چگونه خانه هوشمند مبتنی بر zigBee طراحی کنیم؟

خانه هوشمند خانه ای است به عنوان یک پلت فرم، استفاده از فناوری سیم کشی یکپارچه، فناوری ارتباطات شبکه، فناوری امنیتی، فناوری کنترل خودکار، فناوری صوتی و تصویری برای ادغام امکانات مرتبط با زندگی خانگی، برنامه ریزی برای ساخت تسهیلات مسکونی کارآمد و سیستم مدیریت امور خانواده. بهبود امنیت خانه، راحتی، آسایش، هنر، و درک حفاظت از محیط زیست و صرفه جویی در انرژی محیط زندگی.بر اساس آخرین تعریف خانه هوشمند، با توجه به ویژگی های فناوری ZigBee، طراحی این سیستم، شامل سیستم خانه هوشمند (سیستم کنترل خانه هوشمند (مرکزی)، سیستم کنترل روشنایی خانگی، سیستم های امنیتی خانه) ضروری است. بر اساس سیستم سیم کشی خانگی، سیستم شبکه خانگی، سیستم موسیقی پس زمینه و سیستم کنترل محیط خانواده پیوست.با تاکید بر اینکه در هوش زندگی می کند، تمام سیستم های لازم را فقط به طور کامل نصب می کند و سیستم خانگی که سیستم اختیاری یک نوع و بالاتر را نصب می کند حداقل می تواند هوش را زندگی کند. بنابراین می توان این سیستم را خانه هوشمند نامید.

1. طرح طراحی سیستم

این سیستم از دستگاه های کنترل شده و دستگاه های کنترل از راه دور در خانه تشکیل شده است.در این میان، دستگاه های کنترل شده در خانواده عمدتاً شامل رایانه ای است که می تواند به اینترنت دسترسی داشته باشد، مرکز کنترل، گره مانیتورینگ و کنترل کننده لوازم خانگی قابل افزودن است.دستگاه های کنترل از راه دور عمدتاً از رایانه های راه دور و تلفن های همراه تشکیل شده اند.

توابع اصلی سیستم عبارتند از: 1) صفحه اول مرور صفحات وب، مدیریت اطلاعات پس زمینه.2) تحقق کنترل سوئیچ لوازم خانگی داخلی، امنیت و روشنایی از طریق اینترنت و تلفن همراه.3) از طریق ماژول RFID برای شناسایی کاربر، به منظور تکمیل سوئیچ وضعیت امنیتی داخلی، در صورت سرقت از طریق زنگ پیام کوتاه به کاربر.4) از طریق نرم افزار سیستم مدیریت کنترل مرکزی برای تکمیل کنترل محلی و نمایش وضعیت روشنایی داخلی و لوازم خانگی.5) ذخیره سازی اطلاعات شخصی و ذخیره وضعیت تجهیزات داخلی با استفاده از پایگاه داده تکمیل می شود.برای کاربران راحت است که وضعیت تجهیزات داخلی را از طریق سیستم کنترل مرکزی و مدیریت جویا شوند.

2. طراحی سخت افزار سیستم

طراحی سخت افزاری سیستم شامل طراحی مرکز کنترل، گره مانیتورینگ و اضافه شدن اختیاری کنترل کننده لوازم خانگی است (به عنوان مثال کنترل کننده فن برقی را در نظر بگیرید).

2.1 مرکز کنترل

وظایف اصلی مرکز کنترل به شرح زیر است: 1) برای ایجاد یک شبکه بی سیم ZigBee، اضافه کردن تمام گره های نظارتی به شبکه، و درک دریافت تجهیزات جدید.2) شناسایی کاربر، کاربر در خانه یا پشت از طریق کارت کاربر برای دستیابی به سوئیچ امنیتی داخلی.3) هنگامی که سارق وارد اتاق می شود، یک پیام کوتاه به کاربر ارسال کنید تا هشدار دهد.کاربران همچنین می توانند امنیت داخلی، روشنایی و لوازم خانگی را از طریق پیام های کوتاه کنترل کنند.4) هنگامی که سیستم به تنهایی کار می کند، LCD وضعیت فعلی سیستم را نمایش می دهد که برای کاربران راحت است.5) وضعیت تجهیزات الکتریکی را ذخیره کرده و به رایانه شخصی ارسال کنید تا سیستم به صورت آنلاین انجام شود.

