傳感器技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用設(shè)計(jì)研究

郭婺

摘要：智能建筑是當(dāng)今智慧生活的重要組成部分之一，隨著生活質(zhì)量要求的不斷提高與需求的日益豐富，傳感器技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用無(wú)疑發(fā)揮著更加重要的作用。本研究針對(duì)智能建筑重點(diǎn)技術(shù)需求，將以典型的傳感技術(shù)為主要手段，并通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)，對(duì)建筑內(nèi)人員信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析樓內(nèi)人員密度，并對(duì)建筑內(nèi)溫濕度和空氣質(zhì)量等環(huán)境變量實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能監(jiān)控，保護(hù)人員安全及生活質(zhì)量，方便管理人員設(shè)定數(shù)值與日常維護(hù)。本設(shè)計(jì)方案的提出能夠有效地提升現(xiàn)代建筑的智能化水平，便于推廣應(yīng)用，為傳感技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)研究提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：傳感器;智能建筑;射頻識(shí)別

中圖分類號(hào)：U24?????????????????????????????????????????? ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我國(guó)的智能建筑自20世紀(jì)90年代開(kāi)始已發(fā)展多年，人們對(duì)智能建筑的認(rèn)識(shí)也在逐步加深?，F(xiàn)在，智能建筑業(yè)已成為大型建筑、商業(yè)建筑、各種公共建筑，甚至住宅領(lǐng)域向著改善建筑功能發(fā)展的理想目標(biāo)[ 1-2 ]。目前，我國(guó)的智能化建筑已進(jìn)入規(guī)模化，市場(chǎng)和技術(shù)也比較成熟。我國(guó)智能建筑行業(yè)有2000多家系統(tǒng)集成商，智能工程總產(chǎn)量基本占全球的一半。但較高層次的智能建筑大多集中在大型公共建筑（包括辦公樓）和商業(yè)建筑;住宅建筑的智能化程度較低[3-7] 。因此，本設(shè)計(jì)將應(yīng)用典型成熟傳感技術(shù)，結(jié)合射頻識(shí)別技術(shù)，對(duì)人員密集多樣的公共與住宅建筑展開(kāi)智能化應(yīng)用設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)方案的選擇與確定

1.1 控制方案的確定

本設(shè)計(jì)方案旨在實(shí)現(xiàn)智能建筑的即刻信息追蹤統(tǒng)計(jì)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，管理人員可通過(guò) RFID 射頻識(shí)別進(jìn)行管理，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)。本設(shè)計(jì)是由 STM32單片機(jī)核心電路、紅外傳感器、DHT11溫濕度傳感模塊、MQ-135空氣質(zhì)量傳感模塊、RFID 射頻識(shí)別模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、LM-2596穩(wěn)壓電路、HC-12無(wú)線遙控模塊、OLED 顯示模塊和電源電路等功能模塊組成。

1.2 單片機(jī)芯片的選擇

隨著技術(shù)進(jìn)步以及單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，銷售市場(chǎng)上的wifi網(wǎng)絡(luò)收發(fā)芯片種類也越來(lái)越復(fù)雜。因此，在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中必須選擇合適的收發(fā)器芯片。只有選擇合適的收發(fā)芯片，才能保證電路質(zhì)量和工作效率，節(jié)約成本。因此，在進(jìn)行單片機(jī)設(shè)計(jì)選擇時(shí)，一定要有專業(yè)參數(shù)與應(yīng)用要求作為參考，綜合考慮實(shí)際情況，以下兩個(gè)方面應(yīng)該是重點(diǎn)參考：

（1 ）要充分考慮編寫程序是否相對(duì)方便;

（2 ）考慮功能損耗和傳輸輸出功率，建立的電源電路要穩(wěn)定。

根據(jù)以上要求現(xiàn)提出如下3 種方案，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

方案一：計(jì)劃采用的主要控制芯片控制模塊為51系列芯片。51微控制器是一款高度集成且具有成本效益的芯片，51系列產(chǎn)品集成在單晶硅中占有舉足輕重的地位。? On-chip 是在微小的芯片單元上制作一個(gè)功能完善的電子單片機(jī)，其性價(jià)和功能是大部分用戶可以接受的，并且開(kāi)發(fā)便捷，目前在使用中性能部分獲得了良好的商業(yè)評(píng)價(jià)。

