วิธีการออกแบบบ้านอัจฉริยะที่ใช้ zigBee

บ้านอัจฉริยะเป็นบ้านที่เป็นแพลตฟอร์ม การใช้เทคโนโลยีการเดินสายแบบรวม เทคโนโลยีการสื่อสารเครือข่าย เทคโนโลยีความปลอดภัย เทคโนโลยีการควบคุมอัตโนมัติ เทคโนโลยีเสียงและวิดีโอเพื่อรวมสิ่งอำนวยความสะดวกที่เกี่ยวข้องกับชีวิตในครัวเรือน กำหนดการเพื่อสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกที่อยู่อาศัยที่มีประสิทธิภาพและระบบการจัดการกิจการครอบครัว ปรับปรุงความปลอดภัยภายในบ้าน ความสะดวกสบาย ความสะดวกสบาย ศิลปะ และตระหนักถึงการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมและสภาพแวดล้อมการประหยัดพลังงาน ตามคำจำกัดความล่าสุดของสมาร์ทโฮม อ้างถึงคุณลักษณะของเทคโนโลยี ZigBee การออกแบบระบบนี้ ที่จำเป็นประกอบด้วยระบบสมาร์ทโฮม (ระบบควบคุมสมาร์ทโฮม (ส่วนกลาง) ระบบควบคุมไฟส่องสว่างในครัวเรือน ระบบรักษาความปลอดภัยภายในบ้าน) บนพื้นฐานของระบบสายไฟในครัวเรือน ระบบเครือข่ายภายในบ้าน ระบบเพลงพื้นหลัง และระบบควบคุมสภาพแวดล้อมของครอบครัว โดยยืนยันว่าดำรงอยู่ในปัญญา ติดตั้งระบบที่จำเป็นทั้งหมดเท่านั้น และระบบครัวเรือนที่ติดตั้งระบบเสริมชนิดใดชนิดหนึ่งขึ้นไปอย่างน้อยก็สามารถเรียกปัญญาอาศัยได้ ดังนั้น ระบบนี้จึงเรียกว่าบ้านอัจฉริยะได้

1. โครงการออกแบบระบบ

ระบบประกอบด้วยอุปกรณ์ควบคุมและอุปกรณ์ควบคุมระยะไกลภายในบ้าน อุปกรณ์ควบคุมในตระกูลส่วนใหญ่ประกอบด้วยคอมพิวเตอร์ที่สามารถเข้าถึงอินเทอร์เน็ต ศูนย์ควบคุม โหนดตรวจสอบ และตัวควบคุมเครื่องใช้ในครัวเรือนที่สามารถเพิ่มได้ อุปกรณ์ควบคุมระยะไกลส่วนใหญ่ประกอบด้วยคอมพิวเตอร์ระยะไกลและโทรศัพท์มือถือ

หน้าที่หลักของระบบคือ 1) หน้าแรกของการเรียกดูเว็บเพจ การจัดการข้อมูลพื้นหลัง; 2) ตระหนักถึงการควบคุมสวิตช์ของเครื่องใช้ในครัวเรือนในร่ม ความปลอดภัย และแสงสว่างผ่านอินเทอร์เน็ตและโทรศัพท์มือถือ 3) ผ่านโมดูล RFID เพื่อระบุตัวตนผู้ใช้ เพื่อให้สวิตช์สถานะความปลอดภัยในร่มสมบูรณ์ ในกรณีที่ถูกโจรกรรมผ่าน SMS แจ้งเตือนไปยังผู้ใช้ 4) ผ่านซอฟต์แวร์ระบบการจัดการการควบคุมส่วนกลางเพื่อให้การควบคุมภายในและการแสดงสถานะของแสงในร่มและเครื่องใช้ในครัวเรือนเสร็จสมบูรณ์ 5) การจัดเก็บข้อมูลส่วนบุคคลและการจัดเก็บสถานะอุปกรณ์ภายในอาคารเสร็จสิ้นโดยใช้ฐานข้อมูล สะดวกสำหรับผู้ใช้ในการสอบถามสถานะอุปกรณ์ภายในอาคารผ่านระบบควบคุมและการจัดการส่วนกลาง