این سخت افزار از تشخیص دسترسی چندگانه/تصادف با حس حامل (CSMA/CA) پشتیبانی می کند.ولتاژ عملیاتی 2.0 ~ 3.6V برای مصرف کم برق سیستم مساعد است.با اتصال به ماژول هماهنگ کننده ZigBee در مرکز کنترل، یک شبکه ستاره بی سیم ZigBee را در داخل خانه راه اندازی کنید.و تمام گره‌های نظارتی، انتخاب شده‌اند تا کنترل‌کننده لوازم خانگی را به عنوان گره پایانه در شبکه اضافه کنند تا به شبکه بپیوندند، تا کنترل شبکه بی‌سیم ZigBee امنیت داخلی و لوازم خانگی را محقق کنند.

2.2 گره های نظارتی

عملکرد گره نظارت به شرح زیر است: 1) تشخیص سیگنال بدن انسان، زنگ صدا و نور هنگام حمله سارقان.2) کنترل روشنایی، حالت کنترل به کنترل خودکار و کنترل دستی تقسیم می شود، کنترل خودکار با توجه به قدرت نور داخلی به طور خودکار روشن / خاموش می شود، کنترل روشنایی کنترل دستی از طریق سیستم کنترل مرکزی است، (3) اطلاعات آلارم و سایر اطلاعات به مرکز کنترل ارسال می شود و دستورات کنترلی را از مرکز کنترل برای تکمیل کنترل تجهیزات دریافت می کند.

حالت تشخیص مادون قرمز به علاوه مایکروویو رایج ترین روش در تشخیص سیگنال بدن انسان است.پروب مادون قرمز پیرو الکتریک RE200B و دستگاه تقویت کننده BISS0001 است.RE200B با ولتاژ 3-10 ولت تغذیه می شود و دارای عنصر مادون قرمز دوحساس پیرو الکتریک داخلی است.هنگامی که عنصر نور مادون قرمز را دریافت می کند، اثر فوتوالکتریک در قطب های هر عنصر رخ می دهد و بار جمع می شود.BISS0001 یک asIC هیبریدی دیجیتال آنالوگ است که از تقویت کننده عملیاتی، مقایسه کننده ولتاژ، کنترل کننده حالت، تایمر زمان تاخیر و تایمر زمان مسدود کردن تشکیل شده است.همراه با RE200B و چند جزء، سوئیچ مادون قرمز پیرو الکتریک غیرفعال را می توان تشکیل داد.ماژول Ant-g100 برای سنسور مایکروویو استفاده شد، فرکانس مرکزی 10 گیگاهرتز و حداکثر زمان استقرار 6μs بود.در ترکیب با ماژول مادون قرمز پیرو الکتریک، میزان خطای تشخیص هدف را می توان 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 K ω وصل کنید، سپس سر دیگر مقاومت حساس به نور را به زمین وصل کنید و سر 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 می آید تا مشخص شود چراغ جریان روشن است یا خیر.مقاومت قابل تنظیم می تواند توسط کاربر تنظیم شود تا با شدت نور در زمانی که چراغ تازه روشن است، برآورده شود.کلیدهای روشنایی داخلی توسط رله کنترل می شوند.فقط یک پورت ورودی/خروجی قابل دستیابی است.

