Chytrá domácnost je dům jako platforma využívající integrovanou elektroinstalační technologii, síťovou komunikační technologii, bezpečnostní technologii, technologii automatického řízení, audio a video technologii k integraci zařízení souvisejících s domácím životem, plánování výstavby efektivních obytných zařízení a systémů řízení rodinných záležitostí, zlepšení bezpečnosti domova, pohodlí, komfortu, designu a realizaci ochrany životního prostředí a úspory energie v životním prostředí. Na základě nejnovější definice chytré domácnosti se podíváme na charakteristiky technologie ZigBee a návrh tohoto systému, které zahrnují nezbytné prvky systému chytré domácnosti (centrální řídicí systém chytré domácnosti, systém řízení osvětlení domácnosti, systém domácí bezpečnosti) na základě propojeného systému domácí elektroinstalace, systému domácí sítě, systému hudby na pozadí a systému řízení rodinného prostředí. Na základě tvrzení, že žijeme v inteligenci, je nutné nainstalovat všechny potřebné systémy a domácí systém s instalovaným volitelným systémem alespoň jednoho nebo více druhů může využívat inteligenci k bydlení. Proto lze tento systém nazvat inteligentní domácností.
1. Schéma návrhu systému
Systém se skládá z ovládaných zařízení a zařízení pro dálkové ovládání v domácnosti. Mezi ovládaná zařízení v rodině patří zejména počítač s přístupem k internetu, řídicí centrum, monitorovací uzel a ovladač domácích spotřebičů, který lze přidat. Zařízení pro dálkové ovládání se skládají především ze vzdálených počítačů a mobilních telefonů.
Hlavní funkce systému jsou: 1) prohlížení webových stránek na úvodní stránce a správa informací na pozadí; 2) ovládání vnitřních domácích spotřebičů, zabezpečení a osvětlení prostřednictvím internetu a mobilního telefonu; 3) identifikace uživatele pomocí RFID modulu za účelem provedení přepnutí stavu zabezpečení interiéru v případě krádeže prostřednictvím SMS zprávy uživateli; 4) lokální ovládání a zobrazení stavu vnitřního osvětlení a domácích spotřebičů prostřednictvím softwaru centrálního řídicího systému; 5) ukládání osobních údajů a stavu vnitřního vybavení pomocí databáze. Pro uživatele je snadné dotazovat se na stav vnitřního vybavení prostřednictvím centrálního řídicího systému.
2. Návrh hardwaru systému
Hardwarový návrh systému zahrnuje návrh řídicího centra, monitorovacího uzlu a volitelné přidání regulátoru domácích spotřebičů (jako příklad si vezměte regulátor elektrického ventilátoru).
2.1 Řídicí centrum
Hlavní funkce řídicího centra jsou následující: 1) Vybudování bezdrátové sítě ZigBee, přidání všech monitorovacích uzlů do sítě a realizace příjmu nového zařízení; 2) Identifikace uživatele, uživatele doma nebo zpět pomocí uživatelské karty pro aktivaci vnitřního zabezpečení; 3) Když se do místnosti vloupá zloděj, odeslání krátké zprávy uživateli pro spuštění alarmu. Uživatelé mohou také ovládat vnitřní zabezpečení, osvětlení a domácí spotřebiče pomocí krátkých zpráv; 4) Pokud systém běží samostatně, LCD displej zobrazuje aktuální stav systému pro pohodlné prohlížení; 5) Ukládání stavu elektrických zařízení a jeho odeslání do počítače pro online provoz systému.
Hardware podporuje detekci kolizí s detekcí nosné (CSMA/CA). Provozní napětí 2,0 ~ 3,6 V přispívá k nízké spotřebě energie systému. V interiéru můžete nastavit bezdrátovou hvězdicovou síť ZigBee připojením ke koordinačnímu modulu ZigBee v řídicím centru. Všechny monitorovací uzly, vybrané pro přidání ovladače domácích spotřebičů jako koncového uzlu v síti, se připojí k síti a realizuje tak bezdrátové ovládání zabezpečení interiéru a domácích spotřebičů prostřednictvím sítě ZigBee.