2. การออกแบบฮาร์ดแวร์ระบบ

การออกแบบฮาร์ดแวร์ของระบบประกอบด้วยการออกแบบศูนย์ควบคุม โหนดการตรวจสอบ และการเพิ่มตัวควบคุมเครื่องใช้ในบ้าน (ใช้ตัวควบคุมพัดลมไฟฟ้าเป็นตัวอย่าง)

2.1 ศูนย์ควบคุม

หน้าที่หลักของศูนย์ควบคุมมีดังนี้ 1) ในการสร้างเครือข่าย ZigBee ไร้สาย ให้เพิ่มโหนดการตรวจสอบทั้งหมดเข้ากับเครือข่าย และรับรู้ถึงการรับอุปกรณ์ใหม่ 2) การระบุผู้ใช้ ผู้ใช้ที่บ้านหรือด้านหลังผ่านบัตรผู้ใช้เพื่อให้เกิดสวิตช์รักษาความปลอดภัยในร่ม 3) เมื่อมีหัวขโมยบุกรุกเข้ามาในห้อง ให้ส่งข้อความสั้น ๆ ไปยังผู้ใช้เพื่อแจ้งเตือน ผู้ใช้ยังสามารถควบคุมความปลอดภัยภายในอาคาร แสงสว่าง และเครื่องใช้ในบ้านผ่านการส่งข้อความสั้น ๆ 4) เมื่อระบบทำงานโดยลำพัง LCD จะแสดงสถานะระบบปัจจุบันซึ่งสะดวกสำหรับผู้ใช้ในการดู 5) จัดเก็บสถานะของอุปกรณ์ไฟฟ้าและส่งไปยังพีซีเพื่อรับรู้ระบบออนไลน์

ฮาร์ดแวร์รองรับ Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CA) แรงดันไฟฟ้า 2.0 ~ 3.6V เอื้อต่อการใช้พลังงานต่ำของระบบ ตั้งค่าเครือข่ายดาว ZigBee ไร้สายภายในอาคารโดยเชื่อมต่อกับโมดูลผู้ประสานงาน ZigBee ในศูนย์ควบคุม และโหนดการตรวจสอบทั้งหมด เลือกที่จะเพิ่มตัวควบคุมเครื่องใช้ในบ้านเป็นโหนดเทอร์มินัลในเครือข่ายเพื่อเข้าร่วมเครือข่าย เพื่อให้ตระหนักถึงการควบคุมเครือข่าย ZigBee ไร้สายของการรักษาความปลอดภัยในร่มและเครื่องใช้ภายในบ้าน

2.2 โหนดการตรวจสอบ

ฟังก์ชั่นของโหนดตรวจสอบมีดังนี้ 1) การตรวจจับสัญญาณร่างกายมนุษย์เสียงและสัญญาณไฟเตือนเมื่อโจรบุก; 2) การควบคุมแสงสว่าง โหมดการควบคุมแบ่งออกเป็นการควบคุมอัตโนมัติและการควบคุมด้วยตนเอง การควบคุมอัตโนมัติจะเปิด/ปิดไฟโดยอัตโนมัติตามความแรงของแสงในอาคาร การควบคุมแสงด้วยตนเองควบคุมผ่านระบบควบคุมกลาง (3) ข้อมูลการแจ้งเตือนและข้อมูลอื่นๆ ส่งไปยังศูนย์ควบคุม และรับคำสั่งควบคุมจากศูนย์ควบคุมเพื่อควบคุมอุปกรณ์ให้เสร็จสมบูรณ์

