周 電

(上海泰豪環(huán)境科技有限公司, 上海 200092)

0 引 言

傳統(tǒng)建筑空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)凈化系統(tǒng)在本地通信方面主要采用RS-485或ZigBee方式,實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備、凈化控制設(shè)備及管理服務(wù)器之間的通信。RS-485方式布線復(fù)雜,在設(shè)備數(shù)量多的情況下需要增加集中器設(shè)備,導(dǎo)致工程造價(jià)高,無(wú)法廣泛使用,而ZigBee傳輸?shù)木嚯x較短,穿透能力較差,數(shù)據(jù)傳輸可靠性大幅降低。因此,需要在建筑環(huán)境內(nèi)設(shè)計(jì)、安裝低成本、高精度的智慧空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)凈化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑內(nèi)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)凈化,最大限度降低空氣污染對(duì)人體健康造成的損害。

本文提出了基于LoRa(Long Range)技術(shù)的建筑空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)凈化系統(tǒng),通過(guò)建立的空間空氣質(zhì)量綜合指數(shù)模型和用戶偏好模型,實(shí)時(shí)計(jì)算出設(shè)備運(yùn)行策略,并對(duì)用戶反饋操作進(jìn)行修正。該系統(tǒng)不僅要考慮新建項(xiàng)目,還需要考慮既有項(xiàng)目的改造,因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入相關(guān)的技術(shù)作為支撐。

1 LoRa及物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

LoRa技術(shù)是美國(guó)Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案,目前主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行,包括433、868、915 MHz等。在實(shí)際應(yīng)用中,采用LoRa協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無(wú)線通信距離超過(guò)15 km(郊區(qū)環(huán)境),電池使用壽命可達(dá)10年以上,并且能夠?qū)?shù)百萬(wàn)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與LoRa技術(shù)網(wǎng)關(guān)連接起來(lái)。幾種無(wú)線通信方式對(duì)比如表1所示。

表1 幾種無(wú)線通信方式對(duì)比

從表1可以看出,LoRa通信方式在傳輸距離、傳輸速率、功耗等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)方案中選用LoRa無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸,解決小數(shù)據(jù)量在復(fù)雜環(huán)境中的超遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題。

LoRa無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括網(wǎng)關(guān)(或稱基站)、終端(可置LoRa模塊)、應(yīng)用服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。LoRa網(wǎng)絡(luò)組成示意圖如圖1所示。

圖1 LoRa網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中LoRa網(wǎng)關(guān)是透明傳輸?shù)闹欣^,連接后端中央服務(wù)器和終端設(shè)備。終端設(shè)備是單跳于一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信,而網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)間均是雙向通信。

LoRa的終端節(jié)點(diǎn)就是多合一環(huán)境傳感器,這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信與網(wǎng)關(guān)連接,再通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。在具體實(shí)現(xiàn)上,選取一款高性能LoRa通信模塊,集成在多合一環(huán)境傳感器中,實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境信息的集中傳輸。LoRa模塊與微控制器(MCU)之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)至無(wú)線信道的傳輸。LoRa模塊對(duì)外接口如圖2所示。

圖2 LoRa模塊對(duì)外接口

相比其他物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù),LoRa通信采用基于擴(kuò)頻技術(shù)的無(wú)線傳輸方案,具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低等特點(diǎn),適合于需要一定規(guī)模組網(wǎng)、數(shù)據(jù)量要求不大的應(yīng)用場(chǎng)合,非常適用于建筑空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),無(wú)需過(guò)多的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)成本,且能滿足智能化運(yùn)營(yíng)要求。

實(shí)踐發(fā)現(xiàn),LoRa技術(shù)應(yīng)用下網(wǎng)關(guān)設(shè)備可同時(shí)接收與處理多路信號(hào),網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)量相比其他傳統(tǒng)技術(shù)高出1個(gè)數(shù)量級(jí)以上,大大提高通信穩(wěn)定性。因此,LoRa技術(shù)的應(yīng)用不僅能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?同時(shí)還有高容量、低功耗等特點(diǎn),因此成為智能建筑系統(tǒng)中空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)凈化的技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LoRa技術(shù)的建筑空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)凈化系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集建筑內(nèi)實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)采集處理后的結(jié)果作為凈化設(shè)備的控制依據(jù)。空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括溫度、濕度、PM2.5、PM10和CO2,其中PM2.5和CO2數(shù)據(jù)是最重要的參考指標(biāo)。室內(nèi)空氣凈化設(shè)備根據(jù)室內(nèi)結(jié)構(gòu)、安裝空間等要求可選擇不同風(fēng)量的產(chǎn)品,可以支持幾百平方米的室內(nèi)空氣凈化。相對(duì)而言,室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)設(shè)備根據(jù)安裝位置的空氣流通情況,只能采集局部的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),因此需要部署多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備計(jì)算加權(quán)平均數(shù)據(jù)作為空氣凈化設(shè)備的指標(biāo)輸入。即空氣監(jiān)測(cè)凈化系統(tǒng)需要對(duì)建筑內(nèi)部進(jìn)行虛擬分組管理,根據(jù)室內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)將多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備和多個(gè)凈化設(shè)備劃分為一組,監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加權(quán)平均處理后作為凈化設(shè)備的輸入指標(biāo),控制凈化設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)凈化風(fēng)量,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)凈化的功能?；贚oRa技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)凈化系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示,系統(tǒng)由設(shè)備層、通信層和應(yīng)用層組成。

