CN104330109A - 建筑物理环境多参数自动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑物理环境检测方法。为提供可以针对多种物理指标的参数进行监测的建筑物理环境多参数自动检测方法，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，建筑物理环境多参数自动检测方法，利用如下装置实现：主机端负责从传感器端获取采集到环境数据，将得到的数据存储到本地TF卡中，并适时地将数据通过网络上传至服务器中；每个传感器中都配有8位单片机作为控制器并植入了标准Modbus工业总线的从机协议栈，主机端运行了一套精简的嵌入式操作***，并植入了Modbus主机协议栈，与传感器互联；按照协议标准，总线上最多可以容纳255个从机。本发明主要应用于建筑物理环境检测。

Description

建筑物理环境多参数自动检测方法

技术领域

本发明涉及一种建筑物理环境检测方法，特别是涉及一种智能化控制，高效、精确、可同时检测风环境、热环境、光环境等多个参数的建筑物理环境自动检测方法。 

背景技术

随着我国经济建的发展，城市化进程的加速，建筑物理环境越来越受到各方面的重视。温度、湿度、通风、采光、照明等条件不仅决定着建筑的可用性与舒适性，同时也是建筑评价的核心条件。尤其是近年来绿色建筑理念的普及和推广，建筑物理环境舒适度作为绿色建筑评价的重要组成部分，如何对建筑的风、光、热、湿参数进行科学、高效、精确测量已成为亟待解决的问题。 

同时，对于历史保护性建筑，尤其是古建筑彩画，对自然环境变化最为敏感，极易受到侵蚀与破坏。尤其是近年来随着城市建设的大规模进行，古建筑所处的生态环境也随之发生了巨大改变，其对彩画的影响程度也日益加大，使彩画产生开裂、褪色、粉化的现象。如何确定风速、风压、光照、温度、湿度等自然环境因素对彩画色度、明度、彩度等影响，是另一项备受关注的问题。 

目前与本申请最接近的现有技术如下： 

1.“一种室内环境监测***及其监测方法”(专利号CN201310565687)，该发明公开了一种建筑物室内环境监测***，包括空气环境检测采集器用于采集汇总建筑物室内空气质量数据，采集室内颗粒物、化学污染物、微生物污染物、放射性污染物、温度数据和湿度数据；绿色建筑环境管理模块与空气环境检测采集器对接实时监测空气质量数据，自动调节改善室内空气质量，生成空气质量报告；空气净化器净化空气指令；新风***执行通风调节指令；空调***执行温湿度调节指令；此发明还提供了一种建筑物室内环境监测方法。该专利主要针对室内空气质量指标进行检测，不能检测风、光、热、湿等建筑物理环境指标。 

2.“室温及环境监测器”(专利号CN201320415166)，此实用新型提供了一种室温及环境监测器。该监测器包括单片机以及与所述单片机均相接的温度传感器、湿度传感器、气体传感器、时钟模块、存储器、无线通信模块、显示模块和蜂鸣器。本实用新型可通过相应传感器对室内的温度、湿度、某种有害气体的浓度进行实时检测，之后由单片机将传感器所采集到的检测信号通过无线通信模块定时上传至远程计算机；单片机还可将所接收到的检测信号与其内所设定的各参数的上限值进行比较，当某一检测信号超限时即发出报警信号。人们可在远程终端根据监测结果采取相应的措施，使室内温度保持在正常温度范围内，从而可减少投诉现象的发生，降低供暖管网的运行成本，使人们生活在一个健康的环境中。该专利主要针对室内温度和空气质量进行监测，用于采暖控制和空气环境质量评价，不适用于室外环境，同时不能监测风速、风压、照度、亮度、湿度等物理环境信息。 

3.“环境监测方法及监测***”(专利号CN201310499716)，本发明涉及环境监测技术领域，特别涉及环境监测方法及监测***。其中，该环境监测方法包括：预先存储监测人员对 应的通信信息；接收采集的监测数据，并将接收到的监测数据和预先设置的与该监测数据所对应的设置阈值进行比较，若监测数据超出与其对应的设置阈值，则将监测数据及比较的结果按照通信信息发送给通信信息对应的监测人员。本发明的环境监测方法及监测***能够在采集的监测数据超出设定的设置阈值后，自动通知监测人员。该发明是一种环境监测数据与预设限值的对比预警方法，用于在监测值超出设定的设置阈值后，自动通知监测人员，而不是一种具体的物流环境检测技术。 

