Ein Smart Home ist ein Haus als Plattform, die integrierte Verkabelungs-, Netzwerk-, Sicherheits-, Automatisierungs- sowie Audio- und Videotechnik nutzt, um alle wichtigen Haushaltsfunktionen zu integrieren. So entstehen effiziente Wohn- und Familienmanagementsysteme, die Sicherheit, Komfort und Ästhetik des Hauses verbessern und ein umweltfreundliches und energiesparendes Wohnumfeld schaffen. Basierend auf der aktuellen Definition von Smart Home und den Eigenschaften der ZigBee-Technologie umfasst dieses System ein zentrales Smart-Home-System (Smart-Home-Steuerung, Lichtsteuerung, Sicherheitssysteme) sowie die Hausverkabelung, das Heimnetzwerk, ein Hintergrundmusiksystem und ein System zur Steuerung der Wohnumgebung. Damit ein Haus intelligent lebt, müssen alle notwendigen Systeme vollständig installiert sein. Bereits die Installation eines optionalen Systems oder mehr reicht aus, um von einem intelligenten Zuhause zu sprechen. Daher kann dieses System als Smart Home bezeichnet werden.
1. Systementwurfsschema
Das System besteht aus im Haushalt befindlichen und fernsteuerbaren Geräten. Zu den im Haushalt befindlichen Geräten gehören hauptsächlich ein internetfähiger Computer, die Steuerzentrale, der Überwachungsknoten und optional erweiterbare Steuergeräte für Haushaltsgeräte. Die Fernsteuerung erfolgt hauptsächlich über Computer und Mobiltelefone.
Die Hauptfunktionen des Systems sind: 1) Bereitstellung der Startseite für das Surfen im Internet und die Verwaltung von Hintergrundinformationen; 2) Steuerung von Haushaltsgeräten, Sicherheitssystemen und Beleuchtung über Internet und Mobiltelefon; 3) Benutzeridentifizierung mittels RFID-Modul zur Überwachung des Sicherheitsstatus und Benachrichtigung des Benutzers per SMS im Falle eines Diebstahls; 4) Lokale Steuerung und Statusanzeige von Beleuchtung und Haushaltsgeräten über die zentrale Steuerungs- und Managementsoftware; 5) Speicherung von persönlichen Daten und Gerätestatus in einer Datenbank. Benutzer können den Gerätestatus bequem über das zentrale Steuerungs- und Managementsystem abfragen.
2. Systemhardware-Design
Zum Hardware-Design des Systems gehören die Konstruktion der Steuerzentrale, des Überwachungsknotens und die optionale Hinzufügung des Hausgeräte-Controllers (beispielsweise der elektrische Ventilator-Controller).
2.1 Das Kontrollzentrum
Die Hauptfunktionen der Kontrollzentrale sind: 1) Aufbau eines drahtlosen ZigBee-Netzwerks, Einbindung aller Überwachungsknoten und Empfang neuer Geräte; 2) Benutzeridentifizierung: Anhand der Benutzerkarte wird der Anwesenheitsstatus des Benutzers ermittelt und die Haussicherheit gesteuert; 3) Bei einem Einbruch wird eine SMS an den Benutzer gesendet, um einen Alarm auszulösen. Benutzer können über SMS auch die Haussicherheit, die Beleuchtung und Haushaltsgeräte steuern; 4) Im Autopilotbetrieb zeigt das LCD-Display den aktuellen Systemstatus an; 5) Speicherung des Zustands elektrischer Geräte und Übertragung an den PC zur Online-Systemverwaltung.
Die Hardware unterstützt Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CA). Die Betriebsspannung von 2,0 bis 3,6 V trägt zu einem geringen Stromverbrauch des Systems bei. Durch die Verbindung mit dem ZigBee-Koordinatormodul in der Steuerzentrale wird ein drahtloses ZigBee-Sternnetzwerk im Innenbereich eingerichtet. Alle Überwachungsknoten, einschließlich der Hausgerätesteuerung als Endgerät, werden dem Netzwerk hinzugefügt, um die drahtlose ZigBee-Netzwerksteuerung von Sicherheitssystemen und Haushaltsgeräten im Innenbereich zu realisieren.
2.2 Überwachungsknoten
Die Funktionen des Überwachungsknotens sind wie folgt: 1) Erkennung von Körpersignalen, akustischer und optischer Alarm bei Einbruch; 2) Lichtsteuerung, wobei der Steuerungsmodus in automatische und manuelle Steuerung unterteilt ist. Bei der automatischen Steuerung wird das Licht je nach Stärke des Innenlichts automatisch ein- und ausgeschaltet, bei der manuellen Steuerung erfolgt die Lichtsteuerung über das zentrale Steuerungssystem; 3) Übermittlung von Alarminformationen und anderen Informationen an die Leitstelle und Empfang von Steuerbefehlen von der Leitstelle zur Durchführung der Gerätesteuerung.
