Smart Home ist ein Haus als Plattform, das integrierte Verkabelungstechnologie, Netzwerkkommunikationstechnologie, Sicherheitstechnologie, automatische Steuerungstechnologie, Audio- und Videotechnologie zur Integration von lebensbezogenen Einrichtungen im Haushalt, einen Zeitplan für den Aufbau effizienter Wohneinrichtungen und ein System zur Verwaltung von Familienangelegenheiten nutzt , Verbesserung der Sicherheit, Bequemlichkeit, Behaglichkeit und Kunstfertigkeit Ihres Zuhauses und Verwirklichung des Umweltschutzes und der energiesparenden Wohnumgebung. Basierend auf der neuesten Definition von Smart Home, beziehen Sie sich auf die Eigenschaften der ZigBee-Technologie, das Design dieses Systems, das Notwendige, das ein Smart Home-System enthält (Smart Home (zentrales) Steuerungssystem, Haushaltsbeleuchtungssteuerungssystem, Haussicherheitssysteme), auf der Grundlage eines angeschlossenen Haushaltsverkabelungssystems, eines Heimnetzwerksystems, eines Hintergrundmusiksystems und eines Familienumgebungskontrollsystems. Auf der Grundlage der Behauptung, dass Intelligenz lebt, sind nur alle erforderlichen Systeme vollständig installiert, und das Haushaltssystem, das mindestens ein optionales System einer Art und höher installiert hat, kann Intelligenz als Leben bezeichnen. Daher kann dieses System als intelligentes Zuhause bezeichnet werden.
1. Systemdesignschema
Das System besteht aus gesteuerten Geräten und Fernbedienungsgeräten im Haushalt. Zu den gesteuerten Geräten der Familie gehören vor allem der Computer, der auf das Internet zugreifen kann, das Kontrollzentrum, der Überwachungsknoten und die Steuerung von Haushaltsgeräten, die hinzugefügt werden können. Fernbedienungsgeräte bestehen hauptsächlich aus Remote-Computern und Mobiltelefonen.
Die Hauptfunktionen des Systems sind: 1) Durchsuchen der Startseite der Webseite, Verwaltung von Hintergrundinformationen; 2) Realisierung der Schaltersteuerung von Haushaltsgeräten, Sicherheit und Beleuchtung im Innenbereich über Internet und Mobiltelefon; 3) Durch das RFID-Modul zur Realisierung der Benutzeridentifikation, um im Falle eines Diebstahls eine SMS-Alarmierung an den Benutzer durchzuführen, um den Sicherheitsstatuswechsel im Innenbereich abzuschließen; 4) Durch die Software des zentralen Steuerungsmanagementsystems wird die lokale Steuerung und Statusanzeige von Innenbeleuchtung und Haushaltsgeräten vervollständigt; 5) Die Speicherung persönlicher Informationen und die Speicherung des Status der Innenausrüstung erfolgt mithilfe der Datenbank. Für Benutzer ist es bequem, den Status der Innengeräte über das zentrale Steuerungs- und Verwaltungssystem abzufragen.
2. System-Hardware-Design
Das Hardware-Design des Systems umfasst das Design des Kontrollzentrums, des Überwachungsknotens und die optionale Hinzufügung der Haushaltsgerätesteuerung (am Beispiel der elektrischen Lüftersteuerung).
2.1 Das Kontrollzentrum
Die Hauptfunktionen des Kontrollzentrums sind wie folgt: 1) Um ein drahtloses ZigBee-Netzwerk aufzubauen, fügen Sie alle Überwachungsknoten zum Netzwerk hinzu und realisieren Sie den Empfang neuer Geräte; 2) Benutzeridentifikation, der Benutzer zu Hause oder zurück durch die Benutzerkarte, um einen Innensicherheitsschalter zu erreichen; 3) Wenn ein Einbrecher in den Raum eindringt, senden Sie eine kurze Nachricht an den Benutzer, um ihn zu alarmieren. Benutzer können auch die Sicherheit im Innenbereich, die Beleuchtung und Haushaltsgeräte über Kurznachrichten steuern. 4) Wenn das System alleine läuft, zeigt das LCD den aktuellen Systemstatus an, was für Benutzer praktisch ist; 5) Speichern Sie den Zustand der elektrischen Ausrüstung und senden Sie ihn an den PC, um das System online zu realisieren.
