多傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 基于LoRa無線通信的多傳感器網(wǎng)絡(luò)

多合一傳感器實物圖如圖5所示。

圖5 多合一傳感器實物圖

通信層通過LoRa通信基站連接各個設(shè)備,采用數(shù)字擴頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和前向糾錯編碼技術(shù)來保障多個接入設(shè)備的穩(wěn)定性,將監(jiān)測數(shù)據(jù)及設(shè)備運行狀態(tài)傳輸至LoRa服務(wù)器。LoRa服務(wù)器實現(xiàn)對設(shè)備層設(shè)備的分組管理,根據(jù)建筑空間結(jié)構(gòu)將多個監(jiān)測設(shè)備和凈化設(shè)備劃分為一個虛擬分組,對監(jiān)測設(shè)備上報的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行處理,同時將計算后的控制參數(shù)數(shù)據(jù)及時準確地反饋到凈化設(shè)備控制器上,實現(xiàn)對分區(qū)空間空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測及控制。

應用層為業(yè)主提供統(tǒng)一運營管理平臺,方便業(yè)主掌握建筑實時空氣質(zhì)量情況及設(shè)備運行情況。通過云計算等構(gòu)架及各類空氣質(zhì)量傳感器大數(shù)據(jù),并結(jié)合室外公共空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),建立空氣質(zhì)量趨勢模型,預測室內(nèi)空氣質(zhì)量走勢。通過用戶使用設(shè)備行為大數(shù)據(jù),建立用戶偏好模型?；谶@兩大類數(shù)據(jù)模型,結(jié)合人工智能深度學習系統(tǒng)平臺,實時生成空氣質(zhì)量凈化策略,如有人與無人時不同的策略、空調(diào)系統(tǒng)的換風次數(shù)、設(shè)備是否需要更換耗材等,以實現(xiàn)本地設(shè)備最優(yōu)化運行,達到節(jié)能減排、降低設(shè)備損耗、保持空氣質(zhì)量恒定、體感舒適等目標。同時通過累積的大數(shù)據(jù)平臺,生成實時或歷史環(huán)境數(shù)據(jù)報告,提供未來空氣質(zhì)量趨勢圖。應用層也可以提供標準空氣質(zhì)量接口數(shù)據(jù)以供第三方系統(tǒng)使用。

空氣凈化器云平臺界面如圖6所示。

圖6 空氣凈化器云平臺界面

第三方系統(tǒng)使用界面如圖7所示。

圖7 第三方系統(tǒng)使用界面

3 結(jié) 語

LoRa技術(shù)的應用為建筑智能化系統(tǒng)設(shè)計提供一種新的實現(xiàn)手段,與傳統(tǒng)的RS-485、WiFi、ZigBee技術(shù)比較,能夠大幅減少系統(tǒng)施工工作量。LoRa技術(shù)采用星型拓撲結(jié)構(gòu),網(wǎng)關(guān)以透明中繼形式呈現(xiàn),與終端設(shè)備、云端服務(wù)器直接連接,有效降低系統(tǒng)施工難度。通過具體項目實踐發(fā)現(xiàn),一個LoRa網(wǎng)關(guān)可與數(shù)千個終端設(shè)備直接連接,既能滿足系統(tǒng)運行要求,又有助于整體成本控制,且為配置測試、后期維護帶來極大的便利,推動智能建筑技術(shù)的發(fā)展。