基于多源数据融合的建筑环境智能监控系统

编辑|老牧说

介绍

为了优化无线通信质量，精确监控建筑环境温度、湿度等数据，设计基于多源数据融合的建筑环境智能监控系统。

通过嵌入式ARM单片机构建系统主控模块来控制系统各个模块，实现建筑环境智能监控，ZigBee传感器采集模块利用传感器实时获取建筑环境数据。

多源数据融合模块利用自适应加权融合方法融合采集到的多源数据，无线通信模块采用NBＧIOT技术与LEACH算法将融合后的建筑环境数据传输至远程监测模块。

远程监测模块根据建筑环境数据，采用BP神经网络监测建筑环境，且用户可通过远程监测模块浏览、查询建筑环境智能监控数据。

经实验验证该系统具有较高的生命周期，无线通信距离较长、安全性较高且传输速率较快，还能够精确监测建筑环境温度、湿度以及二氧化碳浓度等数据。

研究背景

由于目前我国建筑环境智能监控系统大部分使用国外软件，国内的系统设计仍处于起步阶段，且当前国内设计的物联网智能建筑监控系统在监控过程中容易存在缺陷。

导致获取的环境数据不够精准，使后续建筑的建设出现困难，因此，需要对现有的监控系统进行优化。

有较多学者对监控系统进行研究，孙孝龙等，研究通过深度学习方法实现智能监控系统设计，即通过物联网实时记录、监控环境因子和相关工作进程状态。

结合无线通信在数据通信上的优点，把NBＧIOT和ZigBee两种无线通信技术相融合，以智能传感器为数据采集节点，合理地设计物联网环境监控系统。

建筑环境智能监控系统设计

为了克服传统系统无线通信质量差的问题，将NBＧIOT和ZigBee两种无线通信技术相融合，设计无线通信模块，以此搭建建筑环境智能监控系统，系统总体结构如图１所示。

该系统主要包括主控模块、远程监测模块、多源数据融合模块、ZigBee传感器采集模块、NBＧIOT无线通信模块。

在无线通信模块的支持下，主控模块会发布指令对远程监测模块、多源数据融合模块等进行控制，而远程监测模块、多源数据融合模块等通信主要通过无线通信模块实现。

2.1系统功能管控的主控模块

采用嵌入式ARM单片机(STM３２芯片)作为系统主控制模块,该模块中主要包含复位电路、时钟电路以及稳压电源，下面对各单元进行详细介绍。

该电路主要由单个贴片按键与无极电容等组成,上电时，芯片电容进行储能，其中，该电路的复位端口可引起系统复位，以此形成上电复位。

将Key作为按键，若未及时按下按键，则会使NRST成为高电平，当按下Key按键后，NRST变为低电平，开始制造复位信号。

挑选无源石英振荡器作为文中构建该电路的外部时钟，引入负载电容，可保障更加稳定地振荡。

选取３３V的电源对芯片进行供电，由于系统内其他设备的供电并不完全符合３.３V，为保障供电稳定，选取AMS１１１７Ｇ３.３V，将其他电压稳压至３.３V。

2.2获取建筑环境信息的ZigBee传感器采集模块

构建传感器采集模块，在该模块下，应用CC２５３０作为传感器主芯片，具体包含高精度采样、普通采样与高速采样模块，以及分通道计数处理模块，每个模块均采用不同方法进行设计。

在高精度采样模块中，选取A/D转换芯片AD７７９３实现，该芯片具有２４位，可实现较高精度的测量。

在AD７７９３中，微控制器连接４根控制线，具备片选端、串行数据输入端与输出端，同时，AD７７９３的电源端口还能够输出１mA的精准横流源。

针对普通采样模块来说，选取普通的并行A/D转换芯片AD７６０６Ｇ４实现采样，该芯片具有１６位４条通道，可以通过数字滤波器完成采样，且在芯片内部基准电压较为精密，能够实现较高的采样精度。

