Älykoti on alusta, jossa käytetään integroitua johdotustekniikkaa, verkkoviestintätekniikkaa, turvallisuustekniikkaa, automaattista ohjaustekniikkaa, ääni- ja videotekniikkaa kotitalouksien elämään liittyvien tilojen integroimiseksi, tehokkaiden asuintilojen ja perheasioiden hallintajärjestelmien rakentamiseksi, kodin turvallisuuden, mukavuuden, luovuuden parantamiseksi sekä ympäristönsuojelun ja energiansäästön toteuttamiseksi. Älykodin uusimman määritelmän mukaisesti ZigBee-teknologian ominaisuuksiin perustuvan järjestelmän suunnittelu sisältää älykotijärjestelmän (älykodin (keskus)ohjausjärjestelmä, kodin valaistuksen ohjausjärjestelmä, kodin turvajärjestelmät), joka yhdistää kodin johdotusjärjestelmän, kotiverkkojärjestelmän, taustamusiikkijärjestelmän ja perheympäristön ohjausjärjestelmän. Älykkyyden periaatteen mukaan kaikki tarvittavat järjestelmät on asennettu kokonaan, ja kodin järjestelmää, johon on asennettu vähintään yksi vaihtoehtoinen järjestelmä, voidaan kutsua älykkääksi. Siksi tätä järjestelmää voidaan kutsua älykodiksi.
1. Järjestelmän suunnittelukaavio
Järjestelmä koostuu kodin ohjattavista laitteista ja kaukosäätimistä. Näistä perheen ohjattaviin laitteisiin kuuluvat pääasiassa tietokone, jolla on internet-yhteys, ohjauskeskus, valvontayksikkö ja lisättävien kodinkoneiden ohjain. Kaukosäätimiä ovat pääasiassa etätietokoneet ja matkapuhelimet.
Järjestelmän päätoiminnot ovat: 1) verkkosivun etusivun selaaminen ja taustatietojen hallinta; 2) sisätilojen kodinkoneiden, turvallisuuden ja valaistuksen kytkimien ohjaus internetin ja matkapuhelimen kautta; 3) käyttäjän tunnistus RFID-moduulin avulla sisätilojen turvallisuustilan kytkimen suorittamiseksi varkauden varalta tekstiviestihälytyksen avulla käyttäjälle; 4) sisävalaistuksen ja kodinkoneiden paikallinen ohjaus ja tilan näyttö keskusohjausjärjestelmän ohjelmiston kautta; 5) henkilötietojen ja sisälaitteiden tilan tallennus tietokannan avulla. Käyttäjien on kätevää kysyä sisälaitteiden tilaa keskusohjaus- ja hallintajärjestelmän kautta.
2. Järjestelmän laitteistosuunnittelu
Järjestelmän laitteistosuunnittelu sisältää ohjauskeskuksen, valvontayksikön ja kodinkoneohjaimen valinnaisen lisäyksen (esimerkiksi sähkötuulettimen ohjaimen).
2.1 Ohjauskeskus
Ohjauskeskuksen päätoiminnot ovat seuraavat: 1) Langattoman ZigBee-verkon rakentaminen, kaikkien valvontayksiköiden lisääminen verkkoon ja uusien laitteiden vastaanoton toteuttaminen; 2) Käyttäjän tunnistaminen, kotona tai kotona olevan käyttäjän tunnistaminen käyttäjäkortin avulla sisäturvakytkimen toteuttamiseksi; 3) Kun murtovaras tunkeutuu huoneeseen, lyhytviestin lähettäminen käyttäjälle hälyttämistä varten. Käyttäjät voivat myös ohjata sisäturvallisuutta, valaistusta ja kodinkoneita lyhytviestien avulla; 4) Kun järjestelmä toimii yksin, LCD-näyttö näyttää järjestelmän nykyisen tilan, mikä on käyttäjien kannalta kätevää; 5) Sähkölaitteiden tilan tallentaminen ja lähettäminen tietokoneelle järjestelmän online-käyttöä varten.