2.2 Monitorovací uzly
Funkce monitorovacího uzlu jsou následující: 1) detekce signálu lidského těla, zvukový a světelný alarm při vloupání zloděje; 2) ovládání osvětlení, režim ovládání je rozdělen na automatické a ruční ovládání, automatické ovládání automaticky zapíná/vypíná světlo podle síly vnitřního osvětlení, ruční ovládání osvětlení probíhá prostřednictvím centrálního řídicího systému, (3) informace o alarmu a další informace jsou odesílány do řídicího centra a přijímá řídicí příkazy z řídicího centra pro dokončení ovládání zařízení.
Režim detekce infračerveného a mikrovlnného záření je nejběžnějším způsobem detekce signálu z lidského těla. Pyroelektrická infračervená sonda je RE200B a zesilovací zařízení je BISS0001. RE200B je napájena napětím 3-10 V a má vestavěný pyroelektrický dvojitě citlivý infračervený prvek. Když prvek přijímá infračervené světlo, dochází k fotoelektrickému jevu na pólech každého prvku a akumuluje se náboj. BISS0001 je digitálně-analogový hybridní integrovaný obvod složený z operačního zesilovače, komparátoru napětí, stavového regulátoru, časovače zpoždění a časovače blokování. Spolu s RE200B a několika dalšími komponenty lze vytvořit pasivní pyroelektrický infračervený spínač. Pro mikrovlnný senzor byl použit modul Ant-g100, jehož střední frekvence byla 10 GHz a maximální doba ustavení byla 6 μs. V kombinaci s pyroelektrickým infračerveným modulem lze efektivně snížit chybovost detekce cíle.
Modul řízení osvětlení se skládá hlavně z fotocitlivého rezistoru a relé pro řízení osvětlení. Fotocitlivý rezistor se zapojí sériově s nastavitelným rezistorem 10 K ω, druhý konec fotocitlivého rezistoru se připojí k zemi a druhý konec nastavitelného rezistoru k vysoké úrovni. Hodnota napětí na obou připojovacích bodech rezistoru se získá pomocí analogově-digitálního převodníku SCM a určí se, zda světlo svítí. Nastavitelný odpor může uživatel upravit tak, aby odpovídal intenzitě světla, když je světlo právě zapnuté. Spínače vnitřního osvětlení jsou ovládány relé. Lze dosáhnout pouze jednoho vstupního/výstupního portu.
2.3 Vyberte přidaný ovladač domácích spotřebičů
Zvolte přidání ovládání domácích spotřebičů hlavně podle funkce zařízení k dosažení ovládání zařízení, zde je jako příklad uveden elektrický ventilátor. Ovládání ventilátoru je řídicí centrum, které bude pomocí sítě ZigBee odesíláno do regulátoru ventilátoru pomocí instrukcí pro ovládání ventilátoru z počítače. Identifikační čísla různých spotřebičů se liší, například identifikační číslo ventilátoru v ustanoveních této dohody je 122, identifikační číslo domácího barevného televizoru je 123, čímž se dosáhne rozpoznání různých řídicích center elektrických domácích spotřebičů. Pro stejný instrukční kód plní různé domácí spotřebiče různé funkce. Obrázek 4 znázorňuje složení vybraných domácích spotřebičů pro přidání.
3. Návrh systémového softwaru
Návrh systémového softwaru zahrnuje hlavně šest částí, kterými jsou návrh webové stránky pro dálkové ovládání, návrh centrálního systému řízení, návrh programu ATMegal28 pro hlavní řídicí jednotku řídicího centra, návrh koordinačního programu pro CC2430, návrh programu pro monitorovací uzly CC2430 a návrh programu pro výběr a přidání zařízení CC2430.
