Το έξυπνο σπίτι είναι ένα σπίτι ως πλατφόρμα, που χρησιμοποιεί ενσωματωμένη τεχνολογία καλωδίωσης, τεχνολογία επικοινωνίας δικτύου, τεχνολογία ασφάλειας, τεχνολογία αυτόματου ελέγχου, τεχνολογία ήχου και βίντεο για την ενσωμάτωση εγκαταστάσεων που σχετίζονται με την οικιακή ζωή, το χρονοδιάγραμμα για την κατασκευή αποτελεσματικών οικιακών εγκαταστάσεων και συστημάτων διαχείρισης οικογενειακών υποθέσεων, τη βελτίωση της ασφάλειας του σπιτιού, την ευκολία, την άνεση, την καλλιτεχνία και την επίτευξη προστασίας του περιβάλλοντος και εξοικονόμησης ενέργειας στο περιβάλλον διαβίωσης. Με βάση τον τελευταίο ορισμό του έξυπνου σπιτιού, αναφερόμενοι στα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας ZigBee, ο σχεδιασμός αυτού του συστήματος, η απαραίτητη προϋπόθεση για να περιλαμβάνει ένα έξυπνο οικιακό σύστημα (κεντρικό σύστημα ελέγχου έξυπνου σπιτιού, οικιακό σύστημα ελέγχου φωτισμού, οικιακά συστήματα ασφαλείας), βασίζεται στην ενσωμάτωση του οικιακού συστήματος καλωδίωσης, του οικιακού δικτύου, του συστήματος μουσικής υποβάθρου και του συστήματος ελέγχου οικογενειακού περιβάλλοντος. Με την επιβεβαίωση ότι ζει στην ευφυΐα, εγκαθίσταται μόνο όλο το απαραίτητο σύστημα, και το οικιακό σύστημα που έχει εγκαταστήσει προαιρετικό σύστημα ενός ή περισσότερων ειδών μπορεί να ονομάσει ευφυΐα. Επομένως, αυτό το σύστημα μπορεί να ονομαστεί έξυπνο σπίτι.
1. Σχήμα Σχεδιασμού Συστήματος
Το σύστημα αποτελείται από ελεγχόμενες συσκευές και συσκευές τηλεχειρισμού στο σπίτι. Μεταξύ αυτών, οι ελεγχόμενες συσκευές στην οικογένεια περιλαμβάνουν κυρίως τον υπολογιστή που έχει πρόσβαση στο Διαδίκτυο, το κέντρο ελέγχου, τον κόμβο παρακολούθησης και τον ελεγκτή οικιακών συσκευών που μπορούν να προστεθούν. Οι συσκευές τηλεχειρισμού αποτελούνται κυρίως από απομακρυσμένους υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα.
Οι κύριες λειτουργίες του συστήματος είναι: 1) η περιήγηση στην αρχική σελίδα της ιστοσελίδας, η διαχείριση πληροφοριών υποβάθρου· 2) ο έλεγχος των διακοπτών των εσωτερικών οικιακών συσκευών, της ασφάλειας και του φωτισμού μέσω Διαδικτύου και κινητού τηλεφώνου· 3) μέσω της μονάδας RFID για την αναγνώριση του χρήστη, ώστε να ολοκληρωθεί η αλλαγή της κατάστασης ασφάλειας του εσωτερικού χώρου, σε περίπτωση κλοπής μέσω συναγερμού SMS στον χρήστη· 4) μέσω του λογισμικού του κεντρικού συστήματος διαχείρισης ελέγχου για την ολοκλήρωση του τοπικού ελέγχου και της εμφάνισης της κατάστασης του εσωτερικού φωτισμού και των οικιακών συσκευών· 5) η αποθήκευση προσωπικών πληροφοριών και η αποθήκευση της κατάστασης του εσωτερικού εξοπλισμού ολοκληρώνονται χρησιμοποιώντας τη βάση δεδομένων. Είναι βολικό για τους χρήστες να αναζητούν την κατάσταση του εσωτερικού εξοπλισμού μέσω του κεντρικού συστήματος ελέγχου και διαχείρισης.
