CN201732271U

CN201732271U - 楼宇环境监测装置

Info

Publication number: CN201732271U
Application number: CN2010201938098U
Authority: CN
Inventors: 俞立; 潘健勇; 董齐芬; 潘浩; 陆欢佳; 孟文超; 王铭
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2020-05-18

Abstract

一种楼宇环境监测装置，包括：用于提供各模块所需电源的供电单元；用以采集楼宇中各种环境信息的传感器模块；用于对采集的数据进行处理校正控制的数据处理控制模块；以及，用于将感知信息直接或通过具有无线收发功能的中转设备发送至远程楼宇控制中心的无线射频传输模块，所述供电单元与所述传感器模块、数据处理控制模块以及无线射频传输模块连接，所述传感器模块与所述数据处理控制模块连接，所述数据处理控制模块与所述无线射频传输模块连接。本实用新型提供一种低成本、低功耗、安装简单、操作方便的楼宇环境监测装置。

Description

楼宇环境监测装置

技术领域

本实用新型涉及智能楼宇环境监测领域，特别是涉及一种的低功耗、低成本的楼宇环境监测装置。

背景技术

据联合国环境规划署2007年的调查报告显示，楼宇中40％的能量用于楼宇内部的制热、制冷、照明和通风换气系统。合理的控制这些用电设备的工作状态可以有效的节约能量。但是其前提是要清楚地知道楼宇内部的环境信息，如室内的温度、相对湿度和光照强度等。布置有线传感器，固然能感知各个位置的环境状况，但需要在墙体间穿线，其综合布线的工程量大、成本高、时间长。资料显示，2002年，新建楼房的布线成本达15元/米，而对于已建成的楼房则需要49元/米。另外，对既有建筑进行综合布线还存在诸如损坏外观等其它难以解决的问题。无线的数据传输方式为楼宇的环境监测提供了一种更加便利、有效的解决方案。

不少科研机构及公司对此展开了研究并取得一定成果。专利CN200810043187.8在能耗监控中有较好的应用，但由于采用有线的方式，如需增加或撤销一个监测节点，布线改变较大，且监测数据单一。专利CN200810157939.3提出一种楼宇节电配电装置，但其控制电路复杂，一旦出现问题很难查找。而且只对电能进行本地控制，并没有考虑到实际环境中的其他因素，对环境数据缺少判断和利用。专利CN200910096610.5中运用传感器和控制器，对环境数据进行采集和处理，并采用无线方式进行数据通信。但只是应用于本地的数据管理，且没有完整的网络控制结构，数据管理分散。专利CN200820084116.8中，利用Zigbee协议对各个节点进行组网，控制室内的照明开关，从而达到节能的目的。但该方案没有综合考虑温度、湿度等环境信息，因而对像空调这样的大功率电器无法做到有效节能。

发明内容

为了克服现有的楼宇环境监测设备的成本高、功耗大、安装麻烦、操作繁琐的不足，本实用新型提供一种低成本、低功耗、安装简单、操作方便的楼宇环境监测装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种楼宇环境监测装置，包括：用于提供各模块所需电源的供电单元；用以采集楼宇中各种环境信息的传感器模块；用于对采集的数据进行处理校正控制的数据处理控制模块；以及，用于将感知信息直接或通过具有无线收发功能的中转设备发送至远程楼宇控制中心的无线射频传输模块；

所述供电单元与所述传感器模块、数据处理控制模块以及无线射频传输模块连接，所述传感器模块与所述数据处理控制模块连接，所述数据处理控制模块与所述无线射频传输模块连接。

进一步，所述传感器模块包括：温度数据采集子模块，湿度数据采集子模块，光照强度采集子模块，以及用于感知是否有行人出现在所监控区域的红外人体感知子模块。

再进一步，所述数据处理控制模块包括：用于控制数据存储的数据存储控制单元；用于控制各种传感器工作的传感器控制单元；以及，用于控制无线射频传输模块实现无线接收发生的通信控制单元。

本实用新型的有益效果为：1、低成本、低功耗、安装简单、操作方便；2、其综合考虑影响用电设备工作状态控制的环境因素，采集楼宇中多种环境信息，并以无线方式传输到控制中心进行综合管理，为日后的建筑节能提供参考。此外，本实用新型具有占用空间小、对建筑物无破坏性等特点。

