基于ZigBee的智能窗系統的設計

揭晶方 張偉

摘 要：針對當前智能家居系統需要不斷補充完善的現狀，以及人們對高品質生活的向往，文中設計了一種基于ZigBee無線傳感網絡的智能窗系統。該方案以ZigBee網絡實現感知層設計，采用樹型拓撲結構構建了低功耗物聯網智能窗系統。從系統總體設計、網絡架構、ZigBee節點和ZigBee協調器的軟硬件設計以及通信協議方面闡述了設計要點，實現了對窗戶的環境監測以及遠程控制功能。該系統為智能家居系統構建提出了一種組網簡單，功耗低，數據傳輸可靠性高的遠程控制方案。

關鍵詞：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

物聯網技術的進步推動著人們對智能家居系列產品需求的增長。無線通信技術的選用極大程度上決定了產品的性能優劣，而ZigBee技術相比藍牙、WiFi等具有網絡容量大、傳輸安全性好、功率低等優點[1]，適用于智能家居系統。

本文旨在設計一種基于ZigBee的智能窗系統，能夠實時根據風雨、霧霾情況實現自動開關窗戶，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。從現實意義上看，本品不僅可以提高用戶的生活質量，更與人們日益增長的生活需要相契合。

1 系統總體設計

系統框圖如圖1所示。智能窗系統由五部分組成，分別為用戶訪問平臺、智能窗云平臺服務器、網絡服務器、ZigBee協調器和終端節點。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外環境參數并控制窗戶開閉。智能窗平臺服務器實現客戶端對智能窗的遠程控制指令和環境參數的處理與傳輸，并將數據信息保存在數據庫中。網絡服務器負責將ZigBee網絡中的數據與以太網進行通信。ZigBee協調器負責終端節點和網絡服務器之間的數據交互。終端節點分為采集節點和控制節點，利用傳感器采集窗外環境數據，并通過傳感器網絡進行短距離數據傳輸。人體紅外傳感器節點、煙霧煤氣檢測節點、光照采集節點、溫濕度采集節點、風速檢測節點、粉塵檢測節點等均為采集節點。控制節點指電機控制節點，用來控制窗戶開閉。同時一個ZigBee協調器負責多個房間不同窗戶的終端節點。本系統支持上下雙向數據傳輸。由感知層至應用層時，首先通過各傳感器來采集窗外溫濕度、粉塵濃度、光照強度、風速等信息數據，利用ZigBee無線技術來完成數據從傳感器到嵌入式網關的傳輸，再通過3G/4G/有線寬帶網絡并依據TCP協議，完成數據從嵌入式網關到Web服務器的傳輸，對數據進行分析并形成信息在安卓客戶端顯示。由應用層至感知層時，移動客戶端通過互聯網發送指令至智能窗云平臺服務器，經由3G/4G/有線寬帶網絡，將用戶指令發給嵌入式網關進行通信協議轉換，最后由ZigBee網絡傳送到電機節點，從而控制窗戶開閉。

圖1 系統總體設計

該系統方便數據上下行傳輸，具有安全性好，功耗低，組網簡便等優點[2]，符合智能家居的設計要求且節能環保。

2 系統網絡架構設計

本系統網絡架構包括終端節點、路由器、協調器、網絡服務器、云服務器五部分。協調器用于開啟網絡、廣播網絡信息，是連接終端節點和網絡服務器的一個透明中繼。終端節點負責采集數據、收集指令，采用兩跳與協調器進行雙向無線通信。路由器用于轉發終端節點和協調器之間的數據。由于實際應用需要，常在某一個房間里布置ZigBee協調器。考慮到要與分布在不同房間窗戶上的終端節點進行通信，而ZigBee通信穿透性較弱[3]，安裝在不同房間窗戶上的ZigBee節點在傳輸數據到協調器所在房間時由于信號要穿過墻壁，導致丟包率增大，因此采用樹型拓撲結構。ZigBee協調器作為樹型結構的根節點，匯聚不同房間路由器傳送的數據。每個房間中設立一個路由器用于轉發此房間里終端節點和協調器間的數據，從而克服ZigBee穿透能力差的缺點，降低丟包率。樹型拓撲結構具有如下優勢：