2. Σχεδιασμός Υλικού Συστήματος
Ο σχεδιασμός υλικού του συστήματος περιλαμβάνει τον σχεδιασμό του κέντρου ελέγχου, του κόμβου παρακολούθησης και την προαιρετική προσθήκη του ελεγκτή οικιακών συσκευών (πάρτε ως παράδειγμα τον ελεγκτή ηλεκτρικού ανεμιστήρα).
2.1 Το Κέντρο Ελέγχου
Οι κύριες λειτουργίες του κέντρου ελέγχου είναι οι εξής: 1) Για τη δημιουργία ενός ασύρματου δικτύου ZigBee, την προσθήκη όλων των κόμβων παρακολούθησης στο δίκτυο και την πραγματοποίηση της λήψης νέου εξοπλισμού. 2) την αναγνώριση χρήστη, τον χρήστη στο σπίτι ή πίσω μέσω της κάρτας χρήστη για την επίτευξη διακόπτη εσωτερικής ασφάλειας. 3) Όταν ένας διαρρήκτης εισβάλει στο δωμάτιο, στέλνει ένα σύντομο μήνυμα στον χρήστη για να σημάνει συναγερμό. Οι χρήστες μπορούν επίσης να ελέγχουν την εσωτερική ασφάλεια, τον φωτισμό και τις οικιακές συσκευές μέσω σύντομων μηνυμάτων. 4) Όταν το σύστημα λειτουργεί μόνο του, η οθόνη LCD εμφανίζει την τρέχουσα κατάσταση του συστήματος, η οποία είναι βολική για τους χρήστες να την δουν. 5) Αποθηκεύει την κατάσταση του ηλεκτρικού εξοπλισμού και την στέλνει στον υπολογιστή για να πραγματοποιηθεί η σύνδεση του συστήματος.
Το υλικό υποστηρίζει πολλαπλή πρόσβαση/ανίχνευση σύγκρουσης με αισθητήρα Carrier (CSMA/CA). Η τάση λειτουργίας 2,0 ~ 3,6V ευνοεί τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας του συστήματος. Δημιουργήστε ένα ασύρματο δίκτυο ZigBee star σε εσωτερικό χώρο συνδέοντας τη μονάδα συντονισμού ZigBee στο κέντρο ελέγχου. Και όλους τους κόμβους παρακολούθησης, που επιλέγονται για να προσθέσουν τον ελεγκτή οικιακών συσκευών ως τον τερματικό κόμβο στο δίκτυο για να συνδεθούν στο δίκτυο, έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί ο ασύρματος έλεγχος δικτύου ZigBee της εσωτερικής ασφάλειας και των οικιακών συσκευών.
2.2 Κόμβοι παρακολούθησης
Οι λειτουργίες του κόμβου παρακολούθησης είναι οι εξής: 1) ανίχνευση σήματος ανθρώπινου σώματος, ηχητικός και φωτεινός συναγερμός σε περίπτωση εισβολής κλεφτών· 2) έλεγχος φωτισμού, η λειτουργία ελέγχου χωρίζεται σε αυτόματο έλεγχο και χειροκίνητο έλεγχο, ο αυτόματος έλεγχος ενεργοποιεί/απενεργοποιεί αυτόματα το φως ανάλογα με την ισχύ του εσωτερικού φωτός, ο χειροκίνητος έλεγχος φωτισμού γίνεται μέσω του κεντρικού συστήματος ελέγχου, (3) οι πληροφορίες συναγερμού και άλλες πληροφορίες αποστέλλονται στο κέντρο ελέγχου και λαμβάνει εντολές ελέγχου από το κέντρο ελέγχου για την ολοκλήρωση του ελέγχου του εξοπλισμού.
