איך לתכנן בית חכם מבוסס ZigBee?

בית חכם הוא פלטפורמה של בית, המשתמש בטכנולוגיית חיווט משולבת, טכנולוגיית תקשורת רשת, טכנולוגיית אבטחה, טכנולוגיית בקרה אוטומטית, טכנולוגיית אודיו ווידאו לשילוב מתקנים הקשורים לחיי הבית, בניית מתקני מגורים יעילים ומערכת ניהול ענייני משפחה, שיפור אבטחת הבית, נוחות, נוחות, אמנותיות, והשגת סביבת מגורים וחיסכון באנרגיה. בהתבסס על ההגדרה העדכנית ביותר של בית חכם, התייחסות למאפייני טכנולוגיית ZigBee, תכנון מערכת זו, הכוללת את כל המערכות הנדרשות לבית חכם (מערכת בקרה מרכזית לבית חכם, מערכת בקרת תאורה ביתית, מערכות אבטחה ביתיות), המבוססות על שילוב של מערכת חיווט ביתית, מערכת רשת ביתית, מערכת מוזיקת ​​רקע ומערכת בקרת סביבת משפחה. בהתבסס על גישה חכמה, כל המערכות הנדרשות מותקנות במלואן, ומערכת ביתית המותקנת בה לפחות מערכת אופציונלית מסוג אחד ומעלה יכולה להיקרא חכמה. לכן, מערכת זו יכולה להיקרא בית חכם.

1. תוכנית תכנון מערכת

המערכת מורכבת ממכשירים נשלטים ומתקני שלט רחוק בבית. ביניהם, המכשירים הנשלטים במשפחה כוללים בעיקר את המחשב שיכול לגשת לאינטרנט, מרכז הבקרה, צומת הניטור ובקר של מכשירי חשמל ביתיים שניתן להוסיף. מכשירי שלט רחוק מורכבים בעיקר ממחשבים מרוחקים וטלפונים ניידים.

הפונקציות העיקריות של המערכת הן: 1) גלישה בדף הראשי של דף האינטרנט, ניהול מידע רקע; 2) בקרת מתגים של מכשירי חשמל ביתיים פנימיים, אבטחה ותאורה דרך האינטרנט והטלפון הנייד; 3) זיהוי משתמש באמצעות מודול RFID, על מנת להשלים את בדיקת סטטוס האבטחה הפנימית, ובמקרה של גניבה באמצעות SMS; 4) הבקרה המקומית ותצוגת המצב של תאורת ומכשירי חשמל ביתיים פנימיים באמצעות תוכנת מערכת ניהול הבקרה המרכזית; 5) אחסון מידע אישי ואחסון סטטוס ציוד פנימי מתבצעים באמצעות מסד נתונים. נוח למשתמשים לבצע שאילתות על סטטוס הציוד הפנימי דרך מערכת הבקרה והניהול המרכזית.

2. תכנון חומרת המערכת

תכנון החומרה של המערכת כולל את תכנון מרכז הבקרה, צומת הניטור ואת התוספת האופציונלית של בקר מכשירי חשמל ביתיים (קחו לדוגמה את בקר המאוורר החשמלי).

2.1 מרכז הבקרה

הפונקציות העיקריות של מרכז הבקרה הן כדלקמן: 1) בניית רשת ZigBee אלחוטית, הוספת כל צמתי הניטור לרשת, וקבלת ציוד חדש; 2) זיהוי משתמש, המשתמש בבית או בחזרה דרך כרטיס המשתמש כדי להשיג מתג אבטחה פנימי; 3) כאשר פורץ לחדר, שליחת הודעה קצרה למשתמש כדי להפעיל אזעקה. משתמשים יכולים גם לשלוט באבטחה פנימית, תאורה ומכשירי חשמל ביתיים באמצעות הודעות קצרות; 4) כאשר המערכת פועלת באופן עצמאי, הצג את מצב המערכת הנוכחי, דבר שנוח למשתמשים לצפות בו; 5) אחסון מצב הציוד החשמלי ושליחתו למחשב כדי להפוך את המערכת למצב מקוון.

החומרה תומכת בגישה מרובה של Carrier sense/זיהוי התנגשויות (CSMA/CA). מתח ההפעלה של 2.0 ~ 3.6V תורם לצריכת חשמל נמוכה של המערכת. הגדר רשת ZigBee אלחוטית בתוך הבית על ידי חיבור למודול מתאם ZigBee במרכז הבקרה. וכל צמתי הניטור, שנבחרו כדי להוסיף את בקר מכשירי החשמל הביתיים כצומת הקצה ברשת, יצטרפו לרשת, על מנת לממש את בקרת רשת ZigBee האלחוטית של אבטחה פנימית ומכשירי חשמל ביתיים.