Die Hardware unterstützt Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CA). Die Betriebsspannung von 2,0 ~ 3,6 V trägt zu einem geringen Stromverbrauch des Systems bei. Richten Sie in Innenräumen ein drahtloses ZigBee-Sternnetzwerk ein, indem Sie eine Verbindung zum ZigBee-Koordinatormodul im Kontrollzentrum herstellen. Und alle Überwachungsknoten wurden ausgewählt, um den Haushaltsgeräte-Controller als Endknoten im Netzwerk hinzuzufügen und dem Netzwerk beizutreten, um die drahtlose ZigBee-Netzwerksteuerung von Innensicherheits- und Haushaltsgeräten zu realisieren.
2.2 Überwachungsknoten
Die Funktionen des Überwachungsknotens sind wie folgt: 1) Erkennung menschlicher Körpersignale, Ton- und Lichtalarm, wenn Diebe eindringen; 2) Beleuchtungssteuerung, der Steuermodus ist in automatische Steuerung und manuelle Steuerung unterteilt, die automatische Steuerung schaltet das Licht automatisch entsprechend der Stärke des Innenlichts ein/aus, die manuelle Steuerung der Beleuchtungssteuerung erfolgt über das zentrale Steuerungssystem, (3) die Alarminformationen und andere Informationen werden an das Kontrollzentrum gesendet und Steuerbefehle vom Kontrollzentrum empfangen, um die Gerätesteuerung abzuschließen.
Der Infrarot-Plus-Mikrowellen-Erkennungsmodus ist die gebräuchlichste Methode zur Erkennung menschlicher Körpersignale. Die pyroelektrische Infrarotsonde ist RE200B und das Verstärkungsgerät ist BISS0001. RE200B wird mit einer Spannung von 3–10 V betrieben und verfügt über ein eingebautes pyroelektrisches, doppelt empfindliches Infrarotelement. Wenn das Element Infrarotlicht empfängt, tritt an den Polen jedes Elements ein photoelektrischer Effekt auf und die Ladung sammelt sich an. BISS0001 ist ein digital-analoger Hybrid-AsIC, der aus Operationsverstärker, Spannungskomparator, Zustandsregler, Verzögerungszeit-Timer und Blockierungszeit-Timer besteht. Zusammen mit RE200B und einigen Komponenten kann der passive pyroelektrische Infrarotschalter gebildet werden. Als Mikrowellensensor wurde das Ant-g100-Modul verwendet, die Mittenfrequenz betrug 10 GHz und die maximale Einrichtungszeit betrug 6 μs. In Kombination mit dem pyroelektrischen Infrarotmodul kann die Fehlerrate der Zielerkennung effektiv reduziert werden.
Das Lichtsteuermodul besteht hauptsächlich aus einem lichtempfindlichen Widerstand und einem Lichtsteuerrelais. Verbinden Sie den lichtempfindlichen Widerstand in Reihe mit dem einstellbaren Widerstand von 10 K ω, verbinden Sie dann das andere Ende des lichtempfindlichen Widerstands mit Masse und verbinden Sie das andere Ende des einstellbaren Widerstands mit dem hohen Pegel. Der Spannungswert der beiden Widerstandsverbindungspunkte wird über den SCM-Analog-Digital-Wandler ermittelt, um festzustellen, ob das aktuelle Licht leuchtet. Der einstellbare Widerstand kann vom Benutzer angepasst werden, um der Lichtintensität zu entsprechen, wenn das Licht gerade eingeschaltet wird. Innenbeleuchtungsschalter werden über Relais gesteuert. Es kann nur ein Ein-/Ausgabeport erreicht werden.
