室内系统设计论文15篇(室内环境质量无线监测系统设计)

室内系统设计论文15篇

室内环境质量无线监测系统设计

室内系统设计论文

摘要：室内分布系统的建设，可以较为全面地改善建筑物内的通话质量，提高移动电话接通率，开辟出高质量的室内移动通信区域。同时，使用微蜂窝系统可以分担室外宏蜂窝话务，扩大网络容量，从整体上提高移动网络的服务水平。室内分布系统的设计是一项复杂的工作，需要考虑诸多方面的问题。本文只是从天线布放、电梯覆盖、功率分配、系统切换、干扰和泄露几个方面进行探讨，在实际工程设计时还有许多问题需要考虑。关键词室内系统设计设计论文设计室内系统设计论文:室内环境质量无线监测系统设计

摘要：高校实验室在上课期间，人员集中，室内环境质量恶劣，对师生的健康和学习效率有着很大的影响。文中选择高校实验室作为研究对象，通过对实验室室内环境监测技术的研究，为营造健康舒适的高校室内环境提供了一种技术支持，从而为实现高校室内环境质量的健康可持续发展奠定了基础。

关键词：室内环境质量监测；温湿度；光照；ZigBee

0 引言

健康舒适的室内环境对任何一种建筑来说都尤为重要，实验室作为人员密集型建筑，良好的室内环境有助于提高学生的学习效率。如果温度过高或过低，湿度过湿（高于70%）或过燥（低于30%），光照的过明或过暗，都会使学生产生不适感，影响正常排汗和情绪、降低注意力。由此可见，实验室环境的不尽人意，在无形中影响了学生的健康和学习效率。因此，开发了室内环境质量无线监测系统，以便24小时监控实验室的环境质量参数。本无线检测系统的主要特点如下：（1）该系统可以延长实验室里面设备的使用寿命，为设备提供一个安全的使用环境；（2）该系统能够提高管理效率，温湿度数据可以远程传输，管理人员在巡查的时候不必到机房去就可以远程了解实验室的环境问题；（3）本系统可以代替管理人员24小时监控非上班时间实验室存在的安全隐患，达到对实验室远程监控的目的。

1 系统总体设计

在日常生活中，由于存在个体差异，在各种条件下要找到一个单一的指标来准确反映人体对环境的舒适性是很困难的。因此，在环境舒适性的检测过程中，我们往往关注三个比较重要的影响环境舒适性的因素：温度、湿度、照

度。所以本系统针对实验室的环境分别采集温度、湿度、照度这三个因素来衡量实验室环境的舒适性。系统的总体设计框图如图1所示。

图1 室内环境无线监测系统的总体设计框图

本文所述的室内环境无线监测系统分为硬件设计方案和软件设计方案两部分。

1.1 硬件设计方案

该系统采用模块化的硬件设计，由STC12系列单片机微控制器、温湿度传感器、光照传感器、CC2530芯片的ZigBee 收发模块、液晶显示模块、电源模块等组成。该终端具有室内环境参数的自动采集、计算处理等功能，它可以连续自动地测量温度、湿度、光照这些指标，各种要素经过传感器将模拟量转化成相应数字量，供采集器定时处理后给单片机进行处理，实现数据的采集、显示及无线传输。1.2 软件设计方案

室内环境无线监测系统的软件设计由主程序、温湿度传感器驱动子程序、光照传感器驱动子程序、LCD12864液晶显示子程序、串口通信子程序等组成。对于硬件方案用到的编程软件其中包括对于微控STC12C5A60S2进行C语言程序

编译的Keil软件，将Keil软件生成的.hex头文件烧录至MCU中的下载软件STC-ISP中。

2 室内环境质量无线监测系统的硬件设计

实验室室内环境质量无线采集系统在硬件设计过程中，使用了模块化的设计方法，分别为微处理器电路设计、数据采集模块电路设计、显示模块电路设计、串口通信电路设计、无线收发模块。在本系统中，对实验室室内环境质量参数数据的采集主要依靠各种传感器，如温湿度传感器

AM2301、照度传感器模块GY30。这些传感器的工作原理是利用物质各种物理性质随环境变化的规律把温度、湿度、照度等转换为模拟量或数字量进行输出，通过单片机采集这些电量数据并对其进行计算即可确定各环境参数的数值。在室内环境质量无线监测系统的设计中，本文使用了STC12C5A60S2单片机进行设计。具体包括：单片机最小系统，温湿度接口电路，光照接口电路，接口电路，电源电路，串口通信接口电路。

