基于ZigBee的智能窗系统的设计

引 言

物联网技术的进步推动着人们对智能家居系列产品需求的增长。无线通信技术的选用极大程度上决定了产品的性能优劣，而 ZigBee 技术相比蓝牙、WiFi 等具有网络容量大、传输安全性好、功率低等优点 [1]，适用于智能家居系统

本文旨在设计一种基于 ZigBee 的智能窗系统，能够实时根据风雨、雾霾情况实现自动开关窗户，方便用户使用终端APP 控制窗户，并实时查看窗户的开闭状态。从现实意义上看本品不仅可以提高用户的生活质量，更与人们日益增长的生活需要相契合

1 系统总体设计

系统框图如图 1 所示。智能窗系统由五部分组成，分别为用户访问平台、智能窗云平台服务器、网络服务器、ZigBee 协调器和终端节点。用户访问平台指移动客户端，用户可通过客户端实时查看室内外环境参数并控制窗户开闭。智能窗平台服务器实现客户端对智能窗的远程控制指令和环境参数的处理与传输，并将数据信息保存在数据库中。网络服务器负责将ZigBee 网络中的数据与以太网进行通信。ZigBee 协调器负责终端节点和网络服务器之间的数据交互。终端节点分为采集节点和控制节点，利用传感器采集窗外环境数据，并通过传感器网络进行短距离数据传输。人体红外传感器节点、烟雾煤气检测节点、光照采集节点、温湿度采集节点、风速检测节点粉尘检测节点等均为采集节点。控制节点指电机控制节点，用来控制窗户开闭。同时一个 ZigBee 协调器负责多个房间不同窗户的终端节点。本系统支持上下双向数据传输。由感知层至应用层时，首先通过各传感器来采集窗外温湿度、粉尘浓度光照强度、风速等信息数据，利用 ZigBee 无线技术来完成数据从传感器到嵌入式网关的传输，再通过 3G/4G/ 有线宽带网络并依据TCP 协议，完成数据从嵌入式网关到 Web 服务器的传输，对数据进行分析并形成信息在安卓客户端显示。由应用层至感知层时，移动客户端通过互联网发送指令至智能窗云平台服务器，经由 3G/4G/ 有线宽带网络，将用户指令发给嵌入式网关进行通信协议转换，最后由 ZigBee 网络传送到电机节点，从而控制窗户开闭

该系统方便数据上下行传输，具有安全性好，功耗低组网简便等优点 [2]，符合智能家居的设计要求且节能环保

2 系统网络架构设计

本系统网络架构包括终端节点、路由器、协调器、网络服务器、云服务器五部分。协调器用于开启网络、广播网络信息是连接终端节点和网络服务器的一个透明中继。终端节点负责采集数据、收集指令，采用两跳与协调器进行双向无线通信路由器用于转发终端节点和协调器之间的数据。由于实际应用需要，常在某一个房间里布置 ZigBee 协调器。考虑到要与分布在不同房间窗户上的终端节点进行通信，而 ZigBee 通信穿透性较弱[3]，安装在不同房间窗户上的 ZigBee 节点在传输数据到协调器所在房间时由于信号要穿过墙壁，导致丢包率增大，因此采用树型拓扑结构。ZigBee 协调器作为树型结构的根节点，汇聚不同房间路由器传送的数据。每个房间中设立一个路由器用于转发此房间里终端节点和协调器间的数据，从而克服ZigBee 穿透能力差的缺点，降低丢包率。树型拓扑结构具有如下优势

(1) 路由器能有效降低传输丢包率 [4]

(2) 网络架构相对简单，易于扩展

(3) 网络响应速度较快

(4) 方便维护

本系统协调器与网络服务器通过 RS 232 串口连接，网络服务器接入互联网，与智能窗云服务器通过 3G/4G/ 有线宽带网络，依据 TCP/IP 协议建立通信链路

3 系统平台设计

3.1 系统硬件设计

文中设计的智能窗系统硬件由服务网关和终端节点两部分组成

3.1.1 终端节点设计

在硬件选择上，出于低功耗的考虑，选取 TI 公司设计的CC2530 单片机作为终端节点的主控芯片 [5]

终端节点分为采集节点和控制节点，其硬件结构框图如图 2 所示。采集节点由传感设备、主控芯片、电源模块和射频天线组成，用以采集窗内外环境的数据信息，并将数据上传给ZigBee 协调器。控制节点由控制设备、主控芯片、电源模块和射频天线四部分组成，负责执行 ZigBee 协调器下发的控制指令来控制智能窗的开闭

3.1.2 服务网关设计

作为嵌入式系统的核心，网络服务器的选择要有综合性能、可靠性、功耗、成本等方面的考量。因而采用 TI 公司生产的 AM335x 作为主控芯片，它在性能上完全可满足家庭网关处理的需要 [6]。ZigBee 模块采用CC2530 作为主控芯片，作为协调器与网络服务器经由 RS 232 进行数据传输

服务网关结构框图如图 3 所示。服务网关由主控芯片RJ 45 接口、3G/4G 模块、电源模块、CC2530 协调器、射频天线六部分组成。家庭网关主要负责实现外部网络和家居无线网络的数据交互。其中ZigBee 网络由ZigBee 协调器负责组建，网络建立后，收集来自采集节点的数据并通过 RS 232 实现与主控制器的数据交互，通过 RJ 45 接口或 3G/4G 模块将家庭网络接入Internet，实现远程监控

