Inteligentná domácnosť je dom ako platforma, ktorá využíva integrovanú technológiu kabeláže, sieťovú komunikačnú technológiu, bezpečnostnú technológiu, technológiu automatického riadenia, audio a video technológiu na integráciu zariadení súvisiacich s domácim životom, plánovanie výstavby efektívnych obytných zariadení a systému riadenia rodinných záležitostí, zlepšenie bezpečnosti domu, pohodlia, komfortu, umeleckého štýlu a realizáciu ochrany životného prostredia a úspory energie v životnom prostredí. Na základe najnovšej definície inteligentnej domácnosti sa pozrime na charakteristiky technológie ZigBee a návrh tohto systému, ktorý zahŕňa nevyhnutné prvky inteligentného domáceho systému (riadiaci systém inteligentnej domácnosti (centrálny), systém riadenia osvetlenia domácnosti, bezpečnostné systémy domácnosti) na základe prepojeného systému domácej kabeláže, systému domácej siete, systému hudby na pozadí a systému riadenia rodinného prostredia. Vychádzajúc z tvrdenia, že žijeme v inteligencii, je potrebné nainštalovať všetky potrebné systémy iba v domácnosti, ktorá má nainštalovaný voliteľný systém aspoň jedného alebo viacerých druhov, a môže využívať inteligenciu na bývanie. Preto sa tento systém môže nazývať inteligentným domovom.
1. Schéma návrhu systému
Systém sa skladá z ovládaných zariadení a zariadení diaľkového ovládania v domácnosti. Medzi ovládané zariadenia v rodine patrí najmä počítač s prístupom na internet, riadiace centrum, monitorovací uzol a ovládač domácich spotrebičov, ktorý je možné pridať. Zariadenia diaľkového ovládania sa skladajú najmä zo vzdialených počítačov a mobilných telefónov.
Hlavné funkcie systému sú: 1) prehliadanie webovej stránky na úvodnej stránke a správa informácií na pozadí; 2) ovládanie vnútorných domácich spotrebičov, zabezpečenia a osvetlenia prostredníctvom internetu a mobilného telefónu; 3) identifikácia používateľa prostredníctvom RFID modulu, aby sa v prípade krádeže vykonalo prepínanie stavu zabezpečenia interiéru prostredníctvom SMS správy; 4) lokálne ovládanie a zobrazenie stavu vnútorného osvetlenia a domácich spotrebičov prostredníctvom softvéru centrálneho riadiaceho systému; 5) ukladanie osobných údajov a stavu vnútorných zariadení sa vykonáva pomocou databázy. Používatelia môžu prostredníctvom centrálneho riadiaceho systému pohodlne vyhľadávať stav vnútorných zariadení.
2. Návrh hardvéru systému
Hardvérový návrh systému zahŕňa návrh riadiaceho centra, monitorovacieho uzla a voliteľné doplnenie ovládača domácich spotrebičov (ako príklad si vezmime ovládač elektrického ventilátora).
2.1 Riadiace centrum
Hlavné funkcie riadiaceho centra sú nasledovné: 1) Vybudovanie bezdrôtovej siete ZigBee, pridanie všetkých monitorovacích uzlov do siete a realizácia príjmu nových zariadení; 2) identifikácia používateľa, používateľ doma alebo späť pomocou používateľskej karty pre dosiahnutie vnútorného bezpečnostného spínača; 3) Keď zlodej vnikne do miestnosti, odošle používateľovi krátku správu na spustenie alarmu. Používatelia môžu tiež ovládať vnútorné zabezpečenie, osvetlenie a domáce spotrebiče prostredníctvom krátkych správ; 4) Keď systém beží samostatne, LCD displej zobrazuje aktuálny stav systému, čo je pre používateľov pohodlné na prezeranie; 5) Uloženie stavu elektrických zariadení a jeho odoslanie do počítača pre online prevádzku systému.
Hardvér podporuje detekciu viacnásobného prístupu/kolízií s detekciou nosnej frekvencie (CSMA/CA). Prevádzkové napätie 2,0 ~ 3,6 V prispieva k nízkej spotrebe energie systému. Vytvorte bezdrôtovú hviezdicovú sieť ZigBee v interiéri pripojením ku koordinačnému modulu ZigBee v riadiacom centre. Všetky monitorovacie uzly, vybrané na pridanie ovládača domácich spotrebičov ako koncového uzla v sieti, sa pripoja k sieti, aby sa dosiahlo bezdrôtové sieťové ovládanie interiérovej bezpečnosti a domácich spotrebičov cez ZigBee.
