基于LoRa技术的建筑空气质量监测净化系统设计

周 电

(上海泰豪环境科技有限公司, 上海 200092)

0 引 言

传统建筑空气质量监测净化系统在本地通信方面主要采用RS-485或ZigBee方式,实现空气质量检测设备、净化控制设备及管理服务器之间的通信。RS-485方式布线复杂,在设备数量多的情况下需要增加集中器设备,导致工程造价高,无法广泛使用,而ZigBee传输的距离较短,穿透能力较差,数据传输可靠性大幅降低。因此,需要在建筑环境内设计、安装低成本、高精度的智慧空气质量监测净化系统,实现对建筑内空气质量的实时监测和自动净化,最大限度降低空气污染对人体健康造成的损害。

本文提出了基于LoRa(Long Range)技术的建筑空气质量监测净化系统,通过建立的空间空气质量综合指数模型和用户偏好模型,实时计算出设备运行策略,并对用户反馈操作进行修正。该系统不仅要考虑新建项目,还需要考虑既有项目的改造,因此在系统设计中引入相关的技术作为支撑。

1 LoRa及物联网通信技术

LoRa技术是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案,目前主要在全球免费频段运行,包括433、868、915 MHz等。在实际应用中,采用LoRa协议的物联网设备的无线通信距离超过15 km(郊区环境),电池使用寿命可达10年以上,并且能够将数百万的无线传感器节点与LoRa技术网关连接起来。几种无线通信方式对比如表1所示。

表1 几种无线通信方式对比

从表1可以看出,LoRa通信方式在传输距离、传输速率、功耗等方面具有明显的优势。设计方案中选用LoRa无线通信技术来实现多个传感器的数据传输,解决小数据量在复杂环境中的超远距离通信问题。

LoRa无线传感器网络主要包括网关(或称基站)、终端(可置LoRa模块)、应用服务器以及网络服务器,应用数据可双向传输。LoRa网络组成示意图如图1所示。

图1 LoRa网络组成示意图

LoRa网络架构是典型的星型拓扑结构,其中LoRa网关是透明传输的中继,连接后端中央服务器和终端设备。终端设备是单跳于一个或多个网关通信,而网关与节点间均是双向通信。

LoRa的终端节点就是多合一环境传感器,这些节点通过无线通信与网关连接,再通过3G网络或者以太网络连接到网络服务器中。在具体实现上,选取一款高性能LoRa通信模块,集成在多合一环境传感器中,实现多种环境信息的集中传输。LoRa模块与微控制器(MCU)之间通过SPI接口进行通信,实现测量数据至无线信道的传输。LoRa模块对外接口如图2所示。

图2 LoRa模块对外接口

相比其他物联网通信技术,LoRa通信采用基于扩频技术的无线传输方案,具有传输距离远、功耗低等特点,适合于需要一定规模组网、数据量要求不大的应用场合,非常适用于建筑空气质量监测系统,无需过多的运营与维护成本,且能满足智能化运营要求。

实践发现,LoRa技术应用下网关设备可同时接收与处理多路信号,网络接入数量相比其他传统技术高出1个数量级以上,大大提高通信稳定性。因此,LoRa技术的应用不仅能满足数据传输的要求,同时还有高容量、低功耗等特点,因此成为智能建筑系统中空气质量监测净化的技术支撑。

2 系统设计

基于LoRa技术的建筑空气质量监测净化系统可以实时采集建筑内实时空气质量数据,将数据采集处理后的结果作为净化设备的控制依据。空气质量监测指标包括温度、湿度、PM2.5、PM10和CO2,其中PM2.5和CO2数据是最重要的参考指标。室内空气净化设备根据室内结构、安装空间等要求可选择不同风量的产品,可以支持几百平方米的室内空气净化。相对而言,室内空气监测设备根据安装位置的空气流通情况,只能采集局部的空气质量数据,因此需要部署多个监测设备计算加权平均数据作为空气净化设备的指标输入。即空气监测净化系统需要对建筑内部进行虚拟分组管理,根据室内房屋结构将多个监测设备和多个净化设备划分为一组,监测到的实时数据经过加权平均处理后作为净化设备的输入指标,控制净化设备自动调节净化风量,实现自动净化的功能。基于LoRa技术的空气质量监测净化系统架构如图3所示,系统由设备层、通信层和应用层组成。

图3 基于LoRa技术的空气质量监测净化系统架构

设备层为系统的最底层,空气质量监测设备采集实时空气质量数据,空气净化设备控制器实现对空气净化设备的启停/调档控制,是系统数据的来源,是整个系统的基础。空气净化设备控制器以ARM处理器STM32为控制核心,由电源电路、风机控制电路以及LoRa通信芯片组成,目前市场上存在较多成熟产品。空气质量监测设备由温/湿度传感器、PM2.5传感器、CO2传感器及LoRa通信芯片组成,是整个环境实时监测数据的基础,称为多合一环境传感器设计。该传感器按照模块化设计思想,集电源单元、5种环境传感器模组、LoRa无线模组、MCU、按键、LED显示等多功能于一体。同时,基于LoRa无线通信网络,多个环境传感器可以组成无线传感器网络,实现一定范围内的多个测点信息集中管理。基于LoRa无线通信的多传感器网络如图4所示。

图4 基于LoRa无线通信的多传感器网络

多合一传感器实物图如图5所示。

图5 多合一传感器实物图

通信层通过LoRa通信基站连接各个设备,采用数字扩频技术、数字处理技术和前向纠错编码技术来保障多个接入设备的稳定性,将监测数据及设备运行状态传输至LoRa服务器。LoRa服务器实现对设备层设备的分组管理,根据建筑空间结构将多个监测设备和净化设备划分为一个虚拟分组,对监测设备上报的空气质量数据进行处理,同时将计算后的控制参数数据及时准确地反馈到净化设备控制器上,实现对分区空间空气质量的实时监测及控制。

应用层为业主提供统一运营管理平台,方便业主掌握建筑实时空气质量情况及设备运行情况。通过云计算等构架及各类空气质量传感器大数据,并结合室外公共空气质量数据,建立空气质量趋势模型,预测室内空气质量走势。通过用户使用设备行为大数据,建立用户偏好模型。基于这两大类数据模型,结合人工智能深度学习系统平台,实时生成空气质量净化策略,如有人与无人时不同的策略、空调系统的换风次数、设备是否需要更换耗材等,以实现本地设备最优化运行,达到节能减排、降低设备损耗、保持空气质量恒定、体感舒适等目标。同时通过累积的大数据平台,生成实时或历史环境数据报告,提供未来空气质量趋势图。应用层也可以提供标准空气质量接口数据以供第三方系统使用。

空气净化器云平台界面如图6所示。

图6 空气净化器云平台界面

第三方系统使用界面如图7所示。

图7 第三方系统使用界面

3 结 语

LoRa技术的应用为建筑智能化系统设计提供一种新的实现手段,与传统的RS-485、WiFi、ZigBee技术比较,能够大幅减少系统施工工作量。LoRa技术采用星型拓扑结构,网关以透明中继形式呈现,与终端设备、云端服务器直接连接,有效降低系统施工难度。通过具体项目实践发现,一个LoRa网关可与数千个终端设备直接连接,既能满足系统运行要求,又有助于整体成本控制,且为配置测试、后期维护带来极大的便利,推动智能建筑技术的发展。