2.1 MCU的选型

本系统设计采用的是STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2 在众多的51系列单片机中，算是国内STC 公司的1T增强系列中更具有竞争力的一种，因为他不但和8051指令、管

脚完全兼容，而且其片内具有Flash工艺的大容量程序存储器。如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60 K的FlashROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可进行加密，很好地保护了用户的劳动成果。

2.2 温湿度传感器AM2301

DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

2.3 光照传感器模块GY30

本系统采用新型单片测光芯片GY30模块，该模块的工作电压为3.3 V，内置了BH1750芯片，可以对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定，实现了照明度（1～65 536勒克斯）数字值的直接输出。主控器通过I2C（Inter-Integrated Circuit）通讯接口读取GY30采集到的数据，然后按照用户要求的形式通过界面将数据呈现出来。

2.4 ZigBee数据传输模块选型

本系统中所使用的ZigBee模块为某电子公司的无线模块，该无线模块在产品类型中分为三种：ZigBee （Coordinator-协调器）模块、ZigBee Router（路由器）模块、ZigBee End Device（终端设备）模块。 ZigBee能耗无线监测终端的硬件设计中，无线ZigBee模块（Router-路由器）的功能是以无线方式发送数据资料包，并寻找最适合的路由路径，当有其他终端节点加入时，其也可为其他终端节点分配地址。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，其内部包含一个8051 CPU，且系统内可编程，其支持TI官方指定的IAR编译软件，并具备8 KB RAM，因此，CC2530是一个完整的SoC解决方案。通过其可以建立强大的无线传感器网络。

2.5 ST7920型12864液晶显示模块

为了在节约硬件资源的基础上可以得到更丰富的显示内容，并考虑到低功耗的要求，本系统设计中的显示电路采用ST7920型12864带字库的液晶显示模块。

3 室内环境质量无线监测系统软件设计

本节的主要内容是进行室内环境质量无线监测系统的软件设计，软件设计的核心为底层硬件温湿度传感器AM2301模块、光照传感器GY30模块、LCD12864液晶、串口通信等编写驱动程序，使得监测系统在上电后可以分别正常监测温湿度值、光照值的显示，及进行串口通信。室内环境质量无线监测系统主控程序流程图如图2所示。

图2 室内环境质量无线监测系统主控程序流程图

3.1 温湿度传感器AM2301驱动子程序设计

DATA数据线用于MCU与 AM2301之间的通信。四十比特完整的数据=十六比特的湿度数据值+十六比特的温度数据值+八比特校验和。例如，接收四十比特的数值，温湿度传感器AM2301的数据格式如图3所示。

图3 温湿度传感器AM2301的数据格式

空闲时总线为高电平，通讯开始MCU拉低总线1～10ms，然后释放总线，延时20～40 μs后主机开始检测响应信号。

从机AM2301的响应信号是一个80 μs左右的低电平，随

后从机在拉高总线80 μs左右代表即将进入数据传送。长的高电平代表的是信号1；短的高电平代表的是信号0。温湿度传感器AM2301数据传输的时序图如图4所示。

图4 温湿度传感器AM2301的数据传输时序图

3.2 光照传感器GY30驱动子程序设计

GY30与主控器之间的通讯使用I2C通讯协议。时钟线为高电平时，数据线由高电平向低电平变化表示开始信号；时

钟线为高电平期间，数据线由低向高变化表示结束信号。

I2C通讯协议的起始信号与终止信号时序图如图5所示。

图5 I2C通讯协议的起始信号与终止信号时序图

3.3 串口通信子程序设计

上位机对单片机所存储的数据的读取是通过USART实现

的。由于单片机内部集成有USART模块，因此MCU只需要

连接MAX232芯片，就能和PC通信。首先，单片机要设置

异步通信的比特率数据位、停止位、校验方式等，最后才

打开中断。在本系统中，异步串口通讯模块比特率设置为9 600，通信模式采用模式l，即每次发送的有效数据为8

位，另加一位停止位。串口通信的软件设计流程图如图6所示。

4 结语

本文针对室内环境质量的关键问题，基于物联网技术，采用无线数据采集与传输等先进信息技术手段，准确采集室内环境质量数据，使实验室室内环境质量在计量、采集、统计方面更加完善，同时确保实验室的正常、高效、健康、稳定地运行。管理人员只需要通过网络就可以了解实验室环境的实际情况，从而极大地减轻对实验室的管理工作，实现实验室的科学管理。

