王慧嬌，邱 贊

(桂林電子科技大學 計算機與信息安全學院，廣西 桂林 541004)

基于6LoWPAN的智慧校園空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)設計

王慧嬌，邱 贊

(桂林電子科技大學 計算機與信息安全學院，廣西 桂林 541004)

針對總線制空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)存在布線施工成本高、聯(lián)網(wǎng)結構復雜、維護難度大等問題，設計了一種基于6LoWPAN的智慧校園空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng);首先給出了系統(tǒng)的整體功能及網(wǎng)絡架構；然后，給出了傳感器節(jié)點、系統(tǒng)核心模塊及網(wǎng)關節(jié)點的硬件設計；接下來對6LoWPAN協(xié)議及簡化進行了描述，給出了系統(tǒng)嵌入式軟件的設計；最后給出了相關的空調(diào)控制策略；測試和實驗結果表明，該空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)具有結構簡潔，擴展性高，實時在線響應，有效解決了校園空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)的信息互聯(lián)問題，利用云平臺智能管理達到節(jié)能減排目標。

空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)；IPv6；6LoWPAN；智慧校園

0 引言

隨著現(xiàn)代教育建設不斷前進，高校能耗逐年攀升，近年來的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，高校能耗已經(jīng)超過人均指標的數(shù)倍[1]。校園中大量空調(diào)的使用在帶來舒適性的同時，也加大了校園能耗。在智慧校園的發(fā)展中，出現(xiàn)了大量具有環(huán)保、智慧、節(jié)能的物聯(lián)網(wǎng)智慧應用[2-3]，如：校園智慧路燈、智慧教室等，其中智慧空調(diào)監(jiān)控更是其重要的應用之一。

目前常規(guī)的空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)主要采用CAN總線、BACnet總線、LonWorks總線等總線制網(wǎng)絡[4]，但采用總線制網(wǎng)絡存在著施工難度大，網(wǎng)絡結構復雜，擴展和維護困難，需要總線交換機、集線器等硬件的問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network，WSN)[5-7]具有價格低廉、結構緊湊、易于布置的優(yōu)點，非常適合校園空調(diào)監(jiān)控與控制。文獻[8]設計了基于ZigBee的智能中央空調(diào)無線監(jiān)控系統(tǒng)，文獻[9]設計了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，文獻[10]設計了一種在無線傳感網(wǎng)絡基礎上，引入WiFi和GSM網(wǎng)絡的智能空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)。

上述工作都實現(xiàn)了對設備的無線遠程監(jiān)控，但無法實現(xiàn)WSN和Internet的點對點的通信。針對其不足，同時為了更好達到降低校園能耗的要求以及擴充智慧校園應用，本文設計了一種基于6LoWPAN[11-13]的實時空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)。采用無線自組網(wǎng)的組網(wǎng)方式，可以彌補現(xiàn)有監(jiān)控方法的不足，同時也是物聯(lián)網(wǎng)應用的主要趨勢。

1 基于6LoWPAN的智慧校園空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)功能和網(wǎng)絡架構

1.1 系統(tǒng)功能

本文設計的空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對空調(diào)所在的環(huán)境條件如溫度、濕度、電能等信息的實時監(jiān)測與控制，主要功能如下：

1)空調(diào)所在環(huán)境信息的采集和傳輸?；?LoWPAN的空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)針對整個校園內(nèi)的空調(diào)運行情況進行監(jiān)測，實現(xiàn)空調(diào)運行監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測、環(huán)境濕度監(jiān)測、自主聯(lián)網(wǎng)等功能，最后通過IPv6網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)匯集到云端服務器完成統(tǒng)一的平臺管理。

2)空調(diào)消耗電能統(tǒng)計。本文設計的系統(tǒng)旨在從節(jié)能角度出發(fā)，對空調(diào)用電情況進行監(jiān)測，實現(xiàn)電能采集，網(wǎng)絡節(jié)點將數(shù)據(jù)匯集到云端服務器，達到消耗電能統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計可針對非正常用電的空調(diào)進行控制或進行故障查驗。

3)空調(diào)設備的控制。當環(huán)境信息和消耗電能信息被采集并傳輸?shù)皆贫朔掌骱?，在服務器中對其?shù)據(jù)進行分析和處理，當發(fā)現(xiàn)其值超過預設閥值時，可以通過網(wǎng)關節(jié)點對具有給定IP地址的節(jié)點發(fā)送控制命令，使其驅動設備開關，對空調(diào)進行控制。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)建立在IPv6網(wǎng)絡基礎之上，采用IPv6主干網(wǎng)和6LoWPAN無線網(wǎng)絡相結合的方式。IPv6解決了網(wǎng)絡地址資源數(shù)量問題，實現(xiàn)多種接入設備連入互聯(lián)網(wǎng)[14-15]。基于6LoWPAN的設備可以直接連接IPv6網(wǎng)絡，并且可以和其他IPv6的監(jiān)測設備無縫兼容并入校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，構建綜合用電管理為應用背景的智慧校園節(jié)能網(wǎng)絡。

