智能楼宇室内环境综合监控系统技术报告.docx

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智能楼宇室内环境综合监控系统技术报告

智能楼宇室内环境综合监控系统

[摘要]本系统实现了一个现代智能建筑的综合监控和管理系统。

可用于图书馆、博物馆、高级商业点、大棚温室、实验室、机房等场所环境的智能化、自动化和远程控制。

整个系统以节能显著，智能火警、网络化，人性化管理为设计理念，提供了一套科学，经济，节能，高效的综合监控管理手段。

系统包括参数采集，数据处理，人机交互，控制输出，数据统计存储五大功能模块，涉及传感器电路设计与信号处理，多系统的通信与协调，上位机软件设计，PC机通信，红外信号的编码与解码，控制系统和策略等多个方面，提供了红外、键盘和PC机操作多种人机交互方式。

智能，可靠，操控方便，低能耗，可扩展性强，是本系统的最大特色。

[关键字]智能楼宇节能建筑环境监控分布式系统

一、设计思路及技术方案概要

1.设计背景

随着中国城市化进程的加快，我国的建筑业保持高速发展，但建筑耗能和节能减排的矛盾日益突出。

我国建筑耗能占全社会总能耗的比值接近50％，建筑物使用过程中的能耗占全社会总能耗的27.7％。

如果全国建筑全部达到国家规定的节能标准，则每年可节约几十亿吨标准煤，相当于每年可减少电力建设投资上万亿元，并减少排放空气污染。

随着国家建设资源节约型和环境友好型社会的推进，在国家政策扶持下，智能节能建筑的成本和效益日益浮现。

同时，各类使用者对建筑物的服务要求多样化与服务性能日趋提高，越来越重视生活条件与环境的舒适性、便捷性、安全性和管理组织的严密性等。

随着计算机技术、信息技术和控制技术的高速发展和广泛应用，智能控制技术取得了巨大的进展，智能楼宇综合管理系统逐渐成为智能大厦的技术核心。

它将建筑物内各弱电子系统集成在一个计算机网络平台上，从而实现子系统间信息、资源和任务共享。

它将为业主提供一个高效、便利、可靠的管理手段，给使用者提供全面、高质、安全、舒适的综合服务。

智能楼宇综合管理系统是以实现各专业子系统之间的信息资源的共享与管理、各子系统的互操作和快速响应与联动控制，以达到自动化监视与控制的目的。

它追求的目标是：

信息资源的共享与管理、提高工作效率和提供舒适的工作环境、采用“分散控制、集中管理”的模式，尽可能地减少管理人员和节约能源、能适应环境的变化和工作性质的多样化及复杂性和应付突发事件的发生。

因此，节能管理是建筑综合管理的重要内容，由于智能建筑的机电设备采用自动化监控方式，使智能建筑利用先进的综合节能技术成为可能，同时，节能也是建设智能建筑的主要目标之一，能节省运行和管理费用，是智能建筑高效率和回报率的具体体现；消防、安防设备的研究也是当前智能建筑的主要内容，如何提高火灾等消防安防设备的可靠性，避免漏报或误报，并准确定位事故地点，一直是研究的重难点；缺乏针对使用者与管理者的工作和生活便利考虑；缺乏以人机工效学对人机界面、机器与人的共享空间的设计；缺乏在智能化、数字化环境下对不同职能与层次人群的行为处理分析和对策，也是传统智能建筑不完善的地方。

电子技术、通信网络技术、智能控制技术、信息处理技术和综合管理技术等新技术的发展，为智能建筑的完善提供了解决方案。

当前的所谓智能建筑和节能技术实际上就是以上技术的综合应用和集成。

文献[2-4]详细剖析了智能建筑的系统结构特点，具体介绍了楼宇自动化系统、办公自动化系统、结构化综合布线系统、安保自动化系统的特点、结构和设计标准。

[5]根据智能建筑楼宇自控系统的内容，结合一具体工程实例，论述了楼宇自控系统设计的指导原则，阐述了楼宇自控系统的集成方式，提出智能建筑的楼宇自控系统应与办公自动化系统、通信自动化系统一体化实现。

