探究建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

石洪巍

（中國聯(lián)通西安市分公司，陜西 西安 710065）

0 引言

在城市化建設(shè)背景下，我國逐漸開始建設(shè)智能建筑，其和傳統(tǒng)建筑相比，具有諸多優(yōu)勢，且經(jīng)濟(jì)效益可觀。最近幾年，隨著我國通信技術(shù)、控制技術(shù)、微計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，智能建筑技術(shù)也在不斷的進(jìn)步?，F(xiàn)階段，在建筑各樓宇自控子系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，可以完成遠(yuǎn)程控制和多個子系統(tǒng)操作任務(wù)。雖然智能建筑技術(shù)降低了建筑能耗，提升了樓宇智能化水平，但是仍然存在一些問題。無線網(wǎng)絡(luò)，具有節(jié)點(diǎn)部署方便、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)簡單、無需布線等優(yōu)勢，并且成本和功耗相對較低，因此，我們可以在建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中，對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而有效促進(jìn)智能建筑的長期穩(wěn)定發(fā)展。

1 建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用至建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中，促進(jìn)智能建筑無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展。智能建筑網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)用有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展通信工作，其綜合布線工作是十分復(fù)雜的，而且擴(kuò)展性不理想。在樓宇設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中的，運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)就可以解決有線網(wǎng)絡(luò)無法解決的問題，且無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在部署、維護(hù)等，均比有線網(wǎng)絡(luò)更簡單，因此可把該網(wǎng)絡(luò)更好運(yùn)用至智能建筑物內(nèi)。

伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用不斷加強(qiáng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智能建筑的發(fā)展提供了重要的保障，在技術(shù)方面的支持十分有力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也是未來建筑在發(fā)展中所要使用的創(chuàng)新型技術(shù)，該技術(shù)目前正在不斷優(yōu)化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種建筑設(shè)備組合成一個復(fù)雜的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成通信與計算相結(jié)合的復(fù)雜無線網(wǎng)絡(luò)。建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)可運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在建筑設(shè)備中運(yùn)用。建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由無線網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)組成。在功能上，通過物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)獲取建筑室內(nèi)二氧化碳和溫度的數(shù)據(jù)參數(shù)信息（這些信息是非常重要的），并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到管理控制中心和管理控制中心系統(tǒng)，由管理控制中心接收數(shù)據(jù)每個節(jié)點(diǎn)模塊，并以SQL數(shù)據(jù)庫的形式存儲數(shù)據(jù)。建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對建筑設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和管理，實(shí)現(xiàn)智能建筑節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)訪問。

通過無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，可以提供給建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)一個底層硬件平臺，在平臺中可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行控制命令，可以對有線通信面臨的問題進(jìn)行有效解決，可以對智能建筑技術(shù)發(fā)展需求進(jìn)行滿足。在建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中，對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用具備以下幾個優(yōu)點(diǎn)：第一，在建筑物初期設(shè)計、建造、使用時，通過無線網(wǎng)絡(luò)，可以避免復(fù)雜的綜合布線設(shè)計和繁瑣的布線施工，還可以對后期的維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行降低。第二，通過無線網(wǎng)絡(luò)，所有無限節(jié)點(diǎn)都可以在無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋區(qū)域中的任何一點(diǎn)，加入到網(wǎng)絡(luò)中，不會被有線網(wǎng)絡(luò)信息點(diǎn)位置固定的限制所束縛[1]。第三，如果利用有限通信網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槠淇蓴U(kuò)展性相對較差，建筑設(shè)計人員在設(shè)計工作中需要對建筑未來發(fā)展需求進(jìn)行全面考慮，需要對相應(yīng)的信息點(diǎn)進(jìn)行預(yù)留，致使建筑中存在大量利用率較低的信息點(diǎn)。在后期進(jìn)行使用時，如果需求超出了當(dāng)初的設(shè)計，便需要重新進(jìn)行布線。而通過無線網(wǎng)絡(luò)，可以有效減少或避免出現(xiàn)上述情況。第四，由于受到建筑自身功能與結(jié)構(gòu)的影響，一些部位無法進(jìn)行布線，利用無線網(wǎng)絡(luò)不會碰到該問題。第五，在建筑使用時，有可能出現(xiàn)調(diào)整功能區(qū)域，或者是出現(xiàn)自動化系統(tǒng)升級改造情況，這時如果利用的是有線網(wǎng)絡(luò)，需要對傳感器與執(zhí)行器位置進(jìn)行重新設(shè)施，需要消耗大量的人力和物理；而通過無線網(wǎng)絡(luò)，可以有效控制成本[2]。

