La casa intelligente è una casa intesa come piattaforma, che utilizza tecnologie di cablaggio integrato, comunicazione di rete, sicurezza, controllo automatico, audio e video per integrare le strutture relative alla vita domestica, programmare e costruire un sistema efficiente di gestione degli spazi abitativi e delle attività familiari, migliorando la sicurezza, la comodità, il comfort e l'estetica della casa, e realizzando un ambiente abitativo ecocompatibile e a risparmio energetico. Basandosi sulla più recente definizione di casa intelligente, e facendo riferimento alle caratteristiche della tecnologia ZigBee, la progettazione di questo sistema prevede l'inserimento di un sistema di casa intelligente (sistema di controllo centrale, sistema di controllo dell'illuminazione domestica, sistema di sicurezza domestica), sulla base del quale si integrano il sistema di cablaggio domestico, il sistema di rete domestica, il sistema di musica di sottofondo e il sistema di controllo dell'ambiente domestico. Affermando che si vive in modo intelligente, è sufficiente installare completamente tutti i sistemi necessari, e un sistema domestico che installi almeno un sistema opzionale può essere definito "casa intelligente". Pertanto, questo sistema può essere definito "casa intelligente".
1. Schema di progettazione del sistema
Il sistema è composto da dispositivi controllati e dispositivi di controllo remoto all'interno dell'abitazione. Tra questi, i dispositivi controllati in casa includono principalmente un computer con accesso a Internet, un centro di controllo, un nodo di monitoraggio e un controller per gli elettrodomestici, che può essere aggiunto in seguito. I dispositivi di controllo remoto sono costituiti principalmente da computer remoti e telefoni cellulari.
Le funzioni principali del sistema sono: 1) navigazione della pagina web principale e gestione delle informazioni di background; 2) controllo degli interruttori di elettrodomestici, sistemi di sicurezza e illuminazione interni tramite Internet e telefono cellulare; 3) identificazione dell'utente tramite modulo RFID, per attivare lo stato di sicurezza degli interni e, in caso di furto, inviare un allarme via SMS all'utente; 4) controllo locale e visualizzazione dello stato di illuminazione e degli elettrodomestici interni tramite il software del sistema di gestione centralizzato; 5) memorizzazione delle informazioni personali e dello stato delle apparecchiature interne tramite database. In questo modo, gli utenti possono consultare comodamente lo stato delle apparecchiature interne tramite il sistema di gestione centralizzato.
2. Progettazione dell'hardware di sistema
La progettazione hardware del sistema comprende la progettazione del centro di controllo, del nodo di monitoraggio e l'aggiunta opzionale del controller per elettrodomestici (si pensi, ad esempio, al controller per ventilatore elettrico).
2.1 Il Centro di Controllo
Le funzioni principali del centro di controllo sono le seguenti: 1) Creare una rete wireless ZigBee, aggiungere tutti i nodi di monitoraggio alla rete e gestire la ricezione di nuove apparecchiature; 2) Identificazione dell'utente: l'utente, sia a casa che fuori, può attivare o disattivare il sistema di sicurezza interno tramite la propria tessera; 3) In caso di intrusione, inviare un SMS di allarme all'utente. Gli utenti possono anche controllare la sicurezza interna, l'illuminazione e gli elettrodomestici tramite SMS; 4) Quando il sistema è in funzione, il display LCD mostra lo stato attuale del sistema, facilitandone la consultazione da parte dell'utente; 5) Memorizzare lo stato delle apparecchiature elettriche e inviarlo al PC per la gestione online del sistema.
L'hardware supporta l'accesso multiplo con rilevamento della portante/rilevamento delle collisioni (CSMA/CA). La tensione di funzionamento di 2,0 ~ 3,6 V contribuisce al basso consumo energetico del sistema. Configura una rete ZigBee wireless a stella all'interno collegandola al modulo coordinatore ZigBee nel centro di controllo. Tutti i nodi di monitoraggio selezionati, aggiungendo il controller degli elettrodomestici come nodo terminale alla rete, si uniscono alla rete, realizzando così il controllo wireless della sicurezza interna e degli elettrodomestici tramite rete ZigBee.