2.3 Wählen Sie den hinzugefügten Hausgeräte-Controller aus
Wählen Sie, um die Steuerung von Haushaltsgeräten hauptsächlich entsprechend der Funktion des Geräts hinzuzufügen, um eine Gerätesteuerung zu erreichen, hier als Beispiel für den elektrischen Ventilator. Bei der Lüftersteuerung handelt es sich um eine PC-Lüftersteuerung, die über die ZigBee-Netzwerkimplementierung an die Lüftersteuerung des PCs gesendet wird. Die Identifikationsnummer verschiedener Geräte ist unterschiedlich. Die in dieser Vereinbarung festgelegte Lüfteridentifikationsnummer lautet beispielsweise 122, die Identifikationsnummer des heimischen Farbfernsehers ist 123 und ermöglicht so die Erkennung verschiedener Kontrollzentren für elektrische Haushaltsgeräte. Für denselben Befehlscode führen verschiedene Haushaltsgeräte unterschiedliche Funktionen aus. Abbildung 4 zeigt die Zusammensetzung der zur Ergänzung ausgewählten Haushaltsgeräte.
3. Systemsoftware-Design
Das Design der Systemsoftware umfasst hauptsächlich sechs Teile: Design der Fernbedienungswebseite, Design des zentralen Steuerungsverwaltungssystems, Design des ATMegal28-Programms des Hauptcontrollers des Kontrollzentrums, Design des CC2430-Koordinatorprogramms, Design des CC2430-Überwachungsknotenprogramms und Design des CC2430-Programms zum Hinzufügen von Geräten.
3.1 ZigBee Coordinator-Programmdesign
Der Koordinator schließt zunächst die Initialisierung der Anwendungsschicht ab, setzt den Status der Anwendungsschicht und den Empfangsstatus auf „Leerlauf“, aktiviert dann globale Interrupts und initialisiert den E/A-Port. Anschließend beginnt der Koordinator mit dem Aufbau eines drahtlosen Sternnetzwerks. Im Protokoll wählt der Koordinator automatisch das 2,4-GHz-Band aus, die maximale Anzahl von Bits pro Sekunde beträgt 62.500, die Standard-PANID ist 0×1347, die maximale Stapeltiefe beträgt 5, die maximale Anzahl von Bytes pro Sendung beträgt 93 und Die Baudrate der seriellen Schnittstelle beträgt 57.600 Bit/s. Der SL0W TIMER generiert 10 Interrupts pro Sekunde. Nachdem das ZigBee-Netzwerk erfolgreich aufgebaut wurde, sendet der Koordinator seine Adresse an die MCU des Kontrollzentrums. Hier identifiziert die MCU des Kontrollzentrums den ZigBee-Koordinator als Mitglied des Überwachungsknotens und seine identifizierte Adresse ist 0. Das Programm tritt in die Hauptschleife ein. Stellen Sie zunächst fest, ob vom Endknoten neue Daten gesendet werden. Wenn dies der Fall ist, werden die Daten direkt an die MCU des Kontrollzentrums übertragen. Stellen Sie fest, ob die MCU des Kontrollzentrums Anweisungen gesendet hat. Wenn ja, senden Sie die Anweisungen an den entsprechenden ZigBee-Endknoten. Beurteilen Sie, ob die Sicherheit geöffnet ist, ob es einen Einbrecher gibt. Wenn ja, senden Sie die Alarminformationen an die MCU des Kontrollzentrums. Beurteilen Sie, ob sich das Licht im automatischen Steuerungszustand befindet. Wenn ja, schalten Sie den Analog-Digital-Wandler zum Abtasten ein. Der Abtastwert ist der Schlüssel zum Ein- oder Ausschalten des Lichts. Wenn sich der Lichtzustand ändert, werden die neuen Zustandsinformationen angezeigt an die Zentrale MC-U übermittelt.
