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摘要：智能建筑是當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)用無疑發(fā)揮著更加重要的作用。本研究針對智能建筑重點技術(shù)需求，將以典型的傳感技術(shù)為主要手段，并通過射頻識別技術(shù)，對建筑內(nèi)人員信息進行數(shù)據(jù)采集，分析樓內(nèi)人員密度，并對建筑內(nèi)溫濕度和空氣質(zhì)量等環(huán)境變量實現(xiàn)實時智能監(jiān)控，保護人員安全及生活質(zhì)量，方便管理人員設(shè)定數(shù)值與日常維護。本設(shè)計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)計研究提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：傳感器;智能建筑;射頻識別

中圖分類號：U24?????????????????????????????????????????? ??文獻標志碼：A

0 引言

我國的智能建筑自20世紀90年代開始已發(fā)展多年，人們對智能建筑的認識也在逐步加深?，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[ 1-2 ]。目前，我國的智能化建筑已進入規(guī)模化，市場和技術(shù)也比較成熟。我國智能建筑行業(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)計將應(yīng)用典型成熟傳感技術(shù)，結(jié)合射頻識別技術(shù)，對人員密集多樣的公共與住宅建筑展開智能化應(yīng)用設(shè)計研究。

1 系統(tǒng)方案的選擇與確定

1.1 控制方案的確定

本設(shè)計方案旨在實現(xiàn)智能建筑的即刻信息追蹤統(tǒng)計和環(huán)境監(jiān)測，管理人員可通過 RFID 射頻識別進行管理，系統(tǒng)自動進行信息統(tǒng)計。本設(shè)計是由 STM32單片機核心電路、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 射頻識別模塊、蜂鳴器報警模塊、LM-2596穩(wěn)壓電路、HC-12無線遙控模塊、OLED 顯示模塊和電源電路等功能模塊組成。

1.2 單片機芯片的選擇

隨著技術(shù)進步以及單片機應(yīng)用發(fā)展趨勢，銷售市場上的wifi網(wǎng)絡(luò)收發(fā)芯片種類也越來越復(fù)雜。因此，在整個檢測過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，在進行單片機設(shè)計選擇時，一定要有專業(yè)參數(shù)與應(yīng)用要求作為參考，綜合考慮實際情況，以下兩個方面應(yīng)該是重點參考：

（1 ）要充分考慮編寫程序是否相對方便;

（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)計方案。

方案一：計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功能完善的電子單片機，其性價和功能是大部分用戶可以接受的，并且開發(fā)便捷，目前在使用中性能部分獲得了良好的商業(yè)評價。

方案二：MSP430系列單片機設(shè)計產(chǎn)品是向市面上推廣的一種較低功率損耗的，且含有簡單指令集合的綜合信號分析器件。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)品存儲速度快，在設(shè)計方案的應(yīng)用、調(diào)整組裝、開發(fā)設(shè)計和應(yīng)用層面等多個方面具有諸多優(yōu)勢。此外，它還具有解決問題工作能力強、處理速度快、成本極低、運行記憶豐富多彩等特點。

方案三：STM32系列微控制器功能強大且價格低廉，是專為嵌入式開發(fā)設(shè)計的芯片內(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、良好的實時性能和便于控制的小規(guī)模操作特點，以上的諸多優(yōu)點使其被廣大用戶所接受。

通過以上分析，選擇方案三為最終設(shè)計方案。

1.3 無線遙控模塊的選擇

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

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

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

方案三：使用 WIFI 模塊無線傳輸系統(tǒng)。

方案四：BT- HC05模塊用于無線傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)。它是一款高性能藍牙串行模塊，模塊與單片機系統(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。

通過以上分析，選擇方案四為最終設(shè)計方案。

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)計方案。

方案一：LED 數(shù)碼顯示器是最為常見的顯示屏，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 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，長時間觀察液晶顯示屏不會對眼睛產(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，且沒有輻射，對人體健康沒有不利影響。

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

通過以上分析，選擇方案三為最終設(shè)計方案。

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象具有較高的性價比和優(yōu)良的檢測安全系數(shù)。如果要測試兩種自然環(huán)境數(shù)據(jù)信息并具有長期的可靠性和更高的檢測范圍精度水平，那么溫濕度傳感器必須完成相關(guān)參數(shù)的精準有效測量。

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)計的最優(yōu)選擇。其余兩個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)，但是對于測量溫度范圍的準確性，雖然 SHT11比 DHT11更為準確，但是本設(shè)計需要的是同時能夠測得溫度和濕度數(shù)據(jù)的傳感器，不能單單只檢測獲得一個數(shù)據(jù)，而應(yīng)該將溫度和濕度結(jié)合起來綜合分析，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)計的實際要求，設(shè)計方案采用YL-38火焰?zhèn)鞲衅?，可測試并報警760nm ～1 100 nm 技術(shù)范圍內(nèi)光波長的火焰或光源。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 射頻模塊設(shè)計

RFID 是一種非接觸式自動識別技術(shù)，無需手動控制識別工作。它由識別、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能，一般適合長期使用。在一定頻率條件下，有源電子標簽可以完成較遠距離讀寫的日常任務(wù)。