附图说明

图1是本实用新型的微型楼宇环境监测装置的结构框图。

图2是本实用新型的温湿度数据采集的电路原理图。

图3是本实用新型的光照强度数据采集的电路原理图。

图4是本实用新型的红外人体感知数据采集的电路原理图。

图5是本使用新型的电源供电模块的电路原理图

图6是本实用新型的微控制器及其他外围电路原理图。

图7是本实用新型的无线射频模块与微控制器的连接图。

图8是本实用新型的楼宇环境监测仪软件流程图。

图9是本实用新型的初始化子程序流程图。

图10是本实用新型的无线射频收发子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1-图10，一种楼宇环境监测装置，实时采集楼宇环境数据并通过无线发送到控制中心，从而实现建筑能耗在线监测和动态分析，包括：提供各模块所需电源的供电单元；采集楼宇各种环境信息的传感器模块；对采集的数据进行处理校正控制的数据处理控制模块；无线射频传输模块，用于将感知信息直接或通过具有无线收发功能的中转设备发送至远程楼宇控制中心。所述传感器模块包括：温度数据采集子模块，湿度数据采集子模块，光照强度采集子模块，是否有行人出现在所监控的区域的红外人体感知子模块。所述数据处理控制模块包括：数据存储控制单元，用于控制数据存储；传感器控制单元，用于控制各种传感器工作；通信控制单元，用于控制无线射频传输模块实现无线接收发生。所述传感器模块连接数据处理控制模块，所述数据处理控制模块连接无线射频传输模块，所述传感器模块、数据处理控制模块和无线射频传输模块均与所述供电单元连接。

图1，传感器模块1负责采集楼宇环境信息，包括楼宇环境的温度、相对湿度和光照强度，还能感知周围环境中是否有人在活动。温湿度采集子模块采用Sensirion公司的SHT11芯片，光照强度采集子模块采用TAO公司的STL2550数字式传感器，人体红外感知子模块采用BISS0001红外热释电处理芯片。传感器模块能根据数据的变化情况对采集频率进行软更改，例如在数据变化幅度较明显时，通过软件更改采集模块的数据采集频率，加快数据的采集，从而较全地记录监测区域的变化情况。微处理器2采用ATMEL公司的Atmega128L微控制器芯片，其具有丰富的片上资源。ATmega128L有多种不同的电源工作模式，除正常操作模式外，还具有六种不同等级的低能耗操作模式。因此，该微控制器适合于本实用新型低能耗的需求。在采集频率较高时，采集的数据量大，为避免数据丢失，本实用新型采用外置一块的低能耗串行FLASH(AT45DB041)存储器芯片，用于存储采集的楼宇环境信息，其容量为512KB。在侦听到无线信道处于空闲，且存储的数据量达到一定程度时，就可以通过与微处理器相连的无线射频模块3以无线的方式直接或者经过具有无线收发功能的中转设备将采集数据发送到监控中心。无线射频模块3采用Chipcon公司的CC2420射频芯片，完成无线信号的接收和发送。

电源模块4：外部2节AA电池电源经NCP551SN3.3输出3.3V的稳定电压，供给传感器模块；经NCP1400ASN50T输出5V的稳定电压供给人体红外感知模块。本实用新型将微处理器的供电电源直接与电池连接，并设计了电池电压检测电路，一旦电池供电低于一定电压，就由控制模块通过无线射频模块发送低电警报到控制中心，提醒管理人员及时更换电池。

楼宇环境数据采集是由传感器模块的温度采集子模块、湿度采集子模块、光照强度采集子模块和红外人体感知子模块完成。传感器模块将数据传输给控制模块的微处理器进行处理。微处理器在没有工作指令时处于睡眠状态，以节省能耗，延长楼宇环境监测装置的工作寿命。在接收外部中断后，唤醒并进入到工作状态。然后判断中断源，若为无线接收中断，则接收控制中心或邻近节点发送的数据，执行相关指令。当定时器0中断触发工作，则唤醒传感器工作，测量楼宇环境数据，对采集的楼宇环境信息进行预处理，核对数据是否正常。若出现异常，数据控制模块通过无线射频模块发送报警信号到控制中心。