3.2 系统软件设计

智能窗系统软件由终端节点软件部分、ZigBee 协调器软件部分和通信协议等组成。终端节点软件部分解决与 ZigBee 协调器数据的交互问题，ZigBee 协调器软件部分解决与网络服务器的数据通信问题，通信协议的设计使得数据能准确可靠地传输

3.2.1 终端节点软件设计

终端节点上电初始化后，搜寻并加入协调器所建立的网络，入网成功后开启串口接收函数 [7]，然后开始轮转等待主机命令。当接收标志位完成后，根据数据帧类型判断数据来自采集节点还是 ZigBee 协调器。若数据来自采集节点，则将数据打包添加帧头、帧尾、数据长度以及两位 CRC 校验位，然后通过 ZigBee 无线网络发送给 ZigBee 协调器 ；若数据来自ZigBee 协调器，则通过 ZigBee 无线网络将数据帧发送给控制节点，然后将数据帧解帧，将帧头、帧尾、数据长度、两位CRC 校验位拆除，节点采用串口通信模式，将解帧后的数据发送给控制模块，电机根据数据位内容采取对应的操作当终端节点未接收到数据时，进入低功耗模式并继续监听等待图 4所示为终端节点软件设计流程图

3.2.2 ZigBee协调器软件设计

系统运行时，ZigBee 协调器主要负责启动网络、维持网络正常工作以及收集终端采集节点的数据并通过串口与网络服务器通信。ZigBee 协调器上电初始化后，根据设计好的参数建立ZigBee 无线网络，建网完成后开启串口接收函数，系统开始轮转查询是否有数据传入。当接收标志位完成后，根据数据帧类型判断数据来自智能窗云服务器还是终端节点。若数据来自云服务器，则将数据打包添加帧头、帧尾、数据长度以及两位CRC 校验位，然后通过 ZigBee 无线网络发送给终端节点 ；若数据来自终端节点，则将收到的数据进行解帧将帧头、帧尾、数据长度、两位 CRC 校验位拆除，再通过3G/4G/ 有线宽带网络将数据发送给云服务器，云服务器收到数据后再实时推送到移动客户端上，与用户交互。ZigBee 协调器流程如图 5 所示

3.2.3 通信协议的设计

本文根据系统实际需要设计了6 种类型的通信帧，分别为上行数据帧、上行应答帧、上行信息帧、下行应答帧、下行控制指令帧、下行配置指令帧。其中上行数据帧是采集节点向云服务器发送的窗内外环境数据信息。上行应答帧是终端节点执行指令情况的反馈帧，云服务器可以从此帧知道终端节点是否正确执行了指令。上行信息帧表示将采集节点实时的工作状态发送给智能窗云服务器，从而反映采集节点是否正常工作下行应答帧是云服务器收到终端节点信息的反馈帧，终端节点可由此知道数据是否正确传给了云服务器。下行控制指令帧表示云服务器向控制节点发送的控制指令。下行配置指令帧表示云服务器配置采集节点数据采集的频率和控制节点开关的状态。通过对不同功能通信帧的制定，数据交互更具稳定性和准确性

同时，为了保证通信正常准确的进行，必须设计出合理的数据帧格式，帧内数据按 16 进制方式存储。数据帧的组成部分包括帧头、数据长度、数据区、校验位和帧尾，其中数据区由数据类型、窗户 ID、设备类型、设备 ID、有效数据 5 个部分组成，格式见表 1 所列。帧头表示此数据帧采用串口通信协议，同时作为是否接收此数据帧的标记，表示为 0xEE，占用一个字节。数据长度指数据区的字节数，此标志对数据个数进行识别，以确保数据的准确性，占用一个字节。类型是信号帧的识别标志，分为方向位和数据类型位，占用一个字节，其格式如图 6 所示。

方向位包括上行和下行，数据类型包括数据帧、信息帧、应答帧、控制指令帧、配置指令帧五种。方向位和数据类型位的组合，可实现 6 种不同类型的通信帧的表示。窗户 ID 表示一个窗户的编号，占用 2 B。设备类型表示帧结构要发送到的终端节点的设备类型编号，占用 2 B。设备 ID 表示对应终端节点的编号，占用 8 B。有效数据表示帧中要传送的有用数据，长度不定。校验位是对传送数据（除去帧头和帧尾外的所有字节）的校验码，接收方通过辨别校验位来检验是否接收了准确的数据，占用 2 B。帧尾表示帧信号的结束，由 0xFF表示，占用1 B。

4 结 语

本文设计的智能窗系统选用 ZigBee 技术组建传感器网络，并通过 3G/4G/ 有线宽带网络传输方式使家庭网关能接入Internet，实现云服务器和终端节点的通信。用户只要能接入网络，便可以登录客户端，远程实时监控家庭环境、控制窗户开闭。文中从系统总体设计、网络架构、软硬件设计以及通信协议等方面做出了详细分析和研究，能达到对窗户进行远程控制以及对窗内外环境进行监控的目的。