Η λειτουργία ανίχνευσης υπέρυθρης ακτινοβολίας συν μικροκυμάτων είναι ο πιο συνηθισμένος τρόπος ανίχνευσης σήματος ανθρώπινου σώματος. Ο πυροηλεκτρικός αισθητήρας υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι ο RE200B και η συσκευή ενίσχυσης είναι η BISS0001. Το RE200B τροφοδοτείται από τάση 3-10 V και διαθέτει ενσωματωμένο πυροηλεκτρικό διπλής ευαισθησίας υπέρυθρο στοιχείο. Όταν το στοιχείο λαμβάνει υπέρυθρο φως, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο θα εμφανιστεί στους πόλους κάθε στοιχείου και το φορτίο θα συσσωρευτεί. Το BISS0001 είναι ένα ψηφιακό-αναλογικό υβριδικό asIC που αποτελείται από λειτουργικό ενισχυτή, συγκριτή τάσης, ελεγκτή κατάστασης, χρονόμετρο καθυστέρησης και χρονόμετρο μπλοκαρίσματος. Μαζί με το RE200B και μερικά εξαρτήματα, μπορεί να σχηματιστεί ο παθητικός πυροηλεκτρικός διακόπτης υπερύθρων. Η μονάδα Ant-g100 χρησιμοποιήθηκε για τον αισθητήρα μικροκυμάτων, η κεντρική συχνότητα ήταν 10 GHz και ο μέγιστος χρόνος εγκατάστασης ήταν 6μs. Σε συνδυασμό με την πυροηλεκτρική μονάδα υπερύθρων, το ποσοστό σφάλματος ανίχνευσης στόχου μπορεί να μειωθεί αποτελεσματικά.
Η μονάδα ελέγχου φωτισμού αποτελείται κυρίως από φωτοευαίσθητη αντίσταση και ρελέ ελέγχου φωτισμού. Συνδέστε τη φωτοευαίσθητη αντίσταση σε σειρά με τη ρυθμιζόμενη αντίσταση των 10 K ω, στη συνέχεια συνδέστε το άλλο άκρο της φωτοευαίσθητης αντίστασης στη γείωση και συνδέστε το άλλο άκρο της ρυθμιζόμενης αντίστασης στο υψηλό επίπεδο. Η τιμή τάσης των δύο σημείων σύνδεσης αντίστασης λαμβάνεται μέσω του αναλογικού σε ψηφιακό μετατροπέα SCM για να προσδιοριστεί εάν το τρέχον φως είναι αναμμένο. Η ρυθμιζόμενη αντίσταση μπορεί να ρυθμιστεί από τον χρήστη ώστε να ανταποκρίνεται στην ένταση του φωτός όταν το φως είναι μόλις αναμμένο. Οι διακόπτες εσωτερικού φωτισμού ελέγχονται από ρελέ. Μπορεί να επιτευχθεί μόνο μία θύρα εισόδου/εξόδου.
2.3 Επιλέξτε τον Προστιθέμενο Ελεγκτή Οικιακών Συσκευών
Επιλέξτε να προσθέσετε τον έλεγχο των οικιακών συσκευών κυρίως ανάλογα με τη λειτουργία της συσκευής για να επιτύχετε τον έλεγχο της συσκευής, εδώ για παράδειγμα στον ηλεκτρικό ανεμιστήρα. Ο έλεγχος του ανεμιστήρα είναι το κέντρο ελέγχου που θα είναι οι οδηγίες ελέγχου του ανεμιστήρα του υπολογιστή που αποστέλλονται στον ελεγκτή του ηλεκτρικού ανεμιστήρα μέσω της υλοποίησης δικτύου ZigBee. Οι διαφορετικοί αριθμοί αναγνώρισης συσκευών είναι διαφορετικοί, για παράδειγμα, οι διατάξεις αυτής της συμφωνίας ο αριθμός αναγνώρισης του ανεμιστήρα είναι 122, ο αριθμός αναγνώρισης της οικιακής έγχρωμης τηλεόρασης είναι 123, επιτυγχάνοντας έτσι την αναγνώριση διαφορετικών κέντρων ελέγχου ηλεκτρικών οικιακών συσκευών. Για τον ίδιο κωδικό εντολής, διαφορετικές οικιακές συσκευές εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες. Το Σχήμα 4 δείχνει τη σύνθεση των οικιακών συσκευών που επιλέχθηκαν για προσθήκη.
3. Σχεδιασμός λογισμικού συστήματος
Ο σχεδιασμός του λογισμικού συστήματος περιλαμβάνει κυρίως έξι μέρη, τα οποία είναι ο σχεδιασμός ιστοσελίδας τηλεχειρισμού, ο σχεδιασμός συστήματος διαχείρισης κεντρικού ελέγχου, ο σχεδιασμός προγράμματος ATMegal28 του κύριου ελεγκτή κέντρου ελέγχου, ο σχεδιασμός προγράμματος συντονιστή CC2430, ο σχεδιασμός προγράμματος κόμβου παρακολούθησης CC2430 και ο σχεδιασμός προγράμματος επιλογής προσθήκης συσκευής CC2430.