图2-图7是本实用新型的硬件电路原理图，其中：

图2-图4是传感器模块各个子模块的电路原理图，实现对监控区域环境数据的采集。

图2是本实用新型的温度、湿度数据采集电路原理图。本实用新型采用高精度、数字式的温湿度传感器SHT11。SHT11采用CMOSens TM技术，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上。其温度测量精度：±0.4℃(25℃)；相对湿度测量精度为+3％RH，且能耗低，待机电流只有0.3uA。SHT11是SMD 8引脚封装，其中5、6、7、8引脚为空引脚，不起任何作用。引脚1(GND)为接地引脚，引脚4(VCC)为电源引脚，工作电压为3.3V电源。在1，4引脚间接一100nf电容，以消除干扰，得到平稳的工作电源。引脚2(DATA)为指令和数据传输引脚，在引脚3(SCK)时钟信号输入引脚的配合下，可以实现对SHT11的读写操作。由于SHT11的通信协议类似于I2C总线协议，但与通用的I2C总线协议又不兼容，本实用新型通过微处理器的I/O口PF0、PF1共同来模拟SHT11启动、测量和数据读取的工作时序。

图3是本实用新型的光照强度数据采集的电路原理图。本实用新型采集光照强度单元选用TAOS公司的TSL2550-D型光照传感器，TSL2550是一个包含SMBus两线串行数字输出光传感器。它结合2个光电探测器和一个扩展的A/D转换器(ADC)以提供一个有效的12位动态范围的类似于人眼分辨的光测量。

TSL2550是为测量广泛的波长光源而设计。其中一个光电探测器(通道0)对可见光和红外光敏感，而第二个光电探测器(通道1)，主要对红外光敏感。集成的ADC将光电探测器电流转换为通道0和通道1的数字输出。通道1的数字输出对环境光线的红外部分对通道0数字输出的影响进行补偿。

微处理器通过I2C总线协议跟TSL2550通信。采集光照强度时，微处理器发送指令启动器件，进入工作状态，读取通道0测量数据后，间隔400ms读取通道1的测量数据。两个通道采集数据的转换公式：

ADC的计数值＝(INT(16.5*((2^c-1)))+(S*(2^c)))

其中 C＝CHORD NUMBER且C∈[0，7]的整数，S＝STEP NUMBER，S∈[0，15]的整数。

根据ADC转换得到的两个通道数据，计算实际可感知的光照强度，其公式为：

L = (Ch 0 - Ch 1) * 0.39 * e^{- (- 0.181 R^{2})}

其中R＝Ch1/(Ch0-Ch1)，L为光照强度，单位为Lux。

在读取正确的测量数据后，发送指令关闭TSL2550，节省电池电能的消耗。

图4是本实用新型的红外人体感知数据采集的电路原理图。本实用新型采用的是被动式红外感应探头RE200B，在红外探头外加一个菲尼尔透镜，过滤非人体发射的红外信号，得到所需频率的红外感知信号，增加了其感应人体的灵敏性和感应距离。所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外感应的特点是能够响应进入者在所感应区域内移动时所引起的红外辐射变化，从而能使监控感应器产生感应信号，完成感知是否有人出现在监控诊断区域。

当人体辐射的红外线通过菲尼尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C10、R16、C15、R21组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱(通常仅有1mV左右)，而且是一个变化的信号，同时菲尼尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式(脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1～10Hz左右)，所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。

本实用新型中应用红外专用芯片BISS0001，其对电压的要求高，由于处理的人体信号较微弱，其本身抗干扰能力不强，在外围电源输入端加了C13电解电容和C12无极性电容，并对硬件电路布线进行改进，得到稳定的电源输入。处理红外信号的比较、放大和电压信号的最终输出，经过数据处理单元控制电器开关动作。引脚9(Vc)为触发禁止端。当Vc＞VR时允许触发其工作(VR≈0.2VDD)。

本实用新型是通过微处理器来控制电源的方式来控制整个红外感知模块的开启与关闭。SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，红外开关处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，红外开关则处于不可重复触发工作方式。