方案二：MSP430系列單片機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)品是向市面上推廣的一種較低功率損耗的，且含有簡(jiǎn)單指令集合的綜合信號(hào)分析器件。之所以將 MSP430稱之為最小的數(shù)字電路模塊和含有各種性能的處理系統(tǒng)，是由于 MSP430系列產(chǎn)品的部分產(chǎn)品存儲(chǔ)速度快，在設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用、調(diào)整組裝、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用層面等多個(gè)方面具有諸多優(yōu)勢(shì)。此外，它還具有解決問(wèn)題工作能力強(qiáng)、處理速度快、成本極低、運(yùn)行記憶豐富多彩等特點(diǎn)。

方案三：STM32系列微控制器功能強(qiáng)大且價(jià)格低廉，是專為嵌入式開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的芯片內(nèi)核，使用率高。它還擁有最好的外部設(shè)備：1μs 雙十二位 ADC、4 Mbit/sec UART、18 Mbit/sec SPI 等，出色的集成度、良好的實(shí)時(shí)性能和便于控制的小規(guī)模操作特點(diǎn)，以上的諸多優(yōu)點(diǎn)使其被廣大用戶所接受。

通過(guò)以上分析，選擇方案三為最終設(shè)計(jì)方案。

1.3 無(wú)線遙控模塊的選擇

根據(jù)具體要求現(xiàn)提出如下5 種方案，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

方案一：紅外遙感技術(shù)有許多的優(yōu)點(diǎn)，編碼簡(jiǎn)單、解碼容易、多路控制。但是障礙物會(huì)影響到遙控距離，喪失了遙測(cè)的實(shí)用性與可控性。

方案二：無(wú)線通信遙控器的工作原理是當(dāng)遙控接收機(jī)設(shè)備接收到指令輸出信號(hào)后，就可以進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)用的操作，具體根據(jù)實(shí)際需求確定所需要的機(jī)器設(shè)備，比如電子設(shè)備、機(jī)械專業(yè)設(shè)施等。之后，使用者根據(jù)實(shí)際需求實(shí)施每個(gè)需要的實(shí)際操作的具體內(nèi)容。這種無(wú)線遙控器在工業(yè)生產(chǎn)控制器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)等多個(gè)方向得到了廣泛應(yīng)用。遙控模塊有很多優(yōu)點(diǎn)，其最主要的優(yōu)點(diǎn)是電源電路可以自由連接在一起，且沒(méi)有間隙。其體積非常小且具有成本效益，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)大多數(shù)設(shè)計(jì)基本要求。但是要求專業(yè)人員具有較強(qiáng)的專業(yè)能力，能夠?qū)﹄娐穲D具有較深的理解和認(rèn)識(shí)。而無(wú)線通訊遙控器推送的信號(hào)不具體，無(wú)法近距離控制。需要注意的是，無(wú)線通信遙控器非常容易受到干擾信號(hào)的影響。如果必須有一定的穿透距離，或者沒(méi)有位置控制，比如工業(yè)生產(chǎn)控制，無(wú)線通訊遙控器是解決困難的最佳選擇。

方案三：使用 WIFI 模塊無(wú)線傳輸系統(tǒng)。

方案四：BT- HC05模塊用于無(wú)線傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)。它是一款高性能藍(lán)牙串行模塊，模塊與單片機(jī)系統(tǒng)兼容，其數(shù)據(jù)傳輸安全性非常高。F9EA96CB-C49B-43E3-A9E7-5A009FAD84C1

方案五：HC-12無(wú)線串口通訊模塊。模組內(nèi)含有天線焊接孔 ANT2，方便客戶焊接彈簧天線，客戶可以根據(jù)應(yīng)用規(guī)定選擇任意一種常用天線。

