基于6LoWPAN的智慧校园空调监控系统设计

王慧娇，邱 赞

(桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院，广西 桂林 541004)

基于6LoWPAN的智慧校园空调监控系统设计

王慧娇，邱 赞

(桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院，广西 桂林 541004)

针对总线制空调监控系统存在布线施工成本高、联网结构复杂、维护难度大等问题，设计了一种基于6LoWPAN的智慧校园空调监控系统;首先给出了系统的整体功能及网络架构；然后，给出了传感器节点、系统核心模块及网关节点的硬件设计；接下来对6LoWPAN协议及简化进行了描述，给出了系统嵌入式软件的设计；最后给出了相关的空调控制策略；测试和实验结果表明，该空调监控系统具有结构简洁，扩展性高，实时在线响应，有效解决了校园空调物联网的信息互联问题，利用云平台智能管理达到节能减排目标。

空调监控系统；IPv6；6LoWPAN；智慧校园

0 引言

随着现代教育建设不断前进，高校能耗逐年攀升，近年来的能耗统计数据显示，高校能耗已经超过人均指标的数倍[1]。校园中大量空调的使用在带来舒适性的同时，也加大了校园能耗。在智慧校园的发展中，出现了大量具有环保、智慧、节能的物联网智慧应用[2-3]，如：校园智慧路灯、智慧教室等，其中智慧空调监控更是其重要的应用之一。

目前常规的空调监控系统主要采用CAN总线、BACnet总线、LonWorks总线等总线制网络[4]，但采用总线制网络存在着施工难度大，网络结构复杂，扩展和维护困难，需要总线交换机、集线器等硬件的问题。

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)[5-7]具有价格低廉、结构紧凑、易于布置的优点，非常适合校园空调监控与控制。文献[8]设计了基于ZigBee的智能中央空调无线监控系统，文献[9]设计了基于ZigBee无线传感器网络的远程监控系统，文献[10]设计了一种在无线传感网络基础上，引入WiFi和GSM网络的智能空调监控系统。

上述工作都实现了对设备的无线远程监控，但无法实现WSN和Internet的点对点的通信。针对其不足，同时为了更好达到降低校园能耗的要求以及扩充智慧校园应用，本文设计了一种基于6LoWPAN[11-13]的实时空调监控系统。采用无线自组网的组网方式，可以弥补现有监控方法的不足，同时也是物联网应用的主要趋势。

1 基于6LoWPAN的智慧校园空调监控系统功能和网络架构

1.1 系统功能

本文设计的空调监控系统主要实现对空调所在的环境条件如温度、湿度、电能等信息的实时监测与控制，主要功能如下：

1)空调所在环境信息的采集和传输。基于6LoWPAN的空调监控系统针对整个校园内的空调运行情况进行监测，实现空调运行监测、环境温度监测、环境湿度监测、自主联网等功能，最后通过IPv6网络将数据汇集到云端服务器完成统一的平台管理。

2)空调消耗电能统计。本文设计的系统旨在从节能角度出发，对空调用电情况进行监测，实现电能采集，网络节点将数据汇集到云端服务器，达到消耗电能统计，根据统计可针对非正常用电的空调进行控制或进行故障查验。

3)空调设备的控制。当环境信息和消耗电能信息被采集并传输到云端服务器后，在服务器中对其数据进行分析和处理，当发现其值超过预设阀值时，可以通过网关节点对具有给定IP地址的节点发送控制命令，使其驱动设备开关，对空调进行控制。

1.2 系统网络架构

空调监控系统建立在IPv6网络基础之上，采用IPv6主干网和6LoWPAN无线网络相结合的方式。IPv6解决了网络地址资源数量问题，实现多种接入设备连入互联网[14-15]。基于6LoWPAN的设备可以直接连接IPv6网络，并且可以和其他IPv6的监测设备无缝兼容并入校园物联网系统，构建综合用电管理为应用背景的智慧校园节能网络。

智慧校园空调监控系统在网络架构上分为3个层次，由6LoWPAN网络层、IPv6网络传输层和云端网络层组成。本系统的网络架构如图1所示。

图1 空调监控系统网络架构图

1)6LoWPAN网络层由无线空调控制器作为传感器节点构成无线自组网络，负责实时数据的采集、收发和空调控制，该层由无线监控节点和6LoWPAN网关构成，每个6LoWPAN网关设备负责管理一栋大楼或一片区域并把本区无线覆盖所有的无线节点接入IPv6网络，区域内的无线节点以Mesh路由组网方式自动链接形成无线传感网络。

