Nhà thông minh là ngôi nhà được xem 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 video để tích hợp các tiện ích liên quan đến đời sống gia đình, lập kế hoạch xây dựng hệ thống quản lý tiện ích nhà ở và công việc gia đình hiệu quả, nâng cao an ninh, sự tiện lợi, thoải mái, tính thẩm mỹ cho ngôi nhà, đồng thời hiện thực hóa môi trường sống tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. 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 bao gồm một hệ thống nhà thông minh (hệ thống điều khiển trung tâm nhà thông minh, 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 âm nhạc nền và hệ thống điều khiển môi trường gia đình. Khẳng định rằng cuộc sống thông minh được thực hiện khi chỉ cần lắp đặt đầy đủ các hệ thống cần thiết, và hệ thống gia đình được lắp đặt ít nhất một hệ thống tùy chọn trở lên mới có thể được 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 được điều khiển và thiết bị điều khiển từ xa trong nhà. Trong đó, các thiết bị được 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 các 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) Trang chủ duyệt web, quản lý thông tin nền; 2) Điều khiển bật/tắt các thiết bị gia dụng, an ninh và chiếu sáng trong nhà thông qua Internet và điện thoại di động; 3) Sử dụng module RFID để nhận dạng người dùng, hoàn thành việc bật/tắt trạng thái an ninh trong nhà, trong trường hợp trộm cắp sẽ gửi cảnh báo SMS đến người dùng; 4) Sử dụng phần mềm hệ thống quản lý điều khiển trung tâm để điều khiển cục bộ và hiển thị trạng thái của hệ thống chiếu sáng và thiết bị gia dụng trong nhà; 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 truy vấn trạng thái thiết bị trong nhà thông qua hệ thống quản lý 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 (ví dụ như bộ điều khiển quạt điện).
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 việc tiếp nhận thiết bị mới; 2) Nhận dạng người dùng, người dùng ở nhà hoặc về nhà thông qua thẻ người dùng để thực hiện công tắc an ninh trong nhà; 3) Khi kẻ 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 hoạt động độc lập, màn hình LCD hiển thị trạng thái hệ thống hiện tại, thuận tiện cho người dùng theo dõi; 5) Lưu trữ trạng thái của thiết bị điện và gửi đến máy tính để thực hiện việc vận hành hệ thống trực tuyến.
Phần cứng hỗ trợ truy cập đa người dùng cảm biến sóng mang/phát hiện xung đột (CSMA/CA). Điện áp hoạt động từ 2.0 đến 3.6V giúp giảm tiêu thụ điện năng của hệ thống. Thiết lập mạng ZigBee hình sao không dây trong nhà bằng cách kết nối với mô-đun điều phối ZigBee trong trung tâm điều khiển. Và tất cả các nút giám sát, được chọn để thêm bộ điều khiển thiết bị gia dụng làm nút đầu cuối trong mạng để tham gia mạng, nhằm thực hiện điều khiển mạng ZigBee không dây cho an ninh trong nhà và các thiết bị gia dụng.
2.2 Các nút giám sát
Các chức năng của nút giám sát như sau: 1) Phát hiện tín hiệu cơ thể người, báo động bằng âm thanh và ánh sáng khi kẻ trộm đột nhập; 2) Điều khiển chiếu sáng, chế độ điều khiển được chia thành điều khiển tự động và điều khiển thủ công, điều khiển tự động bật/tắt đèn tự động theo cường độ ánh sáng trong nhà, điều khiển thủ công được thực hiện thông qua hệ thống điều khiển trung tâm; (3) Gửi thông tin báo động và các thông tin khác 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 kết hợp vi sóng là phương pháp phổ biến nhất trong phát hiện tín hiệu cơ thể người. Đầu dò hồng ngoại nhiệt điện là RE200B, và thiết bị khuếch đại là BISS0001. RE200B được cấp nguồn bằng điện áp 3-10 V và có tích hợp phần tử hồng ngoại kép nhiệt điện. 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 vi mạch tích hợp (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 trễ và bộ định thời chặn. Cùng với RE200B và một vài linh kiện khác, có thể tạo thành một công tắc hồng ngoại nhiệt điện 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 nhiệt điện, tỷ lệ lỗi phát hiện mục tiêu có thể được giảm thiểu hiệu quả.
Mô-đun điều khiển ánh sáng chủ yếu bao gồm điện trở quang và rơle điều khiển ánh sáng. Nối điện trở quang nối tiếp với điện trở điều chỉnh 10 KΩ, sau đó nối đầu kia của điện trở quang với đất, và nối đầu còn lại của điện trở điều chỉnh với mức cao. Giá trị điện áp tại hai điểm nối điện trở được lấy thông qua bộ chuyển đổi tương tự sang số của vi điều khiển để xác định xem đèn hiện tại có bật hay không. Người dùng có thể điều chỉnh điện trở để đáp ứng cường độ ánh sáng khi đèn vừa được bật. Công tắc đèn trong nhà được điều khiển bằng rơle. Chỉ có thể đạt được một cổng đầu vào/đầu ra.