Laitteisto tukee Carrier Sense -monikäyttöä/törmäyksen havaitsemista (CSMA/CA). Käyttöjännite 2,0–3,6 V edistää järjestelmän alhaista virrankulutusta. Voit muodostaa langattoman ZigBee-tähtiverkon sisätiloihin kytkemällä sen ohjauskeskuksen ZigBee-koordinaattorimoduuliin. Kaikki valvontasolmut on valittu lisäämään kodinkoneohjaimen verkon päätesolmuksi, jotta sisätilojen turvallisuus- ja kodinkoneiden langaton ZigBee-verkko-ohjaus on mahdollinen.
2.2 Valvontasolmut
Valvontayksikön toiminnot ovat seuraavat: 1) ihmiskehon signaalien havaitseminen, ääni- ja valohälytys varkaiden tunkeutuessa; 2) valaistuksen ohjaus, ohjaustila on jaettu automaattiseen ohjaukseen ja manuaaliseen ohjaukseen, automaattinen ohjaus kytkee valon päälle/pois automaattisesti sisävalaistuksen voimakkuuden mukaan, manuaalinen valaistuksen ohjaus tapahtuu keskusohjausjärjestelmän kautta, (3) hälytystiedot ja muut tiedot lähetetään ohjauskeskukseen ja vastaanotetaan ohjauskeskuksesta ohjauskomentoja laitteiden ohjauksen loppuun saattamiseksi.
Infrapuna- ja mikroaaltoilmaisutila on yleisin tapa havaita ihmiskehon signaalit. Pyroelektrinen infrapuna-anturi on RE200B ja vahvistinlaite on BISS0001. RE200B saa virtansa 3–10 V jännitteellä ja siinä on sisäänrakennettu pyroelektrinen kaksoisherkkä infrapunaelementti. Kun elementti vastaanottaa infrapunavaloa, kunkin elementin navoissa tapahtuu fotoelektrinen ilmiö ja varaus kertyy. BISS0001 on digitaali-analogi-hybridi-ASIC, joka koostuu operaatiovahvistimesta, jännitekomparaattorista, tilasäätimestä, viiveaika-ajastimesta ja estoaika-ajastimesta. Yhdessä RE200B:n ja muutamien komponenttien kanssa voidaan muodostaa passiivinen pyroelektrinen infrapunakytkin. Mikroaaltoanturina käytettiin Ant-g100-moduulia, jonka keskitaajuus oli 10 GHz ja suurin muodostumisaika 6 μs. Yhdessä pyroelektrisen infrapunamoduulin kanssa kohteen havaitsemisen virhesuhdetta voidaan tehokkaasti vähentää.
Valonohjausmoduuli koostuu pääasiassa valoherkästä vastuksesta ja valonohjausreleestä. Kytke valoherkkä vastus sarjaan säädettävän 10 K ω vastuksen kanssa, kytke sitten valoherkän vastuksen toinen pää maahan ja kytke säädettävän vastuksen toinen pää korkeaan tasoon. Kahden vastusliitäntäpisteen jännitearvo saadaan SCM-analogi-digitaalimuuntimen kautta, jotta voidaan määrittää, onko valo päällä. Käyttäjä voi säätää säädettävää vastusta vastaamaan valon voimakkuutta juuri kun valo on päällä. Sisävalaistuksen kytkimiä ohjataan releillä. Käytettävissä on vain yksi tulo-/lähtöportti.
2.3 Valitse lisätty kodinkoneohjain
Kodinkoneiden ohjaus kannattaa lisätä pääasiassa laitteen toiminnon mukaan, tässä esimerkkinä sähkötuuletin. Tuulettimen ohjaus on ohjauskeskus, joka lähettää tietokoneen tuulettimen ohjausohjeet sähkötuulettimen ohjaimelle ZigBee-verkon kautta. Eri laitteiden tunnistenumerot eroavat toisistaan. Esimerkiksi tämän sopimuksen määräysten mukainen tuulettimen tunnistenumero on 122 ja kotitalouksien väritelevision tunnistenumero 123, mikä mahdollistaa eri kodinkoneiden ohjauskeskusten tunnistamisen. Samalla käskykoodilla eri kodinkoneet suorittavat eri toimintoja. Kuva 4 näyttää lisättäväksi valittujen kodinkoneiden kokoonpanon.