Die kombinierte Infrarot- und Mikrowellendetektion ist die gängigste Methode zur Erfassung von Körpersignalen. Die pyroelektrische Infrarotsonde ist vom Typ RE200B, das Verstärkerbauelement vom Typ BISS0001. RE200B wird mit 3–10 V betrieben und verfügt über ein integriertes pyroelektrisches, dualempfindliches Infrarotelement. Beim Empfang von Infrarotlicht entsteht an den Polen der Elemente ein photoelektrischer Effekt, der zur Ladungsakkumulation führt. BISS0001 ist ein digital-analoger Hybrid-ASIC, bestehend aus Operationsverstärker, Spannungskomparator, Zustandsregler, Verzögerungs- und Sperrzeitgeber. Zusammen mit RE200B und einigen weiteren Komponenten bildet er einen passiven pyroelektrischen Infrarotschalter. Als Mikrowellensensor dient das Modul Ant-g100 mit einer Mittenfrequenz von 10 GHz und einer maximalen Einstellzeit von 6 µs. In Kombination mit dem pyroelektrischen Infrarotmodul lässt sich die Fehlerrate der Zielerkennung effektiv reduzieren.
Das Lichtsteuerungsmodul besteht im Wesentlichen aus einem Fotowiderstand und einem Lichtsteuerungsrelais. Der Fotowiderstand ist in Reihe mit einem einstellbaren Widerstand von 10 kΩ geschaltet. Das andere Ende des Fotowiderstands wird mit Masse (GND) und das andere Ende des einstellbaren Widerstands mit einem High-Pegel verbunden. Der Spannungswert an den beiden Widerstandsanschlüssen wird über den Analog-Digital-Wandler des SCM (Switch Control Module) ermittelt, um festzustellen, ob die Lampe eingeschaltet ist. Der einstellbare Widerstand kann vom Benutzer so angepasst werden, dass die gewünschte Lichtintensität beim Einschalten der Lampe erreicht wird. Die Innenbeleuchtung wird über Relais gesteuert. Es ist nur ein Ein-/Ausgang möglich.
2.3 Wählen Sie den hinzugefügten Hausgeräte-Controller aus.
Die Steuerung von Haushaltsgeräten erfolgt primär anhand ihrer Funktion, beispielsweise eines Ventilators. Die Steuerung des Ventilators erfolgt über eine ZigBee-Netzwerkschnittstelle, die PC-Steuerungsbefehle an den Ventilator-Controller sendet. Jedes Gerät hat eine eigene Identifikationsnummer (z. B. 122 für Ventilatoren und 123 für Farbfernseher). Dadurch wird die Erkennung verschiedener Haushaltsgeräte durch die Steuerzentrale ermöglicht. Mit demselben Befehlscode können unterschiedliche Geräte unterschiedliche Funktionen ausführen. Abbildung 4 zeigt die Auswahl der zu steuernden Haushaltsgeräte.
3. Systemsoftware-Design
Das Systemsoftware-Design umfasst im Wesentlichen sechs Teile: das Design der Fernsteuerungs-Webseite, das Design des zentralen Steuerungsmanagementsystems, das Programmdesign des Hauptcontrollers ATMegal28 für das Kontrollzentrum, das Programmdesign des Koordinators CC2430, das Programmdesign des Überwachungsknotens CC2430 und das Programmdesign für die Geräteauswahl CC2430.
3.1 ZigBee-Koordinator-Programmdesign
Der Koordinator initialisiert zunächst die Anwendungsschicht, versetzt deren Zustand und den Empfangszustand in den Leerlauf, aktiviert dann globale Interrupts und initialisiert den I/O-Port. Anschließend beginnt er mit dem Aufbau eines drahtlosen Sternnetzwerks. Im Protokoll wählt der Koordinator automatisch das 2,4-GHz-Band. Die maximale Bitrate beträgt 62.500 Bit pro Sekunde, die Standard-PANID ist 0x1347, die maximale Stacktiefe 5, die maximale Anzahl an Bytes pro Sendung 93 und die Baudrate der seriellen Schnittstelle 57.600 Bit/s. Der SL0W-Timer generiert 10 Interrupts pro Sekunde. Nach erfolgreichem Aufbau des ZigBee-Netzwerks sendet der Koordinator seine Adresse an den Mikrocontroller (MCU) der Steuerzentrale. Dieser identifiziert den ZigBee-Koordinator als Mitglied des Überwachungsknotens; seine Adresse ist 0. Das Programm tritt in die Hauptschleife ein. Zunächst wird geprüft, ob neue Daten vom Endknoten gesendet wurden. Falls ja, werden diese direkt an den Mikrocontroller (MCU) der Steuerzentrale übertragen. Anschließend wird geprüft, ob der Mikrocontroller der Steuerzentrale Anweisungen übermittelt hat. Falls ja, werden diese an den entsprechenden ZigBee-Endknoten weitergeleitet. Danach wird geprüft, ob die Sicherheitseinrichtung geöffnet ist und ob ein Einbruch vorliegt. Falls ja, wird eine Alarmmeldung an den Mikrocontroller der Steuerzentrale gesendet. Abschließend wird geprüft, ob sich die Beleuchtung im automatischen Steuerungsmodus befindet. Falls ja, wird der Analog-Digital-Wandler zur Abtastung aktiviert. Der Abtastwert dient zum Ein- und Ausschalten der Beleuchtung. Ändert sich der Beleuchtungszustand, wird die neue Zustandsinformation an den Mikrocontroller der Steuerzentrale (MC-U) übermittelt.
