基于ZigBee的智能窗系統(tǒng)的設(shè)計

揭晶方 張偉

摘 要：針對當前智能家居系統(tǒng)需要不斷補充完善的現(xiàn)狀，以及人們對高品質(zhì)生活的向往，文中設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能窗系統(tǒng)。該方案以ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)感知層設(shè)計，采用樹型拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建了低功耗物聯(lián)網(wǎng)智能窗系統(tǒng)。從系統(tǒng)總體設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、ZigBee節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)器的軟硬件設(shè)計以及通信協(xié)議方面闡述了設(shè)計要點，實現(xiàn)了對窗戶的環(huán)境監(jiān)測以及遠程控制功能。該系統(tǒng)為智能家居系統(tǒng)構(gòu)建提出了一種組網(wǎng)簡單，功耗低，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高的遠程控制方案。

關(guān)鍵詞：智能窗；ZigBee；ARM；遠程控制

中圖分類號：TP39；TN915 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步推動著人們對智能家居系列產(chǎn)品需求的增長。無線通信技術(shù)的選用極大程度上決定了產(chǎn)品的性能優(yōu)劣，而ZigBee技術(shù)相比藍牙、WiFi等具有網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸安全性好、功率低等優(yōu)點[1]，適用于智能家居系統(tǒng)。

本文旨在設(shè)計一種基于ZigBee的智能窗系統(tǒng)，能夠?qū)崟r根據(jù)風雨、霧霾情況實現(xiàn)自動開關(guān)窗戶，方便用戶使用終端APP控制窗戶，并實時查看窗戶的開閉狀態(tài)。從現(xiàn)實意義上看，本品不僅可以提高用戶的生活質(zhì)量，更與人們?nèi)找嬖鲩L的生活需要相契合。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)框圖如圖1所示。智能窗系統(tǒng)由五部分組成，分別為用戶訪問平臺、智能窗云平臺服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點。用戶訪問平臺指移動客戶端，用戶可通過客戶端實時查看室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)并控制窗戶開閉。智能窗平臺服務(wù)器實現(xiàn)客戶端對智能窗的遠程控制指令和環(huán)境參數(shù)的處理與傳輸，并將數(shù)據(jù)信息保存在數(shù)據(jù)庫中。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負責將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)進行通信。ZigBee協(xié)調(diào)器負責終端節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。終端節(jié)點分為采集節(jié)點和控制節(jié)點，利用傳感器采集窗外環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過傳感器網(wǎng)絡(luò)進行短距離數(shù)據(jù)傳輸。人體紅外傳感器節(jié)點、煙霧煤氣檢測節(jié)點、光照采集節(jié)點、溫濕度采集節(jié)點、風速檢測節(jié)點、粉塵檢測節(jié)點等均為采集節(jié)點。控制節(jié)點指電機控制節(jié)點，用來控制窗戶開閉。同時一個ZigBee協(xié)調(diào)器負責多個房間不同窗戶的終端節(jié)點。本系統(tǒng)支持上下雙向數(shù)據(jù)傳輸。由感知層至應(yīng)用層時，首先通過各傳感器來采集窗外溫濕度、粉塵濃度、光照強度、風速等信息數(shù)據(jù)，利用ZigBee無線技術(shù)來完成數(shù)據(jù)從傳感器到嵌入式網(wǎng)關(guān)的傳輸，再通過3G/4G/有線寬帶網(wǎng)絡(luò)并依據(jù)TCP協(xié)議，完成數(shù)據(jù)從嵌入式網(wǎng)關(guān)到Web服務(wù)器的傳輸，對數(shù)據(jù)進行分析并形成信息在安卓客戶端顯示。由應(yīng)用層至感知層時，移動客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送指令至智能窗云平臺服務(wù)器，經(jīng)由3G/4G/有線寬帶網(wǎng)絡(luò)，將用戶指令發(fā)給嵌入式網(wǎng)關(guān)進行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，最后由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到電機節(jié)點，從而控制窗戶開閉。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)方便數(shù)據(jù)上下行傳輸，具有安全性好，功耗低，組網(wǎng)簡便等優(yōu)點[2]，符合智能家居的設(shè)計要求且節(jié)能環(huán)保。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括終端節(jié)點、路由器、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、云服務(wù)器五部分。協(xié)調(diào)器用于開啟網(wǎng)絡(luò)、廣播網(wǎng)絡(luò)信息，是連接終端節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的一個透明中繼。終端節(jié)點負責采集數(shù)據(jù)、收集指令，采用兩跳與協(xié)調(diào)器進行雙向無線通信。路由器用于轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)。由于實際應(yīng)用需要，常在某一個房間里布置ZigBee協(xié)調(diào)器。考慮到要與分布在不同房間窗戶上的終端節(jié)點進行通信，而ZigBee通信穿透性較弱[3]，安裝在不同房間窗戶上的ZigBee節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器所在房間時由于信號要穿過墻壁，導(dǎo)致丟包率增大，因此采用樹型拓撲結(jié)構(gòu)。ZigBee協(xié)調(diào)器作為樹型結(jié)構(gòu)的根節(jié)點，匯聚不同房間路由器傳送的數(shù)據(jù)。每個房間中設(shè)立一個路由器用于轉(zhuǎn)發(fā)此房間里終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)，從而克服ZigBee穿透能力差的缺點，降低丟包率。樹型拓撲結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)勢：

