基于ZigBee的智能窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)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(lán)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(diǎn) [1]，適用于智能家居系統(tǒng)

本文旨在設(shè)計(jì)一種基于 ZigBee 的智能窗系統(tǒng)，能夠?qū)崟r根據(jù)風(fēng)雨、霧霾情況實(shí)現(xiàn)自動開關(guān)窗戶，方便用戶使用終端APP 控制窗戶，并實(shí)時查看窗戶的開閉狀態(tài)。從現(xiàn)實(shí)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(jì)

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(diǎn)。用戶訪問平臺指移動客戶端，用戶可通過客戶端實(shí)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(shí)現(xiàn)客戶端對智能窗的遠(yuǎn)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(fù)責(zé)將ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)進(jìn)行通信。ZigBee 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。終端節(jié)點(diǎn)分為采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，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(jìn)行短距離數(shù)據(jù)傳輸。人體紅外傳感器節(jié)點(diǎn)、煙霧煤氣檢測節(jié)點(diǎn)、光照采集節(jié)點(diǎn)、溫濕度采集節(jié)點(diǎn)、風(fēng)速檢測節(jié)點(diǎn)粉塵檢測節(jié)點(diǎn)等均為采集節(jié)點(diǎn)?？刂乒?jié)點(diǎn)指電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)，用來控制窗戶開閉。同時一個 ZigBee 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)多個房間不同窗戶的終端節(jié)點(diǎn)。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(qiáng)度、風(fēng)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(jìn)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(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，最后由 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳送到電機(jī)節(jié)點(diǎn)，從而控制窗戶開閉

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(diǎn) [2]，符合智能家居的設(shè)計(jì)要求且節(jié)能環(huán)保

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括終端節(jié)點(diǎn)、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(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的一個透明中繼。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)、收集指令，采用兩跳與協(xié)調(diào)器進(jìn)行雙向無線通信路由器用于轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)。由于實(shí)際應(yīng)用需要，常在某一個房間里布置 ZigBee 協(xié)調(diào)器?？紤]到要與分布在不同房間窗戶上的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee 協(xié)調(diào)器作為樹型結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)，降低丟包率。樹型拓?fù)浣Y(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(kuò)展

(3) 網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度較快

(4) 方便維護(hù)

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(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

3.1.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在硬件選擇上，出于低功耗的考慮，選取 TI 公司設(shè)計(jì)的CC2530 單片機(jī)作為終端節(jié)點(diǎn)的主控芯片 [5]

終端節(jié)點(diǎn)分為采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(fù)責(zé)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(jì)

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(jìn)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(fù)責(zé)實(shí)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(fù)責(zé)組建，網(wǎng)絡(luò)建立后，收集來自采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并通過 RS 232 實(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能窗系統(tǒng)軟件由終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jì)使得數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確可靠地傳輸

3.2.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)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(jī)命令。當(dāng)接收標(biāo)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(diǎn)還是 ZigBee 協(xié)調(diào)器。若數(shù)據(jù)來自采集節(jié)點(diǎn)，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(yàn)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(diǎn)，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(yàn)位拆除，節(jié)點(diǎn)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(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)位內(nèi)容采取對應(yīng)的操作當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)未接收到數(shù)據(jù)時，進(jìn)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(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行時，ZigBee 協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)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(diǎn)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(jì)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(dāng)接收標(biāo)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(diǎn)。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(yàn)位，然后通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn) ；若數(shù)據(jù)來自終端節(jié)點(diǎn)，則將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解幀將幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)長度、兩位 CRC 校驗(yàn)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(shí)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(jì)

本文根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是否正確執(zhí)行了指令。上行信息幀表示將采集節(jié)點(diǎn)實(shí)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(diǎn)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(diǎn)信息的反饋幀，終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)據(jù)采集的頻率和控制節(jié)點(diǎn)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(zhǔn)確性

同時，為了保證通信正常準(zhǔn)確的進(jìn)行，必須設(shè)計(jì)出合理的數(shù)據(jù)幀格式，幀內(nèi)數(shù)據(jù)按 16 進(jìn)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(yàn)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(biāo)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(biāo)志對數(shù)據(jù)個數(shù)進(jìn)行識別，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，占用一個字節(jié)。類型是信號幀的識別標(biāo)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。

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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(yàn)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(yàn)碼，接收方通過辨別校驗(yàn)位來檢驗(yàn)是否接收了準(zhǔn)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(jì)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(shí)現(xiàn)云服務(wù)器和終端節(jié)點(diǎn)的通信。用戶只要能接入網(wǎng)絡(luò)，便可以登錄客戶端，遠(yuǎn)程實(shí)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(jì)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)以及通信協(xié)議等方面做出了詳細(xì)分析和研究，能達(dá)到對窗戶進(jìn)行遠(yuǎn)程控制以及對窗內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控的目的。