室内系统设计论文:基于DW1000的超宽带室内定位系统设计

摘要：为了提高室内无线传感器网络的定位精度，设计了一个基于UWB的无线传感器网络定位系统，该系统在上位机软件上运用TDOA算法进行定位计算，硬件设计上锚节点采用decaWave公司生产的DW1000为无线收发芯片，在其控制器STM32内部写入嵌入式程序，完成数据记录、收发。该系统理论定位精度可达到10cm，抗多径能力强、稳定性高，为无线网络传感器定位提供了更多的参考。

关键词：无线传感器网络 UWB TDOA DW1000

随着物联网时代的到来，人类已经置身于信息时代，一种全新的UWB技术与21世纪最具影响力的无线传感器网络的完美结合，正在改变着科技，改变着人类工作生活的方式，连通了现实社会、计算机世界、人类社会这三元世界。人类社会对目标进行检测、定位、跟踪和导航要求日益增高，尤其在环境复杂的室内，常常需要确定物品与设施的具体位置，所以急切需要开发通信能力强、成本小、能耗低、可靠性高的定位系统。相比于其他无线传感器网络通信技术，基于UWB[1]的无线传感器网络技术低功耗、低成本、高容量、高安全性的特点，非常适合于多点数据通信搭建室内定位平台。

1 系统构架和定位原理

1.1 系统整体构架

本定位系统主要由硬件和软件两部分构成，硬件部分是基于UWB（IEEE802.15.4）协议的无线传感器网络，其中包括标签节点（Tag）、锚节点（Anchor），软件部分包括硬件嵌入式软件和运行于上位机上的实时定位系统（RTLS）软件。在系统中锚节点的设计是关键，锚节点对标签节点TOA信息进行的记录[2] [3]，并且，记录锚节点之间的时间同步信息，然后发送给上位机定位软件，由上位机定位

软件完成TDOA[4]定位分析计算，定位位置显示，并对Anchor/Tag进行配置管理。如图1所示。

1.2 定位原理

定位系统基于TDOA定位方法，这种方法只要求锚节点之间同步，不要求锚节点与标签之间同步，便与工程实现。通过标签节点向位置已知的锚节点发送无线电波信号，测量出标签节点到达锚节点的时间差，因为在空气中无线电波传播的速度近似于光速，所以，可以得到标签节点到锚节点的距离差，然后根据双曲线原理，利用最小二乘可以求出标签节点的坐标[5]，完成定位。如图2所示。

已知有三个锚节点A 、B 、C 的坐标，未知标签节点T ，T到A与T到B的距离差，T到A与T到C的距离差，根据几何原理，标签节点T必定位于以锚节点A、B为焦点、与两个焦点的距离差恒为的双曲线上。同时，标签节点T 也位于以锚节点A、C为焦点、与两个焦点距离差恒为的双曲线上，则有，

因为各个锚节点的位置都已知，可以求出，，，得到位置标签T ，的位置。

2.硬件设计

2.1 锚节点总体架构

锚节点和标签节点是硬件设计的关键，标签节点的功能很单一只是按固定周期发送广播数据包，设计比较简单，与锚节点设计相似，这里以锚节点作为重点进行介绍，下图是锚节点设计总体架构，锚节点主要有处理器模块、无线收发模块、嵌入式软件组成。锚节点以STM32F107VCT6为MCU，通过SPI[6]连接DW1000无线收发芯片，对其进行控制管理，集成EEPROM芯片，用于存储锚节点MAC地址、IP 地址、RTLS定位服务器IP地址等，锚节点还设计有Ethernet接口用于上传数据、提供电源。如图3所示。2.2 处理器模块

定位系统节点在MCU的选择上，采用意法半导体公司推出的互联型系列微控制器STM32F107VCT6，此芯片集成了各种高性能工业标准接口。它基于ARM Cortex-M3内核，主频72MHz，内部含有256K字节的FLASH和64K字节的SRAM，LQFP100封装。板上除晶振外的所有IO口全部引出，方便扩展及开发。内部集成高性能以太网模块，支持802.3协议定义的独立于介质的接口（MII）和简化的独立于介质的接口（RMII），支持DHCP、Telnet、TFTP、HTTP等协议。提供256字节的I2C端口，提供18Mbps的SPI接口，含有

USB 2.0 OTG全速接口，支持从USB接口取电或通过控制对USB设备供电。

2.3 无线通模块

无线通信模块采用decaWave公司提供的DW1000无线收发芯片，它是一个遵循IEEE802.15.4-2011 UWB标准的低能耗、低成本无线收发芯片，支持精度定位和同步数据传输，定位精度可达到10cm，抗多径能力强，在RTLS系统中支持高密度存在，长寿命的电池适用于极小系统的消耗，支持TOF测距和TDOA精确定位，支持6个从3.5GHz到

