«Умный дом» — это дом как платформа, использующая интегрированные технологии проводки, сетевой связи, безопасности, автоматического управления, аудио- и видеотехнологии для интеграции объектов, связанных с жизнью в доме, создания эффективной системы управления жилыми помещениями и семейными делами, повышения безопасности, удобства, комфорта и эстетики дома, а также для обеспечения экологичности и энергосбережения в жилом пространстве. Исходя из новейшего определения «умного дома», с учетом характеристик технологии ZigBee, проектирование этой системы предполагает наличие в ней системы «умного дома» (система централизованного управления умным домом, система управления освещением в доме, система безопасности дома), которая объединяет в себе систему проводки, домашнюю сеть, систему фоновой музыки и систему управления домашней обстановкой. Исходя из утверждения о том, что дом «умный», достаточно установить все необходимые системы, и дом, в котором установлены хотя бы одна дополнительная система, можно назвать «умным домом». Таким образом, эту систему можно назвать «интеллектуальным домом».
1. Схема проектирования системы
Система состоит из управляемых устройств и устройств дистанционного управления, расположенных в доме. К управляемым устройствам в основном относятся компьютер с доступом в Интернет, центр управления, узел мониторинга и контроллер бытовой техники, к которому можно добавить дополнительные устройства. Устройства дистанционного управления в основном представляют собой удаленные компьютеры и мобильные телефоны.
Основные функции системы: 1) просмотр главной страницы веб-сайта, управление фоновой информацией; 2) управление включением и выключением бытовой техники, систем безопасности и освещения через Интернет и мобильный телефон; 3) идентификация пользователя с помощью RFID-модуля для контроля состояния системы безопасности внутри помещений, оповещение пользователя в случае кражи посредством SMS-сообщения; 4) локальное управление и отображение состояния внутреннего освещения и бытовой техники с помощью программного обеспечения централизованной системы управления; 5) хранение персональной информации и данных о состоянии оборудования внутри помещений с использованием базы данных. Это удобно для пользователей при запросе информации о состоянии оборудования внутри помещений через централизованную систему управления.
2. Проектирование аппаратного обеспечения системы
Аппаратная часть системы включает в себя проектирование центра управления, узла мониторинга и опциональное добавление контроллера бытовой техники (например, контроллера электрического вентилятора).
2.1 Центр управления
Основные функции центра управления следующие: 1) Создание беспроводной сети ZigBee, добавление всех узлов мониторинга в сеть и обеспечение приема нового оборудования; 2) Идентификация пользователя, определение местоположения пользователя дома или в другом месте с помощью пользовательской карты для обеспечения безопасности внутри помещения; 3) При проникновении злоумышленника в помещение отправка короткого сообщения пользователю для оповещения. Пользователи также могут управлять системой безопасности, освещением и бытовой техникой внутри помещения с помощью коротких сообщений; 4) При автономной работе системы на ЖК-дисплее отображается текущее состояние системы, что удобно для пользователей; 5) Сохранение состояния электрооборудования и отправка его на ПК для обеспечения онлайн-доступа к системе.
Аппаратное обеспечение поддерживает множественный доступ с обнаружением несущей/обнаружение коллизий (CSMA/CA). Рабочее напряжение 2,0 ~ 3,6 В способствует низкому энергопотреблению системы. Для создания беспроводной звездообразной сети ZigBee внутри помещения подключитесь к координационному модулю ZigBee в центре управления. Все узлы мониторинга, выбранные для добавления контроллера бытовой техники в качестве терминальных узлов сети, подключаются к сети, что позволяет реализовать беспроводное управление системой безопасности и бытовой техникой внутри помещений с помощью сети ZigBee.
2.2 Узлы мониторинга
Функции узла мониторинга включают в себя: 1) обнаружение сигналов присутствия человека, звуковую и световую сигнализацию при проникновении злоумышленников; 2) управление освещением, режим управления разделен на автоматическое и ручное управление; автоматическое управление включает/выключает свет автоматически в зависимости от интенсивности внутреннего освещения; ручное управление освещением осуществляется через центральную систему управления; 3) информация об аварийных ситуациях и другая информация передается в центр управления, а также принимает команды управления от центра управления для выполнения управления оборудованием.
Инфракрасный и микроволновый режимы обнаружения являются наиболее распространенным способом обнаружения сигналов человеческого тела. Пироэлектрический инфракрасный зонд — это RE200B, а усилитель — BISS0001. RE200B питается от напряжения 3-10 В и имеет встроенный пироэлектрический двухчувствительный инфракрасный элемент. При приеме инфракрасного света на полюсах каждого элемента возникает фотоэлектрический эффект, и происходит накопление заряда. BISS0001 — это цифро-аналоговая гибридная интегральная схема, состоящая из операционного усилителя, компаратора напряжения, контроллера состояния, таймера задержки и таймера блокировки. Вместе с RE200B и несколькими другими компонентами можно сформировать пассивный пироэлектрический инфракрасный переключатель. В качестве микроволнового датчика использовался модуль Ant-g100 с центральной частотой 10 ГГц и максимальным временем установления 6 мкс. В сочетании с пироэлектрическим инфракрасным модулем можно эффективно снизить частоту ошибок обнаружения цели.
Модуль управления освещением в основном состоит из фоторезистора и реле управления освещением. Фоторезистор подключается последовательно с регулируемым резистором 10 кОм, другой конец фоторезистора подключается к земле, а другой конец регулируемого резистора — к высокому уровню. Значение напряжения в точках подключения резисторов определяется с помощью аналого-цифрового преобразователя модуля управления освещением (SCM) для определения того, включен ли текущий светильник. Регулируемое сопротивление может быть отрегулировано пользователем для достижения необходимой интенсивности света в момент включения. Внутренние выключатели освещения управляются реле. Предусмотрен только один входной/выходной порт.