3.1 Návrh programu ZigBee Coordinator
Koordinátor nejprve dokončí inicializaci aplikační vrstvy, nastaví stav aplikační vrstvy a stav příjmu na nečinný stav, poté zapne globální přerušení a inicializuje I/O port. Koordinátor poté začne budovat bezdrátovou hvězdicovou síť. V protokolu koordinátor automaticky vybere pásmo 2,4 GHz, maximální počet bitů za sekundu je 62 500, výchozí PANID je 0×1347, maximální hloubka zásobníku je 5, maximální počet bajtů na odeslání je 93 a přenosová rychlost sériového portu je 57 600 bit/s. Časovač SL0W generuje 10 přerušení za sekundu. Po úspěšném navázání sítě ZigBee koordinátor odešle svou adresu do MCU řídicího centra. Zde MCU řídicího centra identifikuje koordinátora ZigBee jako člena monitorovacího uzlu a jeho identifikovaná adresa je 0. Program vstoupí do hlavní smyčky. Nejprve se zjistí, zda terminálový uzel odeslal nová data, pokud ano, data se přímo přenesou do MCU řídicího centra; Určete, zda má MCU řídicího centra odeslané instrukce, pokud ano, odešlete instrukce do odpovídajícího terminálového uzlu ZigBee; posuďte, zda je otevřené zabezpečení, zda se jedná o vloupání, pokud ano, odešlete informaci o poplachu do MCU řídicího centra; posuďte, zda je světlo v automatickém režimu řízení, pokud ano, zapněte analogově-digitální převodník pro vzorkování, hodnota vzorkování je klíčem k zapnutí nebo vypnutí světla, pokud se stav světla změní, informace o novém stavu se přenesou do řídicího centra MC-U.
3.2 Programování terminálových uzlů ZigBee
Terminální uzel ZigBee označuje bezdrátový uzel ZigBee ovládaný koordinátorem ZigBee. V systému slouží především jako monitorovací uzel a volitelné rozšíření o ovladač domácích spotřebičů. Inicializace terminálových uzlů ZigBee zahrnuje také inicializaci aplikační vrstvy, otevírání přerušení a inicializaci I/O portů. Poté se pokusí připojit k síti ZigBee. Je důležité si uvědomit, že k síti se mohou připojit pouze koncové uzly s nastaveným koordinátorem ZigBee. Pokud se terminálový uzel ZigBee k síti nepřipojí, bude se o připojení pokoušet každé dvě sekundy, dokud se k síti úspěšně nepřipojí. Po úspěšném připojení k síti odešle terminálový uzel ZI-Gbee své registrační informace koordinátoru ZigBee, který je poté přepošle do MCU řídicího centra k dokončení registrace terminálového uzlu ZigBee. Pokud je terminálový uzel ZigBee monitorovacím uzlem, může realizovat ovládání osvětlení a zabezpečení. Program je podobný koordinátoru ZigBee, až na to, že monitorovací uzel musí odeslat data koordinátoru ZigBee a poté koordinátor ZigBee odešle data do MCU řídicího centra. Pokud je terminálovým uzlem ZigBee regulátor elektrického ventilátoru, potřebuje pouze přijímat data z nadřazeného počítače bez nutnosti nahrávání stavu, takže jeho řízení může být provedeno přímo při přerušení bezdrátového příjmu dat. Při přerušení bezdrátového příjmu dat všechny terminálové uzly převádějí přijaté řídicí instrukce do řídicích parametrů samotného uzlu a nezpracovávají přijaté bezdrátové instrukce v hlavním programu uzlu.
4 Online ladění
Zvyšující se instrukce pro instrukční kód pevného zařízení vydaná centrálním řídicím systémem je odeslána do MCU řídicího centra přes sériový port počítače, do koordinátora přes dvoulinkové rozhraní a poté koordinátorem do terminálového uzlu ZigBee. Když terminálový uzel přijme data, jsou data znovu odeslána do počítače přes sériový port. Na tomto počítači jsou data přijatá terminálovým uzlem ZigBee porovnána s daty odeslanými řídicím centrem. Centrální řídicí systém odesílá 2 instrukce každou sekundu. Po 5 hodinách testování se testovací software zastaví, když ukáže, že celkový počet přijatých paketů je 36 000 paketů. Výsledky testování softwaru pro testování víceprotokolové přenosy dat jsou znázorněny na obrázku 6. Počet správných paketů je 36 000, počet chybných paketů je 0 a míra přesnosti je 100 %.
Technologie ZigBee se používá k realizaci vnitřní sítě chytré domácnosti, která má výhody pohodlného dálkového ovládání, flexibilního přidávání nových zařízení a spolehlivého ovládání. Technologie RFTD se používá k identifikaci uživatelů a zlepšení zabezpečení systému. Prostřednictvím přístupu GSM modulu je realizováno dálkové ovládání a funkce alarmu.
Čas zveřejnění: 6. ledna 2022