6.5GHz射频波段，数据传输速率为110 kbps，850 kbps，6.8 Mbps，功率消耗低，睡眠模式电流1 ?A，深度睡眠迷失电流50nA，拥有完整的MAC层支撑软件，提供SPI接口，可连接主处理器，6 mm x 6 mm 48引脚小型封装包，引线间距0.4 mm。适用于无线传感器网络。如图4所示。

2.4 SPI接口设计

SPI是一种同步串行外设接口，本系统中STM32作为主设备通过SPI实现对从设备DW1000无线收发芯片内部寄存器和RAM的读写操作，进行通信以交换信息、发送命令。SPI接口设计有4跟线，其中SCLK表示主设备STM32产生时钟信号，完成对通信的控制， MOIS表示STM32输出数据，

DW1000接收数据， MIOS表示DW1000输出数据，STM32接收数据， CS1/CS2表示DW1000的使能信号，由STM32控制。如图5所示。

2.5 I2C设计

I2C[7]模块采用24C02的EEPROM芯片，该芯片容量为

2Kbit，256个8字节，内有一个16字节写缓存器，支持I2C总线传输协议。I2C总线由数据线SDA和时钟线SCL构成，可以在MCU与DW1000、DW1000与DW1000之间进行双向传输，各种被控制的电路都并联在这条总线上，每个模块都有自己唯一的地址，根据所要完成的工作，在信息传输的时候，每一个模块既是控制器，又是发送器。本系统主要用于存储Anchor MAC地址、IP地址、RTLS定位服务器IP地址、decaWave DW1000收发器芯片的硬件配置信息。如图6所示。

3 嵌入式软件设计

嵌入式软件开发采用Keil公司的Keil uVision4，编程语言使用C语言，该软件的编译与调试能够与ARM器件高效匹配。编写在MUC中的嵌入式软件主要完成标签节点到锚节点TOA的测量、锚节点之间TOA信息的测量、将获得信息传送给RTLS。

嵌入式软件的信息处理流程采用串行处理，单线结构就可完成所需功能，包括 STM32复位和时钟配置模块（STM32-RCC）、I2C读取模块、Ethernet模块、DHCP动态IP获取模块、UDP5555端口初始化模块、UDP4646端口初始化模块、定时器配置模块、decaWave DW1000收发器配置模块、上层应用初始化模块、发送无线广播数据包模块、中断处理程序。当无线收发收发芯片收到或发送一个数据帧的的时候，会向MUC发送中断请求，中断程序主要中断产生的类型、判断中断位置是否正确、读取数据接收帧的源地址、读取数据接收帧的类型、接收数据帧、读取TOA信息、将读取的信息进行封装发送给RTLS。如图7所示。

图7 嵌入式软件流程图

4 上位机软件设计

上位机软件采用微软公司开发的WPE框架，使用C#编程语言。主要完成TDOA定位分析计算，Anchor状态显示、定位显示、配置管理。Anchor状态显示主要显示Anchor是否连接到TDOA-RTLS，Anchor能够接收到那些Anchor的Pacer-blink信号，以及Anchor两个无线模块的工作状态；定位显示主要显示Anchor位置和工作状态（有无信号发送），Tag位置和工作状态（有无信号发送），Tag历史位置（或

活动轨迹）指示；配置管理功能主要包括定位软件的功能配置和Anchor的管理配置。

4.1 上位机软件接口

嵌入式软件通过端口号为6666的UDP连接向RTLS发送TOA 分析计算和Anchor之间的时钟同步所需的信息，该端口上传输的信息包括长度分别为76字节和70字节的数据包；RTLS通过端口号为3535的UDP发送管理配置信息，该端口的信息完全可以通过IP Tools网络监测工具进行数据包的截获和分析，并且这些信息可以与I2C芯片中读取的信息进行对比分析；RTLS通过编号为2346的UPD将定位计算结果直接发送给各个显示客户端；RTLS通过端口编号为2345的UPD发出TDOA定位计算结果。如图8所示。

4.2 上位机软件工作流程

上位机软件的设计比较复杂，主要有主线程、TDOA计算线程、UDP6666数据包接收线程、UDP6666 socket数据包收发线程、UDP3535处理线程、UDP2346处理线程构成。当定位系统开始运行时，RTLS系统通过端口6666的UDP连接就收上传数据，当数据包接收完成后对数据包进行解析，76字节数据包提供标签到达锚节点的TOA信息，70字节数据包提供锚节点之间的TOA信息，之后通过TDOA计算线程调

