Nhà thông minh là một ngôi nhà như một nền tảng, sử dụng công nghệ dây tích hợp, công nghệ truyền thông mạng, công nghệ bảo mật, công nghệ điều khiển tự động, công nghệ âm thanh và video để tích hợp các tiện ích liên quan đến cuộc sống gia đình, lịch trình 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 lợi, thoải mái, nghệ thuật và thực hiện bảo vệ môi trường và môi trường sống tiết kiệm năng lượng.Dựa trên định nghĩa mới nhất về nhà thông minh, hãy tham khảo các đặc điểm của công nghệ ZigBee, thiết kế của hệ thống này, những điều cần thiết trong hệ thống nhà thông minh (hệ thống điều khiển nhà thông minh (trung tâm), hệ thống điều khiển chiếu sáng hộ gia đình, hệ thống an ninh gia đình), trên cơ sở kết nối hệ thống dây điện trong gia đình, hệ thống mạng gia đình, hệ thống nhạc nền và hệ thống kiểm soát môi trường gia đình.Khẳng định rằng sống trong trí thông minh, chỉ cài đặt hoàn toàn tất cả các hệ thống cần thiết và hệ thống hộ gia đình cài đặt hệ thống tùy chọn loại một trở lên ít nhất có thể gọi trí thông minh sống trong. Vì vậy, hệ thống này có thể được gọi là ngôi nhà thông minh.
1. Sơ đồ thiết kế hệ thống
Hệ thống bao gồm các thiết bị được điều khiển và các thiết bị điều khiển từ xa trong nhà.Trong số 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 các thiết bị gia dụng có thể gắn thêm.Các 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 là: 1) trang đầu duyệt trang web, quản lý thông tin cơ bản;2) Thực hiện điều khiển công tắc các thiết bị gia dụng trong nhà, an ninh và chiếu sáng thông qua Internet và điện thoại di động;3) Thông qua mô-đun RFID để nhận dạng người dùng, để hoàn thành việc chuyển đổi trạng thái bảo mật trong nhà, trong trường hợp trộm cắp thông qua cảnh báo SMS cho người dùng;4) Thông qua phần mềm hệ thống quản lý điều khiển trung tâm để hoàn thành việc điều khiển cục bộ và hiển thị trạng thái của hệ thống chiếu sáng trong nhà và các thiết bị gia dụng;5) Việc lưu trữ thông tin cá nhân và lưu trữ trạng thái thiết bị trong nhà được hoàn thành bằng cách sử dụng cơ sở dữ liệu.Thuận tiện cho người dùng truy vấn 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 bổ sung tùy chọn 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 việc tiếp nhận thiết bị mới;2) nhận dạng người dùng, người dùng ở nhà hoặc quay lại thông qua thẻ người dùng để đạt được công tắc bảo mật trong nhà;3) Khi có trộm đột nhập vào phòng, hãy gửi một tin nhắn ngắn tới người dùng để báo động.Người dùng cũng có thể kiểm soát an ninh trong nhà, ánh sáng và các thiết bị gia dụng thông qua các tin nhắn ngắn;4) Khi hệ thống chạy một mình, màn hình LCD 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 hiện thực hóa hệ thống trực tuyến.
Phần cứng hỗ trợ Phát hiện đa truy cập/Xung đột cảm nhận sóng mang (CSMA/CA).Điện áp hoạt động 2,0 ~ 3,6V có lợi cho việc tiêu thụ điện năng thấp của hệ thống.Thiết lập mạng sao ZigBee 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 hiện thực hóa khả năng kiểm soát mạng ZigBee không dây của an ninh trong nhà và các thiết bị gia dụng.
2.2 Nút giám sát
Các chức năng của nút giám sát như sau: 1) phát hiện tín hiệu cơ thể con người, báo động âm thanh và ánh sáng khi kẻ trộm xâm nhập;2) điều khiển ánh sáng, chế độ điều khiển được chia thành điều khiển tự động và điều khiển bằng tay, điều khiển tự động bật/tắt đèn tự động theo cường độ ánh sáng trong nhà, điều khiển ánh sáng điều khiển bằng tay thông qua hệ thống điều khiển trung tâm, (3) thông tin cảnh báo và các thông tin khác gửi về trung tâm điều khiển, đồng thời nhận lệnh điều khiển từ trung tâm điều khiển để hoàn thiện việc điều khiển thiết bị.
Chế độ phát hiện hồng ngoại cộng với vi sóng là cách phổ biến nhất trong phát hiện tín hiệu cơ thể con 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 được tích hợp bộ phận hồng ngoại nhạy kép nhiệt điện.Khi phần tử nhận được ánh sáng hồng ngoại, hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra ở hai 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 hoạt động, 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 số linh kiện, có thể hình thành 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 giảm đi một cách hiệu quả.
