引 言

建筑環(huán)境學(xué)是指建筑空間內(nèi)，在滿(mǎn)足使用功能的前提下， 如何讓人們?cè)谑褂眠^(guò)程中感到舒適和健康的一門(mén)科學(xué)。該學(xué)科主要由建筑外環(huán)境、室內(nèi)空氣品質(zhì)、室內(nèi)熱濕與氣流環(huán)境、建筑聲環(huán)境和光環(huán)境等若干部分組成 [1]。建筑環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制將直接關(guān)系到人們的舒適體驗(yàn)和健康。

在傳統(tǒng)的建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，系統(tǒng)通常采用上位機(jī)和下位機(jī)組成的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑環(huán)境的監(jiān)測(cè)，下位機(jī)與各類(lèi)傳感器采用 RS485網(wǎng)絡(luò)通信。這類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活、易于擴(kuò)展升級(jí)、成本低等特點(diǎn) [2]。但隨著建筑智能化的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求也不斷提高， 通常需要進(jìn)行長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析決策。因此如果仍采用傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)則布線(xiàn)工作量大、數(shù)據(jù)處理麻煩、不適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)热秉c(diǎn)凸顯。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)一種布線(xiàn)工作量小或者無(wú)需布線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為可能。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成和結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和 Internet 網(wǎng)絡(luò)組成， 結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)有兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)，即無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與 Sink 節(jié)點(diǎn)，兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信形成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)是具有感知和通信功能的節(jié)點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域的感知和數(shù)據(jù)獲取，以及完成與 Sink 節(jié)點(diǎn)的通信。Sink 節(jié)點(diǎn)又稱(chēng)基站節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)匯總由無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、處理后通過(guò) Internet 網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器。電腦、手機(jī)等終端可通過(guò) Internet 實(shí)時(shí)獲取云服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 將傳感器設(shè)置好后可自動(dòng)組網(wǎng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器

建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的種類(lèi)主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、甲醛傳感器、霧霾傳感器、VOC 傳感器、噪聲傳感器等。各類(lèi)傳感器通常由感知模塊、信息處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

（1）感知模塊由敏感元件組成，用于記錄被監(jiān)控目標(biāo)的物理參數(shù)。

（2）信息處理模塊由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，用于處理存儲(chǔ)感知模塊采集的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點(diǎn)各部分的工作。另外，還具有控制電源工作模式的功能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（3）無(wú)線(xiàn)通信模塊的基本功能是將處理器輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道以及傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給 Sink 節(jié)點(diǎn)。

（4）能量供應(yīng)模塊為其他三個(gè)模塊的工作提供能量。

多個(gè)傳感器通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的特定信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集和處理。系統(tǒng)將 5 個(gè)無(wú)線(xiàn)溫濕度傳感器作為無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)。

2.2 Sink 節(jié)點(diǎn)

Sink節(jié)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與 Internet網(wǎng)絡(luò)的連接，其收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)網(wǎng)關(guān)完成與公用網(wǎng)絡(luò)的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)上傳軟件、云服務(wù)和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)程序組成。

（1）數(shù)據(jù)處理軟件運(yùn)行于 Sink 節(jié)點(diǎn)中，負(fù)責(zé)接收并處理傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后按照自定義的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。

（2）云服務(wù)器負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)上傳的數(shù)據(jù)。

（3）系統(tǒng)檢測(cè)程序負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示各傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

Sink 節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器通過(guò) HTTP 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行信息交互，客戶(hù)端以 HTTP 協(xié)議中的 POST 請(qǐng)求方式將 XML 數(shù)據(jù)提交至云服務(wù)器，云服務(wù)器響應(yīng) Sink 節(jié)點(diǎn)同樣以 POST 數(shù)據(jù)流方式傳輸 XML 應(yīng)答數(shù)據(jù)?？蛻?hù)端和服務(wù)器端發(fā)送和解析 XML 數(shù)據(jù)時(shí)遵循數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

XML 格式報(bào)文由公共報(bào)文頭和報(bào)文體拼裝而成，如圖 3所示。報(bào)文前加 6 B 報(bào)文長(zhǎng)度（不包含報(bào)文長(zhǎng)度定義的 6 個(gè)字節(jié)，不足 6 位前面補(bǔ) 0）。

圖 3 XML 報(bào)文格式

示例報(bào)文如圖 4 所示。

圖 4 示例報(bào)文

報(bào)文標(biāo)簽含義說(shuō)明見(jiàn)表 1 所列。

通過(guò)該數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，Sink 節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器之間可通過(guò)HTTP 協(xié)議進(jìn)行信息傳輸和解析。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)程序

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)程序是用戶(hù)與系統(tǒng)直接進(jìn)行人機(jī)交互的窗口。因此，在完成系統(tǒng)功能的前提下，要盡量簡(jiǎn)潔、美觀(guān)。系統(tǒng)采用 C#.net 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，為增強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的直觀(guān)感受，采用Sweet Home 3D 軟件對(duì)需要檢測(cè)的建筑進(jìn)行三維建模，程序?qū)⒍〞r(shí)讀取云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)并顯示到用戶(hù)界面。另外，我們開(kāi)發(fā)了基于 HTML5 的手機(jī) WAP 軟件，用戶(hù)可在任何地方通過(guò)微信公眾號(hào)實(shí)時(shí)查看建筑監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。建筑環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)桌面程序界面如圖 5 所示。

圖 5 建筑環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)桌面程序界面

手機(jī) WAP 程序界面如圖 6 所示。

圖 6 建筑環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)手機(jī) WAP 程序界面

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線(xiàn)工作量大，不適合長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程監(jiān)控的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與 Internet 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的無(wú)線(xiàn)型建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)、結(jié)構(gòu)靈活、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。另外，系統(tǒng)通過(guò)手機(jī) WAP 程序?qū)崿F(xiàn)了隨時(shí)隨地查看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的功能。經(jīng)使用，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使用方便，為下一步建立建筑環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。