3.2 ZigBee-Terminalknotenprogrammierung
Ein ZigBee-Endknoten ist ein drahtloser ZigBee-Knoten, der vom ZigBee-Koordinator gesteuert wird. Im System dient er hauptsächlich als Überwachungsknoten und kann optional zur Steuerung von Haushaltsgeräten eingesetzt werden. Die Initialisierung eines ZigBee-Endknotens umfasst die Initialisierung der Anwendungsschicht, das Öffnen von Interrupts und die Initialisierung der I/O-Ports. Anschließend versucht der Knoten, sich mit dem ZigBee-Netzwerk zu verbinden. Wichtig ist, dass nur Endknoten mit einem eingerichteten ZigBee-Koordinator dem Netzwerk beitreten dürfen. Schlägt die Verbindung fehl, versucht der ZigBee-Endknoten alle zwei Sekunden einen erneuten Verbindungsversuch. Nach erfolgreicher Verbindung sendet der ZigBee-Endknoten seine Registrierungsinformationen an den ZigBee-Koordinator, der diese an den Mikrocontroller (MCU) der Steuerzentrale weiterleitet, um die Registrierung des ZigBee-Endknotens abzuschließen. Als Überwachungsknoten kann der ZigBee-Endknoten beispielsweise Beleuchtung und Sicherheitssysteme steuern. Das Programm ähnelt dem ZigBee-Koordinator, mit dem Unterschied, dass der Überwachungsknoten Daten an den ZigBee-Koordinator senden muss, der diese dann an den Mikrocontroller der Steuerzentrale weiterleitet. Handelt es sich beim ZigBee-Endknoten um eine Lüftersteuerung, muss er lediglich die Daten des übergeordneten Rechners empfangen, ohne den Status hochzuladen. Daher kann seine Steuerung auch bei einer Unterbrechung des Funkempfangs direkt fortgesetzt werden. Bei einer Funkempfangsunterbrechung übersetzen alle Endknoten die empfangenen Steuerbefehle in ihre eigenen Steuerparameter und verarbeiten die Funkbefehle nicht im Hauptprogramm des Knotens.
4 Online-Debugging
Die vom zentralen Steuerungssystem ausgegebenen Befehle für den Befehlscode der fest installierten Geräte werden über die serielle Schnittstelle des Computers an den Mikrocontroller (MCU) der Leitstelle und über die Zwei-Leitungs-Schnittstelle an den Koordinator gesendet. Dieser leitet die Daten anschließend an den ZigBee-Endknoten weiter. Sobald der Endknoten die Daten empfängt, sendet er sie erneut über die serielle Schnittstelle an den PC. Dort werden die vom ZigBee-Endknoten empfangenen Daten mit den von der Leitstelle gesendeten Daten verglichen. Das zentrale Steuerungssystem sendet zwei Befehle pro Sekunde. Nach fünf Stunden Testlaufzeit beendet die Testsoftware den Test, sobald insgesamt 36.000 Pakete empfangen wurden. Die Testergebnisse der Multiprotokoll-Datenübertragungssoftware sind in Abbildung 6 dargestellt. Die Anzahl der korrekt übertragenen Pakete beträgt 36.000, die Anzahl der fehlerhaften Pakete 0, was einer Genauigkeit von 100 % entspricht.
Die ZigBee-Technologie dient der internen Vernetzung des Smart Homes und bietet Vorteile wie komfortable Fernsteuerung, flexible Integration neuer Geräte und zuverlässige Steuerung. Die RFTD-Technologie ermöglicht die Benutzeridentifizierung und erhöht die Systemsicherheit. Über das GSM-Modul werden Fernsteuerungs- und Alarmfunktionen realisiert.
Veröffentlichungsdatum: 06.01.2022