智慧校園空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)在網(wǎng)絡架構上分為3個層次，由6LoWPAN網(wǎng)絡層、IPv6網(wǎng)絡傳輸層和云端網(wǎng)絡層組成。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構如圖1所示。

圖1 空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖

1)6LoWPAN網(wǎng)絡層由無線空調(diào)控制器作為傳感器節(jié)點構成無線自組網(wǎng)絡，負責實時數(shù)據(jù)的采集、收發(fā)和空調(diào)控制，該層由無線監(jiān)控節(jié)點和6LoWPAN網(wǎng)關構成，每個6LoWPAN網(wǎng)關設備負責管理一棟大樓或一片區(qū)域并把本區(qū)無線覆蓋所有的無線節(jié)點接入IPv6網(wǎng)絡，區(qū)域內(nèi)的無線節(jié)點以Mesh路由組網(wǎng)方式自動鏈接形成無線傳感網(wǎng)絡。

2)IPv6網(wǎng)絡傳輸層是IETF(互聯(lián)網(wǎng)工程任務組)設計的用于替代現(xiàn)行版本IP協(xié)議(IPv4)的下一代IP協(xié)議層，主要負責6LoWPAN網(wǎng)絡與云端服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸，它是空調(diào)監(jiān)控網(wǎng)絡的主干網(wǎng)。

3)云端服務網(wǎng)絡層主要承載數(shù)據(jù)服務器、智能管理服務器等云平臺服務程序載體，匯集各個校區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)并針對各種應用進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析與展示。系統(tǒng)通過基于6LoWPAN的空調(diào)監(jiān)控器構建校園無線空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)絡，實時獲取相關空調(diào)運行數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度，作為空調(diào)控制器啟停依據(jù)，同時通過采用無線路由的方式進行實時雙向通信并完成空調(diào)控制，從而改變了原有的人為自主的控制方式。

2 基于6LoWPAN的空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

2.1 無線空調(diào)主機監(jiān)控器

無線空調(diào)主機監(jiān)控器作為6LoWPAN網(wǎng)絡節(jié)點，即系統(tǒng)的測控布點設備，設備要完成空調(diào)運行狀態(tài)監(jiān)測、空調(diào)用電監(jiān)測、通斷控制、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度監(jiān)測以及無線聯(lián)網(wǎng)功能。本文設計的所有的6LoWPAN節(jié)點都是全功能無線節(jié)點，每個節(jié)點都能完成自身數(shù)據(jù)收發(fā)和其他節(jié)點的路由數(shù)據(jù)轉發(fā)。無線空調(diào)監(jiān)控器的電路結構如圖2所示。

圖2 監(jiān)控器的電路結構圖

為了提高監(jiān)控器電氣安全性，空調(diào)監(jiān)控器采用標準電能表布局設計。通過6LoWPAN核心板的SPI口連接CS5460采集芯片完成交流電壓、電流、電能測量功能；STM32系列處理器內(nèi)置了ADC口，可以直接測量溫度傳感器的變送電壓；空調(diào)電源控制電路選用磁保持繼電器，利用MCU的GPIO口驅動雙向推挽晶體管電路控制保持繼電器線圈瞬間通電方向控制繼電器的吸合，這種繼電器在通斷以后自動保持開關狀態(tài)，靜態(tài)保持不需要電流；這種設計降低控制器的自身運行功率，監(jiān)控器自身功率小于0.5 W，運行一年耗電小于3度。

2.2 基于6LoWPAN的核心模塊

空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的執(zhí)行設備是基于6LoWPAN來實現(xiàn)的實時空調(diào)監(jiān)控，由于校園空調(diào)種類繁多需要針對不同類型的空調(diào)設計相應的設備，因此所設計的空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)設備采用嵌入式模塊化設計思路，將6LoWPAN核心功能獨立設計，整合壓縮關鍵軟硬件構成通用嵌入式系統(tǒng)模塊。通過擴展不同的外部電路功能模塊完成針對獨立空調(diào)、中央空調(diào)等各種空調(diào)及供電回路監(jiān)測任務。圖3所示為基于6LoWPAN核心模塊電路結構圖。

圖3 基于6LoWPAN核心模塊電路結構圖

為了提高6LoWPAN核心模塊功能性和適應性， CPU選用Cortex-M3微處理器STM32系列，將FREERTOS實時操作系統(tǒng)和6LoWPAN協(xié)議軟件移植到STM32系列MCU上運行，編譯成核心模塊軟件庫方便設備開發(fā)，核心模塊硬件設計成郵票半孔核心板構成通用模塊，模塊內(nèi)部集成了RF、LCD顯示和CPU輔助電路，并設計預留多種擴展總線，通過核心模塊配合不同的底板形成各種基于6LoWPAN系統(tǒng)的空調(diào)監(jiān)控設備。

