خانه هوشمند، خانه‌ای به عنوان یک پلتفرم است که از فناوری سیم‌کشی یکپارچه، فناوری ارتباطات شبکه، فناوری امنیتی، فناوری کنترل خودکار، فناوری صوتی و تصویری برای یکپارچه‌سازی امکانات مرتبط با زندگی خانگی، برنامه‌ریزی برای ساخت امکانات مسکونی کارآمد و سیستم مدیریت امور خانواده، بهبود امنیت خانه، راحتی، آسایش، هنر و تحقق حفاظت از محیط زیست و صرفه‌جویی در مصرف انرژی در محیط زندگی استفاده می‌کند. بر اساس آخرین تعریف خانه هوشمند، با اشاره به ویژگی‌های فناوری ZigBee، طراحی این سیستم، موارد ضروری شامل یک سیستم خانه هوشمند (سیستم کنترل (مرکزی) خانه هوشمند، سیستم کنترل روشنایی خانه، سیستم‌های امنیتی خانه) و بر اساس اتصال سیستم سیم‌کشی خانه، سیستم شبکه خانگی، سیستم موسیقی پس‌زمینه و سیستم کنترل محیط خانواده است. با تأکید بر اینکه زندگی در هوش است، تمام سیستم‌های لازم فقط به طور کامل نصب می‌شوند و سیستم خانگی که سیستم اختیاری از یک نوع و بالاتر را نصب می‌کند، حداقل می‌تواند زندگی در هوش را نام ببرد. بنابراین، می‌توان این سیستم را خانه هوشمند نامید.
۱. طرح طراحی سیستم
این سیستم از دستگاه‌های کنترل‌شده و دستگاه‌های کنترل از راه دور در خانه تشکیل شده است. در میان آنها، دستگاه‌های کنترل‌شده در خانواده عمدتاً شامل رایانه‌ای است که می‌تواند به اینترنت دسترسی داشته باشد، مرکز کنترل، گره نظارت و کنترل‌کننده لوازم خانگی که می‌توانند اضافه شوند. دستگاه‌های کنترل از راه دور عمدتاً از رایانه‌های از راه دور و تلفن‌های همراه تشکیل شده‌اند.
کارکردهای اصلی سیستم عبارتند از: ۱) مرور صفحه وب در صفحه اول، مدیریت اطلاعات پس‌زمینه؛ ۲) کنترل سوئیچ لوازم خانگی داخلی، امنیتی و روشنایی از طریق اینترنت و تلفن همراه؛ ۳) از طریق ماژول RFID برای تحقق شناسایی کاربر، به منظور تکمیل سوئیچ وضعیت امنیتی داخلی، در صورت سرقت از طریق هشدار پیامکی به کاربر؛ ۴) از طریق نرم‌افزار سیستم مدیریت کنترل مرکزی برای تکمیل کنترل محلی و نمایش وضعیت روشنایی داخلی و لوازم خانگی؛ ۵) ذخیره‌سازی اطلاعات شخصی و ذخیره‌سازی وضعیت تجهیزات داخلی با استفاده از پایگاه داده تکمیل می‌شود. برای کاربران راحت است که از طریق سیستم کنترل و مدیریت مرکزی، وضعیت تجهیزات داخلی را استعلام کنند.
۲. طراحی سخت‌افزار سیستم
طراحی سخت‌افزار سیستم شامل طراحی مرکز کنترل، گره نظارت و اضافه کردن اختیاری کنترلر لوازم خانگی (به عنوان مثال کنترلر پنکه برقی را در نظر بگیرید) می‌شود.
۲.۱ مرکز کنترل
کارکردهای اصلی مرکز کنترل به شرح زیر است: ۱) ایجاد یک شبکه بی‌سیم ZigBee، اضافه کردن تمام گره‌های نظارتی به شبکه و دریافت تجهیزات جدید؛ ۲) شناسایی کاربر، کاربر در خانه یا از طریق کارت کاربر برای دستیابی به سوئیچ امنیتی داخلی؛ ۳) هنگامی که یک سارق وارد اتاق می‌شود، یک پیام کوتاه برای کاربر ارسال می‌کند تا هشدار دهد. کاربران همچنین می‌توانند امنیت داخلی، روشنایی و لوازم خانگی را از طریق پیام کوتاه کنترل کنند. ۴) هنگامی که سیستم به تنهایی کار می‌کند، LCD وضعیت فعلی سیستم را نمایش می‌دهد که مشاهده آن برای کاربران راحت است؛ ۵) ذخیره وضعیت تجهیزات الکتریکی و ارسال آن به رایانه شخصی برای اجرای سیستم آنلاین.