3.2 ZigBee-Terminalknotenprogrammierung
Der ZigBee-Endknoten bezieht sich auf den drahtlosen ZigBee-Knoten, der vom ZigBee-Koordinator gesteuert wird. Im System handelt es sich hauptsächlich um den Überwachungsknoten und die optionale Hinzufügung einer Haushaltsgerätesteuerung. Die Initialisierung von ZigBee-Terminalknoten umfasst auch die Initialisierung der Anwendungsschicht, das Öffnen von Interrupts und die Initialisierung von E/A-Ports. Versuchen Sie dann, dem ZigBee-Netzwerk beizutreten. Es ist wichtig zu beachten, dass nur Endknoten mit ZigBee-Koordinator-Setup dem Netzwerk beitreten dürfen. Wenn der ZigBee-Endknoten keine Verbindung zum Netzwerk herstellen kann, versucht er es alle zwei Sekunden erneut, bis die Verbindung zum Netzwerk erfolgreich ist. Nach erfolgreichem Beitritt zum Netzwerk sendet der ZI-Gbee-Endknoten seine Registrierungsinformationen an den ZigBee-Koordinator, der sie dann an die MCU des Kontrollzentrums weiterleitet, um die Registrierung des ZigBee-Endknotens abzuschließen. Wenn der ZigBee-Endknoten ein Überwachungsknoten ist, kann er die Steuerung von Beleuchtung und Sicherheit realisieren. Das Programm ähnelt dem ZigBee-Koordinator, mit der Ausnahme, dass der Überwachungsknoten Daten an den ZigBee-Koordinator senden muss und der ZigBee-Koordinator dann Daten an die MCU des Kontrollzentrums sendet. Wenn der ZigBee-Endknoten eine elektrische Lüftersteuerung ist, muss er nur die Daten des oberen Computers empfangen, ohne den Status hochzuladen, sodass seine Steuerung direkt bei der Unterbrechung des drahtlosen Datenempfangs abgeschlossen werden kann. Bei einer Unterbrechung des drahtlosen Datenempfangs übersetzen alle Endknoten die empfangenen Steueranweisungen in die Steuerparameter des Knotens selbst und verarbeiten die empfangenen drahtlosen Anweisungen nicht im Hauptprogramm des Knotens.
4 Online-Debugging
Die vom zentralen Kontrollmanagementsystem ausgegebenen zunehmenden Anweisungen für den Befehlscode fester Geräte werden über die serielle Schnittstelle des Computers an die MCU des Kontrollzentrums und über die Zweileitungsschnittstelle an den Koordinator und dann an das ZigBee-Terminal gesendet Knoten durch den Koordinator. Wenn der Endknoten die Daten empfängt, werden die Daten erneut über die serielle Schnittstelle an den PC gesendet. Auf diesem PC werden die vom ZigBee-Endknoten empfangenen Daten mit den von der Zentrale gesendeten Daten verglichen. Das zentrale Steuerungssystem sendet jede Sekunde 2 Anweisungen. Nach 5 Teststunden stoppt die Testsoftware, wenn sie anzeigt, dass die Gesamtzahl der empfangenen Pakete 36.000 Pakete beträgt. Die Testergebnisse der Multiprotokoll-Datenübertragungstestsoftware sind in Abbildung 6 dargestellt. Die Anzahl der korrekten Pakete beträgt 36.000, die Anzahl der falschen Pakete beträgt 0 und die Genauigkeitsrate beträgt 100 %.
Mithilfe der ZigBee-Technologie wird die interne Vernetzung von Smart Homes realisiert, die die Vorteile einer bequemen Fernsteuerung, einer flexiblen Hinzufügung neuer Geräte und einer zuverlässigen Steuerungsleistung bietet. Die RFTD-Technologie wird verwendet, um die Benutzeridentifikation zu realisieren und die Systemsicherheit zu verbessern. Durch den Zugriff auf das GSM-Modul werden die Fernsteuerungs- und Alarmfunktionen realisiert.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 06.01.2022