บ้านอัจฉริยะคือบ้านที่เป็นแพลตฟอร์ม โดยใช้เทคโนโลยีการเดินสายไฟแบบบูรณาการ เทคโนโลยีการสื่อสารเครือข่าย เทคโนโลยีความปลอดภัย เทคโนโลยีการควบคุมอัตโนมัติ เทคโนโลยีเสียงและวิดีโอ เพื่อบูรณาการสิ่งอำนวยความสะดวกที่เกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันภายในบ้าน วางแผนการสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกที่อยู่อาศัยและระบบการจัดการกิจการครอบครัวที่มีประสิทธิภาพ ปรับปรุงความปลอดภัย ความสะดวกสบาย ความผ่อนคลาย ความสวยงาม และสร้างสภาพแวดล้อมการอยู่อาศัยที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและประหยัดพลังงาน โดยอิงตามคำจำกัดความล่าสุดของบ้านอัจฉริยะ โดยอ้างอิงถึงลักษณะเฉพาะของเทคโนโลยี ZigBee การออกแบบระบบนี้จำเป็นต้องมีระบบบ้านอัจฉริยะ (ระบบควบคุมบ้านอัจฉริยะส่วนกลาง ระบบควบคุมแสงสว่างภายในบ้าน ระบบรักษาความปลอดภัยภายในบ้าน) บนพื้นฐานของการเชื่อมต่อระบบการเดินสายไฟภายในบ้าน ระบบเครือข่ายภายในบ้าน ระบบเสียงเพลงประกอบ และระบบควบคุมสภาพแวดล้อมภายในบ้าน โดยยึดหลักการที่ว่าการอยู่อาศัยอย่างชาญฉลาดนั้น จำเป็นต้องติดตั้งระบบที่จำเป็นทั้งหมดอย่างครบถ้วน และระบบภายในบ้านที่ติดตั้งระบบเสริมอย่างน้อยหนึ่งระบบขึ้นไปจึงจะเรียกว่าเป็นการอยู่อาศัยอย่างชาญฉลาดได้ ดังนั้น ระบบนี้จึงสามารถเรียกว่าบ้านอัจฉริยะได้
1. แผนผังการออกแบบระบบ
ระบบนี้ประกอบด้วยอุปกรณ์ควบคุมและอุปกรณ์ควบคุมระยะไกลภายในบ้าน โดยอุปกรณ์ควบคุมภายในบ้านส่วนใหญ่ได้แก่ คอมพิวเตอร์ที่สามารถเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตได้ ศูนย์ควบคุม โหนดตรวจสอบ และตัวควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือน ส่วนอุปกรณ์ควบคุมระยะไกลส่วนใหญ่ได้แก่ คอมพิวเตอร์และโทรศัพท์มือถือ
หน้าที่หลักของระบบมีดังนี้: 1) หน้าแรกสำหรับการเรียกดูเว็บเพจและการจัดการข้อมูลเบื้องหลัง; 2) ควบคุมการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน ระบบรักษาความปลอดภัย และแสงสว่างผ่านทางอินเทอร์เน็ตและโทรศัพท์มือถือ; 3) ใช้โมดูล RFID ในการระบุตัวตนผู้ใช้ เพื่อตรวจสอบสถานะการรักษาความปลอดภัยภายในบ้าน และแจ้งเตือนผู้ใช้ผ่านทาง SMS ในกรณีที่มีการโจรกรรม; 4) ควบคุมและแสดงสถานะของแสงสว่างและเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านผ่านซอฟต์แวร์ระบบควบคุมส่วนกลาง; 5) จัดเก็บข้อมูลส่วนบุคคลและสถานะของอุปกรณ์ภายในบ้านโดยใช้ฐานข้อมูล ทำให้ผู้ใช้สามารถตรวจสอบสถานะของอุปกรณ์ภายในบ้านได้อย่างสะดวกผ่านระบบควบคุมส่วนกลาง
2. การออกแบบฮาร์ดแวร์ระบบ