Mô-đun điều khiển ánh sáng chủ yếu bao gồm điện trở cảm quang và rơle điều khiển ánh sáng.Nối điện trở cảm quang nối tiếp với điện trở điều chỉnh 10 K ω, sau đó nối đầu còn lại của điện trở cảm quang với đất, đầu còn lại của điện trở điều chỉnh được nối với mức cao.Giá trị điện áp của hai điểm kết nối điện trở được lấy thông qua bộ chuyển đổi tương tự sang số SCM để xác định xem đèn hiện tại có sáng hay không.Người dùng có thể điều chỉnh điện trở để đáp ứng cường độ ánh sáng khi đèn vừa bật.Công tắc chiếu sáng 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 bổ sung
Chọn thêm điều khiển các thiết bị gia dụng chủ yếu theo chức năng của thiết bị để đạt được điều khiển thiết bị, ở đây là quạt điện làm ví dụ.Điều khiển quạt là trung tâm điều khiển sẽ là các hướng dẫn điều khiển quạt PC được gửi đến bộ điều khiển quạt điện thông qua triển khai mạng ZigBee, số nhận dạng thiết bị khác nhau là khác nhau, ví dụ: quy định của thỏa thuận này số nhận dạng quạt là 122, số nhận dạng TV màu trong nước là 123, do đó nhận ra sự công nhận của trung tâm điều khiển thiết bị điện gia dụng khác nhau.Với cùng một mã lệnh, các thiết bị gia dụng khác nhau thực hiện các chức năng khác nhau.Hình 4 cho thấy thành phần của 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 ATMegal28 của bộ điều khiển chính trung tâm, thiết kế chương trình điều phối CC2430, thiết kế chương trình nút giám sát CC2430, CC2430 chọn thêm thiết kế chương trình thiết bị.
3.1 Thiết kế chương trình Điều phối viên ZigBee
Trước tiên, điều phối viên hoàn tất quá trình khởi tạo lớp ứng dụng, đặt trạng thái lớp ứng dụng và trạng thái nhận thành không hoạt động, sau đó bật các ngắt toàn cục và khởi tạo cổng I/O.Điều phối viên sau đó bắt đầu xây dựng một mạng hình sao không dây.Trong giao thức, điều phối viên 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/s.SL0W TIMER tạo ra 10 ngắt mỗi giây.Sau khi mạng ZigBee được thiết lập thành công, bộ điều phối sẽ 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 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 sẽ được truyền trực tiếp đến MCU của trung tâm điều khiển;Xác định xem MCU của trung tâm điều khiển có hướng dẫn được gửi xuống hay không, nếu có, hãy gửi hướng dẫn xuống nút đầu cuối ZigBee tương ứng;Đánh giá xem an ninh có mở hay không, có trộm hay không, nếu có thì gửi thông tin cảnh báo về MCU của trung tâm điều khiển;Đánh giá xem đèn có ở trạng thái điều khiển tự động hay không, nếu có thì bật bộ chuyển đổi analog sang digital để lấy mẫu, giá trị lấy mẫu là chìa khóa để bật hoặc tắt đèn, nếu trạng thái đèn thay đổi thì thông tin trạng thái mới là truyền về trung tâm điều khiển MC-U.
3.2 Lập trình nút đầu cuối ZigBee
Nút đầu cuối ZigBee đề cập đến nút ZigBee không dây được điều khiển bởi điều phối viên ZigBee.Trong hệ thống, chủ yếu là nút giám sát và bổ sung tùy chọn bộ điều khiển thiết bị gia dụng.Việc khởi tạo các nút đầu cuối ZigBee cũng bao gồm khởi tạo lớp ứng dụng, mở các ngắt và khởi tạo các cổng I/O.Sau đó thử tham gia mạng ZigBee.Điều quan trọng cần lưu ý là chỉ các nút cuối có thiết lập điều phối viên 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 mạng thành công.Sau khi tham gia mạng thành công, nút đầu cuối ZI-Gbee sẽ gửi thông tin đăng ký của nó đến Điều phối viên ZigBee, sau đó chuyển tiếp thông tin đó đến MCU của trung tâm điều khiển để hoàn tất đăng ký nút đầu cuối ZigBee.Nếu nút đầu cuối ZigBee là nút giám sát, nó có thể thực hiện việc kiểm soát ánh sáng và an ninh.Chương trình này tương tự như điều phối viên ZigBee, ngoại trừ nút giám sát cần gửi dữ liệu đến điều phối viên ZigBee và sau đó Điều phối viên 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 của máy tính phía trên mà không cần tải trạng thái lên, do đó việc điều khiển của nó có thể được hoàn thành trực tiếp khi việc nhận dữ liệu không dây bị gián đoạn.Trong trường hợp gián đoạn 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 nhận được trong chương trình chính của nút.
4 Gỡ lỗi trực tuyến
Hướng dẫn ngày càng tăng về 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 dòng, sau đó đến thiết bị đầu cuối ZigBee nút bởi điều phối viên.Khi nút đầu cuối nhận được dữ liệu, dữ liệu sẽ được gửi lại đến PC thông qua cổng nối tiếp.Trên PC này, dữ liệu mà nút đầu cuối ZigBee nhận được sẽ 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 kiểm tra, phần mềm kiểm tra dừng khi hiển thị tổng số gói tin nhận được là 36.000 gói tin.Kết quả kiểm tra phần mềm kiểm tra truyền dữ liệu đa giao thức được thể hiện trên Hình 6. Số gói đúng là 36 000, số gói sai là 0 và tỷ lệ chính xác là 100%.
Công nghệ ZigBee được sử dụng để hiện thực hóa mạng nội bộ của ngôi nhà thông minh, có ưu điểm là điều khiển từ xa thuận tiện, bổ sung linh hoạt các 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 và báo động từ xa sẽ được thực hiện.
Thời gian đăng: Jan-06-2022