董雅棉

隨著科技的進(jìn)步和各個領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)升級，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。中國“十二五”規(guī)劃已經(jīng)明確提出，發(fā)展寬帶融合安全的下一代國家基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)問世之前的家居系統(tǒng)主要以硬件設(shè)備和有線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，由于各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不一樣從而可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)線路存在布線困難或者線路兼容性問題，進(jìn)而致使整套智能家居系統(tǒng)存在成本高、操作困難、占用大量空間等問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，讓家居系統(tǒng)逐漸由傳統(tǒng)化向智能化轉(zhuǎn)變。

1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計原則

1.1 實用性

本設(shè)計目的是為用戶提供一個舒適、便捷的生活環(huán)境。因此實用為首要目的，舍掉華而不實的功能，整個系統(tǒng)必須簡潔明了、易操作。

1.2 穩(wěn)定性

產(chǎn)品設(shè)計的穩(wěn)定性主要包括傳感等硬件產(chǎn)品模塊的穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、功能的穩(wěn)定、系統(tǒng)運行的穩(wěn)定等，能夠保證數(shù)據(jù)的無差錯傳輸。

1.3 兼容性

產(chǎn)品的設(shè)計必須根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確保系統(tǒng)的在各個設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)中的兼容性，達(dá)到可擴(kuò)展的目標(biāo)。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸上采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，保證不同產(chǎn)商之間系統(tǒng)可以兼容與互聯(lián)[3]。

1.4 方便性

硬件設(shè)備的選擇、布線安裝的合理性關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計成本的高低，維護(hù)的難易程度以及今后升級擴(kuò)展的難易問題，因此硬件設(shè)備選擇尤為重要，硬件設(shè)備方面要達(dá)到要易學(xué)、易操作、維護(hù)簡便，升級簡單等要求；同時布線也要盡量達(dá)到最簡化，并且為今后的擴(kuò)展預(yù)留布線空間。

1.5 擴(kuò)展性

在滿足用戶現(xiàn)有需求的前提下，設(shè)計時應(yīng)充分考慮今后的發(fā)展趨勢，在技術(shù)上始終要保持最先進(jìn)甚至適度的超前，并且采用最先進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范產(chǎn)品，致使整個系統(tǒng)隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，具備更新、擴(kuò)展和升級的能力。

2 三層體系架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的窗戶開關(guān)系統(tǒng)分為3 個層次：感知層、傳輸層（網(wǎng)絡(luò)層）和應(yīng)用層。

2.1 感知層

以往的智能家居大多數(shù)是由單片機(jī)控制。隨著新功能的增加和性能的提升，具有網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式系統(tǒng)在智能家居的地位日益提升。其中感知層層包括ZigBee 節(jié)點，光照傳感器、雨滴傳感器、溫濕度傳感器等，通過這些傳感器收集室內(nèi)外環(huán)境中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 傳輸層（網(wǎng)絡(luò)層）

本層主要實現(xiàn)的功能是：首先，實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸；其次，還要能夠識別網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否安全，并非為“黑客”入侵。因此，家庭智能終端不僅僅起到數(shù)據(jù)、信息傳輸?shù)淖饔茫瑫r也對信息化安全起到一定的保護(hù)作用。

2.3 應(yīng)用層

本層主要用于將網(wǎng)絡(luò)層（服務(wù)器）傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、分析跟處理，網(wǎng)關(guān)通過有線或無線的網(wǎng)絡(luò)，按照規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，借助外部擴(kuò)展模塊控制傳感器設(shè)備做出相應(yīng)的回應(yīng)，該部分主要采用Android、Java 語言進(jìn)行軟件系統(tǒng)的開發(fā)，主要設(shè)備在于手機(jī)端，實現(xiàn)客戶遠(yuǎn)程操作。由于該系統(tǒng)的相關(guān)功能都為獨立個體，因此采用模塊化設(shè)計。其優(yōu)點在于：層次清晰，便于維護(hù)，效率高，便于今后系統(tǒng)的升級擴(kuò)展。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的窗戶開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