無源標簽也稱為無源電子標簽。收到讀卡器發(fā)出的微波加熱信號后，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。當無源電子標簽靠近讀卡器時，釋放集成 IC 中的數(shù)據(jù)信息。它具有較強的抗干擾能力，在技術(shù)專業(yè)系統(tǒng)軟件中更加高效便捷，識別距離可達10 m 以上。與數(shù)字功放電子標簽相比，無源電子標簽只有一個集成芯片和一個專門封裝印刷的無線天線，因此其外觀更小巧精致，價格更具性價比，但其微波加熱傳輸距離相對有限。

2.2 煙霧與空氣質(zhì)量傳感器選取與設(shè)計

MQ135蒸汽傳感器對二氧化氮、硫氰酸鉀和苯蒸汽的縱橫比敏感，檢測煙霧等有害物質(zhì)時具有連接方便等優(yōu)點，故選其用作火焰報警主要模塊。

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。當傳感器所屬的地理環(huán)境中存在空氣污染時，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。使用簡單的電路，電導(dǎo)率的計算可以轉(zhuǎn)換成與蒸汽濃度值相匹配的輸出信號。 MQ135蒸汽傳感器對硫酸鹽和苯蒸汽高度敏感，也是檢測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

火焰?zhèn)鞲衅鲗鹧孀蠲舾?，當自然環(huán)境火焰光譜儀或燈源未能達到設(shè)定閾值時，D0端口輸出上拉電阻。當外界自然環(huán)境火焰光譜儀或燈源超過設(shè)定閾值時，模塊 D0輸出低頻。模塊數(shù)據(jù)輸出 D0可立即接 MCU 設(shè)計，可根據(jù)MCU 設(shè)計檢查高低工頻，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 AD 轉(zhuǎn)換，可以獲得環(huán)境火焰光譜更精準的數(shù)值。

2.4 LM2596電源降壓調(diào)整器電路設(shè)計

LM2596系列產(chǎn)品電源開關(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

3.1 開發(fā)軟件環(huán)境

設(shè)計方案是使用keil MDK 手機軟件進行程序流程的編程，它具有易于工程項目風(fēng)險管理等優(yōu)點。uVi? sion有四個版本：uVision2、uVision3、uVision4、uVi? sion5，現(xiàn)階段的新版本為 uVision5。它提供了一個自然環(huán)境，使開發(fā)人員更容易完成實際操作。在實際應(yīng)用中，其編譯過程清晰明了，大致有以下幾個步驟：

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

（2 ）編寫 C 語言程序或選擇源代碼;

（3）編譯應(yīng)用軟件;

（4 ）源代碼中的錯誤更改。

3.2 射頻識別模塊程序設(shè)計

打開開關(guān)電源，使各控制模塊逐漸進入運行狀態(tài)，將 RFID 標簽靠近讀寫器，寫卡器獲取識別信息，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)計方案的射頻識別技術(shù)控制模塊由進屋刷卡時的計算機操作系統(tǒng)和離家時的計算機操作系統(tǒng)兩部分組成。進入樓內(nèi)刷卡系統(tǒng)，通過 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 RFID 刷卡系統(tǒng)分析卡的數(shù)據(jù)位，通過總的控制系統(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

當發(fā)出一個漸進信號后，傳感器可能會有工作方式的變化，即從信號的強弱判定工作的具體模式。服務(wù)器發(fā)送漸變信號后，溫濕度傳感器可以發(fā)送響應(yīng)信號，同時發(fā)出數(shù)據(jù)信息。同一時刻，信號采集也在此時開啟，此時的監(jiān)控系統(tǒng)可以獲取實時數(shù)據(jù)。在此模式下，DHT11接收到一個漸進信號以初始溫度和濕度作為數(shù)據(jù)收集起點，直至整個過程結(jié)束。當 DHT11尚未收到信號時，DHT11將不再持續(xù)收集數(shù)據(jù)并處于待機狀態(tài)。

服務(wù)器發(fā)出漸變信號后，經(jīng)過短暫的固有延時，加載溫濕度傳感器信號，服務(wù)器發(fā)出漸變信號后，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)量檢測軟件設(shè)計

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。當傳感器所屬的地理環(huán)境中存在空氣污染蒸汽時，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)化為對應(yīng)蒸汽濃度值的輸出數(shù)據(jù)信號。MQ135 蒸汽傳感器對二氧化氮、硫酸鹽和苯蒸汽高度敏感，也是檢測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

HMI手機軟件一般分為兩部分，即運行在 HMI 硬件配置的系統(tǒng)和運行在 PC 的 Windows 計算機操作系統(tǒng)下的界面組態(tài)軟件。在應(yīng)用過程中，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)品對其進行設(shè)置。而對應(yīng)的編譯好的工程壓縮文件將通過線通訊口下載到人機界面的CPU中運行并完成。

4 結(jié)論

在本設(shè)計過程中主要用到 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 射頻識別模塊、蜂鳴器報警模塊、LM-2596 穩(wěn)壓電路、HC-12無線遙控模塊和OLED顯示模塊。在技術(shù)上完成了對建筑環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的采集、傳輸和操控。通過本設(shè)計所采用的傳感技術(shù)與射頻技術(shù)手段對智能建筑的應(yīng)用研究，可有效提高建筑的智能化水平，且本設(shè)計方案可操作性強，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

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