โหมดการตรวจจับอินฟราเรดและไมโครเวฟเป็นวิธีที่พบได้บ่อยที่สุดในการตรวจจับสัญญาณร่างกายมนุษย์ หัววัดอินฟราเรดแบบไพโรอิเล็กทริกคือ RE200B และอุปกรณ์ขยายเสียงคือ BISS0001 RE200B ใช้พลังงานจากแรงดันไฟฟ้า 3-10 V และมีองค์ประกอบอินฟราเรดที่มีความไวสองทางแบบไพโรอิเล็กทริกในตัว เมื่อองค์ประกอบได้รับแสงอินฟราเรด เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคจะเกิดขึ้นที่ขั้วของแต่ละองค์ประกอบและประจุจะสะสม BISS0001 เป็น ASIC ไฮบริดดิจิทัล-อนาล็อกที่ประกอบด้วยเครื่องขยายสัญญาณในการดำเนินการ ตัวเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้า ตัวควบคุมสถานะ ตัวจับเวลาการหน่วงเวลา และตัวจับเวลาการบล็อก เมื่อใช้ร่วมกับ RE200B และส่วนประกอบบางอย่าง ก็จะสามารถสร้างสวิตช์อินฟราเรดแบบไพโรอิเล็กทริกแบบพาสซีฟได้ โมดูล Ant-g100 ใช้สำหรับเซ็นเซอร์ไมโครเวฟ ความถี่กลางคือ 10 GHz และเวลาก่อตั้งสูงสุดคือ 6μs เมื่อใช้ร่วมกับโมดูลอินฟราเรดแบบไพโรอิเล็กทริก อัตราความผิดพลาดในการตรวจจับเป้าหมายจะลดลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โมดูลควบคุมแสงส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวต้านทานแสงและรีเลย์ควบคุมแสง เชื่อมต่อตัวต้านทานไวแสงแบบอนุกรมกับตัวต้านทานแบบปรับได้ที่ 10 K ω จากนั้นเชื่อมต่อปลายอีกด้านหนึ่งของตัวต้านทานไวแสงเข้ากับกราวด์ และเชื่อมต่อปลายอีกด้านหนึ่งของตัวต้านทานแบบปรับได้เข้ากับระดับสูง ค่าแรงดันไฟฟ้าของจุดเชื่อมต่อความต้านทานทั้งสองจุดได้มาจากตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล SCM เพื่อตรวจสอบว่าไฟปัจจุบันเปิดอยู่หรือไม่ ผู้ใช้สามารถปรับความต้านทานแบบปรับได้เพื่อให้ตรงกับความเข้มของแสงเมื่อเพิ่งเปิดไฟ สวิตช์ไฟภายในอาคารถูกควบคุมโดยรีเลย์ สามารถใช้พอร์ตอินพุต/เอาท์พุตได้เพียงพอร์ตเดียวเท่านั้น

2.3 เลือกตัวควบคุมเครื่องใช้ในบ้านที่เพิ่ม

เลือกเพิ่มการควบคุมเครื่องใช้ในครัวเรือนตามฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์เป็นหลักเพื่อให้เกิดการควบคุมอุปกรณ์ เช่น พัดลมไฟฟ้า เป็นตัวอย่าง การควบคุมพัดลมเป็นศูนย์ควบคุมจะเป็นคำแนะนำในการควบคุมพัดลมพีซีที่ส่งไปยังตัวควบคุมพัดลมไฟฟ้าผ่านการใช้งานเครือข่าย ZigBee หมายเลขประจำตัวอุปกรณ์ที่แตกต่างกันจะแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ข้อกำหนดของหมายเลขประจำตัวพัดลมของข้อตกลงนี้คือ 122 หมายเลขประจำตัวทีวีสีในประเทศ คือ 123 จึงตระหนักถึงการรับรู้ของศูนย์ควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านที่แตกต่างกัน สำหรับรหัสคำสั่งเดียวกัน เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านที่แตกต่างกันจะทำหน้าที่ต่างกัน รูปที่ 4 แสดงส่วนประกอบของเครื่องใช้ในครัวเรือนที่เลือกเพิ่ม

3. การออกแบบซอฟต์แวร์ระบบ

การออกแบบซอฟต์แวร์ระบบส่วนใหญ่ประกอบด้วยหกส่วน ได้แก่ การออกแบบหน้าเว็บควบคุมระยะไกล การออกแบบระบบการจัดการการควบคุมกลาง ตัวควบคุมหลักของศูนย์ควบคุม การออกแบบโปรแกรม ATMegal28 การออกแบบโปรแกรมผู้ประสานงาน CC2430 การออกแบบโปรแกรมโหนดตรวจสอบ CC2430 CC2430 เลือกเพิ่มการออกแบบโปรแกรมอุปกรณ์

