基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)天氣反饋調(diào)節(jié)智能窗戶系統(tǒng)設(shè)計

劉蔚柯++呂燕敏++張昆倫

摘 要：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一個小區(qū)天氣反饋調(diào)節(jié)智能窗戶系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過小區(qū)天氣監(jiān)測傳感器獲取小區(qū)內(nèi)的實時天氣數(shù)據(jù)，并針對突發(fā)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(qū)窗戶的開關(guān)控制。與以往的智能窗戶相比，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)成本和維護難度，使智能窗戶系統(tǒng)感知更全面，簡潔美觀，經(jīng)濟可行。

關(guān)鍵詞：智能窗戶；天氣監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；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(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)時代悄然來臨，智慧家居理念開始走進人們的日常生產(chǎn)與生活。智能窗戶系統(tǒng)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(yè)主進行單門獨戶式設(shè)計和部署，造價高昂，維護不易，難以大面積推廣應用。本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)天氣反饋調(diào)節(jié)智能窗戶系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、移動服務(wù)等多項先進技術(shù)，將傳感器應用范圍區(qū)域化，針對突發(fā)災害性惡劣天氣如沙塵、大風、暴雨、重霾等可為業(yè)主提供報警提示和智能控制，自主關(guān)閉區(qū)域內(nèi)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(xiàn)代家居追求的安全、舒適和便捷等特點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)天氣反饋調(diào)節(jié)智能窗戶系統(tǒng)包括小區(qū)天氣監(jiān)測子系統(tǒng)、樓宇窗戶控制子系統(tǒng)、信息處理子系統(tǒng)和客戶端App四部分。其中小區(qū)天氣監(jiān)測子系統(tǒng)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(huán)境監(jiān)測器）為感知節(jié)點，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(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

小區(qū)天氣監(jiān)測子系統(tǒng)是智能窗戶系統(tǒng)進行大氣環(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雨、雪、沙塵、霧霾、大風等影響人們生活的天氣現(xiàn)象進行實時高精度監(jiān)測，再通過網(wǎng)絡(luò)將這些感應器獲得的氣象數(shù)據(jù)傳送給信息處理子系統(tǒng)。

信息處理子系統(tǒng)是智能窗戶系統(tǒng)的核心，由信息處理服務(wù)器對小區(qū)天氣感知數(shù)據(jù)進行實時分析與處理，判明當時的天氣狀況，針對突發(fā)性、災害性惡劣天氣，實時生成小區(qū)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(tǒng)同時還提供整個系統(tǒng)的運行管理功能，如系統(tǒng)用戶的注冊與驗證，客戶端App動態(tài)升級，全系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和日志等。

樓宇窗戶控制子系統(tǒng)是智能窗戶系統(tǒng)的控制對象和價值體現(xiàn)。該子系統(tǒng)由小區(qū)內(nèi)帶有開關(guān)驅(qū)動裝置的受控窗戶和連接驅(qū)動裝置的控制網(wǎng)絡(luò)組成。對于新建建筑物可統(tǒng)一安裝帶有驅(qū)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(qū)動裝置。該驅(qū)動裝置既可以直接人工開關(guān)，也可以通過信息處理子系統(tǒng)發(fā)出的指令進行開關(guān)，還可利用客戶端App進行遠程開關(guān)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)通過無線網(wǎng)關(guān)利用ZigBee協(xié)議把小區(qū)所屬樓棟的窗戶開關(guān)驅(qū)動裝置連接起來，負責控制指令的傳輸和開關(guān)狀態(tài)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(guān)于目標小區(qū)的天氣查詢需要和目標住宅窗戶的開關(guān)狀態(tài)查詢需要，接收來自信息處理子系統(tǒng)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(guān)。

2 子系統(tǒng)設(shè)計

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

2.1 小區(qū)天氣監(jiān)測子系統(tǒng)

使用靈敏度較高的專業(yè)氣象儀器作為小區(qū)天氣監(jiān)測子系統(tǒng)的主要監(jiān)測儀器，以提高監(jiān)測的精確性與實時性。同時，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)測儀器安置于小區(qū)上風口建筑頂部或小區(qū)四周建筑物頂部。這些天氣監(jiān)測儀器采用主動探測和被動讀數(shù)兩種工作方式：

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

（2）被動讀數(shù)方式主要針對如溫度、濕度、風速等連續(xù)測量型傳感器，它在收到傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的讀數(shù)指令后返回當時儀表的測量值。

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)測感知網(wǎng)中，根據(jù)各節(jié)點在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所擔負的角色劃分為三種：

（1）第一種是結(jié)構(gòu)簡單，功能單一的傳感器終端節(jié)點，專門負責現(xiàn)場天氣數(shù)據(jù)的采集，屬于簡化功能設(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，其具有鏈接其他節(jié)點并轉(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，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)和維護網(wǎng)絡(luò)的能力，同時能夠匯聚感知數(shù)據(jù)，上報至信息處理子系統(tǒng)，接受并傳達信息處理子系統(tǒng)下達的讀數(shù)指令。它是小區(qū)天氣監(jiān)測子系統(tǒng)的核心部件，其工作流程如圖3所示。

當小區(qū)天氣監(jiān)測感知網(wǎng)絡(luò)成功建立后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點維護整個感知網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點列表，記錄網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的節(jié)點編號、節(jié)點地址、節(jié)點類型、工作方式、節(jié)點狀態(tài)、入網(wǎng)時間等詳細信息。

2.2 樓宇窗戶控制子系統(tǒng)

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

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

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

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

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

智能窗戶控制網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖4所示。

智能窗戶控制網(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)由實時監(jiān)控、運行管理和數(shù)據(jù)庫三部分組成。監(jiān)控服務(wù)器對小區(qū)天氣監(jiān)測子系統(tǒng)上報的氣象數(shù)據(jù)進行實時處理，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中存儲的氣象知識來分析判斷天氣狀況，針對突發(fā)性惡劣天氣，即時下達小區(qū)窗戶控制指令，并向客戶端App推送報警提示。運行管理服務(wù)器具有如下功能：

（1）動態(tài)監(jiān)測整個系統(tǒng)中傳感器、網(wǎng)絡(luò)路由、控制網(wǎng)關(guān)和驅(qū)動控制器等設(shè)備的運行狀態(tài)，對失效設(shè)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(wǎng)關(guān)子網(wǎng)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(wǎng)關(guān)分配子網(wǎng)地址段，并登記控制網(wǎng)關(guān)的注冊信息；

（3）對客戶端App提供后臺信息服務(wù)和動態(tài)升級服務(wù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)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(shù)據(jù)表?？刂凭W(wǎng)關(guān)注冊表、節(jié)點狀態(tài)表、用戶登記表、用戶-控制網(wǎng)關(guān)關(guān)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(shè)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(tǒng)設(shè)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(tài)顯示小區(qū)天氣實況和惡劣天氣預警提示信息，同時顯示用戶關(guān)聯(lián)控制的智能窗戶開關(guān)狀態(tài)信息。

3 結(jié) 語

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

（1）通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用中央信息處理系統(tǒng)成功實現(xiàn)了一對多功能，即一套小區(qū)天氣監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)供整個小區(qū)范圍內(nèi)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(qū)域內(nèi)所有窗戶的感知設(shè)備，解決了以往智能窗戶將所有感知設(shè)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(tǒng)作為目前政府大力推動建設(shè)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(shù)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(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)智能窗戶系統(tǒng)作為百姓日常生產(chǎn)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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