文献[6]对智能建筑通信网络进行了详细的技术分析，给出了智能建筑通信网络系统基本方案，阐明了智能建筑通信网络的设计要求，并对智能建筑通信网络技术的发展作了进一步的论述。

[7]提出了一种无线式火灾警报器，该火灾报警器检测的是温度，当室温到达预警温度时就自动启动，并发射信号至警报主接收器，进而则触发导通警报声响，或更进一步利用继电器与外界警报铃连通，以提醒人们采取应急措施，防止火灾的扩大蔓延。

[8]提出了一种火灾的判别方法、火灾警报器及火灾接收机，检测的物理量是烟雾浓度，其将烟浓度数字化，再进行低通滤波处理，将进行处理后的滤波值与规定的阈值相比较而判别火灾。

当火灾烟雾浓度缓慢增加时，警报输出不会迟缓。

针对传统智能建筑中火灾报警系统功能简单、定位困难且存在误报和漏报的问题，[9]提出一种新的智能火灾报警系统设计，该设计采取基于网络的系统架构，使用智能决策算法，反应快捷，性能可靠，能较好地满足智能建筑对火灾防范的要求。

总体来讲，现有的火灾报警器，监测物理量单一，功能简单，定位困难且存在误报和漏报等问题，能够同时根据温度、烟雾、光强等综合判断、智能决策的报警器较少。

在工程设计中，照明系统设计有常规照明控制、楼宇自控"BA"监控照明、专业智能照明系统控制多种模式，将照明控制纳入整个楼宇自控系统之中是智能建筑的研究趋势。

智能照明控制系统，其实就是根据某一区域的功能、不同的时间段、室外光亮度或该区域的用途来自控制照明。

[11]主要探讨智能照明在现代搂宇中应用应该注意的几个问题。

[12]介绍了智能照明控制系统的特点，并以南京图书馆智能照明控制系统设计为例，详细介绍了图书馆智能照明控制系统的设计，进一步阐述了照明控制是实现照明节能的有效途径。

[13]以一医院的应用为例，介绍了楼宇自动化控制系统，中央空调与照明系统的控制过程与楼宇的节能管理三个方面的具体应用。

[14]对智能建筑节能方面存在的问题进行了分析，通过阐述智能建筑工程节能的特点，从空调设备、照明、玻璃幕墙、人才培养等方面提出解决建筑节能问题的办法。

建筑节能问题是当前建筑电气研究的一大热点，不断有新的节能方法、节能技术和节能设备被提出。

本设计仅仅在该方面做了一些简单有益的尝试。

智能楼宇系统内容相当广泛，包括到楼宇自控、安防系统、消防报警系统等20多个细分子系统，涉及到计算机技术、控制技术、通信技术、CRT图形显示技术以及建筑电气、机电设备各个领域.智能建筑技术是多学科的交叉和融汇，对设计者的专业技能要求是多层次、多方位的，强调理论与实践紧密结合，设计与技术紧密结合，如何将新技术应用到新的项目中去也变得越来越重要。

2.系统特点和先进性

智能楼宇室内环境综合节能监控系统将建筑物内各环境参数采集和控制子系统集成在一个计算机网络平台上，从而实现子系统间信息、资源和任务的共享。

它采用“分散控制、集中管理”的模式，追求的目标是：

信息资源的共享与管理、提高工作效率和提供舒适的工作环境、尽可能地减少管理人员和节约能源、能适应环境的变化和工作任务的多样化及复杂性，并能够应付突发事件的发生，给使用者提供

一个高效、便利、可靠的管理手段和全面、安全、舒适的综合服务。

本系统设计主要基于建筑物的节能、安全和智能化，顺应建设节能型和资源节约型社会的需要。

传统的建筑监控系统，控制器仅有主机一台，各种探测器独立工作，协调性和综合性差，适合于中、小型建筑。

本智能控制系统，采用多种模拟量探测器，控制系统采用主—从式网络结构，综合决策，适应性强，考虑了使用者与管理者工作和生活的便利，改善了传统建筑监控系统人机界面不友好，操控不方便的缺点，尤其适合大型建筑的环境监测和控制管理系统。