4.“水污染源在线动态跟踪监测方法和***”(专利号CN101021543B)，本发明是关于测量。一种水污染源在线动态跟踪监测方法，包含在最低流量条件下按规定的时间间隔启动在线监测仪器进行分析测定和留样。在监测中，若测得超标排污指标，则自行进入超标时控监测、且在后次监测的参数大于前次监测时留样。解决在线监测的频率随排放的工业废水的流量变化和污染浓度的变化而自动改变，以达到符合排污实际状态的监测的技术问题。该发明是针对水资源污染问题进行研究，监测排污实际状态，不能用于建筑物理环境监测。 

5.侯文芳薛平等.《莫高窟第217窟微环境监测分析》.敦煌研究.2007年05期.文章通过对莫高窟第217窟内的微环境监测，对该窟一年来温湿度监测数据和空气交换率监测数据的分析研究，大致阐明了第217窟文物保存的环境现状及变化规律。该文章侧重于微环境对文物影响方面的研究，而且是采用传统的人员手持仪器逐点、逐项进行检测，然后人工记录数据，存在效率低、参数少、存在人为误差等问题。 

6.“基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测***”(专利号CN201010195723)，一种基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测***，有设置在检测车上的升降机构，旋转云台安装在旋转云台上的图像采集单元内，设置在检测车前端的车载前端运行状况采集单元，设置在检测车上的车载控制单元和车载天线，以及远程控制计算机单元和控制天线，车载控制单元通过车载天线和控制天线接收远程控制计算机单元所发出的控制信号分别控制：检测车实现各项运动；升降机构自动升降高度；旋转云台实现自由旋转；图像采集单元将图像数据传输到远程计算机；车载前端运行状况采集单元实时连续采集近地面照度传输到计算机。本发明能够精确快速测量照度、亮度、色度、眩光等多个检测指标，实现远距离遥控测量，避免因夜间光线较暗，道路车辆对人员造成的安全威胁。该专利只能监测照度等光环境的指标，不能对风速、温湿度进行监测。 

7.“一种基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测方法”(专利号CN201010537764)，本发明的基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测方法，首先，在功能上完全满足基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测***的使用要求，本发明的控制方法与硬件***中检测平台、操控单元、传输单元和检测设备要一一对应，满足各项硬件使用功能；其次，有很好的交互性，和各个硬件单元的下位机软件相匹配，以便固件程序能够实时接收并执行上位机通过无线模块发来的指令，最终达到用计算机实时无线控制各个硬件***进行工作；最后，通过工作界面，工作人员能够快速、方便、准确地进行操作。此方法只是对居住区夜间光环境进行检测，不能监测风速、温湿度等指标。 

目前在环境监测领域尚存在如下问题： 

1.现有技术都只针对某一方面参数进行监测，如有害气体对空气质量影响、温度对供暖 ***影响、排放污染物对水资源影响等，尚无能够全面监测各项建筑物理环境参数的全自动监测***，以至于不能对建筑环境舒适度作出科学评价，也不能够用于研究物理环境对古建筑影响等问题。 

2.现有技术的数据传输方式存在问题。目前监测数据的无线传输方式主要有两种：一种为采用外接天线发射方式，该方式受到天线发射功率限制，传输距离有限，不能实现远距离或超远距离数据传输；另一种为WIFI传输方式，这种方式虽可进行远距离传输，但受周围条件限制较大，在没有无线网络覆盖的区域不能使用。 

3.现有技术的供电方式存在问题。一种是采用单一电池给***供电，这种方法受到电池容量限制，若监测数据量和数据传输量较大时，***有效运行时间会很短；第二种是采用市电直接供电，该方法受到使用场所限制，在无法提供市电的场所不能使用。 

4.现有技术的数据安全性不能够保证。目前监测数据的记录有两种方式：一种为存储于***硬盘中，该方法当出现供电中断、通讯故障或***问题时，将出现数据丢失等问题；另一种为通过无线方式传输到计算机，这种方法由于其利用公共网络，容易被他人盗取所传输的信息。因此现有技术严重影响数据安全。 

