基于Arduino的智能樓宇無線多傳感器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

向紅標(biāo)　巴簡程　楊璐　黃戰(zhàn)華　劉會平

摘要：針對傳統(tǒng)樓宇傳感器監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜、功能單一等缺點(diǎn)，利用Arduino開源平臺、無線模塊Xbee、LEWEI50物聯(lián)網(wǎng)開放平臺搭建智能樓宇多傳感器無線監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以Arduino Uno為主控板，采用模塊化設(shè)計，在局域網(wǎng)內(nèi)部采用Xbee無線模塊組網(wǎng)，實現(xiàn)對溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、煙霧傳感器、電能能耗傳感器的數(shù)據(jù)采集和開關(guān)控制命令的傳輸，在外部通過W5100以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控。該系統(tǒng)實現(xiàn)對室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量指數(shù)、煙霧及電能等數(shù)據(jù)的無線實時采集;通過互聯(lián)網(wǎng)、微信實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測;通過物聯(lián)網(wǎng)開放平臺實現(xiàn)微信、微博、短信等多種方式的報警功能;實現(xiàn)對智能樓宇開關(guān)的遠(yuǎn)程控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)無線通信距離遠(yuǎn)、實時性好、運(yùn)行穩(wěn)定、擴(kuò)展性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：Arduino主控板;智能樓宇;Xbee模塊;無線通信;空氣質(zhì)量;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP212.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0095–06

Design of wireless multi-sensor monitor and control system of intelligent building based on Arduino

XIANG Hongbiao1，2，3， BA Jiancheng1，2， YANG Lu1，2， HUANG Zhanhua3， LIU Huiping4

（1. Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control， Tianjin 300384， China; 2. National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education， Tianjin 300384， China; 3. School of Precision Instrument &Opto-Electronics Engineering， Tianjin University， Tianjin 300372， China; 4. Tianjin Eco-City Investment and Development Co.， Ltd.， Tianjin 300467， China）

Abstract： According to the shortcomings of traditional building sensor monitoring system， such as complex wiring and single function， a wireless monitor and control system of intelligent building is designed. The system comprises Arduino open source platform， Xbee wireless module and the open platform of the LEWEI50 Internet of things. The system uses Arduino Uno as the main control board， and adopts modular design. In order to get the data and control command from temperature and humidity sensor， air quality sensor， smoke sensor and electric energy metering sensor， the internal LAN is built up by wireless Xbee modules， meanwhile the data transmission and monitoring in the external Internet is achieved through W5100 Ethernet module. The system not only can get indoor wireless real-time data acquisition from temperature， humidity， air quality index， smoke and electric quantity， but also can achieve online real-time monitor function through Internet. In addition， the warning function on Wechat， Weibo， and SMS is implemented by the Internet of things， and the remote-control switch is also carried out in this system. The experimental results show that the system has the advantages of long wireless communication distance， good real-time performance， stable operation and strong expansibility.

Keywords： Arduino main control board; intelligent building; Xbee module; wireless communication; air quality; internet of things

0 引言

傳統(tǒng)樓宇傳感器設(shè)計一般采用有線布線方式，有諸多弊病，如資源浪費(fèi)、線路易損、布線復(fù)雜、功能單一等。隨著人們對辦公環(huán)境質(zhì)量要求的日益提高，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能樓宇中的應(yīng)用已成為發(fā)展的必然趨勢[1-2]。近距離無線通信一般采用WiFi、藍(lán)牙、Zigbee[3]等技術(shù)，Zigbee是一種近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，在無線物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。相對而言，WiFi、藍(lán)牙技術(shù)存在功耗較大，傳輸距離較近的缺點(diǎn)。Xbee模塊[4-5]是美國DIGI公司的一款基于Zigbee協(xié)議的無線傳輸模塊，實驗證明，Xbee無線模塊[6-7]的傳輸范圍是一般基于Zigbee協(xié)議無線模塊的2～3倍，具有更好的通信距離和抗干擾能力，能有效避免信號盲點(diǎn)，且功耗更低。

目前關(guān)于智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)的研究逐漸深入，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測除對室內(nèi)溫度、濕度及煙霧等監(jiān)控外，空氣質(zhì)量指數(shù)也成為人們廣泛關(guān)注的問題[8-10]。隨著國家對節(jié)能減排的重視，智能樓宇能耗系統(tǒng)的監(jiān)控也成為家庭電能消耗最優(yōu)配置、探求有效電能節(jié)約途徑的核心組成部分。此外，互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制使得樓宇控制系統(tǒng)更為方便快捷，是智能樓宇發(fā)展的重要方向[11]。