主要特点和技术进步如下：

1.节能理念先进：

系统对室内照明的调节，利用传感器采用优先自然光照，照明灯补充照明的方式。

在自然光照能满足用户设定照明要求时，关闭照明灯，通过控制采光天窗或门窗，控制室内光照。

当自然光不足时，再通过精确控制照明灯光强满足用户设定的室内光照强度。

照明光强可根据需要连续调节。

室内空气调节系统的控制采用本监控系统的检测器与空气调节装置自身的检测器配合的方式，可以使空气调节系统能耗降低，人的舒适程度增加，同时可以根据需要和实际环境情况扩展对空气调节装置的控制方式和功能。

2.火灾等报警系统智能化、可靠性高：

火灾的判据要求准确可靠。

现有的普通火警探测器监测量单一（感温、感烟、感光），存在误差和漏误判，本设计利用环境监控的其它探测器实现综合决策，综合温度、光强、烟雾的检测值，给出火灾的判据和动作，可靠性高，提高了智能建筑的安全性。

3.综合管理方式：

传统智能建筑监控系统缺乏在智能化、数字化环境下对不同职能与层次的人的行为的处理分析和对策，本系统采用区域控制和集中控制相结合的方式，控制手段多样，既有现场遥控手动控制方式，又可由远程网络中心集中控制，系统可工作在三种不同模式下以满足不同场合与不同人群的需要。

人机界面友好，使用者与管理者操作简单、方便。

整个系统由PC机用户软件，主监控系统，从监控系统组成。

主系统留有丰富的软硬件扩展接口和网络接口，无须任何升级，便可扩展新的从系统，从系统由各个数据采集模块和控制输出模块组成，各模块间独立性强，简单升级后就能实现对其它环境参数的监控，可扩展性强。