通過(guò)以上分析，選擇方案四為最終設(shè)計(jì)方案。

1.4 顯示方案的選擇

根據(jù)具體要求現(xiàn)提出如下3 種方案，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

方案一：LED 數(shù)碼顯示器是最為常見(jiàn)的顯示屏，其更為適合日常生活。

方案二：LCD 液晶顯示器的功耗低，電源電壓不超過(guò) 5 V，小型設(shè)備利用其顯示效果較好。其占地面積小、體積小，故所制作成的設(shè)備體積較小。顯示器光線柔和，長(zhǎng)時(shí)間觀察液晶顯示屏不會(huì)對(duì)眼睛產(chǎn)生不良刺激。其可以容納顯示的信息比其他顯示屏更加豐富，且沒(méi)有輻射，對(duì)人體健康沒(méi)有不利影響。

方案三：OLED 顯示器具有輕薄、省電等特性，兼?zhèn)湓S多 LCD 的長(zhǎng)處與優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)以上分析，選擇方案三為最終設(shè)計(jì)方案。

1.5 溫濕度傳感器選型

溫濕度傳感器是一種能夠共同采集特定自然環(huán)境中的溫度和環(huán)境濕度數(shù)據(jù)信息的電子設(shè)備，用于確保所涉及的對(duì)象具有較高的性價(jià)比和優(yōu)良的檢測(cè)安全系數(shù)。如果要測(cè)試兩種自然環(huán)境數(shù)據(jù)信息并具有長(zhǎng)期的可靠性和更高的檢測(cè)范圍精度水平，那么溫濕度傳感器必須完成相關(guān)參數(shù)的精準(zhǔn)有效測(cè)量。

考慮到溫濕度傳感器的正常工作電壓為5 V，而 JCJ175A所使用的電源電壓卻遠(yuǎn)高于于此數(shù)值，如果選擇使用 JCJ175A，則還需要使用升壓裝置。因此， JCJ175A絕非本設(shè)計(jì)的最優(yōu)選擇。其余兩個(gè)溫度和濕度傳感器滿足電壓要求，因此可以將它們列入暫定的選擇范圍之內(nèi)，但是對(duì)于測(cè)量溫度范圍的準(zhǔn)確性，雖然 SHT11比 DHT11更為準(zhǔn)確，但是本設(shè)計(jì)需要的是同時(shí)能夠測(cè)得溫度和濕度數(shù)據(jù)的傳感器，不能單單只檢測(cè)獲得一個(gè)數(shù)據(jù)，而應(yīng)該將溫度和濕度結(jié)合起來(lái)綜合分析，最終選擇 DHT11作為溫度和濕度傳感器。

火焰?zhèn)鞲衅鬟x型根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)方案采用YL-38火焰?zhèn)鞲衅鳎蓽y(cè)試并報(bào)警760nm ～1 100 nm 技術(shù)范圍內(nèi)光波長(zhǎng)的火焰或光源。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 射頻模塊設(shè)計(jì)

RFID 是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，無(wú)需手動(dòng)控制識(shí)別工作。它由識(shí)別、解釋、數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)軟件組成。通信所需的頻率輻射動(dòng)能，一般適合長(zhǎng)期使用。在一定頻率條件下，有源電子標(biāo)簽可以完成較遠(yuǎn)距離讀寫的日常任務(wù)。

無(wú)源標(biāo)簽也稱為無(wú)源電子標(biāo)簽。收到讀卡器發(fā)出的微波加熱信號(hào)后，它可以將微波加熱能量的一部分轉(zhuǎn)換成直流穩(wěn)定電源，以保證自身正常工作。當(dāng)無(wú)源電子標(biāo)簽靠近讀卡器時(shí)，釋放集成 IC 中的數(shù)據(jù)信息。它具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在技術(shù)專業(yè)系統(tǒng)軟件中更加高效便捷，識(shí)別距離可達(dá)10 m 以上。與數(shù)字功放電子標(biāo)簽相比，無(wú)源電子標(biāo)簽只有一個(gè)集成芯片和一個(gè)專門封裝印刷的無(wú)線天線，因此其外觀更小巧精致，價(jià)格更具性價(jià)比，但其微波加熱傳輸距離相對(duì)有限。

2.2 煙霧與空氣質(zhì)量傳感器選取與設(shè)計(jì)

MQ135蒸汽傳感器對(duì)二氧化氮、硫氰酸鉀和苯蒸汽的縱橫比敏感，檢測(cè)煙霧等有害物質(zhì)時(shí)具有連接方便等優(yōu)點(diǎn)，故選其用作火焰報(bào)警主要模塊。