2.2 צמתי ניטור

תפקידי צומת הניטור הם כדלקמן: 1) זיהוי אותות גוף האדם, אזעקת קול ואור בעת פלישה של גנבים; 2) בקרת תאורה, מצב הבקרה מחולק לבקרה אוטומטית ובקרה ידנית, בקרה אוטומטית היא הדלקה/כיבוי של האור באופן אוטומטי בהתאם לעוצמת האור הפנימי, בקרת תאורה ידנית מתבצעת דרך מערכת הבקרה המרכזית, (3) מידע האזעקה ומידע אחר נשלח למרכז הבקרה, ומקבל פקודות בקרה ממרכז הבקרה כדי להשלים את בקרת הציוד.

מצב גילוי אינפרא אדום ומיקרוגל הוא הדרך הנפוצה ביותר לגילוי אותות בגוף האדם. גשש האינפרא אדום הפירואלקטרי הוא RE200B, והתקן ההגברה הוא BISS0001. ה-RE200B מופעל על ידי מתח של 3-10 וולט ויש לו אלמנט אינפרא אדום פירואלקטרי מובנה בעל רגישות כפולה. כאשר האלמנט מקבל אור אינפרא אדום, האפקט הפוטואלקטרי יתרחש בקטבים של כל אלמנט והמטען יצטבר. BISS0001 הוא מעגל משולב היברידי דיגיטלי-אנלוגי המורכב ממגבר תפעולי, משווה מתח, בקר מצב, טיימר זמן השהייה וטיימר זמן חסימה. יחד עם RE200B וכמה רכיבים, ניתן ליצור את מתג האינפרא אדום הפסיבי הפירואלקטרי. מודול Ant-g100 שימש לחיישן מיקרוגל, תדר המרכז היה 10 גיגה-הרץ, וזמן ההתקנה המרבי היה 6 מיקרו-שניות. בשילוב עם מודול האינפרא אדום הפירואלקטרי, ניתן להפחית ביעילות את שיעור השגיאה של גילוי המטרה.

מודול בקרת האור מורכב בעיקר מנגד רגיש לאור וממסר בקרת אור. חבר את הנגד הרגיש לאור בטור עם נגד מתכוונן של 10K ω, לאחר מכן חבר את הקצה השני של הנגד הרגיש לאור לאדמה, ואת הקצה השני של הנגד המתכוונן לרמה הגבוהה. ערך המתח של שתי נקודות חיבור ההתנגדות מתקבל באמצעות ממיר אנלוגי-לדיגיטלי SCM כדי לקבוע אם האור הנוכחי דולק. ניתן לכוונן את ההתנגדות המתכווננת על ידי המשתמש כדי לעמוד בעוצמת האור כאשר האור דולק. מתגי תאורת פנים נשלטים על ידי ממסרים. ניתן להשיג רק יציאת קלט/פלט אחת.

2.3 בחר את בקר מכשירי החשמל הביתיים שנוסף

בחרו להוסיף את בקרת מכשירי החשמל הביתיים בעיקר בהתאם לתפקוד המכשיר כדי להשיג בקרת מכשיר, כאן לדוגמה מאוורר חשמלי. בקרת מאווררים היא מרכז הבקרה, כאשר הוראות בקרת מאוורר מהמחשב יישלחו לבקר המאוורר החשמלי דרך רשת ZigBee. מספרי זיהוי של מכשירים שונים שונים זה מזה. לדוגמה, מספר זיהוי המאוורר בהסכם זה הוא 122, ומספר הזיהוי של טלוויזיה צבעונית ביתית הוא 123, ובכך מממשים את הזיהוי של מרכזי בקרה שונים של מכשירי חשמל ביתיים. עבור אותו קוד הוראות, מכשירי חשמל ביתיים שונים מבצעים פונקציות שונות. איור 4 מציג את הרכב מכשירי החשמל הביתיים שנבחרו להוספה.

3. תכנון תוכנת מערכת

תכנון תוכנת המערכת כולל בעיקר שישה חלקים, שהם תכנון דפי אינטרנט לשלט רחוק, תכנון מערכת ניהול בקרה מרכזית, תכנון תוכנית ATMegal28 לבקר הראשי של מרכז הבקרה, תכנון תוכנית מתאם CC2430, תכנון תוכנית צומת ניטור CC2430, ותכנון תוכנית בחירת התקן CC2430.