图5是本使用新型的电源供电模块的电路原理图。所述电源模块分两个部分，第一部分是供传感器模块、控制器模块和无线射频模块的3.3V电源模块；第二部分为供给人体感知模块的5V电源，电源采用2节干电池供电。第一部分电源从电源芯片NCP551SN3.3的引脚1(Vin)输入，引脚3(Enable芯片使能)引脚电平变高(或悬空)，NCP551SN3.3开始工作，引脚5(Vout)输出VCC＝3.3V的电压供所述传感器模块、数据控制模块、无线射频模块等使用。在传感器不工作时候，拉低电源芯片引脚3(Enable芯片使能)引脚，关闭电源，减少节点本身能耗，延长电池工作寿命。第二部分供人体红外识别的电源经电源芯片NCP1400ASN50TI的引脚5(LX)输入，LX为外部电感连接引脚，接至电源开关的漏极。引脚1(CE)为芯片使能引脚，当外加电压大于0.9V，芯片即被使能；如外加电压小于0.3V时候，则禁止工作；悬空则使能芯片工作。引脚2(OUT)为电源器件的电压输出监控端，输出供给红外人体识别模块；引脚3(NC)为空引脚；引脚4(GND)为接地端。电源芯片NCP551SN3.3、NCP1400ASN50T外围电路简单，开关频率高、输出稳定且功耗较低，减少了节点本身的能耗。

图6是本实用新型的微控制器及其他外围电路原理图。微处理器采用ATMEL公司的Atmega128L微控制器芯片，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器(Flash)，4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM，并且带有丰富的外设资源包括ADC模块，PWM模块等片上资源。ATmega128L可在多种不同模式下工作，除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低能耗操作模式，该微控制器适合于本实用新型低能耗的需求。

所述外围电路包括：5：电源电压检测电路；6：分压式电压检测；7：JTAG接口电路；8：LED指示灯；9：晶振电路；10：外扩FLASH。

(5)电源电压检测电路：通过将内部的参考电压Vref与一个稳定的电平(绝对电压值不变)Va比较，从而确定Vref的变化情况。只要内部参考电压Vref与电池电压同步变化，就能够通过Vref的变化获得电池的供电电流，从而确定电池的储能。LM4041是稳压二极管，当其反向电流在60uA-12mA之间，反向电压会稳定在1.2V。

(6)电阻分压电路：配合电源电压检测电路，使电源的检查更准确。

(7)JTAG接口电路：用于调试所述微处理器芯片，并对微处理器的Flash进行编程。

(8)LED指示灯：用于表明节点处于什么工作状态，同时对电池低电压的报警指示。

(9)晶振电路：由两个晶体振荡器组成，第一晶体振荡器的频率为32.768KHz，为所述微处理器在睡眠状态下的定时器0提供实时时钟；第二振荡器的频率为7.3728MHz，为工作状态下的微处理器提供实时时钟。

(10)外扩Flash：通过微处理器的串口0来对Flash进行操作，对采集来的数据进行存储。

图7是本实用新型的无线射频模块与微控制器的连接图。所述无线射频模块集成了ZigBee射频芯片CC2420。CC2420射频芯片工作频带范围：2.400～2.4835GHz；采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；数据速率达250kbps码片速率达2Mchip/s；采用O-QPSK调制方式；超低电流消耗(RX：19.7mA，TX：17.4mA)高接收灵敏度(-94dBm)，在空闲模式时与关机模式下，可以节省电池能耗；抗邻频道干扰能力强(39dB)；内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器采用低电压供电(2.1～3.6V)；输出功率编程可控；IEEE802.15.4MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR，CBC-MAC，CCM)；射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50Ω，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。

微处理器控制模块通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置CC2420芯片的工作模式，并实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FOFI管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。

另外，通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计，通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚相连来实现系统射频功能的控制与管理。