5.现有技术对于所采集的数据的存储方式为原始数据的直接记录，未加整理的海量数据将会给后期的计算分析带来困难，不仅极大的增加工作量，而且有出现误差的风险。 

6.现有技术的采集探头数量和监测内容固定，若监测点和监测内容增加时，不方便进行技术扩展。 

7.中国古建筑有严格的保护标准和规范，特别是一些世界文化遗产，要求不能对建筑本体以及附属物产出任何形式的破坏，但现有监测技术主要是针对现代建筑，***安装方式为在建筑本体上固定安装，因此不能用于古建筑监测。 

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供可以针对多种物理指标的参数进行监测的建筑物理环境多参数自动检测方法，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，建筑物理环境多参数自动检测方法，主机端负责从传感器端获取采集到环境数据，将得到的数据存储到本地TF卡中，并适时地将数据通过网络上传至服务器中；每个传感器中都配有8位单片机作为控制器并植入了标准Modbus工业总线的从机协议栈，主机端运行了一套精简的嵌入式操作***，并植入了Modbus主机协议栈，与传感器互联；还包括如下步骤： 

在操作***内运行数据采集步骤、数据发送步骤、更新配置步骤、电流监控线程和看门狗步骤；各个步骤具体如下： 

数据采集步骤定时调用modbus协议栈，向总线上的各个传感器分别发送命令要求数据；接收到数据之后，数据采集线程通过文件***将数据存入SD卡；另外数据采集线程还负责维护SD卡内数据文件的完整性，删除不完整的数据条目； 

数据发送步骤通过WIfi驱动程序定时向服务器发起通信，通信建立后通过文件***读取数据文件，将没有上传的数据条目上传到服务器； 

更新配置步骤定时与服务器建立通信，通信建立后接收服务器发送的采样频率、***时 间等参数，然后更新本地的各项参数； 

电流监控步骤负责监控向传感器供电的输出电流，当电流过载的时候自动停止供电，防止电线、传感器起火。 

看门狗线程定时更新看门狗计时器，当***出错或死机时，看门狗线程停止更新，使计数器溢出，***重启。 

数据发送步骤通过有GPRS网络连接模块，通过异步串行通讯向GPRS网络连接模块发送网络连接指令，GPRS网络连接模块***联通数据流量卡后可以通过当地已覆盖的联通手机网络直接访问互联网，在互联网上设置占用一个固定IP地址的服务器等待通过GPRS网络连接模块建立连接；在工作时每10分钟通过GPRS网络连接模块尝试一次与服务器建立连接，若连接成功，则开始上传数据，否则将数据暂存在本地存储卡中，等待10分钟后再次尝试连接。 

利用GPRS网络连接模块将数据内容均编码后打包进入tcp包进行传输。 

采用太阳能供电***，***主要由太阳能电池板、充电控制器、铅酸蓄电池三部分组成；在光照充足时，太阳能电池板将太阳能转换为电能，再通过充电控制器将电能存储在铅酸蓄电池中，蓄电池为主机端和传感器提供24小时不间断电源。 

本发明的技术特点及效果： 

本发明可以针对多种物理指标的参数进行监测，如光照度、温湿度、风速风压，能够实现各项建筑物理环境的全自动检测，可以对建筑环境舒适度作出科学评价，也可以用于研究物理环境对古建筑影响等问题。 

本发明通过手机GSM网络传输数据，手机GSM网络传输距离长，覆盖面积广，客服了外接天线传输距离短，WIFI传输覆盖面积小的缺点。 

本发明采用太阳能电池和市电两种供电方式，根据不同的情况可以自主选择供电方式,增加了监测***的适应性，提高了监测的效率，避免了只用电池供电时间受限以及单纯采用市电使用场所受到限制的缺点。 

专门为监测***开发了完整的数据库，可以将监测数据分别记录到数据库内，按照数据的记录时间，每个数据的特点、类型等分类记录、处理数据，提高了数据的收集效率，便于后期处理、分析数据。 

本发明可以根据监测需要，增加探头的数量，最多就可以增加到300-400个，可以实现监测数据的扩展。 

本发明采用的是非破坏式安装方式，为了保护古建筑，用铁箍卡在柱子或梁上，并在铁箍与梁或柱之间加设垫片，不会破坏建筑本体，完全可以用于古建筑特别是保护性古建筑的监测。 