การออกแบบฮาร์ดแวร์ของระบบประกอบด้วยการออกแบบศูนย์ควบคุม โหนดตรวจสอบ และการเพิ่มเติมตัวควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้าน (เช่น ตัวควบคุมพัดลมไฟฟ้า)
2.1 ศูนย์ควบคุม
หน้าที่หลักของศูนย์ควบคุมมีดังนี้: 1) สร้างเครือข่ายไร้สาย ZigBee เพิ่มโหนดตรวจสอบทั้งหมดเข้าสู่เครือข่าย และรับสัญญาณอุปกรณ์ใหม่ 2) การระบุตัวตนผู้ใช้ ผู้ใช้ที่บ้านหรือกลับมาสามารถใช้บัตรผู้ใช้เพื่อควบคุมระบบรักษาความปลอดภัยภายในบ้านได้ 3) เมื่อมีผู้บุกรุกเข้ามาในห้อง ระบบจะส่งข้อความสั้นไปยังผู้ใช้เพื่อแจ้งเตือน ผู้ใช้ยังสามารถควบคุมระบบรักษาความปลอดภัยภายในบ้าน แสงสว่าง และเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านผ่านข้อความสั้นได้ 4) เมื่อระบบทำงานเพียงลำพัง หน้าจอ LCD จะแสดงสถานะระบบปัจจุบัน ซึ่งสะดวกต่อการใช้งานของผู้ใช้ 5) บันทึกสถานะของอุปกรณ์ไฟฟ้าและส่งไปยังพีซีเพื่อให้ระบบออนไลน์ได้
ฮาร์ดแวร์รองรับการเข้าถึงแบบหลายผู้ใช้โดยตรวจจับสัญญาณพาหะ/การตรวจจับการชนกัน (CSMA/CA) แรงดันไฟฟ้าในการทำงาน 2.0 ~ 3.6V ช่วยให้ระบบใช้พลังงานต่ำ ตั้งค่าเครือข่าย ZigBee แบบไร้สายแบบดาวภายในอาคารโดยเชื่อมต่อกับโมดูลตัวประสานงาน ZigBee ในศูนย์ควบคุม และเลือกเพิ่มตัวควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านเป็นโหนดปลายทางในเครือข่าย เพื่อให้สามารถควบคุมระบบรักษาความปลอดภัยภายในบ้านและเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านผ่านเครือข่าย ZigBee แบบไร้สายได้
2.2 โหนดตรวจสอบ
หน้าที่ของโหนดตรวจสอบมีดังนี้: 1) การตรวจจับสัญญาณจากร่างกายมนุษย์ การส่งสัญญาณเตือนด้วยเสียงและแสงเมื่อมีผู้บุกรุก 2) การควบคุมแสงสว่าง โดยโหมดการควบคุมแบ่งออกเป็น การควบคุมอัตโนมัติและการควบคุมด้วยตนเอง การควบคุมอัตโนมัติจะเปิด/ปิดไฟโดยอัตโนมัติตามความสว่างของแสงภายในอาคาร ส่วนการควบคุมด้วยตนเองจะควบคุมผ่านระบบควบคุมส่วนกลาง 3) การส่งข้อมูลสัญญาณเตือนและข้อมูลอื่นๆ ไปยังศูนย์ควบคุม และรับคำสั่งควบคุมจากศูนย์ควบคุมเพื่อทำการควบคุมอุปกรณ์
โหมดการตรวจจับอินฟราเรดและไมโครเวฟเป็นวิธีที่พบได้บ่อยที่สุดในการตรวจจับสัญญาณจากร่างกายมนุษย์ หัววัดอินฟราเรดแบบไพโรอิเล็กทริกคือ RE200B และอุปกรณ์ขยายสัญญาณคือ BISS0001 RE200B ใช้ไฟเลี้ยง 3-10 V และมีองค์ประกอบอินฟราเรดแบบไพโรอิเล็กทริกที่ไวต่อแสงสองชนิดอยู่ภายใน เมื่อองค์ประกอบได้รับแสงอินฟราเรด จะเกิดปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกที่ขั้วของแต่ละองค์ประกอบและประจุจะสะสม BISS0001 เป็น ASIC