MQ135蒸汽傳感器中使用的氣敏材料，其在清潔空氣中的電導(dǎo)率很低。當(dāng)傳感器所屬的地理環(huán)境中存在空氣污染時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨著空氣中空氣污染蒸汽濃度的增加而增加。使用簡(jiǎn)單的電路，電導(dǎo)率的計(jì)算可以轉(zhuǎn)換成與蒸汽濃度值相匹配的輸出信號(hào)。 MQ135蒸汽傳感器對(duì)硫酸鹽和苯蒸汽高度敏感，也是檢測(cè)濃煙和其他有害物質(zhì)的理想選擇。

2.3 火焰?zhèn)鞲衅髂K設(shè)計(jì)

火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)火焰最敏感，當(dāng)自然環(huán)境火焰光譜儀或燈源未能達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，D0端口輸出上拉電阻。當(dāng)外界自然環(huán)境火焰光譜儀或燈源超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，模塊 D0輸出低頻。模塊數(shù)據(jù)輸出 D0可立即接 MCU 設(shè)計(jì)，可根據(jù)MCU 設(shè)計(jì)檢查高低工頻，以便檢查環(huán)境溫度的變化。小板模擬量輸出 A0可以和模塊 AD 相連。通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換，可以獲得環(huán)境火焰光譜更精準(zhǔn)的數(shù)值。

2.4 LM2596電源降壓調(diào)整器電路設(shè)計(jì)

LM2596系列產(chǎn)品電源開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是一款降壓電池管理芯片集成電路芯片，可輸出2 A工作電壓，另外具有很好的單調(diào)性。固定輸出版本有3.3 V、9 V、12 V，也有輸出可調(diào)版本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)發(fā)軟件環(huán)境

設(shè)計(jì)方案是使用keil MDK 手機(jī)軟件進(jìn)行程序流程的編程，它具有易于工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理等優(yōu)點(diǎn)。uVi? sion有四個(gè)版本：uVision2、uVision3、uVision4、uVi? sion5，現(xiàn)階段的新版本為 uVision5。它提供了一個(gè)自然環(huán)境，使開(kāi)發(fā)人員更容易完成實(shí)際操作。在實(shí)際應(yīng)用中，其編譯過(guò)程清晰明了，大致有以下幾個(gè)步驟：

（1 ）新建一個(gè)工程項(xiàng)目，選擇 STM32作為集成 IC 的總體目標(biāo)，設(shè)定工程項(xiàng)目的主要技術(shù)參數(shù);

（2 ）編寫 C 語(yǔ)言程序或選擇源代碼;

（3）編譯應(yīng)用軟件;

（4 ）源代碼中的錯(cuò)誤更改。

3.2 射頻識(shí)別模塊程序設(shè)計(jì)

打開(kāi)開(kāi)關(guān)電源，使各控制模塊逐漸進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，將 RFID 標(biāo)簽靠近讀寫器，寫卡器獲取識(shí)別信息，將信息發(fā)送給 STM32主板芯片。STM32主板芯片操縱集成 IC 芯片進(jìn)行基于串行通信的數(shù)據(jù)傳輸，讀卡器收集的數(shù)據(jù)和信息立即發(fā)送到終端設(shè)備。本設(shè)計(jì)方案的射頻識(shí)別技術(shù)控制模塊由進(jìn)屋刷卡時(shí)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和離家時(shí)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)兩部分組成。進(jìn)入樓內(nèi)刷卡系統(tǒng)，通過(guò) RFID 讀卡器刷卡，讀取卡的數(shù)據(jù)位，發(fā)送到總的控制系統(tǒng)，通過(guò) RFID 刷卡系統(tǒng)分析卡的數(shù)據(jù)位，通過(guò)總的控制系統(tǒng)，使串口屏顯示人員密度。F9EA96CB-C49B-43E3-A9E7-5A009FAD84C1