2)IPv6网络传输层是IETF(互联网工程任务组)设计的用于替代现行版本IP协议(IPv4)的下一代IP协议层，主要负责6LoWPAN网络与云端服务器之间的数据传输，它是空调监控网络的主干网。

3)云端服务网络层主要承载数据服务器、智能管理服务器等云平台服务程序载体，汇集各个校区监测数据并针对各种应用进行数据处理、统计分析与展示。系统通过基于6LoWPAN的空调监控器构建校园无线空调物联网络，实时获取相关空调运行数据和环境温度，作为空调控制器启停依据，同时通过采用无线路由的方式进行实时双向通信并完成空调控制，从而改变了原有的人为自主的控制方式。

2 基于6LoWPAN的空调监控系统硬件设计

2.1 无线空调主机监控器

无线空调主机监控器作为6LoWPAN网络节点，即系统的测控布点设备，设备要完成空调运行状态监测、空调用电监测、通断控制、环境温度、环境湿度监测以及无线联网功能。本文设计的所有的6LoWPAN节点都是全功能无线节点，每个节点都能完成自身数据收发和其他节点的路由数据转发。无线空调监控器的电路结构如图2所示。

图2 监控器的电路结构图

为了提高监控器电气安全性，空调监控器采用标准电能表布局设计。通过6LoWPAN核心板的SPI口连接CS5460采集芯片完成交流电压、电流、电能测量功能；STM32系列处理器内置了ADC口，可以直接测量温度传感器的变送电压；空调电源控制电路选用磁保持继电器，利用MCU的GPIO口驱动双向推挽晶体管电路控制保持继电器线圈瞬间通电方向控制继电器的吸合，这种继电器在通断以后自动保持开关状态，静态保持不需要电流；这种设计降低控制器的自身运行功率，监控器自身功率小于0.5 W，运行一年耗电小于3度。

2.2 基于6LoWPAN的核心模块

空调监控系统的执行设备是基于6LoWPAN来实现的实时空调监控，由于校园空调种类繁多需要针对不同类型的空调设计相应的设备，因此所设计的空调监控系统设备采用嵌入式模块化设计思路，将6LoWPAN核心功能独立设计，整合压缩关键软硬件构成通用嵌入式系统模块。通过扩展不同的外部电路功能模块完成针对独立空调、中央空调等各种空调及供电回路监测任务。图3所示为基于6LoWPAN核心模块电路结构图。

图3 基于6LoWPAN核心模块电路结构图

为了提高6LoWPAN核心模块功能性和适应性， CPU选用Cortex-M3微处理器STM32系列，将FREERTOS实时操作系统和6LoWPAN协议软件移植到STM32系列MCU上运行，编译成核心模块软件库方便设备开发，核心模块硬件设计成邮票半孔核心板构成通用模块，模块内部集成了RF、LCD显示和CPU辅助电路，并设计预留多种扩展总线，通过核心模块配合不同的底板形成各种基于6LoWPAN系统的空调监控设备。

2.3 网关节点

6LoWPAN网关设备作为网络中的AP接入点，负责把本区域内所有的6LoWPAN节点接入IPv6网络。一个无线分区负责一栋大楼接入任务，网络设计容量需要超过上千节点，因此本文设计的网关采用基于4核处理器的Linux核心板用于处理网络数据和链接，通过外部数据总线链接多个无线收发器完成多个6LoWPAN无线AP接入点链接，多个收发器数据并行处理提高CPU利用率。通过主板自身的以太网口接入IPv6交换机。收发器直接采用6LoWPAN核心模块设计，通过一块配有总线驱动器和电源变送的底板将核心模块做成6LoWPAN总线制收发器。可以根据应用需要通过总线添加收发器。网关可以随交换机安装于机柜或单独安装在合适的无线覆盖位置，提供灵活安装模式，模块接口采用总线可以布线外挂，方便选取合适无线信号覆盖AP接入点。

