劉蔚柯++呂燕敏++張昆倫

摘 要：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)小區(qū)天氣反饋調(diào)節(jié)智能窗戶(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)傳感器獲取小區(qū)內(nèi)的實(shí)時(shí)天氣數(shù)據(jù)，并針對(duì)突發(fā)災(zāi)害性惡劣天氣如沙塵、大風(fēng)、暴雨、重霾等為用戶(hù)提供報(bào)警提示和小區(qū)窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)控制。與以往的智能窗戶(hù)相比，該系統(tǒng)支持小區(qū)范圍的感知、共享和連片控制，可大大降低建設(shè)成本和維護(hù)難度，使智能窗戶(hù)系統(tǒng)感知更全面，簡(jiǎn)潔美觀，經(jīng)濟(jì)可行。

關(guān)鍵詞：智能窗戶(hù)；天氣監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和信息處理技術(shù)的飛躍發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代悄然來(lái)臨，智慧家居理念開(kāi)始走進(jìn)人們的日常生產(chǎn)與生活。智能窗戶(hù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，作為一種典型的智慧家居應(yīng)用，智慧窗戶(hù)目前只針對(duì)高檔業(yè)主進(jìn)行單門(mén)獨(dú)戶(hù)式設(shè)計(jì)和部署，造價(jià)高昂，維護(hù)不易，難以大面積推廣應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)天氣反饋調(diào)節(jié)智能窗戶(hù)系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、移動(dòng)服務(wù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，將傳感器應(yīng)用范圍區(qū)域化，針對(duì)突發(fā)災(zāi)害性惡劣天氣如沙塵、大風(fēng)、暴雨、重霾等可為業(yè)主提供報(bào)警提示和智能控制，自主關(guān)閉區(qū)域內(nèi)受控窗戶(hù)，在成本大幅下降的同時(shí)也使得智能窗戶(hù)變得更加簡(jiǎn)潔美觀且易于維護(hù)，滿(mǎn)足了現(xiàn)代家居追求的安全、舒適和便捷等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)天氣反饋調(diào)節(jié)智能窗戶(hù)系統(tǒng)包括小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、樓宇窗戶(hù)控制子系統(tǒng)、信息處理子系統(tǒng)和客戶(hù)端App四部分。其中小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以多種高精度氣象儀器（如大風(fēng)、雨雪、溫度、濕度、沙塵、霧霾等各種大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)器）為感知節(jié)點(diǎn)，獲取區(qū)域天氣數(shù)據(jù)并匯聚到信息處理中心，經(jīng)快速在線計(jì)算分析后，實(shí)時(shí)判定天氣狀況，生成智能窗戶(hù)控制指令，同時(shí)通過(guò)客戶(hù)端App向用戶(hù)推送天氣預(yù)警信息。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是智能窗戶(hù)系統(tǒng)進(jìn)行大氣環(huán)境感知的基礎(chǔ)。在小區(qū)合適位置設(shè)置高精度氣象傳感器對(duì)雨、雪、沙塵、霧霾、大風(fēng)等影響人們生活的天氣現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將這些感應(yīng)器獲得的氣象數(shù)據(jù)傳送給信息處理子系統(tǒng)。

信息處理子系統(tǒng)是智能窗戶(hù)系統(tǒng)的核心，由信息處理服務(wù)器對(duì)小區(qū)天氣感知數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理，判明當(dāng)時(shí)的天氣狀況，針對(duì)突發(fā)性、災(zāi)害性惡劣天氣，實(shí)時(shí)生成小區(qū)窗戶(hù)的控制指令，并通過(guò)客戶(hù)端App向用戶(hù)推送報(bào)警提示。信息處理子系統(tǒng)同時(shí)還提供整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行管理功能，如系統(tǒng)用戶(hù)的注冊(cè)與驗(yàn)證，客戶(hù)端App動(dòng)態(tài)升級(jí)，全系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和日志等。

樓宇窗戶(hù)控制子系統(tǒng)是智能窗戶(hù)系統(tǒng)的控制對(duì)象和價(jià)值體現(xiàn)。該子系統(tǒng)由小區(qū)內(nèi)帶有開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置的受控窗戶(hù)和連接驅(qū)動(dòng)裝置的控制網(wǎng)絡(luò)組成。對(duì)于新建建筑物可統(tǒng)一安裝帶有驅(qū)動(dòng)裝置的受控窗戶(hù)；對(duì)于已有建筑物可進(jìn)行適當(dāng)改造加入窗戶(hù)驅(qū)動(dòng)裝置。該驅(qū)動(dòng)裝置既可以直接人工開(kāi)關(guān)，也可以通過(guò)信息處理子系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行開(kāi)關(guān)，還可利用客戶(hù)端App進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)利用ZigBee協(xié)議把小區(qū)所屬樓棟的窗戶(hù)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置連接起來(lái)，負(fù)責(zé)控制指令的傳輸和開(kāi)關(guān)狀態(tài)的采集。

