基于物聯網的小區天氣反饋調節智能窗戶系統設計

劉蔚柯++呂燕敏++張昆倫

摘 要：基于物聯網技術設計了一個小區天氣反饋調節智能窗戶系統，該系統通過小區天氣監測傳感器獲取小區內的實時天氣數據，并針對突發災害性惡劣天氣如沙塵、大風、暴雨、重霾等為用戶提供報警提示和小區窗戶的開關控制。與以往的智能窗戶相比，該系統支持小區范圍的感知、共享和連片控制，可大大降低建設成本和維護難度，使智能窗戶系統感知更全面，簡潔美觀，經濟可行。

關鍵詞：智能窗戶；天氣監測；物聯網；ZigBee

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

隨著傳感器技術、網絡傳輸技術和信息處理技術的飛躍發展，物聯網時代悄然來臨，智慧家居理念開始走進人們的日常生產與生活。智能窗戶系統應運而生，作為一種典型的智慧家居應用，智慧窗戶目前只針對高檔業主進行單門獨戶式設計和部署，造價高昂，維護不易，難以大面積推廣應用。本文設計了一種基于物聯網的小區天氣反饋調節智能窗戶系統，結合物聯網、智能控制、移動服務等多項先進技術，將傳感器應用范圍區域化，針對突發災害性惡劣天氣如沙塵、大風、暴雨、重霾等可為業主提供報警提示和智能控制，自主關閉區域內受控窗戶，在成本大幅下降的同時也使得智能窗戶變得更加簡潔美觀且易于維護，滿足了現代家居追求的安全、舒適和便捷等特點。

1 系統總體設計

基于物聯網的小區天氣反饋調節智能窗戶系統包括小區天氣監測子系統、樓宇窗戶控制子系統、信息處理子系統和客戶端App四部分。其中小區天氣監測子系統以多種高精度氣象儀器（如大風、雨雪、溫度、濕度、沙塵、霧霾等各種大氣環境監測器）為感知節點，獲取區域天氣數據并匯聚到信息處理中心，經快速在線計算分析后，實時判定天氣狀況，生成智能窗戶控制指令，同時通過客戶端App向用戶推送天氣預警信息。系統總體架構如圖1所示。

小區天氣監測子系統是智能窗戶系統進行大氣環境感知的基礎。在小區合適位置設置高精度氣象傳感器對雨、雪、沙塵、霧霾、大風等影響人們生活的天氣現象進行實時高精度監測，再通過網絡將這些感應器獲得的氣象數據傳送給信息處理子系統。

信息處理子系統是智能窗戶系統的核心，由信息處理服務器對小區天氣感知數據進行實時分析與處理，判明當時的天氣狀況，針對突發性、災害性惡劣天氣，實時生成小區窗戶的控制指令，并通過客戶端App向用戶推送報警提示。信息處理子系統同時還提供整個系統的運行管理功能，如系統用戶的注冊與驗證，客戶端App動態升級，全系統狀態監控和日志等。

樓宇窗戶控制子系統是智能窗戶系統的控制對象和價值體現。該子系統由小區內帶有開關驅動裝置的受控窗戶和連接驅動裝置的控制網絡組成。對于新建建筑物可統一安裝帶有驅動裝置的受控窗戶；對于已有建筑物可進行適當改造加入窗戶驅動裝置。該驅動裝置既可以直接人工開關，也可以通過信息處理子系統發出的指令進行開關，還可利用客戶端App進行遠程開關?？刂凭W絡通過無線網關利用ZigBee協議把小區所屬樓棟的窗戶開關驅動裝置連接起來，負責控制指令的傳輸和開關狀態的采集。

客戶端App是基于智能終端的簡潔的用戶使用界面。它可滿足用戶關于目標小區的天氣查詢需要和目標住宅窗戶的開關狀態查詢需要，接收來自信息處理子系統的惡劣天氣預警提示，可以方便快捷地提供防范措施，遠程控制目標住宅窗戶的開關。

2 子系統設計

按照物聯網三層（感知與控制層、網絡傳輸層和應用層）技術架構劃分，小區天氣監測子系統和樓宇窗戶控制子系統同屬于感知與控制層，本系統為了滿足小區天氣一體感知和樓宇窗戶按戶授權控制的技術要求，將兩者獨立設計。

2.1 小區天氣監測子系統

使用靈敏度較高的專業氣象儀器作為小區天氣監測子系統的主要監測儀器，以提高監測的精確性與實時性。同時，根據一些典型惡劣天氣的出現范圍、發生情況、形成原因，將相關監測儀器安置于小區上風口建筑頂部或小區四周建筑物頂部。這些天氣監測儀器采用主動探測和被動讀數兩種工作方式：

（1）主動探測方式主要針對事件驅動的傳感器，它在探測到異常事件發生時，主動向傳感器網絡發送事件告警數據包，如雨滴傳感器探測到下雨事件，霧霾傳感器探測到重度霧霾發生等；

（2）被動讀數方式主要針對如溫度、濕度、風速等連續測量型傳感器，它在收到傳感器網絡發來的讀數指令后返回當時儀表的測量值。

這些布設在小區各地方的氣象儀器選型自帶射頻（RF）模塊，它們可將監測到的異常事件或儀表讀數采用ZigBee協議傳送給臨近的無線路由器，再經其中繼轉發到傳感器網絡協調器，經匯聚處理后上傳數據處理服務器。小區天氣監測子系統組成如圖2所示。