主系统适合于整个建筑的监控，从系统根据实际情况可用于各个房间或者某一楼层的监控。

为了配合硬件系统，我们为开发了一套功能强大的用户软件，所有监控目标的每一个参数都被实时的送到用户软件的显示界面上。

用户可一次性对一个或多个监控目标一年内或几年内的控制参数进行预设，系统会根据保存的文件自动在指定日期将指定控制参数载入指定控制目标，实现自动控制，管理灵活方便。

3.系统构成

本系统设计分为三大部分：

监控中心部分、上位机部分和下位机部分，如图1.1。

图1.1室内环境监控系统结构框图

1．监控中心部分：

由PC机实现，运行稳定，界面友好。

其接收下位机传来的各房间的环境参数，并显示或保存需要的数据，也可以将控制命令通过主机发送给各下位机，控制各个房间的环境变化。

2．上位机部分：

即主机。

上位机作为子系统的检测数据和控制中心控制命令的传输管理平台，应该运行速度快，稳定性好，I/O接口丰富，全双工的串行通讯。

3．下位机部分：

即从机。

下位机分为四个功能模块。

（1）数据采集模块对所在房间温度、湿度、光照、气体浓度等环境参数进行检测。

（2）控制命令执行模块根据监测数据和上位机传送过来的控制命令驱动执行机构，对环境状态进行调节。

（3）人机交互模块包括键盘输入模块、红外遥控模块、LED显示模块。

（4）通讯模块负责与上位机的数据交换和命令接收。

可由RS485或以太网实现。

二、方案设计与论证

主机和从机的选择有以下几种实现方案：

方案一：

采用PLC进行数据采集和控制。

PLC专为工业控制而设计，可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，编程简单。

由于PLC价格较高，数据采集和联网都需要特殊功能模块的支持，本系统工作环境不是很恶劣，故障后果也不是特别严重，对性价比要求较高，因此不选择此方案。

方案二：

采用51系列单片机实现本系统。

51单片机的优点是成本低，功能灵活，适于控制，开发资源丰富，可靠性和通用性好，设计开发容易。

方案三：

选用TI公司的超低功耗MSP430单片机作检测和控制核心。

MSP430抗干扰性好，工作可靠，集成了一系列外围设备，I/O口和硬件资源丰富，应用领域广泛。

MSP430具有5种低功耗模式，在保证系统工作效率的同时能使设备耗电最省。

其强大的16位RISC处理器、16位的寄存器，确保了最高指令执行效率；高精度的内部数控晶振使能CPU在1μs内从低功耗模式进入工作模式。

以上方案均可行，基于本系统要求性价比高，功耗低，节能显著，A/D和I/O口丰富，工作可靠等特点，因此本设计采用方案三来实现数据采集和控制。

图2.1MSP430系统能耗

三、硬件电路设计

3.1TIMSP430单片机系统模块

1.主机系统芯片MSP430F247

MSP430F247属MSP430F23x/24x

（1）/2410系列，是一款超低功耗MCU，具有丰富的系统资源，提供多种系统时钟选择（内部数控振荡器，外部晶振），集成两个16位定时器（比较与捕捉功能，PWM输出），1个比较器；4个串行通信USCI接口（支持波特率自动检测，IRDA编码解码，同步SPI，I2C）；48个I/O口（16个外部中断口）；32KB+256BFlashMemory，4KBRAM；完全满足主机系统设计要求。

2.从机系统芯片MSP430F2274

MSP430F2274属于MSP430x22xx系列。

是一款超低功耗的混合信号MCU，集成了两个16位计时器（比较与捕捉功能，PWM输出）；1个10位200-KspsA/D转换（16个采样通道，内部电压参考，采样保持，自动扫描，数据传输控制），1个串行通信USCI接口；2个通用运算放大器，32个I/O口（16个外部中断口）；32KB+256BFlashMemory，1KBRAM；系统资源虽不如MSP430F247丰富，但已经能够完全满足子系统监控的设计要求，且价格低廉，具有比MSP430F247更高的性价比，适于选作从机。

本系统通过分布在各房间或楼层的从机系统，获取各目标场所实时的环境数据，经由单片机MSP430F2274系统对采集数据进行处理，并发给上位机MSP430F247，各MSP430F2274从机系统根据实时采集数据和从PC机控制终端或红外遥控获取的预设控制参数进行一一对应的综合处理，运算出对应的控制命令，并驱动各环境状态调节装置（温度、光照、湿度等调节），同时将实时的环境参数数据送到LED显示模块和PC机控制终端上显示。

控制系统提供了三种工作模式，PC模式，RC模式，HC模式，也就是系统的控制权在PC机设置，遥控设置和用户实时命令间切换。

主从机系统的硬件结构如图3.1所示。

图3.1主从机系统硬件结构框图

为程序烧写和在线仿真方便，本设计自制了MSP430开发系统板，如图3.2。

该系统板功能强大，工作稳定、通用性好。

板上集成了J-TAG下载电路，只需一并口线就可实现程序烧写、在线仿真。

电源支持并口取电，也可使用外部电源。

配有标准的14口J-TAG口，不仅能对自己编程和仿真，同时能对其它任意一个型号的430单片机，进行编程、仿真，只需根据具体型号，通/断跳线，选择所需信号即可。

图3.2MSP430F247系统电路原理图

3.2环境参数采集模块

1.温度采集模块

HU-10S温度模块利用热敏电阻与温度的比例关系反映实际环境中的温度。

其温敏电阻阻值输出如下：

表3.1HU-10S的温度响应

温敏电阻与10K电阻串联，将被测量温度信号转换成AD能采集的电压信号输入MSP430F2274的A/D端口。

Vt=Vcc*（R/（R+R1））

Vt=为信号电压；R=温敏电阻阻值；R1=10K

温度采集的功能主要是用于控制加热器，例如电炉、取暖器，空调等，对于空调等自带温度采集功能的空气调节装置，采用本监控系统的温度检测器与空气调节装置自身的检测器配合的方式，可以使空气调节系统能耗降低，人的舒适程度增加，同时可以根据需要和实际环境情况扩展对空气调节装置的控制方式和功能。