2 建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中無線網(wǎng)絡(luò)的選型

在建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中，無線網(wǎng)絡(luò)屬于底層硬件平臺，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。因此，需要根據(jù)智能建筑的特點(diǎn)，挑選合適的無線網(wǎng)絡(luò)。在通信頻率方面，可以挑選433MHz，其具有較好的信號穿透性，不容易受到阻礙物影響，適合用再建筑中；并且成本相對較低，該頻段不需要申請ISM頻段，有助于推廣產(chǎn)品和降低成本，并且該技術(shù)利用的射頻芯片技術(shù)較為成熟，價格較為便宜，對于微處理器要求相對較低，而且該技術(shù)協(xié)議較為簡練，可以有效降低開發(fā)成本與時間；該通信頻率功耗也相對較低，傳輸速率是9600bps，在滿足應(yīng)用的基礎(chǔ)上，較低速率可以節(jié)能無限節(jié)點(diǎn)，其利用的無線射頻芯片采用的是低功耗技術(shù)，在空閑時可以進(jìn)入到睡眠模式；具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量，可以利用16位網(wǎng)絡(luò)地址，可以容納65536個無限節(jié)點(diǎn)，可以完全適用到智能建筑中[3]。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，可以挑選基于區(qū)域分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，以物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為核心，主要負(fù)責(zé)和維護(hù)無線網(wǎng)絡(luò)，并且擔(dān)當(dāng)所在區(qū)域的簇頭。中繼節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)路由服務(wù)，并且可以經(jīng)過一定算法當(dāng)選所在區(qū)域的簇頭；終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行控制命令。該無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其他相比，更加適用于智能建筑中，具有較高的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，且核心節(jié)點(diǎn)工作負(fù)擔(dān)較低、路由開銷相對較低，設(shè)計較為簡單。

3 建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 無線模塊節(jié)點(diǎn)設(shè)計

在建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中，無線收發(fā)芯片與微處理器組成了無線模塊節(jié)點(diǎn)，其中微處理器屬于核心部件，在對微處理器處理速度進(jìn)行選擇時需要結(jié)合無限階段的需求來進(jìn)行。通常情況下，微處理器低功耗都是經(jīng)過多種工作模式來實(shí)現(xiàn)的，我們可以利用軟件的方式，調(diào)整微處理器工作模式，進(jìn)而對功耗進(jìn)行降低。結(jié)合實(shí)際需求，在微處理器芯片設(shè)計方面，可以集成度合適的芯片，這樣不僅可以降低設(shè)計成本與難度，還可以對芯片設(shè)計周期與開發(fā)周期進(jìn)行縮短。在設(shè)計與選擇無線節(jié)點(diǎn)時，可以利用較高性能、成本較低、功耗較小的微處理器芯片，如ARMCortex-M4，其處理速度可以實(shí)現(xiàn)26MHz，閃存可以實(shí)現(xiàn)66K，SRAM內(nèi)存可以實(shí)現(xiàn)9K，該芯片中集成復(fù)位電路、RC振蕩器等功能。

此外，針對無線收發(fā)芯片，在設(shè)計時應(yīng)利用小體積、管腳數(shù)量較少的電路板芯片，這樣不僅可以節(jié)約空間，還可以保證芯片豐富的硬件功能，進(jìn)而有效提升無線網(wǎng)絡(luò)的安全性。在實(shí)際設(shè)計中，可以利用CC1200無線收發(fā)芯片，其功耗較小、成本較低，其可以實(shí)現(xiàn)在443MHz頻段工作，并且內(nèi)部集成了調(diào)至解調(diào)器與接受發(fā)射機(jī)等。

3.2 傳感器與執(zhí)行器模塊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

無線傳感器模塊節(jié)點(diǎn)，其主要是采集建筑內(nèi)部溫度與二氧化碳等環(huán)境信息數(shù)據(jù)，因此需要由相應(yīng)功能傳感器來完成采集不同信息數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)主要由無線節(jié)點(diǎn)模塊與傳感器組成，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)主要是控制建筑內(nèi)用電設(shè)備，其由無線模塊與執(zhí)行設(shè)備相互結(jié)合組成[4]。在傳感器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)軟件工作流程中，需要加電節(jié)點(diǎn)，初始化節(jié)點(diǎn)后，和無線網(wǎng)絡(luò)對接，在傳感器節(jié)點(diǎn)接入到網(wǎng)絡(luò)后，讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)值，并把采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行包裝，發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)在對數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收后進(jìn)行響應(yīng)，把回應(yīng)幀返回給傳感器節(jié)點(diǎn)，然后傳感器節(jié)點(diǎn)在確認(rèn)接收到回應(yīng)幀后，對數(shù)據(jù)包發(fā)送，發(fā)送成功便完成了一個周期工作。執(zhí)行節(jié)點(diǎn)工作原理主要是在加電后連接網(wǎng)絡(luò)，對控制命令的送達(dá)進(jìn)行等待，在對控制命令進(jìn)行接收后，對相應(yīng)操作進(jìn)行執(zhí)行，經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)船體，達(dá)到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，在完成命令后進(jìn)入到休眠狀態(tài)，對下一次控制命令進(jìn)行等待，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)喚醒。

4 結(jié)束語

總而言之，在新時代背景下，在建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中，進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)是非常重要的，不僅可以有效降低電力能耗和成本，還可以有效促進(jìn)建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?，F(xiàn)階段，由于受到多種因素的影響，建筑設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)還存在一些問題，嚴(yán)重阻礙了智能建筑的發(fā)展。因此，在實(shí)際工作中，我們需要給予無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)足夠的重視，并結(jié)合實(shí)際情況，通過科學(xué)合理的手段，挑選合適的無線通信頻率和無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)，對無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)而高效完成無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與集成，把其更好的應(yīng)用到實(shí)際中。