2.3 Chọn Bộ điều khiển thiết bị gia dụng đã thêm
Việc lựa chọn bổ sung chức năng điều khiển thiết bị gia dụng chủ yếu dựa trên chức năng của thiết bị để thực hiện điều khiển thiết bị, ở đây lấy quạt điện làm ví dụ. Điều khiển quạt được thực hiện bằng cách trung tâm điều khiển gửi các lệnh điều khiển quạt từ máy tính đến bộ điều khiển quạt điện thông qua mạng ZigBee. Số nhận dạng của các thiết bị khác nhau cũng khác nhau, ví dụ, trong thỏa thuận này, số nhận dạng của quạt là 122, số nhận dạng của tivi màu gia dụng là 123, từ đó giúp trung tâm điều khiển nhận diện các thiết bị điện gia dụng khác nhau. Với 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 các thiết bị gia dụng được chọn để 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 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 và thiết kế chương trình chọn thêm thiết bị CC2430.
3.1 Thiết kế chương trình Điều phối viên ZigBee
Bộ điều phối trước tiên hoàn tất quá trình khởi tạo lớp ứng dụng, thiết lập trạng thái lớp ứng dụng và trạng thái nhận về trạng thái rảnh, 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 mỗi giây là 62.500, PANID mặc định là 0×1347, độ sâu ngăn xếp tối đa là 5, số byte tối đa mỗi lần gửi là 93 và tốc độ truyền của cổng nối tiếp là 57.600 bit/giây. Bộ hẹn giờ SL0W 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 Bộ điều phối ZigBee là một thành viên của nút giám sát và địa chỉ được xác định của nó là 0. Chương trình đi 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 nhận được lệnh nào không, nếu có, hãy gửi lệnh đó xuống nút đầu cuối ZigBee tương ứng; Kiểm tra xem hệ thống an ninh có bị mở không, có kẻ trộm không, nếu có, hãy gửi thông tin báo động đến MCU của trung tâm điều khiển; Kiểm tra xem đèn có đang ở chế độ điều khiển tự động không, nếu có, hãy bật bộ chuyển đổi tương tự sang 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 sẽ được truyền đến MCU của trung tâm điều khiển.
3.2 Lập trình thiết bị đầu cuối ZigBee
Thiết bị đầu cuối ZigBee (ZigBee terminal node) là thiết bị không dây được điều khiển bởi bộ điều phối ZigBee. Trong hệ thống, nó chủ yếu là nút giám sát và có thể bổ sung thêm chức năng điều khiển thiết bị gia dụng. Quá trình khởi tạo thiết bị đầu cuối ZigBee bao gồm khởi tạo lớp ứng dụng, mở ngắt và khởi tạo các cổng I/O. Sau đó, thiết bị sẽ cố gắng tham gia mạng ZigBee. Điều quan trọng cần lưu ý là chỉ các thiết bị đầu cuối đã được thiết lập bộ điều phối ZigBee mới được phép tham gia mạng. Nếu thiết bị đầu cuối ZigBee không thể tham gia mạng, nó sẽ thử lại sau mỗi hai giây cho đến khi tham gia mạng thành công. Sau khi tham gia mạng thành công, thiết bị đầu cuối ZigBee sẽ gửi thông tin đăng ký của nó đến bộ điều phối ZigBee, sau đó bộ điều phối sẽ chuyển tiếp thông tin này đến MCU của trung tâm điều khiển để hoàn tất quá trình đăng ký thiết bị đầu cuối ZigBee. Nếu thiết bị đầu cuối ZigBee là nút giám sát, nó có thể thực hiện điều khiển chiếu sáng và an ninh. Chương trình hoạt động tương tự như bộ điều phối ZigBee, ngoại trừ việc nút giám sát cần gửi dữ liệu đến bộ điều phối ZigBee, và sau đó bộ điều phối ZigBee sẽ gửi dữ liệu đến MCU của trung tâm điều khiển. Nếu thiết bị đầu cuối ZigBee là bộ điều khiển quạt điện, nó chỉ cần nhận dữ liệu từ máy tính chủ mà không cần tải lên trạng thái, do đó việc điều khiển có thể được hoàn thành trực tiếp ngay cả khi quá trình nhận dữ liệu không dây bị gián đoạn. Trong trường hợp gián đoạn nhận dữ liệu không dây, tất cả các thiết bị đầu cuối sẽ dịch các lệnh điều khiển nhận được thành các tham số điều khiển của chính thiết bị đó, và không xử lý các lệnh không dây nhận được trong chương trình chính của thiết bị.
4. Gỡ lỗi trực tuyến
Lệnh điều khiển tăng dần cho mã lệnh của thiết bị cố định do hệ thống quản lý điều khiển trung tâm ban hành 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 đường dây, sau đó đến nút đầu cuối ZigBee thông qua 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 nhận được từ nút đầu cuối ZigBee được so sánh với dữ liệu do trung tâm điều khiển gửi đi. 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 tin. Kết quả thử nghiệm của phần mềm kiểm tra truyền dữ liệu đa giao thức được thể hiện trong Hình 6. Số lượng gói tin chính xác là 36.000, số lượng gói tin sai là 0, và tỷ lệ chính xác là 100%.
Công nghệ ZigBee được sử dụng để hiện thực hóa việc kết nối mạng nội bộ của ngôi nhà thông minh, mang lại ưu điểm là điều khiển từ xa tiện lợi, khả năng bổ sung thiết bị mới linh hoạt và hiệu suất điều khiển đáng tin cậy. Công nghệ RFTD được sử dụng để nhận dạng người dùng và nâng cao bảo mật hệ thống. Thông qua kết nối module GSM, các chức năng điều khiển từ xa và báo động được thực hiện.
Thời gian đăng bài: 06/01/2022