用定位算法函数进行定为计算，最后通过UDP2346处理线程显示出定位结果，整个过程中UDP3535处理线程一直处于打开状态，进行管理配置。如图9所示。

5 结语

本文设计了一个基于与DW1000的超宽带室内定位系统，该系运用TDOA定位算法，原理简单，易于工程实现，硬件部分采用DW1000无线收发芯片，具有定位精度高、稳定性强、成本低等特点。同时，本系统的设计为无线传感器网络室内定位提供了一个参考样本，具有一定的参考价值。室内系统设计论文:室内消火栓系统设计探析

[摘要]消火栓系统是最基本、最重要的灭火设施，对消火栓系统的设计理应引起足够的关注和重视。本文分析了消火栓系统的特点，探讨了室内消防竖管设置的最小间距，并研究了高位消防水箱设计的几个问题。

[关键词]消火栓；消防竖管；高位消防水箱

1 消火栓系统的特点

消火栓系统是我国使用最早、应用最为广泛的消防系统。消火栓系统包括室内外消火栓设备、消防管道、消防供水等设施，在灭火时有以下几个特点：

（1）人工操作的消防系统，也意味着发生火灾时，消防人员的到位会有一定的滞后；

（2）系统本身灭火效果也会受到火场条件的影响，比如：较高的火场温度，浓烟降低了火场能见度，建筑构造设计不完全符合消防要求等；

（3）火灾最终需要由消火栓系统来收尾。

作为室外、室内都使用的消防系统，消火栓系统是最基本、最重要的灭火设施，对消火栓系统的设计理应引起足够的关注和重视。本文即对室内消火栓系统设计中所遇见的几个问题进行分析。

2 消防竖管最小间距的确定

《建筑设计防火规范》（以下简称“建规”）规定：室内消火栓的布置应保证每一个防火分区同层有两支水枪的充实水柱同时到达任何部位[1]。

《高层民用建筑设计防火规范》（以下简称“高规”）规定：消防竖管的布置，应保证同层相邻两个消火栓的水枪的充实水柱同时达到被保护范围内的任何部位[2]。

《消防给水及消火栓系统技术规范》规定（以下简称“水规”）：室内消火栓的布置应满足同一平面有2支水枪的2股充实水柱同时达到任何部位的要求[3]。

依以上规范条文可知，消火栓布置时可根据水枪的充实水柱长度、建筑层高和水带长度得到消火栓的保护半径，使得建筑内各处均处于两个以上消火栓的保护范围内即可达到要求。由此结合建筑内部形式可基本确定消防竖管的最大设计间距。

但上述三部规范并未详细规定消防竖管的最小间距，当两个消火栓布置间距过近或紧连着布置一处时，一旦火势威胁到某处消火栓，两个消火栓极易同时受大火影响，无法起到互相保护的作用，这种情况应该避免的。所以消防竖管布置应保证最小间距，根据对安全出口应分散布置并保证至少5米最小间距的要求，保证5米是一个比较合理的最小间距。

3 高位消防水箱设置的必要性

消防水箱是设置在高处直接向水灭火设施重力供应初期火灾消防用水量的蓄水设施。对于高位消防水箱，部分人认为消防水箱可少设或不设，因为建筑高处设置的水箱可能会影响建筑立面处理，增加结构荷载和抗震防护要求，而

且水箱作用有限，自身并不一定完全满足最不利点水压要求，且在消防主泵投入较早较及时的情况下，可以基本保证消防供水。

但笔者认为，考虑到我国的电力供应和消防设施管理情况，结合已发生的火灾案例，若不设高位消防水箱很有可能影响到火灾的初期灭火，而能否及时、快速的在火灾大范围蔓延之前控制火势是至为关键的。况且如下文所述，消防系统在设计时可以降低水箱设置高度，或设置在下层，通过设置稳压泵来达到水箱的设计压力要求。所以，在临时高压消火栓系统中设置高位消防水箱是非常有必要的。

4 高位消防水箱的设置高度

《水规》规定：高位消防水箱的设置位置应高于其所服务的水灭火设施，且最低有效水位应满足水灭火设施最不利点处的静水压力，并应按下列规定确定：1一类高层公共建筑，不应低于0.10MPa，当建筑高度超过100m时不应低于0.15MPa；2高层住宅、二类高层公共建筑、多层公共建筑，不应低于0.07 MPa；多层住宅不宜低于0.07 MPa；3工业建筑，不应低于0.10 MPa，当建筑体积小于20000m？时，不宜低于0.07 MPa；4自动喷水灭火系统等自动水灭