3.1 การออกแบบโปรแกรม ZigBee Coordinator

ผู้ประสานงานจะดำเนินการเริ่มต้นเลเยอร์แอปพลิเคชันให้เสร็จสิ้น ตั้งค่าสถานะเลเยอร์แอปพลิเคชันและรับสถานะเป็นไม่ได้ใช้งาน จากนั้นจึงเปิดการขัดจังหวะทั่วโลกและเตรียมใช้งานพอร์ต I/O ผู้ประสานงานจะเริ่มสร้างเครือข่ายดาวไร้สาย ในโปรโตคอล ผู้ประสานงานจะเลือกแบนด์ 2.4 GHz โดยอัตโนมัติ จำนวนบิตสูงสุดต่อวินาทีคือ 62 500 PANID เริ่มต้นคือ 0 × 1347 ความลึกของสแต็กสูงสุดคือ 5 จำนวนไบต์สูงสุดต่อการส่งคือ 93 และ อัตรารับส่งข้อมูลพอร์ตอนุกรมคือ 57 600 บิต/วินาที SL0W TIMER สร้างการขัดจังหวะ 10 ครั้งต่อวินาที หลังจากสร้างเครือข่าย ZigBee สำเร็จแล้ว ผู้ประสานงานจะส่งที่อยู่ไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุม ที่นี่ MCU ของศูนย์ควบคุมจะระบุ ZigBee Coordinator เป็นสมาชิกของโหนดการตรวจสอบ และที่อยู่ที่ระบุคือ 0 โปรแกรมจะเข้าสู่ลูปหลัก ขั้นแรก ตรวจสอบว่ามีข้อมูลใหม่ที่ส่งโดยโหนดเทอร์มินัลหรือไม่ หากมี ข้อมูลจะถูกส่งไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุมโดยตรง ตรวจสอบว่า MCU ของศูนย์ควบคุมมีคำสั่งที่ส่งลงมาหรือไม่ หากเป็นเช่นนั้น ให้ส่งคำสั่งลงไปที่โหนดเทอร์มินัล ZigBee ที่เกี่ยวข้อง ตัดสินว่าระบบรักษาความปลอดภัยเปิดอยู่หรือไม่ มีโจรหรือไม่ หากมี ให้ส่งข้อมูลสัญญาณแจ้งเตือนไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุม ตัดสินว่าแสงอยู่ในสถานะควบคุมอัตโนมัติหรือไม่ หากเป็นเช่นนั้น ให้เปิดตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลสำหรับการสุ่มตัวอย่าง ค่าการสุ่มตัวอย่างเป็นกุญแจสำคัญในการเปิดหรือปิดไฟ หากสถานะแสงเปลี่ยนแปลง ข้อมูลสถานะใหม่คือ ส่งไปยังศูนย์ควบคุม MC-U