این سخت‌افزار از دسترسی چندگانه/تشخیص برخورد با حسگر حامل (CSMA/CA) پشتیبانی می‌کند. ولتاژ کاری 2.0 تا 3.6 ولت برای مصرف کم برق سیستم مفید است. با اتصال به ماژول هماهنگ‌کننده ZigBee در مرکز کنترل، یک شبکه ستاره‌ای بی‌سیم ZigBee در داخل ساختمان راه‌اندازی کنید. و تمام گره‌های نظارتی، برای اضافه کردن کنترل‌کننده لوازم خانگی به عنوان گره ترمینال در شبکه برای پیوستن به شبکه انتخاب شده‌اند تا کنترل شبکه بی‌سیم ZigBee برای امنیت داخلی و لوازم خانگی محقق شود.
۲.۲ گره‌های نظارتی
وظایف گره نظارت به شرح زیر است: ۱) تشخیص سیگنال بدن انسان، هشدار صوتی و نوری هنگام حمله سارقان؛ ۲) کنترل روشنایی، حالت کنترل به کنترل خودکار و کنترل دستی تقسیم می‌شود، کنترل خودکار روشن/خاموش کردن خودکار چراغ با توجه به قدرت نور داخلی است، کنترل دستی روشنایی از طریق سیستم کنترل مرکزی انجام می‌شود، (۳) اطلاعات هشدار و سایر اطلاعات به مرکز کنترل ارسال می‌شود و دستورات کنترلی را از مرکز کنترل برای تکمیل کنترل تجهیزات دریافت می‌کند.
حالت تشخیص مادون قرمز به همراه مایکروویو رایج‌ترین روش در تشخیص سیگنال بدن انسان است. کاوشگر مادون قرمز پیروالکتریک RE200B و دستگاه تقویت‌کننده BISS0001 است. RE200B با ولتاژ 3-10 ولت تغذیه می‌شود و دارای یک عنصر مادون قرمز حساس به دو پیروالکتریک داخلی است. هنگامی که عنصر نور مادون قرمز را دریافت می‌کند، اثر فوتوالکتریک در قطب‌های هر عنصر رخ می‌دهد و بار جمع می‌شود. BISS0001 یک ASIC هیبریدی دیجیتال-آنالوگ است که از تقویت‌کننده عملیاتی، مقایسه‌کننده ولتاژ، کنترل‌کننده حالت، تایمر زمان تأخیر و تایمر زمان مسدود کردن تشکیل شده است. همراه با RE200B و چند جزء، می‌توان سوئیچ مادون قرمز پیروالکتریک غیرفعال را تشکیل داد. از ماژول Ant-g100 برای حسگر مایکروویو استفاده شد، فرکانس مرکزی 10 گیگاهرتز و حداکثر زمان برقراری 6 میکروثانیه بود. در ترکیب با ماژول مادون قرمز پیروالکتریک، می‌توان میزان خطای تشخیص هدف را به طور موثر کاهش داد.
ماژول کنترل نور عمدتاً از مقاومت حساس به نور و رله کنترل نور تشکیل شده است. مقاومت حساس به نور را به صورت سری با مقاومت قابل تنظیم 10 کیلو اهم متصل کنید، سپس انتهای دیگر مقاومت حساس به نور را به زمین وصل کنید و انتهای دیگر مقاومت قابل تنظیم را به سطح بالا وصل کنید. مقدار ولتاژ دو نقطه اتصال مقاومت از طریق مبدل آنالوگ به دیجیتال SCM به دست می‌آید تا مشخص شود که آیا چراغ فعلی روشن است یا خیر. مقاومت قابل تنظیم می‌تواند توسط کاربر تنظیم شود تا هنگام روشن شدن چراغ، شدت نور را برآورده کند. کلیدهای روشنایی داخلی توسط رله‌ها کنترل می‌شوند. فقط یک پورت ورودی/خروجی قابل دستیابی است.