对于分通道计数数据处理与高速采样模块，选取微控制器STM３２F１０３内部的A/D转换器实现采集，在STM３２F１０３芯片中，其最高时钟频率为１４MHz。

具有较高的采样速度，主芯片选取CC２５３０，可以提高ZigBee传感器采集模块稳定性，通常情况下，在进行初始上电时采用芯片内RC振荡器。

当系统开始运行时，再使用外接的３２MHz晶振，正常运行时，CC２５３０的３２kHz可同时选取晶振与振荡器，图２、图３分别表示３２MHz、３２.７６８kHz外接晶振电路。

在图２、图３中，C９，C１０，C５，C６的电容值需进行合理地选择，当电容值过小或过大均会使振荡器受到影响。

在CC２５３０芯片中，将天线与芯片引脚之间的匹配电路称为射频电路，利用图４表示CC２５３０射频电路，在图４中选用分立的电容、电感元件完成电路匹。

2.3建筑环境数据传输的NBＧION无线通信模块

选取BＧIOT技术实现建筑环境智能监控数据的长距离传输，现阶段，三大运营商均对NBＧIOT的频段进行了授权，但具备较高稳定性的NBＧIOT模块并不多，３种通信模块对比如表１所示。

文中选取移远公司的BC９５作为NBＧIOT无线通信模块，BC９５可支持３种频段，属于一种高性能无线通信模块，能够实现OneNET云平台的对接。

可在最大限度情况下保障终端设备对通信的需求，在正常工作状态下，BC９５模块存在３种工作状态，具体如表２所示。

由于无线通信模块需要较强的供电能力，因此，应选取至少０.５A电流能力的电源供电，电压输入范围为３.１~４.２V，因此，选取双电源模式对电源模块进行设。

在对无线通信进行供电时，利用３.３V直流电源供电，为避免电压跌落现象，还在电源模块内并联滤波电容，图５所示为BC９５的电路原理。

2.4实验分析

将文中系统应用至某物联网智能建筑环境中，监控其某天不同时间段内建筑环境的温度、湿度与二氧化碳浓度、氨气浓度变化情况，分析结果如图６所示。

由图６可知利用该系统较为精准地监控到建筑环境的温度、湿度变化,在全天的监控过程中，说明该系统具备较好的建筑环境智能监控应用效。

选取文献基于物联网和深度学习的养蚕智能监控系统与文献基于物联网技术的智能安全监控建筑信息系统与文中系统进行对比，分析该系统无线通信技术的通信能力，分析结果如表３所示。

根据表３可知，文中系统无线通信能力要明显高于文献6系统与文献7系统，其中，文中系统的传输速率始终保持最高，可快速实现监控数据的传输，且安全性较高。

可以保障监控数据不出现意外泄漏的现象，同时具有较低功耗，且通信距离较长的优点；文献7系统的可连接设备数明显低于文献6系统与文中系统。

而文献6系统的复杂度又相对较高，因此，文中系统无线通信能力较强，图７系统生命周期分析对比３个系统的生命周期，通过式(４)进行计算，分析结果如图７所示。

Pc为系统持续恒定能耗；E[Ew]为系统崩溃时总剩余能力；λ为传感器平均报告速率；E[Er]为消耗全部能量。

根据图７可知，随着系统故障率的增加，不同系统的生命周期也随之下降，其中，文献6系统的生命周期下降幅度最大，说明该系统的生命周期明显受到系统故障率的影响。

而文献7系统的下降幅度虽然低于文献6系统，但该系统的生命周期依然远远低于文中系统，文中系统随着系统故障率的上升，生命周期仅存在小幅度下降，说明该系统的生命周期能够得到有效延长。

结语

文中研究基于多源数据融合的建筑环境智能监控系统，通过自适应加权数据融合方法实现多源数据融合，并利用采集模块、无线传输模块以及监测模块完成建筑环境的智能监控。

完成系统设计后通过实验验证系统使用性能，获取系统实际应用效果，在未来研究中可针对当前系统继续优化，实现更全面的建筑环境智能监控。

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