2.3 網(wǎng)關節(jié)點

6LoWPAN網(wǎng)關設備作為網(wǎng)絡中的AP接入點，負責把本區(qū)域內(nèi)所有的6LoWPAN節(jié)點接入IPv6網(wǎng)絡。一個無線分區(qū)負責一棟大樓接入任務，網(wǎng)絡設計容量需要超過上千節(jié)點，因此本文設計的網(wǎng)關采用基于4核處理器的Linux核心板用于處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和鏈接，通過外部數(shù)據(jù)總線鏈接多個無線收發(fā)器完成多個6LoWPAN無線AP接入點鏈接，多個收發(fā)器數(shù)據(jù)并行處理提高CPU利用率。通過主板自身的以太網(wǎng)口接入IPv6交換機。收發(fā)器直接采用6LoWPAN核心模塊設計，通過一塊配有總線驅動器和電源變送的底板將核心模塊做成6LoWPAN總線制收發(fā)器?？梢愿鶕?jù)應用需要通過總線添加收發(fā)器。網(wǎng)關可以隨交換機安裝于機柜或單獨安裝在合適的無線覆蓋位置，提供靈活安裝模式，模塊接口采用總線可以布線外掛，方便選取合適無線信號覆蓋AP接入點。

3 基于6LoWPAN的空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

3.1 6LoWPAN協(xié)議棧設計

本文根據(jù)6LoWPAN協(xié)議棧標準和需求劃分軟件層次，設計實現(xiàn)6LoWPAN協(xié)議棧軟件層，如圖4所示。物理層以IEEE 802.15.4為標準的無線收發(fā)器為基礎，增加收發(fā)器驅動和點對點無線連接控制完成了MAC層的設計?？照{(diào)監(jiān)控系統(tǒng)是樓宇組網(wǎng)，而IEEE 802.15.4標準通信是點對多點星形鏈接的無線網(wǎng)絡，因此在設計中增加了Mesh路由層解決IEEE802.15.4底層無線連接易受大樓墻壁等阻隔導致覆蓋范圍小的問題，對IEEE 802.15.4的MAC層進行簡化，實現(xiàn)無線組網(wǎng)多跳路由算法，采用非信標通信，提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)刷新率、組網(wǎng)容量及跨越樓內(nèi)障礙的能力，擴大無線覆蓋范圍。 IEEE 802.15.4的標準是運行在2.4 GHz頻段的無線頻段進行收發(fā)信息，使用頻段與Wi-Fi相同，為了擴大基于IEEE 802.15.4設備的傳輸距離，本文系統(tǒng)擴充了一個700～900 MHz頻段版本，將覆蓋范圍提高到500 m，并基于此設計驅動和接口。兩個頻段的使用可以實現(xiàn)大型樓宇無線覆蓋，減少了IPv6網(wǎng)關的安裝數(shù)量，提高了網(wǎng)絡鏈路可靠性。6LoWPAN層實現(xiàn)IPv6到無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)打包。IPv6層和應用層為應用程序實現(xiàn)了TCP和UDP接口程序，應用程序可以通過SOCK函數(shù)格式實現(xiàn)網(wǎng)絡連接。

圖4 6LoWPAN協(xié)議棧分層結構

3.2 軟件系統(tǒng)設計

空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)軟件由嵌入式軟件和上位機的云平臺軟件構成。嵌入式軟件是運行在M3處理器內(nèi)核上的基于MDK環(huán)境設計開發(fā)的軟件系統(tǒng)，并移植FREERTOS實時操作系統(tǒng)，將6LoWPAN協(xié)議軟件集成到實時操作系統(tǒng)中，嵌入式軟件多任務處理流程如圖5所示。

圖5 嵌入式軟件任務流程圖

嵌入式軟件以FREERTOS實時操作系統(tǒng)為內(nèi)核，將6LoWPAN協(xié)議棧、采集及控制運行在不同的進程中，每個進程相互獨立循環(huán)執(zhí)行，通過信號量和消息隊列完成采集控制進程和無線通信進程之間的通信和同步。通信進程將中心下發(fā)的控制參數(shù)指令通過消息隊列通知控制進程執(zhí)行輸出到外圍控制電路；采集進程完成一個采集流程時通過信號量喚醒控制進程，利用消息隊列將各個采集參數(shù)傳遞給通信進程等待中心查詢。

