基于Arduino的智能楼宇无线多传感器监控系统设计

0 引 言

传统楼宇传感器设计一般采用有线布线方式，有诸多弊病，如资源浪费、线路易损、布线复杂、功能单一等。随着人们对办公环境质量要求的日益提高，无线传感网络技术在智能楼宇中的应用已成为发展的必然趋势[1-2]。近距离无线通信一般采用WiFi、蓝牙、Zigbee[3]等技术，Zigbee是一种近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低成本的双向无线通信技术，在无线物联网领域已得到广泛应用。相对而言，WiFi、蓝牙技术存在功耗较大，传输距离较近的缺点。Xbee模块[4-5]是美国DIGI公司的一款基于Zigbee协议的无线传输模块，实验证明，Xbee无线模块[6-7]的传输范围是一般基于Zigbee协议无线模块的2～3倍，具有更好的通信距离和抗干扰能力，能有效避免信号盲点，且功耗更低。

目前关于智能楼宇监控系统的研究逐渐深入，室内环境监测除对室内温度、湿度及烟雾等监控外，空气质量指数也成为人们广泛关注的问题[8-10]。随着国家对节能减排的重视，智能楼宇能耗系统的监控也成为家庭电能消耗最优配置、探求有效电能节约途径的核心组成部分。此外，互联网远程控制使得楼宇控制系统更为方便快捷，是智能楼宇发展的重要方向[11]。

本文设计基于Arduino的智能楼宇物联网无线多传感器监控系统[12]，监控对象各传感器均采用模块化设计，并通过互联网实现对楼宇环境和设备的智能监控。主要分监测和控制两部分：通过无线数据传输方式对室内状况进行监测，如温度、湿度、PM2.5、烟雾、能耗等，在Web或微信端通过互联网查看实时数据和曲线，在超过用户定义的正常参数范围值时可通过微信、微博、短信等方式实现报警；同时还通过互联网实现对电器设备的远程控制，如控制照明设备、空气净化器、热水器等。

1 系统总体框架

智能楼宇监控系统主要由以太网数据交互模块、环境监测模块、能耗监测远程开关模块、烟雾检测模块等组成。系统框架如图1所示，系统的硬件电路与程序开发主要基于Arduino开源平台，在局域网内部各模块通过Xbee无线通信模块进行自组网及数据交互，Xbee通信采用API模式进行组网，环境监测模块终端、烟雾监测模块终端及能耗监测远程开关控制模块终端将数据信息发送给Xbee路由器，Xbee路由器再将信息传送给Xbee协调器；在局域网外部，协调器将数据信息通过W5100以太网模块传送给互联-LEWEI50物联网开放云平台，用户可通过互联网、微信获取传感器实时数据，还可通过微信、微博、短信等方式实现报警功能及远程开关控制功能。

2 硬件设计

各模块以Arduino Uno主控板为核心，Arduino采用开放源代码的软硬件平台，具有类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。模块通过Arduino主控板编写程序，通过Arduino Xbee扩展板连接Xbee pro S1无线模块进行无线数据交互。

2.1 环境监测模块

环境监测模块用于监测室内温度、湿度及空气质量。主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1无线模块、Arduino Xbee扩展板、温湿度传感器DHT22、空气颗粒物传感器GP2Y1051AU0F、带IIC接口的1602LCD显示屏组成，其结构图如图2所示。

温湿度传感器DHT22的温度量程为-40～80 ℃，分辨率为0.1 ℃，精度为±0.5 ℃；相对湿度量程为0%～99.9%，分辨率为0.1%，精度为±2%，该传感器读取时间间隔需大于2 s，其波特率为9 600 bit/s。空气颗粒物传感器GP2Y1051AU0F是夏普灰尘传感器，可测量0.8 μm以上的微小粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，通过探测空气中尘埃反射光来检测空气颗粒物质量，波特率为2 400 bit/s。

图1 系统整体框图

图2 环境监测模块结构图

图3 能耗监测远程开关控制模块结构图

2.2 能耗监测远程开关控制模块

能耗监测远程开关控制模块负责测量开关的电压、电流、功率及电量数据，并通过Arduino控制继电器实现对开关控制。主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1无线模块、Arduino Xbee扩展板、电量能耗传感器PZEM-004T、5 V光耦继电器、带IIC接口的1602LCD显示屏组成，其结构图如图3所示。

能耗传感器PZEM-004T，能监测电压、电流、功率、电量4个参数，工作电压范围80～260 V，最大电流为100 A，最大功率为22 kW，工作频率45～65 Hz，计量精度为1.0级，该传感器通过串口发送不同信号来读取相应的参数值，串口波特率为9 600 bit/s。光耦继电器为5V继电器，最大输出为：直流30 V/10 A，交流250 V/10 A。