附图说明

图1***结构图。 

图2主机软件结构图。 

图3服务器简单框架图。 

图4wifi通信示意图。 

图5通信流程图。 

具体实施方式

本环境数据采集***主要分为传感器端、主机端、服务器端三部分，***框图如下。主机端是整个***的核心部分，负责从传感器端获取采集到环境数据，将得到的数据存储到本地TF卡中，并适时地将数据通过网络上传至服务器中。每个传感器中都配有8位单片机作为控制器并植入了标准Modbus工业总线的从机协议栈，主机端运行了一套精简的嵌入式操作***，并植入了Modbus主机协议栈，与传感器互联。按照协议标准，总线上最多可以容纳255个从机，即一套***最多能够悬挂255个传感器同时工作。 

主机软件设计 

主机盒内运行RT-Thread实时操作***。此操作***可以有效的管理***资源，保证***的实时响应。另外我们针对使用的单片机移植了modbus总线协议栈，开发了wifi模块的驱动程序。ModBus即Modbus通讯协议，是由Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。 

在操作***内我们建立了数据采集线程、数据发送线程、更新配置线程、电流监控线程和看门狗线程。各个线程的功能如下： 

数据采集线程定时调用modbus协议栈，向总线上的各个传感器分别发送命令要求数据。接收到数据之后，数据采集线程通过文件***将数据存入SD卡。另外数据采集线程还负责维护SD卡内数据文件的完整性，删除不完整的数据条目。 

数据发送线程通过WIfi驱动程序定时向服务器发起通信，通信建立后通过文件***读取数据文件，将没有上传的数据条目上传到服务器。 

GSM全称为全球移动通信***(Global System for Mobile Communication)，也就是常说的第二代移动电话***(2G网络)。 

本***中有GSM和WIFI两种网络接口，工作时根据现场网络情况安装网络模块，只用其中一种网络实现***数据传输。 

更新配置线程定时与服务器建立通信，通信建立后接收服务器发送的采样频率、***时间等参数，然后更新本地的各项参数。 

电流监控线程负责监控向传感器供电的输出电流，当电流过载的时候自动停止供电，防止电线、传感器起火。 

看门狗线程定时更新看门狗计时器。当***出错或死机时，看门狗线程停止更新，使计数器溢出，***重启。 

本***具有本地存储、网络传输、电流监控和自动复位等功能。能够自动定时采集数据并上传到服务器，同时自动检查数据条目的完整性并在本地备份数据。通过电流监控、自动复位等功能能够实现***的自我检测、自我纠错和自我保护，使***能够在无人干预的情况下长期稳定安全运行。 

主机与服务器网络连接实现 

本***主机内部装有华为GPRS网络连接模块MG323，主机通过异步串行通讯向MG323模 块发送网络连接指令，MG323模块***联通数据流量卡后可以通过当地已覆盖的联通手机网络直接访问互联网，而同时本***的服务器在互联网上占用一个固定IP地址等待主机通过MG323模块建立连接。主机在工作时每10分钟通过MG323模块尝试一次与服务器建立连接，若连接成功，则开始上传数据，否则将数据暂存在本地存储卡中，等待10分钟后再次尝试连接。 

网络协议设计与实现 

本***网络协议实现了可靠的、基于链接的数据传输协议，该协议兼容使用了机器码与文本传输，做到了有效的部分加密与身份认证，在具体情境下，保证了数据传输的安全。我们将其称为ddsp认证与传输协议。 

可靠性、基于链接的数据传输协议 

本协议以tcp协议为基础，利用了tcp链接提供的可靠的、顺序的、基于连接的特性。数据内容均编码后打包进入tcp包，在解码端再解码为机器可识别的数据。通过基于tcp协议的方式，保证了ddsp协议的可靠性，并能无缝衔接在绝大多数网络中，提高了协议的兼容性。主机端tcp打包过程由MG323手机模块自动完成。 

兼容机器码与文本 

本协议有别与传统的数据传输协议，本协议兼容使用了机器码与文本的传输编码方式。由于机器码的机器依赖性，传统的数据传输协议常常将数据编码为文本后再进行传输，这样的方式保证了兼容性，但是也增加了传输的数据字节数，大大减少了数据传输的效率。对于短时间高速传输大量数据，这种方法成为了提高效率的瓶颈。因此，本协议兼容了机器码传输与文本传输的优点，在数据中，使用协议确定的字节序和字节长度表示字段，最大程度上缩减字段中的无效部分。在协议的同步上，使用文本内容，以起到区别于机器码的作用。由于同步信息的发送频率较低，因此部分使用文本数据在带来正确性的的同时也不失数据传输的效率性。 