2.3 کنترل کننده لوازم خانگی اضافه شده را انتخاب کنید

برای دستیابی به کنترل دستگاه، در اینجا به عنوان مثال به فن الکتریکی، کنترل لوازم خانگی را عمدتاً با توجه به عملکرد دستگاه اضافه کنید.کنترل فن مرکز کنترل خواهد بود دستورالعمل های کنترل فن PC از طریق اجرای شبکه ZigBee به کنترل کننده فن الکتریکی ارسال می شود، شماره شناسایی لوازم مختلف متفاوت است، به عنوان مثال، مفاد این توافق نامه شماره شناسایی فن 122 است، شماره شناسایی تلویزیون رنگی داخلی 123 است، در نتیجه متوجه شناخت مرکز کنترل لوازم خانگی برقی مختلف است.برای کد دستورالعمل یکسان، لوازم خانگی مختلف عملکردهای متفاوتی را انجام می دهند.شکل 4 ترکیب لوازم خانگی انتخاب شده برای افزودن را نشان می دهد.

3. طراحی نرم افزار سیستم

طراحی نرم افزار سیستم عمدتاً شامل شش بخش است که عبارتند از طراحی صفحه وب کنترل از راه دور، طراحی سیستم مدیریت کنترل مرکزی، طراحی برنامه کنترل کننده اصلی مرکز کنترل ATMegal28، طراحی برنامه هماهنگ کننده CC2430، طراحی برنامه گره نظارتی CC2430، طراحی برنامه افزودن دستگاه انتخاب CC2430.

3.1 طراحی برنامه ZigBee Coordinator

هماهنگ کننده ابتدا مقدار دهی اولیه لایه برنامه را کامل می کند، وضعیت لایه برنامه و حالت دریافت را روی حالت بیکار قرار می دهد، سپس وقفه های جهانی را روشن می کند و پورت I/O را مقداردهی اولیه می کند.سپس هماهنگ کننده شروع به ساخت یک شبکه ستاره بی سیم می کند.در پروتکل، هماهنگ کننده به طور خودکار باند 2.4 گیگاهرتز را انتخاب می کند، حداکثر تعداد بیت در ثانیه 62 500، PANID پیش فرض 0×1347، حداکثر عمق پشته 5، حداکثر تعداد بایت در هر ارسال 93 است، و نرخ باود پورت سریال 57 600 بیت بر ثانیه است.تایمر SL0W در هر ثانیه 10 وقفه ایجاد می کند.پس از ایجاد موفقیت آمیز شبکه ZigBee، هماهنگ کننده آدرس آن را به MCU مرکز کنترل ارسال می کند.در اینجا، مرکز کنترل MCU، ZigBee Coordinator را به عنوان عضوی از گره مانیتورینگ شناسایی می کند و آدرس شناسایی شده آن 0 است. برنامه وارد حلقه اصلی می شود.ابتدا تعیین کنید که آیا داده های جدیدی توسط گره ترمینال ارسال شده است یا خیر، در صورت وجود، داده ها مستقیماً به MCU مرکز کنترل منتقل می شود.تعیین کنید که آیا MCU مرکز کنترل دارای دستورالعمل های ارسال شده است یا خیر، اگر چنین است، دستورالعمل ها را به گره ترمینال ZigBee مربوطه ارسال کنید.قضاوت کنید که آیا امنیت باز است، آیا سارق وجود دارد یا خیر، اگر چنین است، اطلاعات هشدار را به MCU مرکز کنترل ارسال کنید.قضاوت کنید که آیا چراغ در حالت کنترل خودکار است، اگر چنین است، مبدل آنالوگ به دیجیتال را برای نمونه برداری روشن کنید، مقدار نمونه گیری کلید روشن یا خاموش کردن چراغ است، اگر حالت نور تغییر کند، اطلاعات وضعیت جدید است. به مرکز کنترل MC-U منتقل می شود.