2.2 Monitorovacie uzly
Funkcie monitorovacieho uzla sú nasledovné: 1) detekcia signálu ľudského tela, zvukový a svetelný alarm pri vlámaní zlodejmi; 2) ovládanie osvetlenia, režim ovládania je rozdelený na automatické ovládanie a manuálne ovládanie, automatické ovládanie zapína/vypína svetlo automaticky podľa sily vnútorného svetla, manuálne ovládanie osvetlenia sa vykonáva prostredníctvom centrálneho riadiaceho systému, (3) informácie o alarme a ďalšie informácie sa odosielajú do riadiaceho centra a prijímajú sa z riadiaceho centra riadiace príkazy na dokončenie ovládania zariadenia.
Režim detekcie infračerveného žiarenia v kombinácii s mikrovlnami je najbežnejším spôsobom detekcie signálov z ľudského tela. Pyroelektrická infračervená sonda je RE200B a zosilňovacie zariadenie je BISS0001. RE200B je napájaný napätím 3-10 V a má zabudovaný pyroelektrický dvojito citlivý infračervený prvok. Keď prvok prijme infračervené svetlo, na póloch každého prvku dôjde k fotoelektrickému efektu a akumuluje sa náboj. BISS0001 je digitálno-analógový hybridný integrovaný obvod pozostávajúci z operačného zosilňovača, komparátora napätia, stavového regulátora, časovača oneskorenia a časovača blokovania. Spolu s RE200B a niekoľkými komponentmi je možné vytvoriť pasívny pyroelektrický infračervený spínač. Ako mikrovlnný senzor bol použitý modul Ant-g100, stredová frekvencia bola 10 GHz a maximálny čas nastavenia bol 6 μs. V kombinácii s pyroelektrickým infračerveným modulom je možné účinne znížiť chybovosť detekcie cieľa.
Modul riadenia svetla sa skladá hlavne z fotocitlivého rezistora a relé riadenia svetla. Fotocitlivý rezistor sa zapája sériovo s nastaviteľným rezistorom 10 K ω, druhý koniec fotocitlivého rezistora sa pripája k zemi a druhý koniec nastaviteľného rezistora k vysokému vodiču. Hodnota napätia na oboch pripojovacích bodoch rezistora sa získa pomocou analógovo-digitálneho prevodníka SCM, aby sa určilo, či svetlo svieti. Nastaviteľný odpor môže používateľ nastaviť tak, aby zodpovedal intenzite svetla, keď je svetlo práve zapnuté. Spínače vnútorného osvetlenia sú ovládané relé. Je možné dosiahnuť iba jeden vstupno-výstupný port.
2.3 Výber pridaného ovládača domácich spotrebičov
Ovládanie domácich spotrebičov sa pridáva hlavne podľa funkcie zariadenia, ako príklad možno uviesť elektrický ventilátor. Ovládanie ventilátora je riadiacim centrom, pričom pokyny na ovládanie ventilátora z počítača sa odosielajú do ovládača elektrického ventilátora prostredníctvom implementácie siete ZigBee. Identifikačné číslo rôznych spotrebičov sa líši, napríklad podľa ustanovení tejto dohody je identifikačné číslo ventilátora 122 a identifikačné číslo domáceho farebného televízora 123, čím sa dosiahne rozpoznanie rôznych ovládacích centier elektrických domácich spotrebičov. Rôzne domáce spotrebiče vykonávajú rôzne funkcie s rovnakým kódom inštrukcie. Obrázok 4 znázorňuje zloženie vybraných domácich spotrebičov.
3. Návrh systémového softvéru
Návrh systémového softvéru zahŕňa hlavne šesť častí, ktorými sú návrh webovej stránky diaľkového ovládania, návrh centrálneho systému riadenia, návrh programu ATMegal28 pre hlavný ovládač riadiaceho centra, návrh programu koordinátora CC2430, návrh programu monitorovacieho uzla CC2430 a návrh programu pre výber a pridanie zariadenia CC2430.