3 基于6LoWPAN的空调监控系统软件设计

3.1 6LoWPAN协议栈设计

本文根据6LoWPAN协议栈标准和需求划分软件层次，设计实现6LoWPAN协议栈软件层，如图4所示。物理层以IEEE 802.15.4为标准的无线收发器为基础，增加收发器驱动和点对点无线连接控制完成了MAC层的设计。空调监控系统是楼宇组网，而IEEE 802.15.4标准通信是点对多点星形链接的无线网络，因此在设计中增加了Mesh路由层解决IEEE802.15.4底层无线连接易受大楼墙壁等阻隔导致覆盖范围小的问题，对IEEE 802.15.4的MAC层进行简化，实现无线组网多跳路由算法，采用非信标通信，提高网络数据刷新率、组网容量及跨越楼内障碍的能力，扩大无线覆盖范围。 IEEE 802.15.4的标准是运行在2.4 GHz频段的无线频段进行收发信息，使用频段与Wi-Fi相同，为了扩大基于IEEE 802.15.4设备的传输距离，本文系统扩充了一个700～900 MHz频段版本，将覆盖范围提高到500 m，并基于此设计驱动和接口。两个频段的使用可以实现大型楼宇无线覆盖，减少了IPv6网关的安装数量，提高了网络链路可靠性。6LoWPAN层实现IPv6到无线传输的数据打包。IPv6层和应用层为应用程序实现了TCP和UDP接口程序，应用程序可以通过SOCK函数格式实现网络连接。

图4 6LoWPAN协议栈分层结构

3.2 软件系统设计

空调监控系统软件由嵌入式软件和上位机的云平台软件构成。嵌入式软件是运行在M3处理器内核上的基于MDK环境设计开发的软件系统，并移植FREERTOS实时操作系统，将6LoWPAN协议软件集成到实时操作系统中，嵌入式软件多任务处理流程如图5所示。

图5 嵌入式软件任务流程图

嵌入式软件以FREERTOS实时操作系统为内核，将6LoWPAN协议栈、采集及控制运行在不同的进程中，每个进程相互独立循环执行，通过信号量和消息队列完成采集控制进程和无线通信进程之间的通信和同步。通信进程将中心下发的控制参数指令通过消息队列通知控制进程执行输出到外围控制电路；采集进程完成一个采集流程时通过信号量唤醒控制进程，利用消息队列将各个采集参数传递给通信进程等待中心查询。

上位机的云平台软件针对校园空调系统多样复杂的应用背景进行设计。办公楼采用时间和环境温度湿度管理；数据机房需要实时监测空调运行根据季节调控恒定温度确保中心设备正常运行；实验室、教学楼根据房间内人数和开门时间调节决定空调开机数量和时间等，因此本文空调监控系统提出采用云平台纵向综合管理，区别于传统系统分层管理控制。服务软件采用B/S和C/S结合模式开发，所有的空调监控节点都直接连接到云平台的数据主服务器，各个部门通过分服务器或台式机的管理程序连接主服务器。主服务器上有采用B/S架构的后台管理程序，工作人员通过后台程序的人机接口将空调分类建立档案以及其他数据库操作。各部门的管理程序采用C/S模式开发，针对本部门特点执行相应管理办法监控所属空调运行。当出现新部门或新管理需求时，通过增加新客户端管理程序或修改相应部门管理程序软件完成功能升级改进，避免对其他管理程序构成干扰。全校能耗数据和空调运行状态能在主服务器完成统计分析生成报表，后勤维护部门根据平台报表信息对空调进行维护保养，节能决策部门可以根据历史报表调整相应节能管理办法，这种纵向管理云平台系统提高学校相关职能部门管理灵活性和工作效率。

4 空调监控系统控制策略

在校园中运行本文设计的空调监控系统，云平台将采集到整个校园内的空调所在的环境温度、湿度、电能等信息，将其数据存储在云平台的数据主服务器中，用户通过应用程序界面可以对校园内某台空调某时段的温度、湿度和电能信息进行查看或手动控制，同时，系统也会根据空调监控系统控制策略进行自动调节。控制策略如表1所示。

表1 空调监控系统控制策略

当空调监控系统采集的信息超过了预设的阀值时，监控界面会发出提示，并根据控制策略，自动地对相应IP地址的节点启动电磁阀控制设备对空调运行情况进行调节，若是电能异常，并将提醒相关人员进一步对情况进行查验排除异常。采用控制策略，系统将可以自动地进行调节，改变人为自主的控制方式，实现智能控制。

5 结论

基于6LoWPAN的智慧校园空调监控系统利用物联网技术实现校区空调纵向综合管理系统。该系统在学校安装运行并取得了良好的应用效果，组网运行稳定可靠，不仅实现了空调节能管理，又提供了空调运行信息为学校教学活动提供设备保障服务。系统基于IPv6的主干网框架下，IP容量较大能够容纳校园全部水电监测设备，可应用于直接组建校级、省级甚至全国的多级节能云平台，有利于构建全国的教育能耗智能评估系统。

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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。

赛尔网络下一代互联网技术创新项目(NGII20150602)。

王慧娇(1976-)，女，辽宁铁岭人，副教授，硕士研究生导师，主要从事无线传感器网络，嵌入式技术等方向的研究。

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

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