上位機的云平臺軟件針對校園空調(diào)系統(tǒng)多樣復雜的應用背景進行設計。辦公樓采用時間和環(huán)境溫度濕度管理；數(shù)據(jù)機房需要實時監(jiān)測空調(diào)運行根據(jù)季節(jié)調(diào)控恒定溫度確保中心設備正常運行；實驗室、教學樓根據(jù)房間內(nèi)人數(shù)和開門時間調(diào)節(jié)決定空調(diào)開機數(shù)量和時間等，因此本文空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)提出采用云平臺縱向綜合管理，區(qū)別于傳統(tǒng)系統(tǒng)分層管理控制。服務軟件采用B/S和C/S結合模式開發(fā)，所有的空調(diào)監(jiān)控節(jié)點都直接連接到云平臺的數(shù)據(jù)主服務器，各個部門通過分服務器或臺式機的管理程序連接主服務器。主服務器上有采用B/S架構的后臺管理程序，工作人員通過后臺程序的人機接口將空調(diào)分類建立檔案以及其他數(shù)據(jù)庫操作。各部門的管理程序采用C/S模式開發(fā)，針對本部門特點執(zhí)行相應管理辦法監(jiān)控所屬空調(diào)運行。當出現(xiàn)新部門或新管理需求時，通過增加新客戶端管理程序或修改相應部門管理程序軟件完成功能升級改進，避免對其他管理程序構成干擾。全校能耗數(shù)據(jù)和空調(diào)運行狀態(tài)能在主服務器完成統(tǒng)計分析生成報表，后勤維護部門根據(jù)平臺報表信息對空調(diào)進行維護保養(yǎng)，節(jié)能決策部門可以根據(jù)歷史報表調(diào)整相應節(jié)能管理辦法，這種縱向管理云平臺系統(tǒng)提高學校相關職能部門管理靈活性和工作效率。

4 空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)控制策略

在校園中運行本文設計的空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)，云平臺將采集到整個校園內(nèi)的空調(diào)所在的環(huán)境溫度、濕度、電能等信息，將其數(shù)據(jù)存儲在云平臺的數(shù)據(jù)主服務器中，用戶通過應用程序界面可以對校園內(nèi)某臺空調(diào)某時段的溫度、濕度和電能信息進行查看或手動控制，同時，系統(tǒng)也會根據(jù)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)控制策略進行自動調(diào)節(jié)。控制策略如表1所示。

表1 空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)控制策略

當空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)采集的信息超過了預設的閥值時，監(jiān)控界面會發(fā)出提示，并根據(jù)控制策略，自動地對相應IP地址的節(jié)點啟動電磁閥控制設備對空調(diào)運行情況進行調(diào)節(jié)，若是電能異常，并將提醒相關人員進一步對情況進行查驗排除異常。采用控制策略，系統(tǒng)將可以自動地進行調(diào)節(jié)，改變?nèi)藶樽灾鞯目刂品绞?，實現(xiàn)智能控制。

5 結論

基于6LoWPAN的智慧校園空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)校區(qū)空調(diào)縱向綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在學校安裝運行并取得了良好的應用效果，組網(wǎng)運行穩(wěn)定可靠，不僅實現(xiàn)了空調(diào)節(jié)能管理，又提供了空調(diào)運行信息為學校教學活動提供設備保障服務。系統(tǒng)基于IPv6的主干網(wǎng)框架下，IP容量較大能夠容納校園全部水電監(jiān)測設備，可應用于直接組建校級、省級甚至全國的多級節(jié)能云平臺，有利于構建全國的教育能耗智能評估系統(tǒng)。

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DesignofSmartCampusAirConditioningMonitoringSystemBasedon6LoWPAN

WangHuijiao,QiuZan

(SchoolofComputerandinformationsecurity,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)

Aiming at the problems of air conditioning monitoring system by the bus system, such as high cost of wiring construction, complex network structure, and difficult maintenance. In this paper, a design of smart campus air conditioning monitoring system based on 6LoWPAN is proposed. First of the paper, all function and the network architecture of the system are described. The second is talking about the hardware design of sensor nodes, gateway node and the system core module. The Next is describing simplify of 6LoWPAN protocol and proposing the design of the system embedded software. Finally, the relevant air-conditioning control strategy is introduced. Test and experimental results show that the advantages of air conditioning monitoring system are simple structure, high scalability and real-time response. It effectively solves the problem of connecting air conditioning with the Internet, and makes use of cloud platform for smart management to achieve the targets of energy saving and emission reducing.

air conditioning monitoring system; IPv6; 6LoWPAN; smart campus

2016-11-03；

2016-11-23。

賽爾網(wǎng)絡下一代互聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新項目(NGII20150602)。

王慧嬌(1976-)，女，遼寧鐵嶺人，副教授，碩士研究生導師，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡，嵌入式技術等方向的研究。

1671-4598(2017)04-0054-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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