基于物联网的小区天气反馈调节智能窗户系统设计

刘蔚柯++吕燕敏++张昆伦

摘 要：基于物联网技术设计了一个小区天气反馈调节智能窗户系统，该系统通过小区天气监测传感器获取小区内的实时天气数据，并针对突发灾害性恶劣天气如沙尘、大风、暴雨、重霾等为用户提供报警提示和小区窗户的开关控制。与以往的智能窗户相比，该系统支持小区范围的感知、共享和连片控制，可大大降低建设成本和维护难度，使智能窗户系统感知更全面，简洁美观，经济可行。

关键词：智能窗户；天气监测；物联网；ZigBee

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

随着传感器技术、网络传输技术和信息处理技术的飞跃发展，物联网时代悄然来临，智慧家居理念开始走进人们的日常生产与生活。智能窗户系统应运而生，作为一种典型的智慧家居应用，智慧窗户目前只针对高档业主进行单门独户式设计和部署，造价高昂，维护不易，难以大面积推广应用。本文设计了一种基于物联网的小区天气反馈调节智能窗户系统，结合物联网、智能控制、移动服务等多项先进技术，将传感器应用范围区域化，针对突发灾害性恶劣天气如沙尘、大风、暴雨、重霾等可为业主提供报警提示和智能控制，自主关闭区域内受控窗户，在成本大幅下降的同时也使得智能窗户变得更加简洁美观且易于维护，满足了现代家居追求的安全、舒适和便捷等特点。

1 系统总体设计

基于物联网的小区天气反馈调节智能窗户系统包括小区天气监测子系统、楼宇窗户控制子系统、信息处理子系统和客户端App四部分。其中小区天气监测子系统以多种高精度气象仪器（如大风、雨雪、温度、湿度、沙尘、雾霾等各种大气环境监测器）为感知节点，获取区域天气数据并汇聚到信息处理中心，经快速在线计算分析后，实时判定天气状况，生成智能窗户控制指令，同时通过客户端App向用户推送天气预警信息。系统总体架构如图1所示。

小区天气监测子系统是智能窗户系统进行大气环境感知的基础。在小区合适位置设置高精度气象传感器对雨、雪、沙尘、雾霾、大风等影响人们生活的天气现象进行实时高精度监测，再通过网络将这些感应器获得的气象数据传送给信息处理子系统。

信息处理子系统是智能窗户系统的核心，由信息处理服务器对小区天气感知数据进行实时分析与处理，判明当时的天气状况，针对突发性、灾害性恶劣天气，实时生成小区窗户的控制指令，并通过客户端App向用户推送报警提示。信息处理子系统同时还提供整个系统的运行管理功能，如系统用户的注册与验证，客户端App动态升级，全系统状态监控和日志等。

楼宇窗户控制子系统是智能窗户系统的控制对象和价值体现。该子系统由小区内带有开关驱动装置的受控窗户和连接驱动装置的控制网络组成。对于新建建筑物可统一安装带有驱动装置的受控窗户；对于已有建筑物可进行适当改造加入窗户驱动装置。该驱动装置既可以直接人工开关，也可以通过信息处理子系统发出的指令进行开关，还可利用客户端App进行远程开关。控制网络通过无线网关利用ZigBee协议把小区所属楼栋的窗户开关驱动装置连接起来，负责控制指令的传输和开关状态的采集。

客户端App是基于智能终端的简洁的用户使用界面。它可满足用户关于目标小区的天气查询需要和目标住宅窗户的开关状态查询需要，接收来自信息处理子系统的恶劣天气预警提示，可以方便快捷地提供防范措施，远程控制目标住宅窗户的开关。

2 子系统设计

按照物联网三层（感知与控制层、网络传输层和应用层）技术架构划分，小区天气监测子系统和楼宇窗户控制子系统同属于感知与控制层，本系统为了满足小区天气一体感知和楼宇窗户按户授权控制的技术要求，将两者独立设计。

2.1 小区天气监测子系统

使用灵敏度较高的专业气象仪器作为小区天气监测子系统的主要监测仪器，以提高监测的精确性与实时性。同时，根据一些典型恶劣天气的出现范围、发生情况、形成原因，将相关监测仪器安置于小区上风口建筑顶部或小区四周建筑物顶部。这些天气监测仪器采用主动探测和被动读数两种工作方式：

（1）主动探测方式主要针对事件驱动的传感器，它在探测到异常事件发生时，主动向传感器网络发送事件告警数据包，如雨滴传感器探测到下雨事件，雾霾传感器探测到重度雾霾发生等；

（2）被动读数方式主要针对如温度、湿度、风速等连续测量型传感器，它在收到传感器网络发来的读数指令后返回当时仪表的测量值。

这些布设在小区各地方的气象仪器选型自带射频（RF）模块，它们可将监测到的异常事件或仪表读数采用ZigBee协议传送给临近的无线路由器，再经其中继转发到传感器网络协调器，经汇聚处理后上传数据处理服务器。小区天气监测子系统组成如图2所示。