温度采集的值传到监控中心，由监控中心进行处理并发出控制命令，由网络将命令传输到遥控等操作设备上控制空调等的工作，实现远程监控和自动控制。

2.湿度采集模块

HU-10S湿度模块是将湿度传感器的非线性电阻信号转换为线性电压信号输出。

便于AD采集，体积小，易安装，长期工作稳定性高，年漂移率小于1.5%，响应时间短，线性输出电压1-3V，满足430系统输入电压要求。

其测试参数如下：

表3.2HU-10S的湿度输出电压

图3.3HU-10S在25度时的响应曲线

湿度采集的功能主要是用于监控中心控制加湿器等空气调节设备。

3.光强采集模块

光强采集利用光敏电阻GL3516阻值与光强成线性关系的特性，将其与一定值电阻串联分压，从而将光强转换成MSP430的AD可直接采样的电压信号。

简单，可靠，成本低廉，灵敏度高。

表3.3光敏电阻GL3516输出特性表

规格

型号

最大电压（VDC）

最大功耗（mW）

环境温度（℃）

光谱峰值（nm）

亮电阻（10Lux）

（KΩ）

暗电阻（MΩ）

响应时间mS

照度电阻特性

上升

下降

Φ3系列

GL3516

100

50

-30～+70

540

5-10

0.6

30

30

2

本系统照明节能的理念先进：

系统对室内照明的调节，利用光强传感器采用优先自然光照，照明灯补充照明的方式。

在自然光照能满足用户设定照明要求时，关闭照明灯，通过控制采光天窗或门窗，控制室内光照。

当自然光不足时，通过精确控制室内照明灯的光强以满足用户设定的室内光照强度。

照明光强可根据需要进行连续调节。

4.烟雾检测模块

烟雾检测采用MC145010P独立式光电烟雾传感器，其体积小，便于安装，稳定性极好，性价比高，使用寿命长，耗电极微。

火灾初起的烟雾会积聚在室内天花板下，光电烟雾探测器能够实时监视探测烟雾的存在，每45s左右对环境进行周期性检测；报警器通过内部智能处理器感应离散光源、微小的烟粒和气雾来检测，一旦检测到烟雾，立刻通过一个内置的专用IC驱动电路和一个外部压电式换能器输出报警声，使人们及早得知火情，将火灾扑灭在萌芽状态。

根据具体应用环境的要求，也可把该烟雾检测模块换作MQ-2型气体敏感传感器，检测液化气，丁烷，丙烷，甲烷，酒精，氢气等危险气体的泄漏，只需电路设计时预留一通用接口即可。

表3.4MC145010P的输出参数表

火灾的判据要求准确可靠。

现有的普通火警探测器监测量单一（只能感温、或感烟、或感光），存在误差和漏误判，并且不能准确定位火灾事故点，本设计利用室内环境监控的其它探测器实现综合决策，综合温度、光强、烟雾的检测值，由监控中心根据综合决策给出火灾的判据和动作，可靠性高，提高了智能建筑的安全性。

3.3人机交互模块

1．红外遥控模块

图3.4红外遥控接收电路

遥控器使用方便，功能多，作单片机系统控制命令的输入，解决了常规矩阵键盘输入线路板过大、布线复杂、占用I／O口过多的弊病。

接收端电路只需一个一体化集成红外接收管，如果接收管信号弱，可加接三极管放大信号。

图3.5红外遥控发送电路

遥控器采用脉宽调制编码。

遥控器无键按下，红外发射二极管不发出信号，遥控接收头输出信号1。

有键按下时，0和1编码的高电平经遥控头倒相后输出信号0，引起单片机中断（单片机预先设定为下降沿产生中断）。

单片机在中断时关闭其中断功能，使用输入功能，通过软件延时或计时器判断高低电平时间，便可知接收到的是引导码还是0和1。

这里测的是高电平时间，如果计时值为4.5ms，接收到的是引导码；如果计时值等于1.12ms，接收到的是编码0；如果计时值等于2.25ms，接收到的是编码1。

在判断时间时，应考虑一定的误差值。

因为不同的遥控器由于晶振参数等原因，发射及接收到的时间也会有很小的误差。

2.LED显示模块

LCD具有最强的显示功能，然而可视距离有限，只有半米左右，成本较高，因此本设计使用4位LED数码管显示，显示内容有限，但足以满足要求，可视距离远可达5米左右，成本低。