（1）路由器能有效降低傳輸丟包率[4]；

（2）網絡架構相對簡單，易于擴展；

（3）網絡響應速度較快；

（4）方便維護。

本系統協調器與網絡服務器通過RS 232串口連接，網絡服務器接入互聯網，與智能窗云服務器通過3G/4G/有線寬帶網絡，依據TCP/IP協議建立通信鏈路。

3 系統平臺設計

3.1 系統硬件設計

文中設計的智能窗系統硬件由服務網關和終端節點兩部分組成。

3.1.1 終端節點設計

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

終端節點分為采集節點和控制節點，其硬件結構框圖如圖2所示。采集節點由傳感設備、主控芯片、電源模塊和射頻天線組成，用以采集窗內外環境的數據信息，并將數據上傳給ZigBee協調器。控制節點由控制設備、主控芯片、電源模塊和射頻天線四部分組成，負責執行ZigBee協調器下發的控制指令來控制智能窗的開閉。

3.1.2 服務網關設計

作為嵌入式系統的核心，網絡服務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公司生產的AM335x作為主控芯片，它在性能上完全可滿足家庭網關處理的需要[6]。ZigBee模塊采用CC2530作為主控芯片，作為協調器與網絡服務器經由RS 232進行數據傳輸。

服務網關結構框圖如圖3所示。服務網關由主控芯片、RJ 45接口、3G/4G模塊、電源模塊、CC2530協調器、射頻天線六部分組成。家庭網關主要負責實現外部網絡和家居無線網絡的數據交互。其中ZigBee網絡由ZigBee協調器負責組建，網絡建立后，收集來自采集節點的數據并通過RS 232實現與主控制器的數據交互，通過RJ 45接口或3G/4G模塊將家庭網絡接入Internet，實現遠程監控。

3.2 系統軟件設計

智能窗系統軟件由終端節點軟件部分、ZigBee協調器軟件部分和通信協議等組成。終端節點軟件部分解決與ZigBee協調器數據的交互問題，ZigBee協調器軟件部分解決與網絡服務器的數據通信問題，通信協議的設計使得數據能準確、可靠地傳輸。

3.2.1 終端節點軟件設計

終端節點上電初始化后，搜尋并加入協調器所建立的網絡，入網成功后開啟串口接收函數[7]，然后開始輪轉等待主機命令。當接收標志位完成后，根據數據幀類型判斷數據來自采集節點還是ZigBee協調器。若數據來自采集節點，則將數據打包添加幀頭、幀尾、數據長度以及兩位CRC校驗位，然后通過ZigBee無線網絡發送給ZigBee協調器；若數據來自ZigBee協調器，則通過ZigBee無線網絡將數據幀發送給控制節點，然后將數據幀解幀，將幀頭、幀尾、數據長度、兩位CRC校驗位拆除，節點采用串口通信模式，將解幀后的數據發送給控制模塊，電機根據數據位內容采取對應的操作。當終端節點未接收到數據時，進入低功耗模式并繼續監聽等待。圖4所示為終端節點軟件設計流程圖。

3.2.2 ZigBee協調器軟件設計

系統運行時，ZigBee協調器主要負責啟動網絡、維持網絡正常工作以及收集終端采集節點的數據并通過串口與網絡服務器通信。ZigBee協調器上電初始化后，根據設計好的參數建立ZigBee無線網絡，建網完成后開啟串口接收函數，系統開始輪轉查詢是否有數據傳入。當接收標志位完成后，根據數據幀類型判斷數據來自智能窗云服務器還是終端節點。若數據來自云服務器，則將數據打包添加幀頭、幀尾、數據長度以及兩位CRC校驗位，然后通過ZigBee無線網絡發送給終端節點；若數據來自終端節點，則將收到的數據進行解幀，將幀頭、幀尾、數據長度、兩位CRC校驗位拆除，再通過3G/4G/有線寬帶網絡將數據發送給云服務器，云服務器收到數據后再實時推送到移動客戶端上，與用戶交互。ZigBee協調器流程如圖5所示。