۲.۳ کنترل‌کننده لوازم خانگی اضافه شده را انتخاب کنید
برای دستیابی به کنترل دستگاه، عمدتاً بر اساس عملکرد دستگاه، کنترل لوازم خانگی را انتخاب کنید، که در اینجا به عنوان مثال به پنکه برقی اشاره می‌کنیم. کنترل پنکه، مرکز کنترلی است که دستورالعمل‌های کنترل پنکه کامپیوتر از طریق پیاده‌سازی شبکه ZigBee به کنترل‌کننده پنکه برقی ارسال می‌شود. شماره شناسایی لوازم خانگی مختلف متفاوت است، به عنوان مثال، مفاد این توافق‌نامه شماره شناسایی پنکه ۱۲۲ و شماره شناسایی تلویزیون رنگی خانگی ۱۲۳ است، بنابراین مرکز کنترل لوازم خانگی برقی مختلف قابل شناسایی است. برای یک کد دستورالعمل یکسان، لوازم خانگی مختلف عملکردهای متفاوتی دارند. شکل ۴ ترکیب لوازم خانگی انتخاب شده برای جمع را نشان می‌دهد.
۳. طراحی نرم‌افزار سیستم
طراحی نرم‌افزار سیستم عمدتاً شامل شش بخش است که عبارتند از طراحی صفحه وب کنترل از راه دور، طراحی سیستم مدیریت کنترل مرکزی، طراحی برنامه کنترلر اصلی مرکز کنترل ATMegal28، طراحی برنامه هماهنگ‌کننده CC2430، طراحی برنامه گره مانیتورینگ CC2430، طراحی برنامه انتخاب و افزودن دستگاه CC2430.
۳.۱ طراحی برنامه هماهنگ‌کننده ZigBee
هماهنگ‌کننده ابتدا مقداردهی اولیه لایه کاربرد را انجام می‌دهد، وضعیت لایه کاربرد و وضعیت دریافت را روی حالت غیرفعال تنظیم می‌کند، سپس وقفه‌های سراسری را فعال کرده و پورت ورودی/خروجی را مقداردهی اولیه می‌کند. سپس هماهنگ‌کننده شروع به ساخت یک شبکه ستاره‌ای بی‌سیم می‌کند. در این پروتکل، هماهنگ‌کننده به طور خودکار باند 2.4 گیگاهرتز را انتخاب می‌کند، حداکثر تعداد بیت در ثانیه 62500، PANID پیش‌فرض 0×1347، حداکثر عمق پشته 5، حداکثر تعداد بایت در هر ارسال 93 و نرخ باود پورت سریال 57600 بیت در ثانیه است. تایمر SL0W در هر ثانیه 10 وقفه تولید می‌کند. پس از برقراری موفقیت‌آمیز شبکه ZigBee، هماهنگ‌کننده آدرس خود را به MCU مرکز کنترل ارسال می‌کند. در اینجا، MCU مرکز کنترل، هماهنگ‌کننده ZigBee را به عنوان عضوی از گره نظارت شناسایی می‌کند و آدرس شناسایی شده آن 0 است. برنامه وارد حلقه اصلی می‌شود. ابتدا، مشخص کنید که آیا داده جدیدی توسط گره ترمینال ارسال شده است یا خیر، در صورت وجود، داده‌ها مستقیماً به MCU مرکز کنترل منتقل می‌شوند؛ مشخص کنید که آیا MCU مرکز کنترل دستورالعمل‌هایی ارسال کرده است یا خیر، در این صورت، دستورالعمل‌ها را به گره ترمینال ZigBee مربوطه ارسال کنید؛ تشخیص دهید که آیا امنیت برقرار است یا خیر، آیا سارقی وجود دارد یا خیر، در این صورت، اطلاعات هشدار را به MCU مرکز کنترل ارسال کنید؛ تشخیص دهید که آیا چراغ در حالت کنترل خودکار است یا خیر، در این صورت، مبدل آنالوگ به دیجیتال را برای نمونه‌برداری روشن کنید، مقدار نمونه‌برداری کلید روشن یا خاموش کردن چراغ است، اگر وضعیت چراغ تغییر کند، اطلاعات وضعیت جدید به مرکز کنترل MC-U منتقل می‌شود.