（1）路由器能有效降低傳輸丟包率[4]；

（2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相對簡單，易于擴展；

（3）網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度較快；

（4）方便維護。

本系統(tǒng)協(xié)調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過RS 232串口連接，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接入互聯(lián)網(wǎng)，與智能窗云服務(wù)器通過3G/4G/有線寬帶網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)TCP/IP協(xié)議建立通信鏈路。

3 系統(tǒng)平臺設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

文中設(shè)計的智能窗系統(tǒng)硬件由服務(wù)網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點兩部分組成。

3.1.1 終端節(jié)點設(shè)計

在硬件選擇上，出于低功耗的考慮，選取TI公司設(shè)計的CC2530單片機作為終端節(jié)點的主控芯片[5]。

終端節(jié)點分為采集節(jié)點和控制節(jié)點，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。采集節(jié)點由傳感設(shè)備、主控芯片、電源模塊和射頻天線組成，用以采集窗內(nèi)外環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)上傳給ZigBee協(xié)調(diào)器。控制節(jié)點由控制設(shè)備、主控芯片、電源模塊和射頻天線四部分組成，負責執(zhí)行ZigBee協(xié)調(diào)器下發(fā)的控制指令來控制智能窗的開閉。

3.1.2 服務(wù)網(wǎng)關(guān)設(shè)計

作為嵌入式系統(tǒng)的核心，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的選擇要有綜合性能、可靠性、功耗、成本等方面的考量。因而采用TI公司生產(chǎn)的AM335x作為主控芯片，它在性能上完全可滿足家庭網(wǎng)關(guān)處理的需要[6]。ZigBee模塊采用CC2530作為主控芯片，作為協(xié)調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器經(jīng)由RS 232進行數(shù)據(jù)傳輸。

服務(wù)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。服務(wù)網(wǎng)關(guān)由主控芯片、RJ 45接口、3G/4G模塊、電源模塊、CC2530協(xié)調(diào)器、射頻天線六部分組成。家庭網(wǎng)關(guān)主要負責實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家居無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。其中ZigBee網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)調(diào)器負責組建，網(wǎng)絡(luò)建立后，收集來自采集節(jié)點的數(shù)據(jù)并通過RS 232實現(xiàn)與主控制器的數(shù)據(jù)交互，通過RJ 45接口或3G/4G模塊將家庭網(wǎng)絡(luò)接入Internet，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能窗系統(tǒng)軟件由終端節(jié)點軟件部分、ZigBee協(xié)調(diào)器軟件部分和通信協(xié)議等組成。終端節(jié)點軟件部分解決與ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的交互問題，ZigBee協(xié)調(diào)器軟件部分解決與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信問題，通信協(xié)議的設(shè)計使得數(shù)據(jù)能準確、可靠地傳輸。

3.2.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點上電初始化后，搜尋并加入?yún)f(xié)調(diào)器所建立的網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后開啟串口接收函數(shù)[7]，然后開始輪轉(zhuǎn)等待主機命令。當接收標志位完成后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀類型判斷數(shù)據(jù)來自采集節(jié)點還是ZigBee協(xié)調(diào)器。若數(shù)據(jù)來自采集節(jié)點，則將數(shù)據(jù)打包添加幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)長度以及兩位CRC校驗位，然后通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器；若數(shù)據(jù)來自ZigBee協(xié)調(diào)器，則通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給控制節(jié)點，然后將數(shù)據(jù)幀解幀，將幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)長度、兩位CRC校驗位拆除，節(jié)點采用串口通信模式，將解幀后的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制模塊，電機根據(jù)數(shù)據(jù)位內(nèi)容采取對應(yīng)的操作。當終端節(jié)點未接收到數(shù)據(jù)時，進入低功耗模式并繼續(xù)監(jiān)聽等待。圖4所示為終端節(jié)點軟件設(shè)計流程圖。