3.1 Σχεδιασμός προγράμματος ZigBee Coordinator
Ο συντονιστής ολοκληρώνει πρώτα την αρχικοποίηση του επιπέδου εφαρμογής, ορίζει την κατάσταση του επιπέδου εφαρμογής και την κατάσταση λήψης σε αδράνεια, στη συνέχεια ενεργοποιεί τις καθολικές διακοπές και αρχικοποιεί τη θύρα εισόδου/εξόδου. Στη συνέχεια, ο συντονιστής ξεκινά την κατασκευή ενός ασύρματου δικτύου αστεριού. Στο πρωτόκολλο, ο συντονιστής επιλέγει αυτόματα τη ζώνη των 2,4 GHz, ο μέγιστος αριθμός bit ανά δευτερόλεπτο είναι 62.500, το προεπιλεγμένο PANID είναι 0×1347, το μέγιστο βάθος στοίβας είναι 5, ο μέγιστος αριθμός byte ανά αποστολή είναι 93 και ο ρυθμός baud σειριακής θύρας είναι 57.600 bit/s. Ο ΧΡΟΝΟΜΕΤΡΗΣΤΗΣ SL0W δημιουργεί 10 διακοπές ανά δευτερόλεπτο. Μετά την επιτυχή δημιουργία του δικτύου ZigBee, ο συντονιστής στέλνει τη διεύθυνσή του στην MCU του κέντρου ελέγχου. Εδώ, η MCU του κέντρου ελέγχου αναγνωρίζει τον Συντονιστή ZigBee ως μέλος του κόμβου παρακολούθησης και η αναγνωρισμένη διεύθυνσή του είναι 0. Το πρόγραμμα εισέρχεται στον κύριο βρόχο. Αρχικά, προσδιορίστε εάν έχουν σταλεί νέα δεδομένα από τον κόμβο τερματικού. Εάν ναι, τα δεδομένα μεταδίδονται απευθείας στην MCU του κέντρου ελέγχου. Προσδιορίστε εάν η MCU του κέντρου ελέγχου έχει λάβει οδηγίες και, εάν ναι, στείλτε τις οδηγίες στον αντίστοιχο κόμβο τερματικού ZigBee. Κρίνετε εάν η ασφάλεια είναι ανοιχτή, εάν υπάρχει διαρρήκτης και, εάν ναι, στείλτε τις πληροφορίες συναγερμού στην MCU του κέντρου ελέγχου. Κρίνετε εάν το φως βρίσκεται σε κατάσταση αυτόματου ελέγχου και, εάν ναι, ενεργοποιήστε τον αναλογικό-ψηφιακό μετατροπέα για δειγματοληψία. Η τιμή δειγματοληψίας είναι το κλειδί για την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση του φωτός. Εάν αλλάξει η κατάσταση του φωτός, οι πληροφορίες νέας κατάστασης μεταδίδονται στο κέντρο ελέγχου MC-U.