3.1 Návrh programu ZigBee Coordinator
Koordinátor najprv dokončí inicializáciu aplikačnej vrstvy, nastaví stav aplikačnej vrstvy a stav príjmu na nečinný stav, potom zapne globálne prerušenia a inicializuje I/O port. Koordinátor potom začne budovať bezdrôtovú hviezdicovú sieť. V protokole koordinátor automaticky vyberie pásmo 2,4 GHz, maximálny počet bitov za sekundu je 62 500, predvolený PANID je 0×1347, maximálna hĺbka zásobníka je 5, maximálny počet bajtov na odoslanie je 93 a prenosová rýchlosť sériového portu je 57 600 bit/s. Časovač SL0W generuje 10 prerušení za sekundu. Po úspešnom nadviazaní siete ZigBee koordinátor odošle svoju adresu do MCU riadiaceho centra. Tu MCU riadiaceho centra identifikuje koordinátora ZigBee ako člena monitorovacieho uzla a jeho identifikovaná adresa je 0. Program vstúpi do hlavnej slučky. Najprv sa zistí, či terminálový uzol odosiela nové dáta, ak áno, dáta sa priamo prenesú do MCU riadiaceho centra; Zistite, či MCU riadiaceho centra má odoslané pokyny, ak áno, odošlite pokyny do príslušného terminálového uzla ZigBee; posúďte, či je zabezpečenie otvorené, či je vlámač, ak áno, odošlite informáciu o alarme do MCU riadiaceho centra; posúďte, či je svetlo v automatickom režime riadenia, ak áno, zapnite analógovo-digitálny prevodník na vzorkovanie, hodnota vzorkovania je kľúčom na zapnutie alebo vypnutie svetla, ak sa stav svetla zmení, nová informácia o stave sa prenesie do riadiaceho centra MC-U.
3.2 Programovanie terminálových uzlov ZigBee
Terminálny uzol ZigBee označuje bezdrôtový uzol ZigBee ovládaný koordinátorom ZigBee. V systéme slúži hlavne ako monitorovací uzol a voliteľné ako ovládač domácich spotrebičov. Inicializácia terminálových uzlov ZigBee zahŕňa aj inicializáciu aplikačnej vrstvy, otváranie prerušení a inicializáciu I/O portov. Následne sa pokúšajú pripojiť k sieti ZigBee. Je dôležité poznamenať, že k sieti sa môžu pripojiť iba koncové uzly s nastaveným koordinátorom ZigBee. Ak sa terminálový uzol ZigBee nepodarí pripojiť k sieti, bude sa o pripojenie pokúšať každé dve sekundy, kým sa k sieti úspešne nepripojí. Po úspešnom pripojení k sieti odošle terminálový uzol ZI-Gbee svoje registračné informácie koordinátoru ZigBee, ktorý ich potom prepošle do MCU riadiaceho centra na dokončenie registrácie terminálového uzla ZigBee. Ak je terminálový uzol ZigBee monitorovacím uzlom, môže realizovať ovládanie osvetlenia a bezpečnosti. Program je podobný koordinátoru ZigBee, s tým rozdielom, že monitorovací uzol musí posielať dáta koordinátoru ZigBee a potom koordinátor ZigBee posiela dáta do MCU riadiaceho centra. Ak je terminálový uzol ZigBee ovládač elektrického ventilátora, potrebuje iba prijať dáta z nadradeného počítača bez nahrávania stavu, takže jeho riadenie je možné priamo dokončiť pri prerušení bezdrôtového príjmu dát. Pri prerušení bezdrôtového príjmu dát všetky terminálové uzly prekladajú prijaté riadiace inštrukcie do riadiacich parametrov samotného uzla a nespracovávajú prijaté bezdrôtové inštrukcie v hlavnom programe uzla.
4 Online ladenie
Zvyšujúca sa inštrukcia pre kód inštrukcie pevného zariadenia vydaná centrálnym systémom riadenia sa odosiela do MCU riadiaceho centra cez sériový port počítača a do koordinátora cez dvojlinkové rozhranie a potom koordinátorom do terminálového uzla ZigBee. Keď terminálový uzol prijme dáta, dáta sa opäť odošlú do počítača cez sériový port. Na tomto počítači sa dáta prijaté terminálovým uzlom ZigBee porovnajú s dátami odoslanými riadiacim centrom. Centrálny systém riadenia odosiela 2 inštrukcie každú sekundu. Po 5 hodinách testovania sa testovací softvér zastaví, keď ukáže, že celkový počet prijatých paketov je 36 000 paketov. Výsledky testovania softvéru na testovanie prenosu dát s viacerými protokolmi sú znázornené na obrázku 6. Počet správnych paketov je 36 000, počet nesprávnych paketov je 0 a miera presnosti je 100 %.
Technológia ZigBee sa používa na realizáciu internej siete inteligentnej domácnosti, ktorá má výhody pohodlného diaľkového ovládania, flexibilného pridávania nových zariadení a spoľahlivého ovládania. Technológia RFTD sa používa na realizáciu identifikácie používateľa a zlepšenie bezpečnosti systému. Prostredníctvom prístupu GSM modulu sa realizujú funkcie diaľkového ovládania a alarmu.
Čas uverejnenia: 06.01.2022