基于物聯網技術的窗戶開關系統設計

董雅棉

隨著科技的進步和各個領域的產業升級，物聯網應運而生。中國“十二五”規劃已經明確提出，發展寬帶融合安全的下一代國家基礎設施，推進物聯網的應用。物聯網問世之前的家居系統主要以硬件設備和有線進行網絡連接，由于各種網絡標準不一樣從而可能出現網絡線路存在布線困難或者線路兼容性問題，進而致使整套智能家居系統存在成本高、操作困難、占用大量空間等問題。隨著物聯網技術的興起，讓家居系統逐漸由傳統化向智能化轉變。

1 物聯網系統設計原則

1.1 實用性

本設計目的是為用戶提供一個舒適、便捷的生活環境。因此實用為首要目的，舍掉華而不實的功能，整個系統必須簡潔明了、易操作。

1.2 穩定性

產品設計的穩定性主要包括傳感等硬件產品模塊的穩定、網絡的穩定、功能的穩定、系統運行的穩定等，能夠保證數據的無差錯傳輸。

1.3 兼容性

產品的設計必須根據相關標準進行，確保系統的在各個設備以及網絡中的兼容性，達到可擴展的目標。在系統數據的傳輸上采用標準的TCP/IP 協議網絡技術，保證不同產商之間系統可以兼容與互聯[3]。

1.4 方便性

硬件設備的選擇、布線安裝的合理性關系到系統設計成本的高低，維護的難易程度以及今后升級擴展的難易問題，因此硬件設備選擇尤為重要，硬件設備方面要達到要易學、易操作、維護簡便，升級簡單等要求；同時布線也要盡量達到最簡化，并且為今后的擴展預留布線空間。

1.5 擴展性

在滿足用戶現有需求的前提下，設計時應充分考慮今后的發展趨勢，在技術上始終要保持最先進甚至適度的超前，并且采用最先進的技術標準來規范產品，致使整個系統隨著技術的發展和進步，具備更新、擴展和升級的能力。

2 三層體系架構

基于物聯網技術的窗戶開關系統分為3 個層次：感知層、傳輸層（網絡層）和應用層。

2.1 感知層

以往的智能家居大多數是由單片機控制。隨著新功能的增加和性能的提升，具有網絡功能的嵌入式系統在智能家居的地位日益提升。其中感知層層包括ZigBee 節點，光照傳感器、雨滴傳感器、溫濕度傳感器等，通過這些傳感器收集室內外環境中的相關數據。

2.2 傳輸層（網絡層）

本層主要實現的功能是：首先，實現內網與外網之間的數據傳輸；其次，還要能夠識別網絡傳輸的數據是否安全，并非為“黑客”入侵。因此，家庭智能終端不僅僅起到數據、信息傳輸的作用，同時也對信息化安全起到一定的保護作用。

2.3 應用層

本層主要用于將網絡層（服務器）傳輸過來的數據進行對比、分析跟處理，網關通過有線或無線的網絡，按照規定的網絡通信協議，借助外部擴展模塊控制傳感器設備做出相應的回應，該部分主要采用Android、Java 語言進行軟件系統的開發，主要設備在于手機端，實現客戶遠程操作。由于該系統的相關功能都為獨立個體，因此采用模塊化設計。其優點在于：層次清晰，便于維護，效率高，便于今后系統的升級擴展。

3 物聯網技術的窗戶開關系統設計

3.1 系統整體結構

這一系統中的核心有兩部分，第一個是感知層，這一層主要就是感知和采集數據，可以通過溫度傳感、光照傳感、濕度傳感、以及雨滴傳感器進行實時感知，進而利用采集器進行數據采集，把數據傳送到ZigBee 協調器節點上。第二個核心是應用層，這一系統主要就是存儲數據、處理信息、下達控制指令，這些能夠為用戶的分析和決策提供有效的依據，用戶能夠實時通過電腦等終端查詢數據。整體的原理圖如圖1。

圖1 窗戶開關系統結構原理圖

3.2 窗戶開關系統構建

3.2.1 系統硬件構建

1）無線模塊：ZigBee 是以IEEE802.15.4 協議為基礎，擴展出來的集，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。耗電量非常小，普通的電池就能維護其自身大半年的工作，對于家里不便安裝電源的地方其優勢就能凸顯出來并且響應時間僅為30ms 左右，能夠對傳感器所收集的數據做出快速的反應。因此ZigBee 主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備，其主要是對于低功耗和成本的射頻進行應用，一部分是網關協調器和傳感節點。

2）傳感器模塊：這一模塊中包括光照傳感器、溫濕度傳感器、以及雨滴傳感器。各個傳感器：用于采集光照強度參數數據/溫濕度參數數據/降雨量參數數據，并將采集到的數據通過ZigBee傳輸到CC2630，CC2630 會對所采集的數據進行分析、融合，通過這些數據判斷室外天氣情況。如果采集到的數據與數據庫中下雨天的數據值接近甚至超過，CC2630 會驅動步進機運轉，致使窗戶關閉；如果采集到的數據低于數據庫中下雨天的數據值，則CC2630 會驅動步進機運轉，致使窗戶打開。

3）電源板：其作用就是給無線節點模塊以及傳感控制模塊進行連接，能夠一起為系統進行供電。

從圖1 中的硬件系統構建中能夠看到，其中MCU 是控制重點，電池模塊是給系統供電和連接，傳感模塊和控制模塊檢測采集種植環境的數據。通過ZigBee 傳輸數據與信息，通過客戶終端就可以實時看到數據，可以通過終端存儲和顯示數據，進而和標準生產環境參數進行比較，實現對遠程家居的自動控制或者手動控制。

3.2.2 系統網絡層實現

本系統網關硬件部分由CC2630 和GPRS 組成。CC2630 模塊用于接收ZigBee 無線通信方式發送過來的數據；GPRS 與其他的通信模式相比在智能家居的應用上具有很大的優勢：1）覆蓋的范圍廣；2）GPRS 能夠實現數據的實時傳輸；3）通信方式多樣性等。因此其主要用于傳輸所收集數據至客戶端，實現對窗戶開關系統的自動控制以及客戶端信息的顯示。

3.2.3 應用服務程序設計實現

這一功能實現需要與網絡相互結合，其主要功能：1）主要通過客戶端（手機、電腦或平板）來實現窗戶開關情況以及下雨情況的顯示；2）通過家庭內外網以及GPRS 手機短信的通信來控制窗戶的開關。

4 結語

整個窗戶開關系統開發過程中，采用物聯網技術實現低成本、低功耗、高可靠性的特點，在系統設計前期對其進行充分的需求分析，制定并嚴格執行測試，進而保證整個系統的質量。該系統的完成可使智能家居達到舒適、便捷、智能等要求。但是系統還有待完善：遇到突發事件的警報以及應急措施；整個智能設備系統的網絡安全問題，系統的安全機制需要列入今后重點研究方向。