3.1 תכנון תוכנית קואורדינטור ZigBee

המתאם משלים תחילה את אתחול שכבת היישומים, מגדיר את מצב שכבת היישומים ואת מצב הקליטה למצב סרק, לאחר מכן מפעיל פסיקות גלובליות ומאתחל את יציאת הקלט/פלט. לאחר מכן המתאם מתחיל לבנות רשת אלחוטית כוכבית. בפרוטוקול, המתאם בוחר אוטומטית את פס התדרים 2.4 GHz, מספר הביטים המרבי לשנייה הוא 62,500, PANID ברירת המחדל הוא 0×1347, עומק המחסנית המרבי הוא 5, מספר הבייטים המרבי לשליחה הוא 93, וקצב הבאוד של היציאה הטורית הוא 57,600 ביט/שנייה. טיימר ה-SL0W מייצר 10 פסיקות לשנייה. לאחר יצירת רשת ZigBee בהצלחה, המתאם שולח את כתובתו ל-MCU של מרכז הבקרה. כאן, MCU של מרכז הבקרה מזהה את מתאם ה-ZigBee כחבר בצומת הניטור, וכתובתו המזוהה היא 0. התוכנית נכנסת ללולאה הראשית. ראשית, יש לקבוע האם יש נתונים חדשים שנשלחו על ידי צומת הקצה, אם יש, הנתונים מועברים ישירות ל-MCU של מרכז הבקרה; קבע האם ל-MCU של מרכז הבקרה נשלחו הוראות, אם כן, שלח את ההוראות לצומת הטרמינל ZigBee המתאים; בדוק האם האבטחה פתוחה, האם יש פורץ, אם כן, שלח את מידע האזעקה ל-MCU של מרכז הבקרה; בדוק האם האור במצב בקרה אוטומטי, אם כן, הפעל את ממיר אנלוגי-לדיגיטלי לצורך דגימה, ערך הדגימה הוא המפתח להדלקה או כיבוי האור, אם מצב האור משתנה, מידע המצב החדש מועבר למרכז הבקרה MC-U.

3.2 תכנות צומת טרמינל ZigBee

צומת מסוף ZigBee מתייחס לצומת ZigBee אלחוטי הנשלט על ידי מתאם ZigBee. במערכת, זהו בעיקר צומת הניטור ותוספת אופציונלית של בקר מכשירי חשמל ביתיים. אתחול צמתי מסוף ZigBee כולל גם אתחול שכבת היישומים, פתיחת פסיקות ואתחול פורטי קלט/פלט. לאחר מכן, נסו להצטרף לרשת ZigBee. חשוב לציין שרק צמתי קצה עם הגדרת מתאם ZigBee מורשים להצטרף לרשת. אם צומת מסוף ZigBee לא מצליח להצטרף לרשת, הוא ינסה שוב כל שתי שניות עד שיצטרף בהצלחה לרשת. לאחר ההצטרפות המוצלחת לרשת, צומת מסוף ZI-Gbee שולח את פרטי הרישום שלו למתאם ZigBee, אשר מעביר אותם לאחר מכן ל-MCU של מרכז הבקרה כדי להשלים את רישום צומת מסוף ZigBee. אם צומת מסוף ZigBee הוא צומת ניטור, הוא יכול לממש את השליטה בתאורה ובאבטחה. התוכנית דומה למתאם ה-ZigBee, פרט לכך שצומת הניטור צריך לשלוח נתונים למתאם ה-ZigBee, ולאחר מכן מתאם ה-ZigBee שולח נתונים ל-MCU של מרכז הבקרה. אם צומת הטרמינל של ה-ZigBee הוא בקר מאוורר חשמלי, הוא צריך רק לקבל את הנתונים של המחשב העליון מבלי להעלות את המצב, כך שניתן להשלים את הבקרה שלו ישירות בהפסקת קליטת הנתונים האלחוטיים. בהפסקת קליטת נתונים אלחוטיים, כל צמתי הטרמינל מתרגמים את הוראות הבקרה שהתקבלו לפרמטרי הבקרה של הצומת עצמו, ואינם מעבדים את הוראות הבקרה האלחוטיות שהתקבלו בתוכנית הראשית של הצומת.

4 ניפוי באגים מקוון

ההוראה הגוברת עבור קוד ההוראה של הציוד הקבוע המונפקת על ידי מערכת ניהול הבקרה המרכזית נשלחת ל-MCU של מרכז הבקרה דרך היציאה הטורית של המחשב, ולמתאם דרך ממשק דו-קוי, ולאחר מכן לצומת הטרמינל ZigBee על ידי המתאם. כאשר צומת הטרמינל מקבל את הנתונים, הנתונים נשלחים שוב למחשב דרך היציאה הטורית. במחשב זה, הנתונים המתקבלים על ידי צומת הטרמינל ZigBee מושווים לנתונים שנשלחו על ידי מרכז הבקרה. מערכת ניהול הבקרה המרכזית שולחת 2 הוראות בכל שנייה. לאחר 5 שעות של בדיקה, תוכנת הבדיקה עוצרת כאשר היא מראה שמספר החבילות הכולל שהתקבלו הוא 36,000 חבילות. תוצאות הבדיקה של תוכנת בדיקת העברת נתונים מרובת פרוטוקולים מוצגות באיור 6. מספר החבילות הנכונות הוא 36,000, מספר החבילות השגויות הוא 0, ושיעור הדיוק הוא 100%.

טכנולוגיית ZigBee משמשת למימוש רשת פנימית של בית חכם, הכוללת יתרונות של שליטה מרחוק נוחה, הוספה גמישה של ציוד חדש וביצועי בקרה אמינים. טכנולוגיית RFTD משמשת למימוש זיהוי משתמש ושיפור אבטחת המערכת. באמצעות גישה למודול GSM, ממומשות פונקציות שליטה מרחוק ואזעקה.