Nhà thông minh là một ngôi nhà như một nền tảng, sử dụng công nghệ dây dẫn tích hợp, công nghệ truyền thông mạng, công nghệ an ninh, công nghệ điều khiển tự động, công nghệ âm thanh và hình ảnh để tích hợp các tiện nghi liên quan đến cuộc sống gia đình, lên lịch xây dựng các cơ sở dân cư hiệu quả và hệ thống quản lý công việc gia đình, cải thiện an ninh gia đình, tiện nghi, thoải mái, nghệ thuật và hiện thực hóa bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng môi trường sống. Dựa trên định nghĩa mới nhất về nhà thông minh, tham khảo các đặc điểm của công nghệ ZigBee, thiết kế hệ thống này, cần thiết trong bao gồm một hệ thống nhà thông minh (hệ thống điều khiển nhà thông minh (trung tâm), hệ thống điều khiển chiếu sáng gia đình, hệ thống an ninh gia đình), trên cơ sở kết nối hệ thống dây dẫn gia đình, hệ thống mạng gia đình, hệ thống nhạc nền và hệ thống kiểm soát môi trường gia đình. Trên cơ sở khẳng định rằng cuộc sống thông minh, chỉ cài đặt hoàn toàn tất cả các hệ thống cần thiết và hệ thống hộ gia đình đã cài đặt hệ thống tùy chọn loại này trở lên ít nhất có thể gọi là cuộc sống thông minh. Do đó, hệ thống này có thể được gọi là nhà thông minh.
1. Sơ đồ thiết kế hệ thống
Hệ thống bao gồm các thiết bị điều khiển và thiết bị điều khiển từ xa trong nhà. Trong đó, các thiết bị điều khiển trong gia đình chủ yếu bao gồm máy tính có thể truy cập Internet, trung tâm điều khiển, nút giám sát và bộ điều khiển thiết bị gia dụng có thể được thêm vào. Thiết bị điều khiển từ xa chủ yếu bao gồm máy tính từ xa và điện thoại di động.
Các chức năng chính của hệ thống bao gồm: 1) Duyệt trang chủ, quản lý thông tin cơ bản; 2) Điều khiển đóng mở các thiết bị gia dụng, an ninh và chiếu sáng thông qua Internet và điện thoại di động; 3) Nhận dạng người dùng thông qua mô-đun RFID, hoàn tất việc đóng mở trạng thái an ninh trong nhà, báo động qua tin nhắn SMS khi có trộm; 4) Hoàn tất việc điều khiển cục bộ và hiển thị trạng thái của đèn chiếu sáng và thiết bị gia dụng thông qua phần mềm hệ thống quản lý trung tâm; 5) Lưu trữ thông tin cá nhân và trạng thái thiết bị trong nhà bằng cách sử dụng cơ sở dữ liệu. Người dùng có thể dễ dàng tra cứu trạng thái thiết bị trong nhà thông qua hệ thống quản lý và điều khiển trung tâm.
2. Thiết kế phần cứng hệ thống
Thiết kế phần cứng của hệ thống bao gồm thiết kế trung tâm điều khiển, nút giám sát và tùy chọn bổ sung bộ điều khiển thiết bị gia dụng (lấy bộ điều khiển quạt điện làm ví dụ).
2.1 Trung tâm điều khiển
Các chức năng chính của trung tâm điều khiển như sau: 1) Xây dựng mạng ZigBee không dây, thêm tất cả các nút giám sát vào mạng và thực hiện tiếp nhận thiết bị mới; 2) Nhận dạng người dùng, người dùng ở nhà hoặc quay lại thông qua thẻ người dùng để thực hiện chuyển đổi an ninh trong nhà; 3) Khi có trộm đột nhập vào phòng, gửi tin nhắn ngắn đến người dùng để báo động. Người dùng cũng có thể điều khiển an ninh trong nhà, chiếu sáng và các thiết bị gia dụng thông qua tin nhắn ngắn; 4) Khi hệ thống đang hoạt động độc lập, màn hình LCD sẽ hiển thị trạng thái hệ thống hiện tại, thuận tiện cho người dùng xem; 5) Lưu trữ trạng thái của thiết bị điện và gửi đến PC để thực hiện hệ thống trực tuyến.
Phần cứng hỗ trợ đa truy cập cảm biến sóng mang/phát hiện va chạm (CSMA/CA). Điện áp hoạt động 2.0 ~ 3.6V giúp hệ thống tiêu thụ điện năng thấp. Thiết lập mạng không dây ZigBee trong nhà bằng cách kết nối với mô-đun điều phối ZigBee trong trung tâm điều khiển. Tất cả các nút giám sát được chọn để thêm bộ điều khiển thiết bị gia dụng làm nút đầu cuối trong mạng, nhằm hiện thực hóa việc điều khiển an ninh trong nhà và thiết bị gia dụng bằng mạng không dây ZigBee.