3.2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

系統(tǒng)運行時，ZigBee協(xié)調(diào)器主要負責啟動網(wǎng)絡(luò)、維持網(wǎng)絡(luò)正常工作以及收集終端采集節(jié)點的數(shù)據(jù)并通過串口與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通信。ZigBee協(xié)調(diào)器上電初始化后，根據(jù)設(shè)計好的參數(shù)建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，建網(wǎng)完成后開啟串口接收函數(shù)，系統(tǒng)開始輪轉(zhuǎn)查詢是否有數(shù)據(jù)傳入。當接收標志位完成后，根據(jù)數(shù)據(jù)幀類型判斷數(shù)據(jù)來自智能窗云服務(wù)器還是終端節(jié)點。若數(shù)據(jù)來自云服務(wù)器，則將數(shù)據(jù)打包添加幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)長度以及兩位CRC校驗位，然后通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端節(jié)點；若數(shù)據(jù)來自終端節(jié)點，則將收到的數(shù)據(jù)進行解幀，將幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)長度、兩位CRC校驗位拆除，再通過3G/4G/有線寬帶網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務(wù)器，云服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后再實時推送到移動客戶端上，與用戶交互。ZigBee協(xié)調(diào)器流程如圖5所示。

3.2.3 通信協(xié)議的設(shè)計

本文根據(jù)系統(tǒng)實際需要設(shè)計了6種類型的通信幀，分別為上行數(shù)據(jù)幀、上行應(yīng)答幀、上行信息幀、下行應(yīng)答幀、下行控制指令幀、下行配置指令幀。其中上行數(shù)據(jù)幀是采集節(jié)點向云服務(wù)器發(fā)送的窗內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)信息。上行應(yīng)答幀是終端節(jié)點執(zhí)行指令情況的反饋幀，云服務(wù)器可以從此幀知道終端節(jié)點是否正確執(zhí)行了指令。上行信息幀表示將采集節(jié)點實時的工作狀態(tài)發(fā)送給智能窗云服務(wù)器，從而反映采集節(jié)點是否正常工作。下行應(yīng)答幀是云服務(wù)器收到終端節(jié)點信息的反饋幀，終端節(jié)點可由此知道數(shù)據(jù)是否正確傳給了云服務(wù)器。下行控制指令幀表示云服務(wù)器向控制節(jié)點發(fā)送的控制指令。下行配置指令幀表示云服務(wù)器配置采集節(jié)點數(shù)據(jù)采集的頻率和控制節(jié)點開關(guān)的狀態(tài)。通過對不同功能通信幀的制定，數(shù)據(jù)交互更具穩(wěn)定性和準確性。

同時，為了保證通信正常準確的進行，必須設(shè)計出合理的數(shù)據(jù)幀格式，幀內(nèi)數(shù)據(jù)按16進制方式存儲。數(shù)據(jù)幀的組成部分包括幀頭、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)區(qū)、校驗位和幀尾，其中數(shù)據(jù)區(qū)由數(shù)據(jù)類型、窗戶ID、設(shè)備類型、設(shè)備ID、有效數(shù)據(jù)5個部分組成，格式見表1所列。幀頭表示此數(shù)據(jù)幀采用串口通信協(xié)議，同時作為是否接收此數(shù)據(jù)幀的標記，表示為0xEE，占用一個字節(jié)。數(shù)據(jù)長度指數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù)，此標志對數(shù)據(jù)個數(shù)進行識別，以確保數(shù)據(jù)的準確性，占用一個字節(jié)。類型是信號幀的識別標志，分為方向位和數(shù)據(jù)類型位，占用一個字節(jié)，其格式如圖6所示。

圖6 類型格式

方向位包括上行和下行，數(shù)據(jù)類型包括數(shù)據(jù)幀、信息幀、應(yīng)答幀、控制指令幀、配置指令幀五種。方向位和數(shù)據(jù)類型位的組合，可實現(xiàn)6種不同類型的通信幀的表示。窗戶ID表示一個窗戶的編號，占用2 B。設(shè)備類型表示幀結(jié)構(gòu)要發(fā)送到的終端節(jié)點的設(shè)備類型編號，占用2 B。設(shè)備ID表示對應(yīng)終端節(jié)點的編號，占用8 B。有效數(shù)據(jù)表示幀中要傳送的有用數(shù)據(jù)，長度不定。校驗位是對傳送數(shù)據(jù)（除去幀頭和幀尾外的所有字節(jié)）的校驗碼，接收方通過辨別校驗位來檢驗是否接收了準確的數(shù)據(jù)，占用2 B。幀尾表示幀信號的結(jié)束，由0xFF表示，占用1 B。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的智能窗系統(tǒng)選用ZigBee技術(shù)組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，并通過3G/4G/有線寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸方式使家庭網(wǎng)關(guān)能接入Internet，實現(xiàn)云服務(wù)器和終端節(jié)點的通信。用戶只要能接入網(wǎng)絡(luò)，便可以登錄客戶端，遠程實時監(jiān)控家庭環(huán)境、控制窗戶開閉。文中從系統(tǒng)總體設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、軟硬件設(shè)計以及通信協(xié)議等方面做出了詳細分析和研究，能達到對窗戶進行遠程控制以及對窗內(nèi)外環(huán)境進行監(jiān)控的目的。

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