3.2 برنامه نویسی گره ترمینال ZigBee

گره پایانه ZigBee به گره ZigBee بی سیم اشاره دارد که توسط هماهنگ کننده ZigBee کنترل می شود.در این سیستم، عمدتاً گره نظارت و افزودن اختیاری کنترل کننده لوازم خانگی است.راه‌اندازی گره‌های ترمینال ZigBee همچنین شامل مقداردهی اولیه لایه برنامه، وقفه‌های باز کردن و مقداردهی اولیه پورت‌های ورودی/خروجی است.سپس سعی کنید به شبکه ZigBee بپیوندید.توجه به این نکته مهم است که فقط گره های انتهایی با تنظیمات هماهنگ کننده ZigBee مجاز به پیوستن به شبکه هستند.اگر گره پایانه ZigBee نتواند به شبکه بپیوندد، هر دو ثانیه یک بار دوباره تلاش می کند تا با موفقیت به شبکه بپیوندد.پس از پیوستن موفقیت آمیز به شبکه، گره ترمینال ZI-Gbee اطلاعات ثبت خود را به هماهنگ کننده ZigBee ارسال می کند، سپس آن را به MCU مرکز کنترل ارسال می کند تا ثبت گره ترمینال ZigBee تکمیل شود.اگر گره پایانه ZigBee یک گره نظارتی باشد، می تواند کنترل روشنایی و امنیت را درک کند.این برنامه شبیه هماهنگ کننده ZigBee است، با این تفاوت که گره مانیتورینگ باید داده ها را به هماهنگ کننده ZigBee ارسال کند و سپس Coordinator ZigBee داده ها را به MCU مرکز کنترل ارسال می کند.اگر گره ترمینال ZigBee یک کنترل کننده فن الکتریکی باشد، فقط باید داده های رایانه بالایی را بدون بارگذاری وضعیت دریافت کند، بنابراین کنترل آن می تواند مستقیماً در قطع دریافت داده های بی سیم تکمیل شود.در قطع دریافت داده های بی سیم، تمام گره های ترمینال دستورالعمل های کنترلی دریافتی را به پارامترهای کنترلی خود گره ترجمه می کنند و دستورالعمل های دریافتی بی سیم را در برنامه اصلی گره پردازش نمی کنند.

4 اشکال زدایی آنلاین

دستورالعمل افزایشی کد دستورالعمل تجهیزات ثابت صادر شده توسط سیستم مدیریت کنترل مرکزی از طریق پورت سریال کامپیوتر به MCU مرکز کنترل و از طریق رابط دو خطی به هماهنگ کننده و سپس به ترمینال ZigBee ارسال می شود. گره توسط هماهنگ کنندههنگامی که گره ترمینال داده ها را دریافت می کند، داده ها دوباره از طریق پورت سریال به رایانه شخصی ارسال می شود.در این کامپیوتر، داده های دریافت شده توسط گره ترمینال ZigBee با داده های ارسال شده توسط مرکز کنترل مقایسه می شود.سیستم مدیریت کنترل مرکزی در هر ثانیه 2 دستورالعمل ارسال می کند.پس از 5 ساعت تست، نرم افزار تست زمانی متوقف می شود که نشان دهد تعداد کل بسته های دریافتی 36000 بسته است.نتایج تست نرم افزار تست انتقال داده چند پروتکلی در شکل 6 نشان داده شده است. تعداد بسته های صحیح 36000 بسته، تعداد بسته های اشتباه 0 و میزان دقت 100% است.

فناوری ZigBee برای تحقق شبکه داخلی خانه هوشمند استفاده می شود که دارای مزایای کنترل از راه دور راحت، افزودن انعطاف پذیر تجهیزات جدید و عملکرد کنترل قابل اعتماد است.فناوری RFTD برای شناسایی کاربر و بهبود امنیت سیستم استفاده می شود.از طریق دسترسی به ماژول GSM، عملکردهای کنترل از راه دور و هشدار تحقق می یابد.