3.2 การเขียนโปรแกรมโหนดเทอร์มินัล ZigBee

โหนดเทอร์มินัล ZigBee หมายถึงโหนด ZigBee ไร้สายที่ควบคุมโดยผู้ประสานงาน ZigBee ในระบบส่วนใหญ่จะเป็นโหนดตรวจสอบและเพิ่มตัวควบคุมเครื่องใช้ในครัวเรือน การเริ่มต้นโหนดเทอร์มินัล ZigBee ยังรวมถึงการเริ่มต้นเลเยอร์แอปพลิเคชัน การเปิดการขัดจังหวะ และการเริ่มต้นพอร์ต I/O จากนั้นลองเข้าร่วมเครือข่าย ZigBee สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าเฉพาะโหนดปลายที่มีการตั้งค่าผู้ประสานงาน ZigBee เท่านั้นที่ได้รับอนุญาตให้เข้าร่วมเครือข่าย หากโหนดเทอร์มินัล ZigBee ไม่สามารถเข้าร่วมเครือข่ายได้ โหนดจะพยายามอีกครั้งทุก ๆ สองวินาทีจนกว่าจะเข้าร่วมเครือข่ายได้สำเร็จ หลังจากเข้าร่วมเครือข่ายได้สำเร็จ โหนดเทอร์มินัล ZI-Gbee จะส่งข้อมูลการลงทะเบียนไปยังผู้ประสานงาน ZigBee ซึ่งจะส่งต่อไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุมเพื่อทำการลงทะเบียนโหนดเทอร์มินัล ZigBee ให้เสร็จสมบูรณ์ หากโหนดเทอร์มินัล ZigBee เป็นโหนดการตรวจสอบ ก็จะสามารถควบคุมแสงสว่างและความปลอดภัยได้ โปรแกรมนี้คล้ายกับผู้ประสานงาน ZigBee ยกเว้นว่าโหนดการตรวจสอบจำเป็นต้องส่งข้อมูลไปยังผู้ประสานงาน ZigBee จากนั้นผู้ประสานงาน ZigBee จะส่งข้อมูลไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุม หากโหนดเทอร์มินัล ZigBee เป็นตัวควบคุมพัดลมไฟฟ้า จะต้องรับข้อมูลของคอมพิวเตอร์ส่วนบนเท่านั้นโดยไม่ต้องอัปโหลดสถานะ ดังนั้นการควบคุมจะเสร็จสมบูรณ์ได้โดยตรงในกรณีที่การหยุดชะงักของการรับข้อมูลไร้สาย ในการหยุดชะงักของการรับข้อมูลไร้สาย โหนดเทอร์มินัลทั้งหมดจะแปลคำสั่งควบคุมที่ได้รับไปเป็นพารามิเตอร์ควบคุมของโหนดนั้นเอง และไม่ประมวลผลคำสั่งไร้สายที่ได้รับในโปรแกรมหลักของโหนด

4 การดีบักออนไลน์

คำสั่งที่เพิ่มขึ้นสำหรับรหัสคำสั่งของอุปกรณ์คงที่ที่ออกโดยระบบการจัดการการควบคุมกลางจะถูกส่งไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุมผ่านพอร์ตอนุกรมของคอมพิวเตอร์ และผู้ประสานงานผ่านอินเทอร์เฟซสองบรรทัด จากนั้นไปยังเทอร์มินัล ZigBee โหนดโดยผู้ประสานงาน เมื่อโหนดเทอร์มินัลได้รับข้อมูล ข้อมูลจะถูกส่งไปยังพีซีผ่านพอร์ตอนุกรมอีกครั้ง บนพีซีเครื่องนี้ ข้อมูลที่ได้รับจากโหนดเทอร์มินัล ZigBee จะถูกเปรียบเทียบกับข้อมูลที่ส่งโดยศูนย์ควบคุม ระบบการจัดการการควบคุมส่วนกลางส่ง 2 คำสั่งทุก ๆ วินาที หลังจากการทดสอบ 5 ชั่วโมง ซอฟต์แวร์ทดสอบจะหยุดเมื่อแสดงว่าจำนวนแพ็กเก็ตที่ได้รับทั้งหมดคือ 36,000 แพ็กเก็ต ผลการทดสอบซอฟต์แวร์ทดสอบการส่งข้อมูลหลายโปรโตคอลแสดงในรูปที่ 6 จำนวนแพ็กเก็ตที่ถูกต้องคือ 36,000 จำนวนแพ็กเก็ตที่ผิดคือ 0 และอัตราความแม่นยำคือ 100%

เทคโนโลยี ZigBee ใช้เพื่อรับรู้ถึงเครือข่ายภายในของบ้านอัจฉริยะ ซึ่งมีข้อดีคือการควบคุมระยะไกลที่สะดวกสบาย การเพิ่มอุปกรณ์ใหม่อย่างยืดหยุ่น และประสิทธิภาพการควบคุมที่เชื่อถือได้ เทคโนโลยี RFTD ใช้เพื่อระบุตัวตนผู้ใช้และปรับปรุงความปลอดภัยของระบบ ผ่านการเข้าถึงโมดูล GSM ทำให้สามารถใช้งานรีโมทคอนโทรลและสัญญาณเตือนได้