2.3 烟雾监测模块

烟雾监测模块用于监测室内烟雾值，并通过蜂鸣器实现警报功能。主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1无线模块、Arduino Xbee扩展板、MQ-2烟雾传感器、有源蜂鸣器、带IIC接口的1602LCD显示屏组成，其结构图如图4所示。

烟雾传感器MQ-2属于二氧化物半导体气敏材料，对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，其检测可燃气体的烟雾范围是100～10 000 ppm。

图4 烟雾监测模块结构图

2.4 以太网Internet模块

以太网Internet模块通过Xbee协调器收发Xbee终端各传感器数据采集信号，并利用以太网模块W5100转发到LEWEI50云服务器数据库中，通过Internet可实现在线实时监控，主要由Arduino Uno主控板、Xbee pro S1无线模块、Arduino Xbee扩展板、W5100网络扩展模块组成，结构示意图如图5所示。

图5 以太网Internet模块结构图

2.5 自组网Xbee模块配置

Zigbee网络中包含有3种不同类型的基本节点：协调器、路由器和终端。本文通过Xbee模块进行Zigbee自组网，并采用API模式通信，所发送或接收的数据将封装成API帧格式，各Xbee终端通过固定的数据帧发送传感器数据给Xbee路由器或协调器，最终通过以太网将数据信息转送给服务器云平台，同时各Xbee终端也监听Xbee协调器来自服务器云平台的控制命令。通过XCTU软件对Xbee模块配置不同参数来定义Zigbee网络中的不同类型，并设置共同的PAN ID保证模块间的数据传输。

3 软件设计

系统软件设计主要由各无线终端模块、以太网数据模块、LEWEI50开放云平台设置3部分构成。分别完成各模块传感器的数据采集、局域网内部数据交互、数据云端服务器存储及控制命令发送等功能。

3.1 Xbee终端模块程序设计

Xbee终端模块程序主要分为传感器数据读取、Xbee数据发送与接收、LCD液晶显示等。针对环境监测模块、能耗监测远程开关控制模块进行程序设计，其流程图如图6、图7所示。需要指出的是，由于Xbee模块扩展板占用了Arduino Uno板默认串口通信端口D0和D1，若其他传感器还需串口通信，可利用Arduino软串口库 ＜ SoftwareSerial.h ＞任意定义D2～D7作为软串口的通信端口。本文中空气颗粒物传感器、电能能耗传感器均需定义软串口实现数据通信。程序流程图中设置看门狗定时器，以保证程序的非正常运行时进行系统自动复位。

图6 环境监测模块程序流程图

图7 能耗监测远程开关控制模块程序流程图

3.2 以太网数据模块程序设计

以太网Internet模块程序主要包括通过Xbee协调器对Xbee终端数据的接收与发送，以太网模块W5100数据上传与服务器控制命令的接收，其流程图如图8所示。以太网模块程序首先配置网络IP地址、DNS服务器等数据，再利用LEWEI50云平台TCP通信协议库函数 ＜ LeweiTcpClient.h ＞实现数据上传、远程开关的反向控制。

图8 以太网模块流程图

3.3 LEWEI50开放云平台设置

LEWEI50物联网开放平台为用户提供传感器云服务。用户根据Userkey、传感器标识，通过以太网模块实现对应标识的数据上传，最终实现Internet对传感器数据的实时采集；同时用户可自定义控制命令函数，通过云平台发送给Arduino以太网模块，再通过无线Xbee终端执行控制命令。此外，云平台可自定义各传感器数据正常值范围，若超出正常值范围时会通过微博、微信、短信等方式实现报警。

4 实验数据及功能测试

传感器数据信息可通过LCD液晶屏查看，同时也可通过LEWEI50物联网开放平台网页、微信客户端查看，用户可查看实时数据或数据曲线，如图9、10所示。当传感器超出正常范围时，会发送报警信号；用户可通过微信客户端进行远程开关控制。

图9 微信客户端实时数据

经30 d长时间验证测试，系统各模块工作正常，无线模块室内传输距离远、穿透性强（能穿透4～5堵墙），设备能长时间连续稳定工作。网页、微信客户端能实时读取传感器信号，在超出正常值范围时能通过网络报警，同时也能通过发送命令控制开关热水器、净化器、照明设备等。

5 结束语

本系统以Arduino主控板为核心，利用传感器、以太网模块、Xbee无线模块以及互联网平台LEWEI50 搭建了无线楼宇监控系统，实现了对楼宇常用数据的实时采集及上传、并且具有报警和远程开关控制功能。本系统利用Xbee无线模块进行数据交互，减小了采集布线对楼宇环境的影响，同时也实现了传感器探测的灵活性，利用LEWEI50物联网开放平台实现了对楼宇传感器的实时监测与智能控制，具有开发价值和实用性。

图10 LEWEI50云服务器数据曲线