客戶(hù)端App是基于智能終端的簡(jiǎn)潔的用戶(hù)使用界面。它可滿(mǎn)足用戶(hù)關(guān)于目標(biāo)小區(qū)的天氣查詢(xún)需要和目標(biāo)住宅窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)查詢(xún)需要，接收來(lái)自信息處理子系統(tǒng)的惡劣天氣預(yù)警提示，可以方便快捷地提供防范措施，遠(yuǎn)程控制目標(biāo)住宅窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)。

2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照物聯(lián)網(wǎng)三層（感知與控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層）技術(shù)架構(gòu)劃分，小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和樓宇窗戶(hù)控制子系統(tǒng)同屬于感知與控制層，本系統(tǒng)為了滿(mǎn)足小區(qū)天氣一體感知和樓宇窗戶(hù)按戶(hù)授權(quán)控制的技術(shù)要求，將兩者獨(dú)立設(shè)計(jì)。

2.1 小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

使用靈敏度較高的專(zhuān)業(yè)氣象儀器作為小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)儀器，以提高監(jiān)測(cè)的精確性與實(shí)時(shí)性。同時(shí)，根據(jù)一些典型惡劣天氣的出現(xiàn)范圍、發(fā)生情況、形成原因，將相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器安置于小區(qū)上風(fēng)口建筑頂部或小區(qū)四周建筑物頂部。這些天氣監(jiān)測(cè)儀器采用主動(dòng)探測(cè)和被動(dòng)讀數(shù)兩種工作方式：

（1）主動(dòng)探測(cè)方式主要針對(duì)事件驅(qū)動(dòng)的傳感器，它在探測(cè)到異常事件發(fā)生時(shí)，主動(dòng)向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送事件告警數(shù)據(jù)包，如雨滴傳感器探測(cè)到下雨事件，霧霾傳感器探測(cè)到重度霧霾發(fā)生等；

（2）被動(dòng)讀數(shù)方式主要針對(duì)如溫度、濕度、風(fēng)速等連續(xù)測(cè)量型傳感器，它在收到傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的讀數(shù)指令后返回當(dāng)時(shí)儀表的測(cè)量值。

這些布設(shè)在小區(qū)各地方的氣象儀器選型自帶射頻（RF）模塊，它們可將監(jiān)測(cè)到的異常事件或儀表讀數(shù)采用ZigBee協(xié)議傳送給臨近的無(wú)線路由器，再經(jīng)其中繼轉(zhuǎn)發(fā)到傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，經(jīng)匯聚處理后上傳數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)組成如圖2所示。

在圖2所示的基于ZigBee協(xié)議構(gòu)建的小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)中，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所擔(dān)負(fù)的角色劃分為三種：

（1）第一種是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一的傳感器終端節(jié)點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)天氣數(shù)據(jù)的采集，屬于簡(jiǎn)化功能設(shè)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(wǎng)絡(luò)中具有路由功能或網(wǎng)絡(luò)管理功能的全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD）進(jìn)行通信；

（2）第二種是處于感知網(wǎng)中間層的中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，其具有鏈接其他節(jié)點(diǎn)并轉(zhuǎn)發(fā)感知數(shù)據(jù)的能力，屬于全功能設(shè)備；

（3）第三種是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，屬于全功能設(shè)備，處于感知網(wǎng)的頂層，具有建立網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的能力，同時(shí)能夠匯聚感知數(shù)據(jù)，上報(bào)至信息處理子系統(tǒng)，接受并傳達(dá)信息處理子系統(tǒng)下達(dá)的讀數(shù)指令。它是小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的核心部件，其工作流程如圖3所示。

當(dāng)小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)絡(luò)成功建立后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)維護(hù)整個(gè)感知網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)列表，記錄網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)地址、節(jié)點(diǎn)類(lèi)型、工作方式、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、入網(wǎng)時(shí)間等詳細(xì)信息。

2.2 樓宇窗戶(hù)控制子系統(tǒng)

為了滿(mǎn)足整個(gè)小區(qū)窗戶(hù)能夠按住戶(hù)為單位分別進(jìn)行授權(quán)控制的技術(shù)要求，樓宇窗戶(hù)控制子系統(tǒng)給每套住房配置一個(gè)單獨(dú)的智能窗戶(hù)控制網(wǎng)關(guān)，在確保所有小區(qū)智能窗戶(hù)都擁有唯一地址的同時(shí)可以按戶(hù)分組授權(quán)，從而支持業(yè)主通過(guò)客戶(hù)端App進(jìn)行遠(yuǎn)程人工控制，也為本系統(tǒng)按戶(hù)服務(wù)計(jì)費(fèi)提供技術(shù)支撐。