2.2 Giám sát các nút
Chức năng của nút giám sát như sau: 1) phát hiện tín hiệu cơ thể con người, báo động bằng âm thanh và ánh sáng khi có kẻ trộm xâm nhập; 2) điều khiển ánh sáng, chế độ điều khiển được chia thành điều khiển tự động và điều khiển thủ công, điều khiển tự động là bật/tắt đèn tự động theo cường độ ánh sáng trong nhà, điều khiển thủ công là điều khiển ánh sáng thông qua hệ thống điều khiển trung tâm, (3) thông tin báo động và thông tin khác được gửi đến trung tâm điều khiển và nhận lệnh điều khiển từ trung tâm điều khiển để hoàn thành việc điều khiển thiết bị.
Chế độ phát hiện hồng ngoại cộng với vi sóng là cách phổ biến nhất trong việc phát hiện tín hiệu cơ thể người. Đầu dò hồng ngoại pyroelectric là RE200B và thiết bị khuếch đại là BISS0001. RE200B được cấp nguồn bằng điện áp 3-10 V và có phần tử hồng ngoại nhạy cảm kép pyroelectric tích hợp. Khi phần tử nhận được ánh sáng hồng ngoại, hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra ở các cực của mỗi phần tử và điện tích sẽ tích tụ. BISS0001 là một ASIC lai kỹ thuật số-tương tự bao gồm bộ khuếch đại thuật toán, bộ so sánh điện áp, bộ điều khiển trạng thái, bộ định thời gian trễ và bộ định thời gian chặn. Cùng với RE200B và một vài thành phần, có thể hình thành công tắc hồng ngoại pyroelectric thụ động. Mô-đun Ant-g100 được sử dụng cho cảm biến vi sóng, tần số trung tâm là 10 GHz và thời gian thiết lập tối đa là 6μs. Kết hợp với mô-đun hồng ngoại pyroelectric, tỷ lệ lỗi phát hiện mục tiêu có thể được giảm hiệu quả.
Mô-đun điều khiển ánh sáng chủ yếu bao gồm điện trở cảm quang và rơle điều khiển ánh sáng. Kết nối điện trở cảm quang nối tiếp với điện trở điều chỉnh 10 Kω, sau đó nối đất đầu còn lại của điện trở cảm quang, và kết nối đầu còn lại của điện trở điều chỉnh với mức cao. Giá trị điện áp của hai điểm kết nối điện trở được lấy thông qua bộ chuyển đổi analog-to-digital SCM để xác định xem đèn có đang bật hay không. Người dùng có thể điều chỉnh điện trở điều chỉnh để đáp ứng cường độ ánh sáng ngay khi đèn vừa bật. Công tắc đèn trong nhà được điều khiển bằng rơle. Chỉ có thể đạt được một cổng vào/ra.
2.3 Chọn Bộ điều khiển thiết bị gia dụng đã thêm
Việc bổ sung chức năng điều khiển thiết bị gia dụng chủ yếu dựa trên chức năng của thiết bị để đạt được mục tiêu điều khiển thiết bị, ví dụ như quạt điện. Điều khiển quạt là trung tâm điều khiển, thông qua việc triển khai mạng ZigBee, các lệnh điều khiển quạt trên máy tính sẽ được gửi đến bộ điều khiển quạt điện. Mã số nhận dạng thiết bị khác nhau sẽ khác nhau, ví dụ, mã số nhận dạng quạt theo quy định của thỏa thuận này là 122, mã số nhận dạng TV màu gia dụng là 123, do đó việc nhận dạng các thiết bị điện gia dụng khác nhau sẽ được thực hiện tại trung tâm điều khiển. Cùng một mã lệnh, các thiết bị gia dụng khác nhau sẽ thực hiện các chức năng khác nhau. Hình 4 thể hiện thành phần của các thiết bị gia dụng được bổ sung.
3. Thiết kế phần mềm hệ thống
Thiết kế phần mềm hệ thống chủ yếu bao gồm sáu phần, đó là thiết kế trang web điều khiển từ xa, thiết kế hệ thống quản lý điều khiển trung tâm, thiết kế chương trình bộ điều khiển chính ATMegal28 của trung tâm điều khiển, thiết kế chương trình điều phối viên CC2430, thiết kế chương trình nút giám sát CC2430, thiết kế chương trình chọn thêm thiết bị CC2430.
