Een slim huis is een woning als platform, waarbij gebruik wordt gemaakt van geïntegreerde bekabelingstechnologie, netwerkcommunicatietechnologie, beveiligingstechnologie, automatische besturingstechnologie en audio- en videotechnologie om alle aspecten van het huishouden te integreren. Het doel is om efficiënte woonvoorzieningen en een efficiënt beheersysteem voor gezinszaken te creëren, de veiligheid, het gemak, het comfort en de esthetiek van het huis te verbeteren en een milieuvriendelijke en energiebesparende leefomgeving te realiseren. Gebaseerd op de nieuwste definitie van een slim huis, en rekening houdend met de kenmerken van de ZigBee-technologie, omvat het ontwerp van dit systeem een slim huissysteem (een centraal besturingssysteem voor het slimme huis, een systeem voor de verlichting in huis en een beveiligingssysteem) dat is gekoppeld aan het bekabelingssysteem, het thuisnetwerk, een achtergrondmuzieksysteem en een systeem voor de besturing van de woonomgeving. Een slim huis is pas intelligent als alle benodigde systemen volledig zijn geïnstalleerd. Een huis dat minimaal één of meer optionele systemen bevat, kan als intelligent worden beschouwd. Daarom kan dit systeem een intelligent huis worden genoemd.
1. Systeemontwerpschema
Het systeem bestaat uit apparaten die in huis worden aangestuurd en apparaten die op afstand worden bediend. Tot de aangestuurde apparaten in huis behoren hoofdzakelijk de computer met internetverbinding, de centrale bedieningseenheid, de bewakingsmodule en de controller van huishoudelijke apparaten die kunnen worden toegevoegd. Apparaten voor bediening op afstand bestaan hoofdzakelijk uit computers en mobiele telefoons.
De belangrijkste functies van het systeem zijn: 1) het weergeven van de startpagina van de webpagina en het beheren van achtergrondinformatie; 2) het bedienen van huishoudelijke apparaten, beveiliging en verlichting via internet en mobiele telefoon; 3) het identificeren van gebruikers via een RFID-module om de beveiligingsstatus binnenshuis te kunnen wijzigen en de gebruiker via sms te waarschuwen bij diefstal; 4) het lokaal bedienen en weergeven van de status van verlichting en huishoudelijke apparaten via de centrale beheersoftware; 5) het opslaan van persoonlijke gegevens en de status van apparatuur binnenshuis via een database. Gebruikers kunnen de status van apparatuur binnenshuis eenvoudig opvragen via het centrale beheersysteem.
2. Systeemhardwareontwerp
Het hardwareontwerp van het systeem omvat het ontwerp van het controlecentrum, de monitoringsmodule en de optionele toevoeging van een controller voor huishoudelijke apparaten (neem bijvoorbeeld een controller voor een elektrische ventilator).
2.1 Het controlecentrum
De belangrijkste functies van het controlecentrum zijn als volgt: 1) Het opzetten van een draadloos ZigBee-netwerk, het toevoegen van alle bewakingsnodes aan het netwerk en het ontvangen van nieuwe apparatuur; 2) Gebruikersidentificatie: de gebruiker kan via de gebruikerspas de binnenbeveiliging in- en uitschakelen, zowel thuis als op afstand; 3) Bij inbraak wordt een sms-bericht naar de gebruiker gestuurd om alarm te slaan. Gebruikers kunnen via sms-berichten ook de binnenbeveiliging, verlichting en huishoudelijke apparaten bedienen; 4) Wanneer het systeem zelfstandig draait, toont het lcd-scherm de actuele systeemstatus, wat het voor gebruikers gemakkelijk maakt om deze te bekijken; 5) Het opslaan van de status van elektrische apparatuur en deze naar een pc verzenden om het systeem online te kunnen beheren.
De hardware ondersteunt Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CA). De bedrijfsspanning van 2,0 ~ 3,6 V draagt bij aan een laag stroomverbruik van het systeem. Er wordt een draadloos ZigBee-sterrennetwerk binnenshuis opgezet door verbinding te maken met de ZigBee-coördinatormodule in het controlecentrum. Alle bewakingsnodes, waarbij de controller voor huishoudelijke apparaten als eindknooppunt in het netwerk is geselecteerd, maken draadloze ZigBee-netwerkbesturing van binnenhuisbeveiliging en huishoudelijke apparaten mogelijk.