這一系統(tǒng)中的核心有兩部分，第一個是感知層，這一層主要就是感知和采集數(shù)據(jù)，可以通過溫度傳感、光照傳感、濕度傳感、以及雨滴傳感器進(jìn)行實時感知，進(jìn)而利用采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把數(shù)據(jù)傳送到ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點上。第二個核心是應(yīng)用層，這一系統(tǒng)主要就是存儲數(shù)據(jù)、處理信息、下達(dá)控制指令，這些能夠為用戶的分析和決策提供有效的依據(jù)，用戶能夠?qū)崟r通過電腦等終端查詢數(shù)據(jù)。整體的原理圖如圖1。

圖1 窗戶開關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 窗戶開關(guān)系統(tǒng)構(gòu)建

3.2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)建

1）無線模塊：ZigBee 是以IEEE802.15.4 協(xié)議為基礎(chǔ)，擴(kuò)展出來的集，其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。耗電量非常小，普通的電池就能維護(hù)其自身大半年的工作，對于家里不便安裝電源的地方其優(yōu)勢就能凸顯出來并且響應(yīng)時間僅為30ms 左右，能夠?qū)鞲衅魉占臄?shù)據(jù)做出快速的反應(yīng)。因此ZigBee 主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，其主要是對于低功耗和成本的射頻進(jìn)行應(yīng)用，一部分是網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器和傳感節(jié)點。

2）傳感器模塊：這一模塊中包括光照傳感器、溫濕度傳感器、以及雨滴傳感器。各個傳感器：用于采集光照強(qiáng)度參數(shù)數(shù)據(jù)/溫濕度參數(shù)數(shù)據(jù)/降雨量參數(shù)數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸?shù)紺C2630，CC2630 會對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合，通過這些數(shù)據(jù)判斷室外天氣情況。如果采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中下雨天的數(shù)據(jù)值接近甚至超過，CC2630 會驅(qū)動步進(jìn)機(jī)運轉(zhuǎn)，致使窗戶關(guān)閉；如果采集到的數(shù)據(jù)低于數(shù)據(jù)庫中下雨天的數(shù)據(jù)值，則CC2630 會驅(qū)動步進(jìn)機(jī)運轉(zhuǎn)，致使窗戶打開。

3）電源板：其作用就是給無線節(jié)點模塊以及傳感控制模塊進(jìn)行連接，能夠一起為系統(tǒng)進(jìn)行供電。

從圖1 中的硬件系統(tǒng)構(gòu)建中能夠看到，其中MCU 是控制重點，電池模塊是給系統(tǒng)供電和連接，傳感模塊和控制模塊檢測采集種植環(huán)境的數(shù)據(jù)。通過ZigBee 傳輸數(shù)據(jù)與信息，通過客戶終端就可以實時看到數(shù)據(jù)，可以通過終端存儲和顯示數(shù)據(jù)，進(jìn)而和標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行比較，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程家居的自動控制或者手動控制。

3.2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)

本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)硬件部分由CC2630 和GPRS 組成。CC2630 模塊用于接收ZigBee 無線通信方式發(fā)送過來的數(shù)據(jù)；GPRS 與其他的通信模式相比在智能家居的應(yīng)用上具有很大的優(yōu)勢：1）覆蓋的范圍廣；2）GPRS 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸；3）通信方式多樣性等。因此其主要用于傳輸所收集數(shù)據(jù)至客戶端，實現(xiàn)對窗戶開關(guān)系統(tǒng)的自動控制以及客戶端信息的顯示。

3.2.3 應(yīng)用服務(wù)程序設(shè)計實現(xiàn)

這一功能實現(xiàn)需要與網(wǎng)絡(luò)相互結(jié)合，其主要功能：1）主要通過客戶端（手機(jī)、電腦或平板）來實現(xiàn)窗戶開關(guān)情況以及下雨情況的顯示；2）通過家庭內(nèi)外網(wǎng)以及GPRS 手機(jī)短信的通信來控制窗戶的開關(guān)。

4 結(jié)語

整個窗戶開關(guān)系統(tǒng)開發(fā)過程中，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)低成本、低功耗、高可靠性的特點，在系統(tǒng)設(shè)計前期對其進(jìn)行充分的需求分析，制定并嚴(yán)格執(zhí)行測試，進(jìn)而保證整個系統(tǒng)的質(zhì)量。該系統(tǒng)的完成可使智能家居達(dá)到舒適、便捷、智能等要求。但是系統(tǒng)還有待完善：遇到突發(fā)事件的警報以及應(yīng)急措施；整個智能設(shè)備系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題，系統(tǒng)的安全機(jī)制需要列入今后重點研究方向。