3.1 Thiết kế chương trình ZigBee Coordinator
Đầu tiên, bộ điều phối hoàn tất việc khởi tạo lớp ứng dụng, đặt trạng thái lớp ứng dụng và trạng thái nhận thành nhàn rỗi, sau đó bật các ngắt toàn cục và khởi tạo cổng I/O. Sau đó, bộ điều phối bắt đầu xây dựng mạng sao không dây. Trong giao thức, bộ điều phối tự động chọn băng tần 2,4 GHz, số bit tối đa trên giây là 62 500, PANID mặc định là 0 × 1347, độ sâu ngăn xếp tối đa là 5, số byte tối đa trên mỗi lần gửi là 93 và tốc độ truyền cổng nối tiếp là 57 600 bit/giây. SL0W TIMER tạo ra 10 ngắt mỗi giây. Sau khi mạng ZigBee được thiết lập thành công, bộ điều phối gửi địa chỉ của nó đến MCU của trung tâm điều khiển. Tại đây, MCU của trung tâm điều khiển xác định Điều phối viên ZigBee là thành viên của nút giám sát và địa chỉ được xác định của nó là 0. Chương trình vào vòng lặp chính. Đầu tiên, xác định xem có dữ liệu mới được gửi bởi nút đầu cuối hay không, nếu có, dữ liệu được truyền trực tiếp đến MCU của trung tâm điều khiển; Xác định xem MCU của trung tâm điều khiển có gửi lệnh xuống không, nếu có, gửi lệnh xuống nút đầu cuối ZigBee tương ứng; Đánh giá xem an ninh có mở không, có trộm không, nếu có, gửi thông tin báo động đến MCU của trung tâm điều khiển; Đánh giá xem đèn có ở trạng thái điều khiển tự động không, nếu có, bật bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để lấy mẫu, giá trị lấy mẫu là chìa khóa để bật hoặc tắt đèn, nếu trạng thái đèn thay đổi, thông tin trạng thái mới được truyền đến MC-U của trung tâm điều khiển.
3.2 Lập trình nút đầu cuối ZigBee
Nút đầu cuối ZigBee đề cập đến nút ZigBee không dây được điều khiển bởi bộ điều phối ZigBee. Trong hệ thống, nó chủ yếu là nút giám sát và tùy chọn bổ sung bộ điều khiển thiết bị gia dụng. Khởi tạo các nút đầu cuối ZigBee cũng bao gồm khởi tạo lớp ứng dụng, mở ngắt và khởi tạo các cổng I/O. Sau đó, hãy thử tham gia mạng ZigBee. Điều quan trọng cần lưu ý là chỉ những nút cuối được thiết lập bộ điều phối ZigBee mới được phép tham gia mạng. Nếu nút đầu cuối ZigBee không tham gia được mạng, nó sẽ thử lại sau mỗi hai giây cho đến khi tham gia thành công vào mạng. Sau khi tham gia mạng thành công, nút đầu cuối ZI-Gbee gửi thông tin đăng ký của mình đến Bộ điều phối ZigBee, sau đó chuyển tiếp thông tin này đến MCU của trung tâm điều khiển để hoàn tất việc đăng ký nút đầu cuối ZigBee. Nếu nút đầu cuối ZigBee là nút giám sát, nó có thể thực hiện điều khiển chiếu sáng và an ninh. Chương trình này tương tự như bộ điều phối ZigBee, ngoại trừ việc nút giám sát cần gửi dữ liệu đến bộ điều phối ZigBee, sau đó bộ điều phối ZigBee sẽ gửi dữ liệu đến MCU của trung tâm điều khiển. Nếu nút đầu cuối ZigBee là bộ điều khiển quạt điện, nó chỉ cần nhận dữ liệu từ máy tính cấp trên mà không cần tải trạng thái lên, do đó việc điều khiển có thể được hoàn thành trực tiếp khi ngắt nhận dữ liệu không dây. Trong trường hợp ngắt nhận dữ liệu không dây, tất cả các nút đầu cuối sẽ dịch các lệnh điều khiển đã nhận thành các tham số điều khiển của chính nút đó, và không xử lý các lệnh không dây đã nhận trong chương trình chính của nút.
4 Gỡ lỗi trực tuyến
Hướng dẫn tăng dần cho mã lệnh của thiết bị cố định do hệ thống quản lý điều khiển trung tâm phát ra được gửi đến MCU của trung tâm điều khiển thông qua cổng nối tiếp của máy tính và đến bộ điều phối thông qua giao diện hai dòng, sau đó đến nút đầu cuối ZigBee bởi bộ điều phối. Khi nút đầu cuối nhận được dữ liệu, dữ liệu được gửi lại đến PC thông qua cổng nối tiếp. Trên PC này, dữ liệu mà nút đầu cuối ZigBee nhận được được so sánh với dữ liệu do trung tâm điều khiển gửi. Hệ thống quản lý điều khiển trung tâm gửi 2 lệnh mỗi giây. Sau 5 giờ thử nghiệm, phần mềm thử nghiệm dừng lại khi hiển thị tổng số gói tin nhận được là 36.000 gói. Kết quả thử nghiệm của phần mềm thử nghiệm truyền dữ liệu đa giao thức được hiển thị trong Hình 6. Số gói tin đúng là 36.000, số gói tin sai là 0 và tỷ lệ chính xác là 100%.
Công nghệ ZigBee được sử dụng để hiện thực hóa mạng lưới nội bộ của nhà thông minh, với ưu điểm là điều khiển từ xa thuận tiện, linh hoạt bổ sung thiết bị mới và hiệu suất điều khiển đáng tin cậy. Công nghệ RFTD được sử dụng để nhận dạng người dùng và cải thiện bảo mật hệ thống. Thông qua việc truy cập mô-đun GSM, các chức năng điều khiển từ xa và báo động được thực hiện.
Thời gian đăng: 06-01-2022