2.2 Monitoringknooppunten
De functies van de bewakingsmodule zijn als volgt: 1) detectie van menselijke signalen, met geluids- en lichtalarm bij inbraak; 2) lichtregeling, waarbij de regelingsmodus is onderverdeeld in automatische en handmatige regeling. Bij automatische regeling wordt het licht automatisch in- en uitgeschakeld op basis van de lichtsterkte binnenshuis, terwijl handmatige regeling via het centrale besturingssysteem verloopt; 3) het verzenden van alarminformatie en andere gegevens naar de centrale, die vervolgens besturingscommando's ontvangt om de apparatuur aan te sturen.
Infrarood- en microgolfdetectie is de meest gangbare methode voor het detecteren van lichaamssignalen. De pyro-elektrische infraroodsonde is de RE200B en de versterker is de BISS0001. De RE200B wordt gevoed met een spanning van 3-10 V en heeft een ingebouwd pyro-elektrisch dubbelgevoelig infraroodelement. Wanneer het element infrarood licht ontvangt, treedt er een foto-elektrisch effect op bij de polen van elk element en accumuleert de lading. De BISS0001 is een digitaal-analoog hybride ASIC bestaande uit een operationele versterker, spanningscomparator, statuscontroller, vertragingstimer en blokkeertimer. Samen met de RE200B en enkele andere componenten kan een passieve pyro-elektrische infraroodschakelaar worden gevormd. De Ant-g100-module werd gebruikt als microgolfsensor, met een middenfrequentie van 10 GHz en een maximale insteltijd van 6 μs. In combinatie met de pyro-elektrische infraroodmodule kan de foutmarge bij objectdetectie effectief worden verlaagd.
De lichtregelmodule bestaat hoofdzakelijk uit een lichtgevoelige weerstand en een lichtregelrelais. Sluit de lichtgevoelige weerstand in serie aan op de instelbare weerstand van 10 kΩ. Verbind het andere uiteinde van de lichtgevoelige weerstand met de massa en het andere uiteinde van de instelbare weerstand met de hoogspanning. De spanning over de twee aansluitpunten van de weerstand wordt via een analoog-digitaalomzetter (SCM) gemeten om te bepalen of de lamp aan is. De instelbare weerstand kan door de gebruiker worden aangepast aan de gewenste lichtintensiteit bij het inschakelen van de lamp. Binnenverlichtingsschakelaars worden aangestuurd door relais. Er is slechts één ingangs-/uitgangspoort beschikbaar.
2.3 Selecteer de toegevoegde bedieningseenheid voor huishoudelijke apparaten
Kies ervoor om de bediening van huishoudelijke apparaten toe te voegen, voornamelijk op basis van de functie van het apparaat om apparaatbesturing mogelijk te maken. Hier nemen we een elektrische ventilator als voorbeeld. De ventilatorbesturing werkt als volgt: het besturingscentrum stuurt via het ZigBee-netwerk instructies voor de ventilatorbesturing naar de ventilatorcontroller. Verschillende apparaten hebben verschillende identificatienummers. Zo is het identificatienummer voor een ventilator volgens deze overeenkomst 122 en voor een kleurentelevisie 123. Op deze manier kunnen verschillende elektrische huishoudelijke apparaten door hetzelfde instructiecode worden herkend. Verschillende huishoudelijke apparaten voeren dus verschillende functies uit. Figuur 4 toont de samenstelling van de geselecteerde huishoudelijke apparaten die kunnen worden toegevoegd.
3. Ontwerp van systeemsoftware
Het ontwerp van de systeemsoftware bestaat hoofdzakelijk uit zes onderdelen: het ontwerp van de webpagina voor afstandsbediening, het ontwerp van het centrale beheersysteem, het ontwerp van het ATMegal28-programma voor de hoofdcontroller van het controlecentrum, het ontwerp van het CC2430-coördinatorprogramma, het ontwerp van het CC2430-bewakingsknooppuntprogramma en het ontwerp van het CC2430-programma voor het selecteren en toevoegen van apparaten.