本文設(shè)計基于Arduino的智能樓宇物聯(lián)網(wǎng)無線多傳感器監(jiān)控系統(tǒng)[12]，監(jiān)控對象各傳感器均采用模塊化設(shè)計，并通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對樓宇環(huán)境和設(shè)備的智能監(jiān)控。主要分監(jiān)測和控制兩部分：通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式對室內(nèi)狀況進(jìn)行監(jiān)測，如溫度、濕度、PM2.5、煙霧、能耗等，在Web或微信端通過互聯(lián)網(wǎng)查看實時數(shù)據(jù)和曲線，在超過用戶定義的正常參數(shù)范圍值時可通過微信、微博、短信等方式實現(xiàn)報警;同時還通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，如控制照明設(shè)備、空氣凈化器、熱水器等。

1 系統(tǒng)總體框架

智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)主要由以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、能耗監(jiān)測遠(yuǎn)程開關(guān)模塊、煙霧檢測模塊等組成。系統(tǒng)框架如圖1所示，系統(tǒng)的硬件電路與程序開發(fā)主要基于Arduino開源平臺，在局域網(wǎng)內(nèi)部各模塊通過Xbee無線通信模塊進(jìn)行自組網(wǎng)及數(shù)據(jù)交互，Xbee通信采用API模式進(jìn)行組網(wǎng)，環(huán)境監(jiān)測模塊終端、煙霧監(jiān)測模塊終端及能耗監(jiān)測遠(yuǎn)程開關(guān)控制模塊終端將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給Xbee路由器，Xbee路由器再將信息傳送給Xbee協(xié)調(diào)器;在局域網(wǎng)外部，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)信息通過W5100以太網(wǎng)模塊傳送給互聯(lián)-LEWEI50物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)、微信獲取傳感器實時數(shù)據(jù)，還可通過微信、微博、短信等方式實現(xiàn)報警功能及遠(yuǎn)程開關(guān)控制功能。

2硬件設(shè)計

各模塊以Arduino Uno主控板為核心，Arduino采用開放源代碼的軟硬件平臺，具有類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。模塊通過Arduino主控板編寫程序，通過Arduino Xbee擴(kuò)展板連接Xbee pro S1無線模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交互。

2.1 環(huán)境監(jiān)測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊用于監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度及空氣質(zhì)量。主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1無線模塊、Arduino Xbee擴(kuò)展板、溫濕度傳感器DHT22、空氣顆粒物傳感器GP2Y1051AU0F、帶IIC接口的1602LCD顯示屏組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

溫濕度傳感器DHT22的溫度量程為-40～80°C，分辨率為0.1°C，精度為±0.5°C;相對濕度量程為0%～99.9%，分辨率為0.1%，精度為±2%，該傳感器讀取時間間隔需大于2s，其波特率為9600bit/s?？諝忸w粒物傳感器GP2Y1051AU0F是夏普灰塵傳感器，可測量0.8μm以上的微小粒子，其內(nèi)部對角安放著紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，通過探測空氣中塵埃反射光來檢測空氣顆粒物質(zhì)量，波特率為2400bit/s。

2.2 能耗監(jiān)測遠(yuǎn)程開關(guān)控制模塊

能耗監(jiān)測遠(yuǎn)程開關(guān)控制模塊負(fù)責(zé)測量開關(guān)的電壓、電流、功率及電量數(shù)據(jù)，并通過Arduino控制繼電器實現(xiàn)對開關(guān)控制。主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1無線模塊、Arduino Xbee擴(kuò)展板、電量能耗傳感器PZEM-004T、5V光耦繼電器、帶IIC接口的1602LCD顯示屏組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

能耗傳感器PZEM-004T，能監(jiān)測電壓、電流、功率、電量4個參數(shù)，工作電壓范圍80～260V，最大電流為100A，最大功率為22kW，工作頻率45～65Hz，計量精度為1.0級，該傳感器通過串口發(fā)送不同信號來讀取相應(yīng)的參數(shù)值，串口波特率為9600bit/s。光耦繼電器為5V繼電器，最大輸出為：直流30V/10A，交流250V/10A。

2.3 煙霧監(jiān)測模塊

煙霧監(jiān)測模塊用于監(jiān)測室內(nèi)煙霧值，并通過蜂鳴器實現(xiàn)警報功能。主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1無線模塊、Arduino Xbee擴(kuò)展板、MQ-2煙霧傳感器、有源蜂鳴器、帶IIC接口的1602LCD顯示屏組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

煙霧傳感器MQ-2屬于二氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，其檢測可燃?xì)怏w的煙霧范圍是100～10000ppm。

2.4 以太網(wǎng)Internet模塊

以太網(wǎng)Internet模塊通過Xbee協(xié)調(diào)器收發(fā)Xbee終端各傳感器數(shù)據(jù)采集信號，并利用以太網(wǎng)模塊W5100轉(zhuǎn)發(fā)到LEWEI50云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，通過Internet可實現(xiàn)在線實時監(jiān)控，主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1無線模塊、Arduino Xbee擴(kuò)展板、W5100網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