2.3 Выберите добавленный контроллер бытовой техники
Выбор устройства для управления бытовой техникой осуществляется в основном в соответствии с его функциями, в качестве примера рассмотрим электрический вентилятор. Управление вентилятором осуществляется через сеть ZigBee, при этом идентификационные номера устройств различаются. Например, идентификационный номер вентилятора, указанного в данном соглашении, равен 122, а идентификационный номер бытового цветного телевизора — 123. Таким образом, обеспечивается распознавание различных бытовых приборов в центре управления. Один и тот же код инструкции может выполнять разные функции. На рисунке 4 показан состав бытовой техники, выбранной для добавления.
3. Проектирование системного программного обеспечения
Разработка системного программного обеспечения включает в себя шесть основных частей: проектирование веб-страницы удаленного управления, проектирование системы централизованного управления, проектирование программы для главного контроллера центра управления ATMegal28, проектирование программы для координатора CC2430, проектирование программы для узла мониторинга CC2430, проектирование программы для выбора и добавления устройств CC2430.
3.1 Разработка программы координатора ZigBee
Координатор сначала завершает инициализацию прикладного уровня, устанавливает состояние прикладного уровня и состояние приема в режим ожидания, затем включает глобальные прерывания и инициализирует порт ввода-вывода. После этого координатор начинает построение беспроводной звездообразной сети. В протоколе координатор автоматически выбирает диапазон 2,4 ГГц, максимальное количество бит в секунду составляет 62 500, PANID по умолчанию — 0×1347, максимальная глубина стека — 5, максимальное количество байтов на отправку — 93, а скорость передачи данных через последовательный порт — 57 600 бит/с. Таймер SL0W генерирует 10 прерываний в секунду. После успешного установления сети ZigBee координатор отправляет свой адрес микроконтроллеру центра управления. При этом микроконтроллер центра управления идентифицирует координатор ZigBee как члена узла мониторинга, и его идентификационный адрес равен 0. Программа переходит в основной цикл. Сначала определите, отправлены ли новые данные от терминального узла; если да, то данные напрямую передаются на микроконтроллер центра управления; определите, были ли отправлены инструкции на микроконтроллер центра управления; если да, то отправьте инструкции на соответствующий терминальный узел ZigBee; определите, открыта ли охрана, есть ли взломщик; если да, отправьте информацию о тревоге на микроконтроллер центра управления; определите, находится ли освещение в режиме автоматического управления; если да, включите аналого-цифровой преобразователь для выборки данных; значение выборки является ключом к включению или выключению освещения; если состояние освещения изменяется, информация о новом состоянии передается на микроконтроллер центра управления.
3.2 Программирование терминального узла ZigBee
Терминальный узел ZigBee — это беспроводной узел ZigBee, управляемый координатором ZigBee. В системе он в основном выполняет функции узла мониторинга, а также может использоваться в качестве дополнительного контроллера бытовой техники. Инициализация терминальных узлов ZigBee включает в себя инициализацию прикладного уровня, открытие прерываний и инициализацию портов ввода-вывода. Затем предпринимается попытка подключения к сети ZigBee. Важно отметить, что к сети могут подключаться только конечные узлы с настроенным координатором ZigBee. Если терминальный узел ZigBee не может подключиться к сети, он будет повторять попытку каждые две секунды, пока не установит соединение успешно. После успешного подключения к сети терминальный узел ZigBee отправляет информацию о регистрации координатору ZigBee, который затем пересылает её микроконтроллеру центра управления для завершения регистрации терминального узла ZigBee. Если терминальный узел ZigBee является узлом мониторинга, он может осуществлять управление освещением и системами безопасности. Программа аналогична координатору ZigBee, за исключением того, что узел мониторинга должен отправлять данные координатору ZigBee, а затем координатор ZigBee отправляет данные на микроконтроллер центра управления. Если терминальный узел ZigBee является контроллером электрического вентилятора, ему нужно только получать данные от верхнего компьютера без загрузки состояния, поэтому его управление может быть выполнено непосредственно при прерывании приема беспроводных данных. При прерывании приема беспроводных данных все терминальные узлы преобразуют полученные управляющие инструкции в параметры управления самого узла и не обрабатывают полученные беспроводные инструкции в основной программе узла.
4. Онлайн-отладка
Инструкция по передаче данных в стационарном оборудовании, выдаваемая центральной системой управления, отправляется на микроконтроллер центра управления через последовательный порт компьютера, затем на координатор через двухлинейный интерфейс, а оттуда — на терминальный узел ZigBee. После получения данных терминальным узлом, они снова отправляются на ПК через последовательный порт. На этом ПК данные, полученные терминальным узлом ZigBee, сравниваются с данными, отправленными центром управления. Центральная система управления отправляет 2 инструкции в секунду. После 5 часов тестирования программное обеспечение останавливается, когда показывает, что общее количество полученных пакетов составляет 36 000. Результаты тестирования программного обеспечения для многопротокольной передачи данных показаны на рисунке 6. Количество корректно обработанных пакетов составляет 36 000, количество ошибочно обработанных пакетов равно 0, а точность составляет 100%.
Технология ZigBee используется для реализации внутренней сети умного дома, что обеспечивает преимущества удобного дистанционного управления, гибкого добавления нового оборудования и надежной работы системы управления. Технология RFTD используется для идентификации пользователей и повышения безопасности системы. Благодаря доступу через GSM-модуль реализуются функции дистанционного управления и сигнализации.
Дата публикации: 06.01.2022