有效加密 

使用机器码表示数据的另一个优点即是能提高***的加密程度。不同的***有其合适的加密级别，对于本项目，有效的部分加密即可满足需求。因此，使用机器码让潜在的数据拦截、窃取的难度增加。即使发生数据拦截，但从比特码转化成辨别的数据，也不是一件容易的事。 

身份认证 

本***实现了有效的身份认证。具体地，使用了挑战应答的方式。客户端发送请求码的同时服务器要求其对一组256长度的数据进行快速变换，如果变换结果与服务器变换结果一致，则身份认证成功。该变换时身份认证的核心，它利用了大素数分解的复杂度，并在此基础上做了其他变换。基于这个自主设计的身份认证***，有效地提高了数据传输的有效性，也保证了一定的安全性和数据的可信度。 

服务器协议设计与实现 

本***服务器运行在硬虚拟化的类Unix主机上，由JAVA实现。该服务器软件，基于JVM 实现了在不同服务器软硬件平台上的无缝移植性，并实现了daemon化和日志管理***。 

双池 

本服务器软件，实现了数据传输线程池和数据库连接池的双池结构。充分提高了***的效率，有效地利用连接资源，并以此实现了重要的处理并发的能力。双池结构的使用，有效利用了现代计算机多核心多CPU的特点，使得***的可扩展性有了显著提高。 

本地数据持久化 

本服务器使用了mysql数据库作为本地数据持久化的支持***。Mysql数据库具有兼容性强，轻量级等特点，这些特点符合本项目对于数据持久化的要求。使用mysql数据库也体统了统一的数据查询方式，能够为无缝地衔接后续的数据展示与数据分析任务。 

主从同步 

本服务器软件的重要任务是处理从客户端上传的数据包。本***构建了多级的缓冲机制，在保证正确性的前提下，大大提高了数据传输的效率。同时基于路径遍历分析的软件测试方法，保证了主从同步的健壮性。 

太阳能供电实现方法 

本***的主机盒采用12伏直流电源供电，传感器电源由主机盒提供。 

本***在环境监测现场能提供220伏交流市电时利用12伏直流稳压电源为主机端和传感器供电；当监测现场不能24小时提供稳定市电时，本***将采用太阳能电池***为主机端和传感器供电。 

太阳能供电***主要由太阳能电池板、充电控制器、铅酸蓄电池三部分组成。在光照充足时，太阳能电池板将太阳能转换为电能，再通过充电控制器将电能存储在铅酸蓄电池中，蓄电池为主机端和传感器提供24小时不间断电源。 

在安装时，太阳能电池板应朝南并与地面夹角60度固定以尽可能多地获取光照；铅酸蓄电池应密封在地埋箱中并埋入地下1米深处，将蓄电池埋入地下既能消除安全隐患又能有效解决电池夏季散热和冬季低温影响容量等问题。根据现场的光照情况和采集***规模可是当增加太阳能电池板面积和蓄电池容量。 

Claims (1)

1.一种建筑物理环境多参数自动检测方法，其特征是，主机端负责从传感器端获取采集到环境数据，将得到的数据存储到本地存储卡中，并适时地将数据通过网络上传至服务器中；每个传感器中都配有单片机作为控制器并植入了标准Modbus工业总线的从机协议栈，主机端运行了一套精简的嵌入式操作***，并植入了Modbus主机协议栈，与传感器互联；还包括如下步骤：

在操作***内运行数据采集步骤、数据发送步骤、更新配置步骤、电流监控线程和看门狗步骤；各个步骤具体如下：

数据采集步骤定时调用modbus协议栈，向总线上的各个传感器分别发送命令要求数据；接收到数据之后，数据采集线程通过文件***将数据存入SD卡；另外数据采集线程还负责维护SD卡内数据文件的完整性，删除不完整的数据条目；

数据发送步骤通过WIfi驱动程序定时向服务器发起通信，通信建立后通过文件***读取数据文件，将没有上传的数据条目上传到服务器；

更新配置步骤定时与服务器建立通信，通信建立后接收服务器发送的采样频率、***时间等参数，然后更新本地的各项参数；

电流监控步骤负责监控向传感器供电的输出电流，当电流过载的时候自动停止供电，防止电线、传感器起火；

看门狗线程定时更新看门狗计时器，当***出错或死机时，看门狗线程停止更新，使计数器溢出，***重启。