แบบไฮบริดดิจิทัล-อนาล็อก ประกอบด้วยตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ ตัวเปรียบเทียบแรงดัน ตัวควบคุมสถานะ ตัวจับเวลาหน่วงเวลา และตัวจับเวลาบล็อก เมื่อรวมกับ RE200B และส่วนประกอบอีกเล็กน้อย จะสามารถสร้างสวิตช์อินฟราเรดแบบไพโรอิเล็กทริกแบบพาสซีฟได้ โมดูล Ant-g100 ถูกใช้สำหรับเซ็นเซอร์ไมโครเวฟ ความถี่ศูนย์กลางคือ 10 GHz และเวลาสร้างสัญญาณสูงสุดคือ 6 μs เมื่อรวมกับโมดูลอินฟราเรดแบบไพโรอิเล็กทริก อัตราความผิดพลาดในการตรวจจับเป้าหมายสามารถลดลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
โมดูลควบคุมแสงประกอบด้วยตัวต้านทานไวแสงและรีเลย์ควบคุมแสงเป็นหลัก ต่อตัวต้านทานไวแสงแบบอนุกรมกับตัวต้านทานปรับค่าได้ขนาด 10 KΩ จากนั้นต่อปลายอีกด้านของตัวต้านทานไวแสงเข้ากับกราวด์ และต่อปลายอีกด้านของตัวต้านทานปรับค่าได้เข้ากับขั้วสูง ค่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดต่อตัวต้านทานทั้งสองจะถูกส่งผ่านตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล SCM เพื่อตรวจสอบว่าไฟดวงใดเปิดอยู่ ผู้ใช้สามารถปรับตัวต้านทานปรับค่าได้เพื่อให้ได้ความสว่างที่ต้องการเมื่อเปิดไฟ สวิตช์ไฟภายในอาคารถูกควบคุมด้วยรีเลย์ โดยมีพอร์ตอินพุต/เอาต์พุตเพียงพอร์ตเดียว
2.3 เลือกตัวควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านที่เพิ่มเข้ามา
การเลือกเพิ่มระบบควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนนั้น ส่วนใหญ่จะพิจารณาจากฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์ เพื่อให้สามารถควบคุมอุปกรณ์ได้ ในที่นี้จะยกตัวอย่างพัดลมไฟฟ้า การควบคุมพัดลมนั้น ศูนย์ควบคุมจะส่งคำสั่งควบคุมพัดลมจากคอมพิวเตอร์ไปยังตัวควบคุมพัดลมผ่านเครือข่าย ZigBee โดยหมายเลขประจำตัวของอุปกรณ์แต่ละชนิดจะแตกต่างกัน เช่น หมายเลขประจำตัวของพัดลมตามข้อตกลงนี้คือ 122 ส่วนหมายเลขประจำตัวของทีวีสีในบ้านคือ 123 จึงทำให้สามารถรับรู้ถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนที่แตกต่างกันได้จากศูนย์ควบคุม แม้จะใช้รหัสคำสั่งเดียวกัน แต่เครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละชนิดก็สามารถทำงานที่แตกต่างกันได้ ภาพที่ 4 แสดงองค์ประกอบของเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนที่เลือกมาเพิ่มระบบควบคุม
3. การออกแบบซอฟต์แวร์ระบบ
การออกแบบซอฟต์แวร์ระบบส่วนใหญ่ประกอบด้วยหกส่วน ได้แก่ การออกแบบเว็บเพจควบคุมระยะไกล การออกแบบระบบการจัดการควบคุมส่วนกลาง การออกแบบโปรแกรมตัวควบคุมหลักศูนย์ควบคุม ATMegal28 การออกแบบโปรแกรมตัวประสานงาน CC2430 การออกแบบโปรแกรมโหนดตรวจสอบ CC2430 และการออกแบบโปรแกรมเลือกเพิ่มอุปกรณ์ CC2430