2.2 Nodi di monitoraggio
Le funzioni del nodo di monitoraggio sono le seguenti: 1) rilevamento del segnale del corpo umano, allarme sonoro e luminoso in caso di intrusione; 2) controllo dell'illuminazione, la modalità di controllo è divisa in controllo automatico e controllo manuale, il controllo automatico accende/spegne automaticamente la luce in base all'intensità della luce interna, il controllo manuale dell'illuminazione avviene tramite il sistema di controllo centrale; 3) le informazioni di allarme e altre informazioni vengono inviate al centro di controllo e il centro di controllo riceve i comandi di controllo per completare il controllo dell'apparecchiatura.
La modalità di rilevamento a infrarossi e microonde è la più comune per il rilevamento di segnali nel corpo umano. La sonda a infrarossi piroelettrica è la RE200B e il dispositivo di amplificazione è il BISS0001. La RE200B è alimentata da una tensione di 3-10 V e integra un elemento a infrarossi piroelettrico a doppia sensibilità. Quando l'elemento riceve luce infrarossa, si verifica un effetto fotoelettrico ai poli di ciascun elemento e la carica si accumula. Il BISS0001 è un circuito integrato analogico-digitale ibrido composto da un amplificatore operazionale, un comparatore di tensione, un controllore di stato, un timer di ritardo e un timer di blocco. Insieme alla RE200B e ad alcuni altri componenti, è possibile realizzare un interruttore a infrarossi piroelettrico passivo. Il modulo Ant-G100 è stato utilizzato come sensore a microonde, con una frequenza centrale di 10 GHz e un tempo di stabilizzazione massimo di 6 μs. In combinazione con il modulo a infrarossi piroelettrico, è possibile ridurre efficacemente il tasso di errore nel rilevamento del bersaglio.
Il modulo di controllo della luce è composto principalmente da una resistenza fotosensibile e un relè di controllo della luce. Collegare la resistenza fotosensibile in serie con una resistenza regolabile da 10 kΩ, quindi collegare l'altra estremità della resistenza fotosensibile a massa e l'altra estremità della resistenza regolabile al livello alto. Il valore di tensione dei due punti di connessione della resistenza viene ottenuto tramite un convertitore analogico-digitale SCM per determinare se la luce è accesa. La resistenza regolabile può essere regolata dall'utente per soddisfare l'intensità luminosa desiderata all'accensione della luce. Gli interruttori dell'illuminazione interna sono controllati da relè. È possibile ottenere una sola porta di ingresso/uscita.
2.3 Selezionare il controller per elettrodomestici aggiunto
La scelta di aggiungere il controllo degli elettrodomestici si basa principalmente sulla funzione del dispositivo, per realizzare il controllo del dispositivo stesso. In questo caso, prendiamo come esempio un ventilatore elettrico. Il controllo del ventilatore avviene tramite un'implementazione di rete ZigBee, in cui il centro di controllo invia le istruzioni di controllo al controller del ventilatore tramite PC. Ogni apparecchio ha un numero di identificazione diverso; ad esempio, secondo le disposizioni del presente accordo, il numero di identificazione del ventilatore è 122, mentre quello di un televisore a colori è 123. In questo modo, il centro di controllo riconosce i diversi elettrodomestici. A parità di codice di istruzione, elettrodomestici diversi svolgono funzioni diverse. La Figura 4 mostra la composizione degli elettrodomestici selezionati per l'aggiunta.
3. Progettazione del software di sistema
La progettazione del software di sistema comprende principalmente sei parti, ovvero la progettazione della pagina web di controllo remoto, la progettazione del sistema di gestione del controllo centrale, la progettazione del programma ATMegal28 per il controller principale del centro di controllo, la progettazione del programma del coordinatore CC2430, la progettazione del programma del nodo di monitoraggio CC2430 e la progettazione del programma di selezione e aggiunta dispositivi CC2430.