3.2.3 通信協議的設計

本文根據系統實際需要設計了6種類型的通信幀，分別為上行數據幀、上行應答幀、上行信息幀、下行應答幀、下行控制指令幀、下行配置指令幀。其中上行數據幀是采集節點向云服務器發送的窗內外環境數據信息。上行應答幀是終端節點執行指令情況的反饋幀，云服務器可以從此幀知道終端節點是否正確執行了指令。上行信息幀表示將采集節點實時的工作狀態發送給智能窗云服務器，從而反映采集節點是否正常工作。下行應答幀是云服務器收到終端節點信息的反饋幀，終端節點可由此知道數據是否正確傳給了云服務器。下行控制指令幀表示云服務器向控制節點發送的控制指令。下行配置指令幀表示云服務器配置采集節點數據采集的頻率和控制節點開關的狀態。通過對不同功能通信幀的制定，數據交互更具穩定性和準確性。

同時，為了保證通信正常準確的進行，必須設計出合理的數據幀格式，幀內數據按16進制方式存儲。數據幀的組成部分包括幀頭、數據長度、數據區、校驗位和幀尾，其中數據區由數據類型、窗戶ID、設備類型、設備ID、有效數據5個部分組成，格式見表1所列。幀頭表示此數據幀采用串口通信協議，同時作為是否接收此數據幀的標記，表示為0xEE，占用一個字節。數據長度指數據區的字節數，此標志對數據個數進行識別，以確保數據的準確性，占用一個字節。類型是信號幀的識別標志，分為方向位和數據類型位，占用一個字節，其格式如圖6所示。

圖6 類型格式

方向位包括上行和下行，數據類型包括數據幀、信息幀、應答幀、控制指令幀、配置指令幀五種。方向位和數據類型位的組合，可實現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。設備類型表示幀結構要發送到的終端節點的設備類型編號，占用2 B。設備ID表示對應終端節點的編號，占用8 B。有效數據表示幀中要傳送的有用數據，長度不定。校驗位是對傳送數據（除去幀頭和幀尾外的所有字節）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據，占用2 B。幀尾表示幀信號的結束，由0xFF表示，占用1 B。

4 結 語

本文設計的智能窗系統選用ZigBee技術組建傳感器網絡，并通過3G/4G/有線寬帶網絡傳輸方式使家庭網關能接入Internet，實現云服務器和終端節點的通信。用戶只要能接入網絡，便可以登錄客戶端，遠程實時監控家庭環境、控制窗戶開閉。文中從系統總體設計、網絡架構、軟硬件設計以及通信協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外環境進行監控的目的。

參考文獻

[1]徐振福.ZigBee技術在智能家居系統中的應用研究[D].北京：中國科學院大學，2014.

[2]馬磊.基于CC2530的無線數據遠距離通信模塊的設計[D].合肥：安徽大學，2013.

[3]馬廣勝，馮玉田.基于ZigBee無線傳輸技術的發展和抗干擾性能的分析研究[J].電子技術與軟件工程，2014（2）：54-55.

[4]虞月.基于物聯網的機場噪聲監測平臺及組網研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[5]魯玉軍，劉振.ZigBee技術在智能家居系統中的應用[J].物聯網技術，2017，7（4）：40-43.

[6]劉群，過其峰，楊建旭，等.基于AM335x通信網關裝置的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2017，34（9）：170-173.

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[8]劉蔚柯，呂燕敏，張昆倫.基于物聯網的小區天氣反饋調節智能窗戶系統設計[J].物聯網技術，2016，6（12）：57-59.