图3.6LED显示效果

显示模块由四位数码管和74LS273锁存器，一片74LS139组成，8个数据信号，2根位选信号。

显示数据由P4口输出，位选信号由P5.1，P5.2输出。

工作时，位选信号通过139选中第一位数码管的273锁存，数据信号送上该位上要显示的数据，位选信号再切换到下一位数码管，依此重复4次，便能完成一次显示。

显示会在每次用户发出控制命令后显示系统对用户操作的响应，没有控制命令发出时，显示会自动显示选定房间的温度，湿度，光照三个环境参数数据。

图3.7LED显示电路

3.串口通信模块

PC机与247主机，247主机与各2274从机子系统间都使用RS—232串口通信。

波特律统一设置为9600，247和2274的系统时钟使用片内数控振荡器，频率1M，波特率时钟源选择MCLK，即BRCLK=MCLK=1MHZ。

波特率分频系数计算公式为：

N=fBRCLK/Baudrate

即N=1M/9600=104.16，分频寄存器分为整数和分数部分，其计算公式为：

整数部分：

UCBRx=INT（N）

分数部分：

UCBRSx=round（（N–INT（N））*8）

即UCBRx=INT（104.16）=104

UCBRSx=round（（104.16–104）*8）=1

波特率设置没有绝对正确值，这取决于波特率时钟与理想扫描时钟的时间误差累积。

公式仅作参考，用来大致确定寄存器的值的范围，具体值需要在调试过程中实验。

调试可使用串口调试助手，以能持续地正确传送数据为准。

下图是一常用频率下的波特率设置及其对应的收/发误码率。

图中带下划线的一行为我们所使用的波特率时钟和波特率。

4.以太网通信模块

本系统可以利用现在普遍连接的以太网进行数据传输和控制命令的传送，只需要配合现有建筑内的办公自动化系统或互联以太网网络的适配器即可，系统预留接口。

图3.8MSP430常用波特率设置及其误码率

图3.9串口通信电路

3.4控制输出模块

对温度和光照的控制是日常生活和工业控制中最常见的，建筑内的空调系统，采光系统，照明系统，都是这一类的控制。

本系统控制输出模块也分为温控和光控部分。

两部分各有特点。

图3.10控制模块电路

1．温度控制

采用白炽灯模拟温控调节装置。

单片机控制信号，经隔离和放大后驱动继电器输出。

图3.11温度控制模块

对于空调等自带温度采集功能的空气调节装置，采用本监控系统的温度检测器与空气调节装置自身的检测器配合的方式，可以使空气调节系统能耗降低，人的舒适程度增加，同时可以根据需要和实际环境情况扩展对空气调节装置的控制方式和功能。

温度采集的值传到监控中心，由监控中心进行处理并发出控制命令，由网络将命令传输到遥控等操作设备上控制空调等的工作，实现远程监控和自动控制。

2.采光和照明控制

在光照调节系统的设计中，为到达节能目的，采用自然采光和灯光照明两种方式相结合对光照强度进行精确控制。

系统对外界射入室内的自然光照采样，如果外界光照能满足室内照明需求，则关闭照明灯，打开采光天窗。

采光输出采用电机驱动模拟天窗来实现。

采光效果达到设定光照要求时，电机会自动停止。

天窗滑动槽两端装有红外对射管ST150作天窗位置检测。

如果自然光不能满足照明需求，再通过调节灯光亮度补偿。

图3.12采光装置

照明输出采用PWM方式对照明灯亮度进行微调控制，247的计时器模块具有PWM输出功能。

PWM信号从247的TA1，TA2口输出，经74LS244转换成5V信号，分别送到电机驱动芯片L298N的两个使能端，L298N的4个输入信号两两接在VCC和GND上，4个输出信号分别驱动两个照明灯炮并始终处于开启状态。

通过改变PWM信号的占空比，就可控制小灯亮暗。

图3.13照明精确控制电路

四、软件系统设计

4.1系统软件流程

系统的基本软件流程为：

首先，对各功能模块和控制参数进行初始化。

然后，主机向从机子系统发送数据采集命令，收到相应从机返馈回的数据后，判断该从机当前工作模式并将各从机的状态参数发送给PC控制终端，实时显示和保存数据。

从机根据采集参数和监控中心的命令，进行控制运算，根据控制命令执行控制输出。

图4.1系统软件流程图

4.2系统工作频率

系统设计并不要求CPU进行大量数据处理和运算，使用1M的片内数控振荡器作为系统时钟已经能够满足系统实时响应的要求。

系统时钟设置如下：

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//关看门狗

BCSCTL1=CALBC1_1MHZ;//设定DCO为1MHZ

DCOCTLCALBC1_1MHZ;