3.1 การออกแบบโปรแกรม ZigBee Coordinator
ขั้นแรก ตัวประสานงานจะทำการเริ่มต้นเลเยอร์แอปพลิเคชันให้เสร็จสมบูรณ์ ตั้งค่าสถานะเลเยอร์แอปพลิเคชันและสถานะการรับเป็นสถานะว่าง จากนั้นเปิดใช้งานการขัดจังหวะทั่วโลกและเริ่มต้นพอร์ต I/O ตัวประสานงานจะเริ่มสร้างเครือข่ายดาวไร้สาย ในโปรโตคอล ตัวประสานงานจะเลือกย่านความถี่ 2.4 GHz โดยอัตโนมัติ จำนวนบิตสูงสุดต่อวินาทีคือ 62,500 PANID เริ่มต้นคือ 0×1347 ความลึกของสแต็กสูงสุดคือ 5 จำนวนไบต์สูงสุดต่อการส่งคือ 93 และอัตราการส่งข้อมูลของพอร์ตอนุกรมคือ 57,600 บิต/วินาที ตัวจับเวลา SL0W จะสร้างการขัดจังหวะ 10 ครั้งต่อวินาที หลังจากสร้างเครือข่าย ZigBee สำเร็จแล้ว ตัวประสานงานจะส่งที่อยู่ของตนไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุม ในที่นี้ MCU ของศูนย์ควบคุมจะระบุตัวประสานงาน ZigBee ว่าเป็นสมาชิกของโหนดการตรวจสอบ และที่อยู่ที่ระบุคือ 0 โปรแกรมจะเข้าสู่ลูปหลัก ขั้นแรก ตรวจสอบว่ามีข้อมูลใหม่ส่งมาจากโหนดปลายทางหรือไม่ หากมี ข้อมูลนั้นจะถูกส่งต่อไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุมโดยตรง ตรวจสอบว่า MCU ของศูนย์ควบคุมได้รับคำสั่งใด ๆ หรือไม่ หากมี ให้ส่งคำสั่งนั้นไปยังโหนดปลายทาง ZigBee ที่เกี่ยวข้อง ตรวจสอบว่าระบบรักษาความปลอดภัยเปิดอยู่หรือไม่ มีผู้บุกรุกหรือไม่ หากมี ให้ส่งข้อมูลเตือนภัยไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุม ตรวจสอบว่าไฟอยู่ในสถานะควบคุมอัตโนมัติหรือไม่ หากใช่ ให้เปิดตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลเพื่อสุ่มตัวอย่าง ค่าที่สุ่มได้จะเป็นตัวกำหนดว่าไฟจะเปิดหรือปิดเมื่อใด หากสถานะของไฟเปลี่ยนแปลง ข้อมูลสถานะใหม่จะถูกส่งไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุม
3.2 การเขียนโปรแกรมโหนดเทอร์มินัล ZigBee
โหนดปลายทาง ZigBee หมายถึงโหนด ZigBee ไร้สายที่ควบคุมโดยตัวประสานงาน ZigBee ในระบบ โหนดนี้ส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นโหนดตรวจสอบ และอาจเพิ่มเข้ามาเป็นตัวควบคุมเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนได้ การเริ่มต้นใช้งานโหนดปลายทาง ZigBee ยังรวมถึงการเริ่มต้นใช้งานเลเยอร์แอปพลิเคชัน การเปิดการขัดจังหวะ และการเริ่มต้นใช้งานพอร์ต I/O จากนั้นจึงพยายามเข้าร่วมเครือข่าย ZigBee สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าเฉพาะโหนดปลายทางที่มีการตั้งค่าตัวประสานงาน ZigBee เท่านั้นที่จะได้รับอนุญาตให้เข้าร่วมเครือข่าย