3.2 Προγραμματισμός κόμβου τερματικού ZigBee
Ο κόμβος τερματικού ZigBee αναφέρεται στον ασύρματο κόμβο ZigBee που ελέγχεται από τον συντονιστή ZigBee. Στο σύστημα, είναι κυρίως ο κόμβος παρακολούθησης και η προαιρετική προσθήκη ελεγκτή οικιακών συσκευών. Η αρχικοποίηση των κόμβων τερματικού ZigBee περιλαμβάνει επίσης την αρχικοποίηση του επιπέδου εφαρμογής, το άνοιγμα διακοπών και την αρχικοποίηση θυρών εισόδου/εξόδου. Στη συνέχεια, προσπαθήστε να συνδεθείτε στο δίκτυο ZigBee. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι μόνο οι τελικοί κόμβοι με ρύθμιση συντονιστή ZigBee επιτρέπεται να συνδεθούν στο δίκτυο. Εάν ο κόμβος τερματικού ZigBee αποτύχει να συνδεθεί στο δίκτυο, θα προσπαθεί ξανά κάθε δύο δευτερόλεπτα μέχρι να συνδεθεί με επιτυχία στο δίκτυο. Μετά την επιτυχή σύνδεση στο δίκτυο, ο κόμβος τερματικού ZI-Gbee στέλνει τις πληροφορίες εγγραφής του στον Συντονιστή ZigBee, ο οποίος στη συνέχεια τις προωθεί στην MCU του κέντρου ελέγχου για να ολοκληρωθεί η εγγραφή του κόμβου τερματικού ZigBee. Εάν ο κόμβος τερματικού ZigBee είναι κόμβος παρακολούθησης, μπορεί να πραγματοποιήσει τον έλεγχο του φωτισμού και της ασφάλειας. Το πρόγραμμα είναι παρόμοιο με τον συντονιστή ZigBee, εκτός από το ότι ο κόμβος παρακολούθησης πρέπει να στείλει δεδομένα στον συντονιστή ZigBee και στη συνέχεια ο Συντονιστής ZigBee στέλνει δεδομένα στην MCU του κέντρου ελέγχου. Εάν ο κόμβος τερματικού ZigBee είναι ένας ηλεκτρικός ελεγκτής ανεμιστήρα, χρειάζεται μόνο να λάβει τα δεδομένα του ανώτερου υπολογιστή χωρίς να μεταφορτώσει την κατάσταση, επομένως ο έλεγχός του μπορεί να ολοκληρωθεί απευθείας με τη διακοπή της ασύρματης λήψης δεδομένων. Σε περίπτωση διακοπής ασύρματης λήψης δεδομένων, όλοι οι κόμβοι τερματικού μεταφράζουν τις λαμβανόμενες οδηγίες ελέγχου στις παραμέτρους ελέγχου του ίδιου του κόμβου και δεν επεξεργάζονται τις λαμβανόμενες ασύρματες οδηγίες στο κύριο πρόγραμμα του κόμβου.
4 Ηλεκτρονική Αποσφαλμάτωση
Η αυξανόμενη εντολή για τον κωδικό εντολής του σταθερού εξοπλισμού που εκδίδεται από το κεντρικό σύστημα διαχείρισης ελέγχου αποστέλλεται στην MCU του κέντρου ελέγχου μέσω της σειριακής θύρας του υπολογιστή και στον συντονιστή μέσω της διεπαφής δύο γραμμών και στη συνέχεια στον κόμβο τερματικού ZigBee από τον συντονιστή. Όταν ο κόμβος τερματικού λάβει τα δεδομένα, τα δεδομένα αποστέλλονται ξανά στον υπολογιστή μέσω της σειριακής θύρας. Σε αυτόν τον υπολογιστή, τα δεδομένα που λαμβάνονται από τον κόμβο τερματικού ZigBee συγκρίνονται με τα δεδομένα που αποστέλλονται από το κέντρο ελέγχου. Το κεντρικό σύστημα διαχείρισης ελέγχου στέλνει 2 οδηγίες κάθε δευτερόλεπτο. Μετά από 5 ώρες δοκιμών, το λογισμικό δοκιμών σταματά όταν δείξει ότι ο συνολικός αριθμός των ληφθέντων πακέτων είναι 36.000 πακέτα. Τα αποτελέσματα των δοκιμών του λογισμικού δοκιμών μετάδοσης δεδομένων πολλαπλών πρωτοκόλλων φαίνονται στο Σχήμα 6. Ο αριθμός των σωστών πακέτων είναι 36.000, ο αριθμός των λανθασμένων πακέτων είναι 0 και το ποσοστό ακρίβειας είναι 100%.
Η τεχνολογία ZigBee χρησιμοποιείται για την υλοποίηση της εσωτερικής δικτύωσης του έξυπνου σπιτιού, η οποία έχει τα πλεονεκτήματα του βολικού τηλεχειρισμού, της ευέλικτης προσθήκης νέου εξοπλισμού και της αξιόπιστης απόδοσης ελέγχου. Η τεχνολογία RFTD χρησιμοποιείται για την αναγνώριση του χρήστη και τη βελτίωση της ασφάλειας του συστήματος. Μέσω της πρόσβασης της μονάδας GSM, επιτυγχάνονται οι λειτουργίες τηλεχειρισμού και συναγερμού.
Ώρα δημοσίευσης: 06 Ιανουαρίου 2022