2.5 自組網(wǎng)Xbee模塊配置

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中包含有3種不同類型的基本節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器、路由器和終端。本文通過Xbee模塊進(jìn)行Zigbee自組網(wǎng)，并采用API模式通信，所發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)將封裝成API幀格式，各Xbee終端通過固定的數(shù)據(jù)幀發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)給Xbee路由器或協(xié)調(diào)器，最終通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)送給服務(wù)器云平臺，同時各Xbee終端也監(jiān)聽Xbee協(xié)調(diào)器來自服務(wù)器云平臺的控制命令。通過XCTU軟件對Xbee模塊配置不同參數(shù)來定義Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的不同類型，并設(shè)置共同的PANID保證模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由各無線終端模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)模塊、LEWEI50開放云平臺設(shè)置3部分構(gòu)成。分別完成各模塊傳感器的數(shù)據(jù)采集、局域網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)云端服務(wù)器存儲及控制命令發(fā)送等功能。

3.1 Xbee終端模塊程序設(shè)計

Xbee終端模塊程序主要分為傳感器數(shù)據(jù)讀取、Xbee數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、LCD液晶顯示等。針對環(huán)境監(jiān)測模塊、能耗監(jiān)測遠(yuǎn)程開關(guān)控制模塊進(jìn)行程序設(shè)計，其流程圖如圖6、圖7所示。需要指出的是，由于Xbee模塊擴(kuò)展板占用了Arduino Uno板默認(rèn)串口通信端口D0和D1，若其他傳感器還需串口通信，可利用Arduino軟串口庫任意定義D2～D7作為軟串口的通信端口。本文中空氣顆粒物傳感器、電能能耗傳感器均需定義軟串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。程序流程圖中設(shè)置看門狗定時器，以保證程序的非正常運(yùn)行時進(jìn)行系統(tǒng)自動復(fù)位。

3.2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)模塊程序設(shè)計

以太網(wǎng)Internet模塊程序主要包括通過Xbee協(xié)調(diào)器對Xbee終端數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，以太網(wǎng)模塊W5100數(shù)據(jù)上傳與服務(wù)器控制命令的接收，其流程圖如圖8所示。以太網(wǎng)模塊程序首先配置網(wǎng)絡(luò)IP地址、DNS服務(wù)器等數(shù)據(jù)，再利用LEWEI50云平臺TCP通信協(xié)議庫函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、遠(yuǎn)程開關(guān)的反向控制。

3.3 LEWEI50開放云平臺設(shè)置

LEWEI50物聯(lián)網(wǎng)開放平臺為用戶提供傳感器云服務(wù)。用戶根據(jù)Userkey、傳感器標(biāo)識，通過以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)對應(yīng)標(biāo)識的數(shù)據(jù)上傳，最終實現(xiàn)Internet對傳感器數(shù)據(jù)的實時采集;同時用戶可自定義控制命令函數(shù)，通過云平臺發(fā)送給Arduino以太網(wǎng)模塊，再通過無線Xbee終端執(zhí)行控制命令。此外，云平臺可自定義各傳感器數(shù)據(jù)正常值范圍，若超出正常值范圍時會通過微博、微信、短信等方式實現(xiàn)報警。

4 實驗數(shù)據(jù)及功能測試

傳感器數(shù)據(jù)信息可通過LCD液晶屏查看，同時也可通過LEWEI50物聯(lián)網(wǎng)開放平臺網(wǎng)頁、微信客戶端查看，用戶可查看實時數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)曲線，如圖9、10所示。當(dāng)傳感器超出正常范圍時，會發(fā)送報警信號;用戶可通過微信客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制。

經(jīng)30d長時間驗證測試，系統(tǒng)各模塊工作正常，無線模塊室內(nèi)傳輸距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)（能穿透4～5堵墻），設(shè)備能長時間連續(xù)穩(wěn)定工作。網(wǎng)頁、微信客戶端能實時讀取傳感器信號，在超出正常值范圍時能通過網(wǎng)絡(luò)報警，同時也能通過發(fā)送命令控制開關(guān)熱水器、凈化器、照明設(shè)備等。5 結(jié)束語

本系統(tǒng)以Arduino主控板為核心，利用傳感器、以太網(wǎng)模塊、Xbee無線模塊以及互聯(lián)網(wǎng)平臺LEWEI50搭建了無線樓宇監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對樓宇常用數(shù)據(jù)的實時采集及上傳、并且具有報警和遠(yuǎn)程開關(guān)控制功能。本系統(tǒng)利用Xbee無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，減小了采集布線對樓宇環(huán)境的影響，同時也實現(xiàn)了傳感器探測的靈活性，利用LEWEI50物聯(lián)網(wǎng)開放平臺實現(xiàn)了對樓宇傳感器的實時監(jiān)測與智能控制，具有開發(fā)價值和實用性。

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（編輯：莫婕）