3.1 Progettazione del programma ZigBee Coordinator
Il coordinatore completa innanzitutto l'inizializzazione del livello applicativo, imposta lo stato del livello applicativo e lo stato di ricezione su inattivo, quindi attiva gli interrupt globali e inizializza la porta I/O. Il coordinatore inizia quindi a costruire una rete wireless a stella. Nel protocollo, il coordinatore seleziona automaticamente la banda a 2,4 GHz, il numero massimo di bit al secondo è 62.500, il PANID predefinito è 0×1347, la profondità massima dello stack è 5, il numero massimo di byte per invio è 93 e la velocità di trasmissione della porta seriale è 57.600 bit/s. Il TIMER SL0W genera 10 interrupt al secondo. Dopo che la rete ZigBee è stata stabilita con successo, il coordinatore invia il proprio indirizzo alla MCU del centro di controllo. Qui, la MCU del centro di controllo identifica il coordinatore ZigBee come membro del nodo di monitoraggio e il suo indirizzo identificato è 0. Il programma entra nel ciclo principale. Innanzitutto, determina se sono stati inviati nuovi dati dal nodo terminale; in tal caso, i dati vengono trasmessi direttamente alla MCU del centro di controllo; determina se la MCU del centro di controllo ha inviato istruzioni; in tal caso, invia le istruzioni al nodo terminale ZigBee corrispondente; verifica se la sicurezza è attiva, se è presente un intruso; in tal caso, invia le informazioni di allarme alla MCU del centro di controllo; verifica se la luce è in stato di controllo automatico; in tal caso, attiva il convertitore analogico-digitale per il campionamento; il valore campionato è il tasto per accendere o spegnere la luce; se lo stato della luce cambia, le nuove informazioni di stato vengono trasmesse alla MC-U del centro di controllo.
3.2 Programmazione del nodo terminale ZigBee
Il nodo terminale ZigBee si riferisce al nodo wireless ZigBee controllato dal coordinatore ZigBee. Nel sistema, funge principalmente da nodo di monitoraggio e, facoltativamente, da controller per elettrodomestici. L'inizializzazione dei nodi terminali ZigBee include anche l'inizializzazione del livello applicativo, l'apertura degli interrupt e l'inizializzazione delle porte I/O. Successivamente, tenta di connettersi alla rete ZigBee. È importante notare che solo i nodi finali con un coordinatore ZigBee configurato possono connettersi alla rete. Se il nodo terminale ZigBee non riesce a connettersi alla rete, riprova ogni due secondi finché non riesce a connettersi. Dopo essersi connesso correttamente alla rete, il nodo terminale ZigBee invia le proprie informazioni di registrazione al coordinatore ZigBee, che le inoltra alla MCU del centro di controllo per completare la registrazione del nodo terminale ZigBee. Se il nodo terminale ZigBee è un nodo di monitoraggio, può realizzare il controllo dell'illuminazione e della sicurezza. Il programma è simile al coordinatore ZigBee, con la differenza che il nodo di monitoraggio deve inviare i dati al coordinatore ZigBee, il quale a sua volta li invia alla MCU del centro di controllo. Se il nodo terminale ZigBee è un controller per ventilatore, deve solo ricevere i dati dal computer superiore senza caricarne lo stato, quindi il suo controllo può essere completato direttamente anche in caso di interruzione della ricezione dati wireless. In caso di interruzione della ricezione dati wireless, tutti i nodi terminali traducono le istruzioni di controllo ricevute nei parametri di controllo del nodo stesso, senza elaborare le istruzioni wireless ricevute nel programma principale del nodo.
4 Debug online
L'istruzione incrementale per il codice di istruzione dell'apparecchiatura fissa, emessa dal sistema di gestione del controllo centrale, viene inviata alla MCU del centro di controllo tramite la porta seriale del computer, al coordinatore tramite l'interfaccia a due linee e quindi al nodo terminale ZigBee dal coordinatore. Quando il nodo terminale riceve i dati, questi vengono nuovamente inviati al PC tramite la porta seriale. Su questo PC, i dati ricevuti dal nodo terminale ZigBee vengono confrontati con i dati inviati dal centro di controllo. Il sistema di gestione del controllo centrale invia 2 istruzioni al secondo. Dopo 5 ore di test, il software di test si arresta quando indica che il numero totale di pacchetti ricevuti è pari a 36.000. I risultati del test del software di test di trasmissione dati multiprotocollo sono mostrati nella Figura 6. Il numero di pacchetti corretti è 36.000, il numero di pacchetti errati è 0 e il tasso di accuratezza è del 100%.
La tecnologia ZigBee viene utilizzata per realizzare la rete interna della casa intelligente, che offre i vantaggi di un comodo controllo remoto, una flessibile aggiunta di nuove apparecchiature e prestazioni di controllo affidabili. La tecnologia RFTD viene utilizzata per realizzare l'identificazione dell'utente e migliorare la sicurezza del sistema. Tramite l'accesso al modulo GSM, vengono implementate le funzioni di controllo remoto e di allarme.
Data di pubblicazione: 6 gennaio 2022