图8-图10是本实用新型的程序流程图。其中：

图8是本实用新型的楼宇环境监测装置软件流程图。

软件的总体结构包括：

定时器0中断服务程序。定时时间为5min，实现定时分类数据采集，及其电源电压的采样。

外部中断5服务程序。当射频通信模块接收到数据时，唤醒睡眠中的微处理器。

主程序。系统初始化结束后，微处理器进入睡眠模式，直至发生定时器0中断或外部中断源5中断时，微处理器被唤醒，然后做出相应的处理：

若是定时器0中断，则a.首先判断电池电压是否低，若是则需要发出报警信号到控制中心，提示及时更换电池。b.使能各个传感器，使其进入工作状态采集各个分类数据，然后经过微处理器判断光照强度是否足够，若是，则不开启红外人体感知模块，否则开启。然后将分类数据无线发送给具有相同无线射频模块的中转设备或直接发送给具有相同无线射频模块且还包括网络功能的控制中心设备。

若是外部中断源5中断，即无线接收到控制中心发出的需要采集分类信号的命令，则唤醒微处理器，执行相关命令操作，将采集的数据返回控制中心。

处理完成后微处理器继续进入睡眠模式，等待下一次中断唤醒。这样可以极大的降低能耗。

图9是本实用新型的初始化子程序流程图。其中包括

所述微处理器的定时器0、外部中断、外部Flash、SPI模块、IO端口以及所述射频传输模块的初始化，还有传感器模块的初始化。

设置射频传输模块进入接收模式。

开启定时器0中断、外部中断源5中断以及全局中断允许。

图10是本实用新型的无线射频收发子程序流程图。

在执行STXON命令后，节点首先检测信道是否空闲，当CC2420正在发送TXFIFO中的数据时，SFD会变高，这时不允许执行写TXFIFO操作。如果当前允许通信，CC2420首先发送帧引导序列和帧起始定界符(SFD)，然后自动发送TXFIFO中所有数据。当发送完成后，自动将刚才发送的数据包按原来的顺序重新填入TXFIFO。所以，如果下次需要发送相同数据，则不需再次通过SPI写入数据。

与数据发送类似，执行SRXON后，节点检测是否正在接收数据，如果空闲，CC2420进入接收状态，如果发现符合设定格式的数据，则自动填充至RXFIFO，同时在芯片的FIFO，FIFOP，CCA，SFD等引脚上产生相应的状态信息，其信息如表1所示。当FIFOP＝1，FIFO＝1时，表示收到一帧数据，这时微控制器可以读取RXFIFO中的数据。读取时，先选通RXFIFO寄存器地址，然后通过SPI接收指定寄存器数据。只要读取过RXFIFO，则FIFOP立刻被清0，当所有数据都被读出后，FIFO清0。

表1.CC2420返回的状态字

位	名称	描述
			6	XOSC16M_STABLE	指示16MHz振荡器是否运行0：没有运行；1：正在运行
5	TX_UNDERFLOW	指示FIFO在发送期间是否下溢出(为空)，必须使用选通命令SFLUSHTX清0。0：没有溢出；1：发生溢出
			3	TX_ACTIVE	指出RF发送是否有效0：RF发送空闲；1：RF正在传输
1	RSSI_VALID	指出RSSI值是否有效0：RSSI值无效；1：RSSI值有效；

如果CC 2420处于写入地址或写TXFIFO阶段，则在其SI上每收到一个字节的数据，就在其SO上同步输出一个字节的状态信息，如表1所示。该字节表示了当前CC2420的状态，包括CC2420内部振荡器是否已经稳定，射频收发器是否繁忙，缓冲是否发生下溢，RSSI是否有效等信息。用户可以通过查看该字节来监测CC2420的状态以及信道的信息。

Claims

1.一种楼宇环境监测装置，其特征在于：所述楼宇环境监测装置包括：用于提供各模块所需电源的供电单元；用以采集楼宇中各种环境信息的传感器模块；用于对采集的数据进行处理校正控制的数据处理控制模块；以及，用于将感知信息直接或通过具有无线收发功能的中转设备发送至远程楼宇控制中心的无线射频传输模块；

2.如权利要求1所述的楼宇环境监测装置，其特征在于：所述传感器模块包括：温度数据采集子模块，湿度数据采集子模块，光照强度采集子模块，以及用于感知是否有行人出现在所监控区域的红外人体感知子模块。

3.如权利要求1或2所述的楼宇环境监测装置，其特征在于：所述数据处理控制模块包括：用于控制数据存储的数据存储控制单元；用于控制各种传感器工作的传感器控制单元；以及，用于控制无线射频传输模块实现无线接收发生的通信控制单元。