圖3 基于LoRa技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)凈化系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備層為系統(tǒng)的最底層,空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備采集實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),空氣凈化設(shè)備控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化設(shè)備的啟停/調(diào)檔控制,是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來(lái)源,是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。空氣凈化設(shè)備控制器以ARM處理器STM32為控制核心,由電源電路、風(fēng)機(jī)控制電路以及LoRa通信芯片組成,目前市場(chǎng)上存在較多成熟產(chǎn)品?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備由溫/濕度傳感器、PM2.5傳感器、CO2傳感器及LoRa通信芯片組成,是整個(gè)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ),稱為多合一環(huán)境傳感器設(shè)計(jì)。該傳感器按照模塊化設(shè)計(jì)思想,集電源單元、5種環(huán)境傳感器模組、LoRa無(wú)線模組、MCU、按鍵、LED顯示等多功能于一體。同時(shí),基于LoRa無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),多個(gè)環(huán)境傳感器可以組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的多個(gè)測(cè)點(diǎn)信息集中管理?；贚oRa無(wú)線通信的多傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 基于LoRa無(wú)線通信的多傳感器網(wǎng)絡(luò)

多合一傳感器實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 多合一傳感器實(shí)物圖

通信層通過(guò)LoRa通信基站連接各個(gè)設(shè)備,采用數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)來(lái)保障多個(gè)接入設(shè)備的穩(wěn)定性,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)傳輸至LoRa服務(wù)器。LoRa服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備層設(shè)備的分組管理,根據(jù)建筑空間結(jié)構(gòu)將多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備和凈化設(shè)備劃分為一個(gè)虛擬分組,對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備上報(bào)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,同時(shí)將計(jì)算后的控制參數(shù)數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地反饋到凈化設(shè)備控制器上,實(shí)現(xiàn)對(duì)分區(qū)空間空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制。

應(yīng)用層為業(yè)主提供統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái),方便業(yè)主掌握建筑實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量情況及設(shè)備運(yùn)行情況。通過(guò)云計(jì)算等構(gòu)架及各類空氣質(zhì)量傳感器大數(shù)據(jù),并結(jié)合室外公共空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),建立空氣質(zhì)量趨勢(shì)模型,預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量走勢(shì)。通過(guò)用戶使用設(shè)備行為大數(shù)據(jù),建立用戶偏好模型?；谶@兩大類數(shù)據(jù)模型,結(jié)合人工智能深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)平臺(tái),實(shí)時(shí)生成空氣質(zhì)量?jī)艋呗?如有人與無(wú)人時(shí)不同的策略、空調(diào)系統(tǒng)的換風(fēng)次數(shù)、設(shè)備是否需要更換耗材等,以實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備最優(yōu)化運(yùn)行,達(dá)到節(jié)能減排、降低設(shè)備損耗、保持空氣質(zhì)量恒定、體感舒適等目標(biāo)。同時(shí)通過(guò)累積的大數(shù)據(jù)平臺(tái),生成實(shí)時(shí)或歷史環(huán)境數(shù)據(jù)報(bào)告,提供未來(lái)空氣質(zhì)量趨勢(shì)圖。應(yīng)用層也可以提供標(biāo)準(zhǔn)空氣質(zhì)量接口數(shù)據(jù)以供第三方系統(tǒng)使用。

空氣凈化器云平臺(tái)界面如圖6所示。

圖6 空氣凈化器云平臺(tái)界面

第三方系統(tǒng)使用界面如圖7所示。

圖7 第三方系統(tǒng)使用界面

3 結(jié) 語(yǔ)

LoRa技術(shù)的應(yīng)用為建筑智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種新的實(shí)現(xiàn)手段,與傳統(tǒng)的RS-485、WiFi、ZigBee技術(shù)比較,能夠大幅減少系統(tǒng)施工工作量。LoRa技術(shù)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),網(wǎng)關(guān)以透明中繼形式呈現(xiàn),與終端設(shè)備、云端服務(wù)器直接連接,有效降低系統(tǒng)施工難度。通過(guò)具體項(xiàng)目實(shí)踐發(fā)現(xiàn),一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可與數(shù)千個(gè)終端設(shè)備直接連接,既能滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求,又有助于整體成本控制,且為配置測(cè)試、后期維護(hù)帶來(lái)極大的便利,推動(dòng)智能建筑技術(shù)的發(fā)展。