在圖2所示的基于ZigBee協議構建的小區天氣監測感知網中，根據各節點在ZigBee網絡中所擔負的角色劃分為三種：

（1）第一種是結構簡單，功能單一的傳感器終端節點，專門負責現場天氣數據的采集，屬于簡化功能設備（Reduce Function Device，RFD），它們相互之間不能通信，更不具有路由和中繼功能，只能與網絡中具有路由功能或網絡管理功能的全功能設備（Full Function Device，FFD）進行通信；

（2）第二種是處于感知網中間層的中繼轉發節點，其具有鏈接其他節點并轉發感知數據的能力，屬于全功能設備；

（3）第三種是網絡協調節點，屬于全功能設備，處于感知網的頂層，具有建立網絡和維護網絡的能力，同時能夠匯聚感知數據，上報至信息處理子系統，接受并傳達信息處理子系統下達的讀數指令。它是小區天氣監測子系統的核心部件，其工作流程如圖3所示。

當小區天氣監測感知網絡成功建立后，網絡協調節點維護整個感知網絡的節點列表，記錄網絡節點的節點編號、節點地址、節點類型、工作方式、節點狀態、入網時間等詳細信息。

2.2 樓宇窗戶控制子系統

為了滿足整個小區窗戶能夠按住戶為單位分別進行授權控制的技術要求，樓宇窗戶控制子系統給每套住房配置一個單獨的智能窗戶控制網關，在確保所有小區智能窗戶都擁有唯一地址的同時可以按戶分組授權，從而支持業主通過客戶端App進行遠程人工控制，也為本系統按戶服務計費提供技術支撐。

智能窗戶控制網關是樓宇窗戶控制子系統的核心部件，其具有如下功能：

（1）負責向信息處理服務器請求分配子網地址段，受理該住戶智能窗戶的入網請求，建立基于ZigBee協議的智能窗戶控制子網；

（2）接受服務器下達的控制指令，傳達并監督所轄子網內智能窗戶的指令執行情況；

（3）作為樓宇窗戶控制網絡的中繼轉發節點，參與控制數據包的中繼轉發。

智能窗戶控制網關的工作流程如圖4所示。

智能窗戶控制網關具有網絡協議轉換能力，它與信息處理子系統之間的通信可以采用有線或無線網絡，也可以借用現有的小區數據通信網絡，從而進一步降低系統建設成本。

2.3 信息處理子系統

信息處理子系統由實時監控、運行管理和數據庫三部分組成。監控服務器對小區天氣監測子系統上報的氣象數據進行實時處理，結合數據庫中存儲的氣象知識來分析判斷天氣狀況，針對突發性惡劣天氣，即時下達小區窗戶控制指令，并向客戶端App推送報警提示。運行管理服務器具有如下功能：

（1）動態監測整個系統中傳感器、網絡路由、控制網關和驅動控制器等設備的運行狀態，對失效設備進行維修提示，并自動記錄運維日志；

（2）受理智能窗戶控制網關子網地址段分配請求，采用樓棟-樓層-房號三級地址分配模式為控制網關分配子網地址段，并登記控制網關的注冊信息；

（3）對客戶端App提供后臺信息服務和動態升級服務。數據庫服務器用以存儲天氣判斷知識和智能窗戶控制策略，同時存儲運行管理所需的數據表?？刂凭W關注冊表、節點狀態表、用戶登記表、用戶-控制網關關系表如表14所示。

2.4 客戶端App

客戶端App采用簡潔明了的設計風格，只有兩層用戶界面，分別為首頁導航界面和功能操作界面。用戶界面如圖5所示。

首頁導航界面頂上有三個功能按鈕，分別為系統設置、窗戶控制和歷史信息，通過它們進入第二層功能界面。首頁導航界面的主體部分動態顯示小區天氣實況和惡劣天氣預警提示信息，同時顯示用戶關聯控制的智能窗戶開關狀態信息。

3 結 語

本系統基于物聯網、智能控制、移動服務等多項先進技術，體現了小區天氣一體化感知和樓宇窗戶按戶授權控制的技術優勢，與傳統智能窗戶系統相比具有以下特色和創新點：

（1）通過物聯網技術利用中央信息處理系統成功實現了一對多功能，即一套小區天氣監測系統的數據供整個小區范圍內的所有窗戶使用，大大降低了成本。

（2）將多種氣象儀器組合作為區域內所有窗戶的感知設備，解決了以往智能窗戶將所有感知設備安裝于窗戶之上所帶來的不美觀、維護難、成本高等問題。

本系統作為目前政府大力推動建設的智慧城市和智慧家居的有機組成部分，因其惠及大眾、技術可行、運維簡單、性價比高，具有先行先試的突出示范效益。特別是隨著全球氣候變暖，我國突發性惡劣天氣明顯增多，基于物聯網的小區天氣反饋調節智能窗戶系統作為百姓日常生產生活中防災減災的一種直接有效手段，必將帶來良好的社會效益。

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