3.1 Ontwerp van het ZigBee-coördinatorprogramma
De coördinator voltooit eerst de initialisatie van de applicatielaag, zet de applicatielaagstatus en de ontvangststatus op inactief, schakelt vervolgens globale interrupts in en initialiseert de I/O-poort. Daarna begint de coördinator met het opzetten van een draadloos sternetwerk. In het protocol selecteert de coördinator automatisch de 2,4 GHz-band, het maximale aantal bits per seconde is 62.500, de standaard PANID is 0×1347, de maximale stackdiepte is 5, het maximale aantal bytes per verzending is 93 en de baudrate van de seriële poort is 57.600 bit/s. De SL0W TIMER genereert 10 interrupts per seconde. Nadat het ZigBee-netwerk succesvol is opgezet, stuurt de coördinator zijn adres naar de MCU van het controlecentrum. De MCU van het controlecentrum identificeert de ZigBee-coördinator als lid van het monitoringknooppunt en kent het adres 0 toe. Het programma gaat vervolgens naar de hoofdloop. Bepaal eerst of er nieuwe gegevens zijn verzonden door het eindknooppunt. Zo ja, dan worden deze gegevens direct naar de MCU van het controlecentrum verzonden. Bepaal vervolgens of de MCU van het controlecentrum instructies heeft ontvangen. Zo ja, dan worden deze instructies naar het corresponderende ZigBee-eindknooppunt verzonden. Controleer of de beveiliging is ingeschakeld en of er een inbreker aanwezig is. Zo ja, dan wordt de alarminformatie naar de MCU van het controlecentrum verzonden. Controleer of de verlichting zich in de automatische stand bevindt. Zo ja, dan wordt de analoog-digitaalomzetter ingeschakeld voor bemonstering. De bemonsterde waarde is de sleutel om de verlichting aan of uit te schakelen. Als de status van de verlichting verandert, wordt de nieuwe statusinformatie naar de MCU van het controlecentrum verzonden.
3.2 Programmeren van ZigBee-terminalknooppunten
Een ZigBee-terminalnode verwijst naar de draadloze ZigBee-node die wordt aangestuurd door de ZigBee-coördinator. In het systeem fungeert deze node voornamelijk als bewakingsnode, met de mogelijkheid om optioneel huishoudelijke apparaten te bedienen. De initialisatie van ZigBee-terminalnodes omvat ook de initialisatie van de applicatielaag, het openen van interrupts en het initialiseren van I/O-poorten. Vervolgens probeert de node verbinding te maken met het ZigBee-netwerk. Het is belangrijk om te weten dat alleen terminalnodes met een geconfigureerde ZigBee-coördinator verbinding mogen maken met het netwerk. Als de ZigBee-terminalnode er niet in slaagt verbinding te maken met het netwerk, zal deze elke twee seconden een nieuwe poging doen totdat de verbinding succesvol is. Na een succesvolle verbinding stuurt de ZigBee-terminalnode zijn registratiegegevens naar de ZigBee-coördinator, die deze vervolgens doorstuurt naar de microcontroller (MCU) van het controlecentrum om de registratie van de ZigBee-terminalnode te voltooien. Als de ZigBee-terminalnode een bewakingsnode is, kan deze de verlichting en beveiliging aansturen. Het programma is vergelijkbaar met de ZigBee-coördinator, met als verschil dat het monitoringknooppunt gegevens naar de ZigBee-coördinator moet sturen, waarna de ZigBee-coördinator de gegevens naar de microcontroller van het controlecentrum stuurt. Als het ZigBee-eindknooppunt een ventilatorcontroller is, hoeft het alleen de gegevens van de bovenliggende computer te ontvangen zonder de status te uploaden. De aansturing kan dus direct worden voltooid, zelfs bij een onderbreking van de draadloze gegevensontvangst. Tijdens een onderbreking van de draadloze gegevensontvangst vertalen alle eindknooppunten de ontvangen besturingsinstructies naar eigen besturingsparameters en verwerken ze de ontvangen draadloze instructies niet in het hoofdprogramma van het knooppunt.
4 Online foutopsporing
De toenemende instructiecode voor de vaste apparatuur, gegenereerd door het centrale besturingssysteem, wordt via de seriële poort van de computer naar de microcontroller (MCU) van het controlecentrum gestuurd, vervolgens via de tweelijninterface naar de coördinator en ten slotte door de coördinator naar het ZigBee-terminalknooppunt. Wanneer het terminalknooppunt de gegevens ontvangt, worden deze via de seriële poort weer naar de pc verzonden. Op deze pc worden de door het ZigBee-terminalknooppunt ontvangen gegevens vergeleken met de door het controlecentrum verzonden gegevens. Het centrale besturingssysteem verzendt elke seconde twee instructies. Na vijf uur testen stopt de testsoftware wanneer het totale aantal ontvangen pakketten 36.000 bedraagt. De testresultaten van de testsoftware voor multiprotocol-datatransmissie worden weergegeven in figuur 6. Het aantal correcte pakketten is 36.000, het aantal foutieve pakketten is 0 en de nauwkeurigheid is 100%.
ZigBee-technologie wordt gebruikt voor de interne netwerkverbinding van een slim huis, met als voordelen gemakkelijke bediening op afstand, flexibele toevoeging van nieuwe apparatuur en betrouwbare besturing. RFDT-technologie wordt gebruikt voor gebruikersidentificatie en verbeterde systeembeveiliging. Via de GSM-module worden de functies voor bediening op afstand en alarmen gerealiseerd.
Geplaatst op: 06-01-2022