3.3 DHT11溫度傳感器模塊程序設(shè)計(jì)

當(dāng)發(fā)出一個(gè)漸進(jìn)信號(hào)后，傳感器可能會(huì)有工作方式的變化，即從信號(hào)的強(qiáng)弱判定工作的具體模式。服務(wù)器發(fā)送漸變信號(hào)后，溫濕度傳感器可以發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)信息。同一時(shí)刻，信號(hào)采集也在此時(shí)開(kāi)啟，此時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)可以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在此模式下，DHT11接收到一個(gè)漸進(jìn)信號(hào)以初始溫度和濕度作為數(shù)據(jù)收集起點(diǎn)，直至整個(gè)過(guò)程結(jié)束。當(dāng) DHT11尚未收到信號(hào)時(shí)，DHT11將不再持續(xù)收集數(shù)據(jù)并處于待機(jī)狀態(tài)。

服務(wù)器發(fā)出漸變信號(hào)后，經(jīng)過(guò)短暫的固有延時(shí)，加載溫濕度傳感器信號(hào)，服務(wù)器發(fā)出漸變信號(hào)后，可以切換到鍵控模式或輸出上拉電阻，系統(tǒng)總線由上拉電阻上拉。

3.4 空氣質(zhì)量檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

MQ135 蒸汽傳感器通常使用的氣敏材料是二氧化錫，它在清潔空氣中的電導(dǎo)率很低。當(dāng)傳感器所屬的地理環(huán)境中存在空氣污染蒸汽時(shí)，傳感器的導(dǎo)電性伴隨著空氣中空氣污染蒸汽濃度的增加而發(fā)生相應(yīng)變化。因此，應(yīng)用簡(jiǎn)單的電源電路與配套設(shè)施，就可以將電導(dǎo)率換算轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)蒸汽濃度值的輸出數(shù)據(jù)信號(hào)。MQ135 蒸汽傳感器對(duì)二氧化氮、硫酸鹽和苯蒸汽高度敏感，也是檢測(cè)濃煙和其他有害物質(zhì)的理想選擇。

3.5 HMI串口屏模塊程序設(shè)計(jì)

HMI手機(jī)軟件一般分為兩部分，即運(yùn)行在 HMI 硬件配置的系統(tǒng)和運(yùn)行在 PC 的 Windows 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)下的界面組態(tài)軟件。在應(yīng)用過(guò)程中，用戶必須先應(yīng)用 HMI 界面組態(tài)軟件，根據(jù)PC的系列參數(shù)和HMI產(chǎn)品對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。而對(duì)應(yīng)的編譯好的工程壓縮文件將通過(guò)線通訊口下載到人機(jī)界面的CPU中運(yùn)行并完成。

4 結(jié)論

在本設(shè)計(jì)過(guò)程中主要用到 STM32 主控制器、DHT11溫濕度傳感模塊、MQ-135空氣質(zhì)量傳感模塊、RFID 射頻識(shí)別模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、LM-2596 穩(wěn)壓電路、HC-12無(wú)線遙控模塊和OLED顯示模塊。在技術(shù)上完成了對(duì)建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集、傳輸和操控。通過(guò)本設(shè)計(jì)所采用的傳感技術(shù)與射頻技術(shù)手段對(duì)智能建筑的應(yīng)用研究，可有效提高建筑的智能化水平，且本設(shè)計(jì)方案可操作性強(qiáng)，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李碩，段羽. 智能建筑建造全過(guò)程 BIM 應(yīng)用發(fā)展研究[J].石河子科技，2021（3）：43-44.

[2]劉鵬躍，文麗麗.大數(shù)據(jù)背景下建筑設(shè)計(jì)的改變[J].智能建筑與智慧城市，2021（5）：82-83.

[3]陳永紅，趙家敏.智能建筑中的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)綜述[J].電子技術(shù)（上海），2021（5）：46-47.

[4]姜宏宇.高層建筑消防供電照明防火設(shè)計(jì)與研究[J].今日消防，2021，6（4）：32-33.

[5]陳宇翔.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑智能化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].湖北開(kāi)放職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2021（8）：120-122.

[6]羅威. 建筑工程中的智能建筑技術(shù)分析[J]. 四川水泥，2021（5）：220-221.

[7]吳浩.論新時(shí)代下建筑智能化工程項(xiàng)目管理[J].房地產(chǎn)世界，2021（9）：113-114.F9EA96CB-C49B-43E3-A9E7-5A009FAD84C1