۳.۲ برنامه‌نویسی گره ترمینال ZigBee
گره ترمینال ZigBee به گره بی‌سیم ZigBee اشاره دارد که توسط هماهنگ‌کننده ZigBee کنترل می‌شود. در سیستم، این گره عمدتاً گره نظارتی و به صورت اختیاری اضافه کردن کنترل‌کننده لوازم خانگی است. مقداردهی اولیه گره‌های ترمینال ZigBee همچنین شامل مقداردهی اولیه لایه کاربرد، باز کردن وقفه‌ها و مقداردهی اولیه پورت‌های ورودی/خروجی است. سپس سعی کنید به شبکه ZigBee بپیوندید. توجه به این نکته مهم است که فقط گره‌های انتهایی با تنظیم هماهنگ‌کننده ZigBee مجاز به پیوستن به شبکه هستند. اگر گره ترمینال ZigBee نتواند به شبکه بپیوندد، هر دو ثانیه دوباره تلاش می‌کند تا با موفقیت به شبکه بپیوندد. پس از پیوستن موفقیت‌آمیز به شبکه، گره ترمینال ZI-Gbee اطلاعات ثبت خود را به هماهنگ‌کننده ZigBee ارسال می‌کند که سپس آن را به MCU مرکز کنترل ارسال می‌کند تا ثبت گره ترمینال ZigBee تکمیل شود. اگر گره ترمینال ZigBee یک گره نظارتی باشد، می‌تواند کنترل روشنایی و امنیت را انجام دهد. این برنامه مشابه هماهنگ‌کننده ZigBee است، با این تفاوت که گره مانیتورینگ باید داده‌ها را به هماهنگ‌کننده ZigBee ارسال کند و سپس هماهنگ‌کننده ZigBee داده‌ها را به MCU مرکز کنترل ارسال می‌کند. اگر گره ترمینال ZigBee یک کنترل‌کننده پنکه برقی باشد، فقط باید داده‌های کامپیوتر بالایی را بدون بارگذاری وضعیت دریافت کند، بنابراین کنترل آن می‌تواند مستقیماً در وقفه دریافت داده‌های بی‌سیم تکمیل شود. در وقفه دریافت داده‌های بی‌سیم، تمام گره‌های ترمینال دستورالعمل‌های کنترلی دریافتی را به پارامترهای کنترلی خود گره ترجمه می‌کنند و دستورالعمل‌های بی‌سیم دریافتی را در برنامه اصلی گره پردازش نمی‌کنند.
۴ اشکال‌زدایی آنلاین
دستورالعمل افزایشی برای کد دستورالعمل تجهیزات ثابت که توسط سیستم مدیریت کنترل مرکزی صادر می‌شود، از طریق پورت سریال کامپیوتر به MCU مرکز کنترل و از طریق رابط دو خطی به هماهنگ‌کننده و سپس توسط هماهنگ‌کننده به گره ترمینال ZigBee ارسال می‌شود. هنگامی که گره ترمینال داده‌ها را دریافت می‌کند، داده‌ها دوباره از طریق پورت سریال به رایانه شخصی ارسال می‌شوند. در این رایانه شخصی، داده‌های دریافتی توسط گره ترمینال ZigBee با داده‌های ارسال شده توسط مرکز کنترل مقایسه می‌شوند. سیستم مدیریت کنترل مرکزی هر ثانیه 2 دستورالعمل ارسال می‌کند. پس از 5 ساعت آزمایش، نرم‌افزار تست زمانی که تعداد کل بسته‌های دریافتی 36000 بسته را نشان می‌دهد، متوقف می‌شود. نتایج آزمایش نرم‌افزار تست انتقال داده چند پروتکلی در شکل 6 نشان داده شده است. تعداد بسته‌های صحیح 36000، تعداد بسته‌های اشتباه 0 و میزان دقت 100٪ است.
از فناوری ZigBee برای تحقق شبکه داخلی خانه هوشمند استفاده می‌شود که مزایای کنترل از راه دور راحت، افزودن انعطاف‌پذیر تجهیزات جدید و عملکرد کنترل قابل اعتماد را دارد. از فناوری RFTD برای تحقق شناسایی کاربر و بهبود امنیت سیستم استفاده می‌شود. از طریق دسترسی به ماژول GSM، عملکردهای کنترل از راه دور و هشدار محقق می‌شوند.
زمان ارسال: ژانویه-06-2022