智能窗戶(hù)控制網(wǎng)關(guān)是樓宇窗戶(hù)控制子系統(tǒng)的核心部件，其具有如下功能：

（1）負(fù)責(zé)向信息處理服務(wù)器請(qǐng)求分配子網(wǎng)地址段，受理該住戶(hù)智能窗戶(hù)的入網(wǎng)請(qǐng)求，建立基于ZigBee協(xié)議的智能窗戶(hù)控制子網(wǎng)；

（2）接受服務(wù)器下達(dá)的控制指令，傳達(dá)并監(jiān)督所轄子網(wǎng)內(nèi)智能窗戶(hù)的指令執(zhí)行情況；

（3）作為樓宇窗戶(hù)控制網(wǎng)絡(luò)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，參與控制數(shù)據(jù)包的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

智能窗戶(hù)控制網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖4所示。

智能窗戶(hù)控制網(wǎng)關(guān)具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換能力，它與信息處理子系統(tǒng)之間的通信可以采用有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，也可以借用現(xiàn)有的小區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)建設(shè)成本。

2.3 信息處理子系統(tǒng)

信息處理子系統(tǒng)由實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行管理和數(shù)據(jù)庫(kù)三部分組成。監(jiān)控服務(wù)器對(duì)小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)上報(bào)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的氣象知識(shí)來(lái)分析判斷天氣狀況，針對(duì)突發(fā)性惡劣天氣，即時(shí)下達(dá)小區(qū)窗戶(hù)控制指令，并向客戶(hù)端App推送報(bào)警提示。運(yùn)行管理服務(wù)器具有如下功能：

（1）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)中傳感器、網(wǎng)絡(luò)路由、控制網(wǎng)關(guān)和驅(qū)動(dòng)控制器等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)失效設(shè)備進(jìn)行維修提示，并自動(dòng)記錄運(yùn)維日志；

（2）受理智能窗戶(hù)控制網(wǎng)關(guān)子網(wǎng)地址段分配請(qǐng)求，采用樓棟-樓層-房號(hào)三級(jí)地址分配模式為控制網(wǎng)關(guān)分配子網(wǎng)地址段，并登記控制網(wǎng)關(guān)的注冊(cè)信息；

（3）對(duì)客戶(hù)端App提供后臺(tái)信息服務(wù)和動(dòng)態(tài)升級(jí)服務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用以存儲(chǔ)天氣判斷知識(shí)和智能窗戶(hù)控制策略，同時(shí)存儲(chǔ)運(yùn)行管理所需的數(shù)據(jù)表。控制網(wǎng)關(guān)注冊(cè)表、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表、用戶(hù)登記表、用戶(hù)-控制網(wǎng)關(guān)關(guān)系表如表14所示。

2.4 客戶(hù)端App

客戶(hù)端App采用簡(jiǎn)潔明了的設(shè)計(jì)風(fēng)格，只有兩層用戶(hù)界面，分別為首頁(yè)導(dǎo)航界面和功能操作界面。用戶(hù)界面如圖5所示。

首頁(yè)導(dǎo)航界面頂上有三個(gè)功能按鈕，分別為系統(tǒng)設(shè)置、窗戶(hù)控制和歷史信息，通過(guò)它們進(jìn)入第二層功能界面。首頁(yè)導(dǎo)航界面的主體部分動(dòng)態(tài)顯示小區(qū)天氣實(shí)況和惡劣天氣預(yù)警提示信息，同時(shí)顯示用戶(hù)關(guān)聯(lián)控制的智能窗戶(hù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息。

3 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、移動(dòng)服務(wù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，體現(xiàn)了小區(qū)天氣一體化感知和樓宇窗戶(hù)按戶(hù)授權(quán)控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)智能窗戶(hù)系統(tǒng)相比具有以下特色和創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用中央信息處理系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多功能，即一套小區(qū)天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)供整個(gè)小區(qū)范圍內(nèi)的所有窗戶(hù)使用，大大降低了成本。

（2）將多種氣象儀器組合作為區(qū)域內(nèi)所有窗戶(hù)的感知設(shè)備，解決了以往智能窗戶(hù)將所有感知設(shè)備安裝于窗戶(hù)之上所帶來(lái)的不美觀、維護(hù)難、成本高等問(wèn)題。

本系統(tǒng)作為目前政府大力推動(dòng)建設(shè)的智慧城市和智慧家居的有機(jī)組成部分，因其惠及大眾、技術(shù)可行、運(yùn)維簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)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(guó)突發(fā)性惡劣天氣明顯增多，基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)天氣反饋調(diào)節(jié)智能窗戶(hù)系統(tǒng)作為百姓日常生產(chǎn)生活中防災(zāi)減災(zāi)的一種直接有效手段，必將帶來(lái)良好的社會(huì)效益。

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