หากโหนดปลายทาง ZigBee ไม่สามารถเข้าร่วมเครือข่ายได้ มันจะลองใหม่อีกครั้งทุกๆ สองวินาทีจนกว่าจะเข้าร่วมเครือข่ายได้สำเร็จ หลังจากเข้าร่วมเครือข่ายสำเร็จแล้ว โหนดปลายทาง ZigBee จะส่งข้อมูลการลงทะเบียนไปยังตัวประสานงาน ZigBee ซึ่งจะส่งต่อไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุมเพื่อทำการลงทะเบียนโหนดปลายทาง ZigBee ให้เสร็จสมบูรณ์ หากโหนดปลายทาง ZigBee เป็นโหนดตรวจสอบ มันสามารถควบคุมแสงสว่างและระบบรักษาความปลอดภัยได้ โปรแกรมนี้คล้ายกับตัวควบคุม ZigBee แต่แตกต่างตรงที่โหนดตรวจสอบต้องส่งข้อมูลไปยังตัวควบคุม ZigBee จากนั้นตัวควบคุม ZigBee จะส่งข้อมูลไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุม หากโหนดปลายทาง ZigBee เป็นตัวควบคุมพัดลมไฟฟ้า ก็เพียงแค่รับข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ส่วนบนโดยไม่ต้องอัปโหลดสถานะ ดังนั้นการควบคุมจึงสามารถทำได้โดยตรงในระหว่างการขัดจังหวะการรับข้อมูลไร้สาย ในกรณีที่การรับข้อมูลไร้สายถูกขัดจังหวะ โหนดปลายทางทั้งหมดจะแปลงคำสั่งควบคุมที่ได้รับเป็นพารามิเตอร์ควบคุมของโหนดนั้นเอง และจะไม่ประมวลผลคำสั่งไร้สายที่ได้รับในโปรแกรมหลักของโหนด
4 การดีบักออนไลน์
คำสั่งที่เพิ่มขึ้นสำหรับรหัสคำสั่งของอุปกรณ์คงที่ที่ออกโดยระบบการจัดการควบคุมส่วนกลางจะถูกส่งไปยัง MCU ของศูนย์ควบคุมผ่านพอร์ตอนุกรมของคอมพิวเตอร์ และไปยังตัวประสานงานผ่านอินเทอร์เฟซสองสาย จากนั้นไปยังโหนดปลายทาง ZigBee โดยตัวประสานงาน เมื่อโหนดปลายทางได้รับข้อมูล ข้อมูลจะถูกส่งไปยังพีซีผ่านพอร์ตอนุกรมอีกครั้ง บนพีซีนี้ ข้อมูลที่ได้รับจากโหนดปลายทาง ZigBee จะถูกเปรียบเทียบกับข้อมูลที่ส่งมาจากศูนย์ควบคุม ระบบการจัดการควบคุมส่วนกลางจะส่งคำสั่ง 2 คำสั่งทุก ๆ วินาที หลังจากทดสอบเป็นเวลา 5 ชั่วโมง ซอฟต์แวร์ทดสอบจะหยุดเมื่อแสดงว่าจำนวนแพ็กเก็ตที่ได้รับทั้งหมดคือ 36,000 แพ็กเก็ต ผลการทดสอบของซอฟต์แวร์ทดสอบการส่งข้อมูลหลายโปรโตคอลแสดงในรูปที่ 6 จำนวนแพ็กเก็ตที่ถูกต้องคือ 36,000 จำนวนแพ็กเก็ตที่ผิดคือ 0 และอัตราความถูกต้องคือ 100%
เทคโนโลยี ZigBee ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างเครือข่ายภายในของบ้านอัจฉริยะ ซึ่งมีข้อดีคือ การควบคุมระยะไกลที่สะดวก การเพิ่มอุปกรณ์ใหม่ได้อย่างยืดหยุ่น และประสิทธิภาพการควบคุมที่เชื่อถือได้ ส่วนเทคโนโลยี RFTD ถูกนำมาใช้เพื่อระบุตัวตนผู้ใช้และเพิ่มความปลอดภัยของระบบ และด้วยการเชื่อมต่อผ่านโมดูล GSM ทำให้สามารถควบคุมระยะไกลและตั้งสัญญาณเตือนภัยได้
วันที่โพสต์: 6 มกราคม 2022