在图2所示的基于ZigBee协议构建的小区天气监测感知网中，根据各节点在ZigBee网络中所担负的角色划分为三种：

（1）第一种是结构简单，功能单一的传感器终端节点，专门负责现场天气数据的采集，属于简化功能设备（Reduce Function Device，RFD），它们相互之间不能通信，更不具有路由和中继功能，只能与网络中具有路由功能或网络管理功能的全功能设备（Full Function Device，FFD）进行通信；

（2）第二种是处于感知网中间层的中继转发节点，其具有链接其他节点并转发感知数据的能力，属于全功能设备；

（3）第三种是网络协调节点，属于全功能设备，处于感知网的顶层，具有建立网络和维护网络的能力，同时能够汇聚感知数据，上报至信息处理子系统，接受并传达信息处理子系统下达的读数指令。它是小区天气监测子系统的核心部件，其工作流程如图3所示。

当小区天气监测感知网络成功建立后，网络协调节点维护整个感知网络的节点列表，记录网络节点的节点编号、节点地址、节点类型、工作方式、节点状态、入网时间等详细信息。

2.2 楼宇窗户控制子系统

为了满足整个小区窗户能够按住户为单位分别进行授权控制的技术要求，楼宇窗户控制子系统给每套住房配置一个单独的智能窗户控制网关，在确保所有小区智能窗户都拥有唯一地址的同时可以按户分组授权，从而支持业主通过客户端App进行远程人工控制，也为本系统按户服务计费提供技术支撑。

智能窗户控制网关是楼宇窗户控制子系统的核心部件，其具有如下功能：

（1）负责向信息处理服务器请求分配子网地址段，受理该住户智能窗户的入网请求，建立基于ZigBee协议的智能窗户控制子网；

（2）接受服务器下达的控制指令，传达并监督所辖子网内智能窗户的指令执行情况；

（3）作为楼宇窗户控制网络的中继转发节点，参与控制数据包的中继转发。

智能窗户控制网关的工作流程如图4所示。

智能窗户控制网关具有网络协议转换能力，它与信息处理子系统之间的通信可以采用有线或无线网络，也可以借用现有的小区数据通信网络，从而进一步降低系统建设成本。

2.3 信息处理子系统

信息处理子系统由实时监控、运行管理和数据库三部分组成。监控服务器对小区天气监测子系统上报的气象数据进行实时处理，结合数据库中存储的气象知识来分析判断天气状况，针对突发性恶劣天气，即时下达小区窗户控制指令，并向客户端App推送报警提示。运行管理服务器具有如下功能：

（1）动态监测整个系统中传感器、网络路由、控制网关和驱动控制器等设备的运行状态，对失效设备进行维修提示，并自动记录运维日志；

（2）受理智能窗户控制网关子网地址段分配请求，采用楼栋-楼层-房号三级地址分配模式为控制网关分配子网地址段，并登记控制网关的注册信息；

（3）对客户端App提供后台信息服务和动态升级服务。数据库服务器用以存储天气判断知识和智能窗户控制策略，同时存储运行管理所需的数据表。控制网关注册表、节点状态表、用户登记表、用户-控制网关关系表如表14所示。

2.4 客户端App

客户端App采用简洁明了的设计风格，只有两层用户界面，分别为首页导航界面和功能操作界面。用户界面如图5所示。

首页导航界面顶上有三个功能按钮，分别为系统设置、窗户控制和历史信息，通过它们进入第二层功能界面。首页导航界面的主体部分动态显示小区天气实况和恶劣天气预警提示信息，同时显示用户关联控制的智能窗户开关状态信息。

3 结 语

本系统基于物联网、智能控制、移动服务等多项先进技术，体现了小区天气一体化感知和楼宇窗户按户授权控制的技术优势，与传统智能窗户系统相比具有以下特色和创新点：

（1）通过物联网技术利用中央信息处理系统成功实现了一对多功能，即一套小区天气监测系统的数据供整个小区范围内的所有窗户使用，大大降低了成本。

（2）将多种气象仪器组合作为区域内所有窗户的感知设备，解决了以往智能窗户将所有感知设备安装于窗户之上所带来的不美观、维护难、成本高等问题。

本系统作为目前政府大力推动建设的智慧城市和智慧家居的有机组成部分，因其惠及大众、技术可行、运维简单、性价比高，具有先行先试的突出示范效益。特别是随着全球气候变暖，我国突发性恶劣天气明显增多，基于物联网的小区天气反馈调节智能窗户系统作为百姓日常生产生活中防灾减灾的一种直接有效手段，必将带来良好的社会效益。

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