3. Järjestelmäohjelmistojen suunnittelu
Järjestelmäohjelmistosuunnittelu koostuu pääasiassa kuudesta osasta: etäohjauksen verkkosivun suunnittelusta, keskusohjausjärjestelmän suunnittelusta, ohjauskeskuksen pääohjaimen ATMegal28-ohjelmasuunnittelusta, CC2430-koordinaattorin ohjelmasuunnittelusta, CC2430-valvontasolmun ohjelmasuunnittelusta ja CC2430-laitteen lisäämisen ohjelmasuunnittelusta.
3.1 ZigBee-koordinaattoriohjelman suunnittelu
Koordinaattori suorittaa ensin sovelluskerroksen alustuksen, asettaa sovelluskerroksen tilan ja vastaanottotilan lepotilaan, kytkee sitten globaalit keskeytykset päälle ja alustaa I/O-portin. Tämän jälkeen koordinaattori aloittaa langattoman tähtiverkon rakentamisen. Protokollassa koordinaattori valitsee automaattisesti 2,4 GHz:n kaistan, maksimibittimäärä sekunnissa on 62 500, oletus-PANID on 0×1347, maksimipinosyvyys on 5, maksimitavumäärä lähetystä kohden on 93 ja sarjaportin baudinopeus on 57 600 bittiä/s. SL0W TIMER tuottaa 10 keskeytystä sekunnissa. Kun ZigBee-verkko on muodostettu onnistuneesti, koordinaattori lähettää osoitteensa ohjauskeskuksen MCU:lle. Tässä ohjauskeskuksen MCU tunnistaa ZigBee-koordinaattorin valvontasolmun jäseneksi, ja sen tunnistettu osoite on 0. Ohjelma siirtyy pääsilmukkaan. Ensin tarkistetaan, onko päätesolmu lähettänyt uutta dataa. Jos on, data lähetetään suoraan ohjauskeskuksen MCU:lle. Määritä, onko ohjauskeskuksen MCU:lle lähetetty ohjeita, ja jos on, lähetä ohjeet vastaavalle ZigBee-päätelaitteelle; Arvioi, onko turvajärjestelmä auki ja onko paikalla murtovarkaa, ja jos on, lähetä hälytystiedot ohjauskeskuksen MCU:lle; Arvioi, onko valo automaattisessa ohjaustilassa. Jos on, kytke analogia-digitaalimuunnin päälle näytteenottoa varten. Näytteenottoarvo on avain valon kytkemiseen päälle tai pois päältä. Jos valon tila muuttuu, uuden tilan tiedot lähetetään ohjauskeskuksen MC-U:lle.
3.2 ZigBee-päätelaitteen ohjelmointi
ZigBee-päätelaite viittaa ZigBee-koordinaattorin ohjaamaan langattomaan ZigBee-solmuun. Järjestelmässä se toimii pääasiassa valvontalaitteena ja valinnaisena kodinkoneohjaimena. ZigBee-päätelaitteiden alustus sisältää myös sovelluskerroksen alustuksen, keskeytysten avaamisen ja I/O-porttien alustuksen. Yritä sitten liittyä ZigBee-verkkoon. On tärkeää huomata, että vain ZigBee-koordinaattorilla varustetut päätelaitteet voivat liittyä verkkoon. Jos ZigBee-päätelaite ei pysty liittymään verkkoon, se yrittää uudelleen kahden sekunnin välein, kunnes se liittyy verkkoon onnistuneesti. Verkkoon liittymisen jälkeen ZI-Gbee-päätelaite lähettää rekisteröintitietonsa ZigBee-koordinaattorille, joka sitten välittää ne ohjauskeskuksen MCU:lle ZigBee-päätelaitteen rekisteröinnin loppuun saattamiseksi. Jos ZigBee-päätelaite on valvontalaite, se voi toteuttaa valaistuksen ja turvallisuuden ohjauksen. Ohjelma on samanlainen kuin ZigBee-koordinaattori, paitsi että valvontalaitteen on lähetettävä tiedot ZigBee-koordinaattorille, ja sitten ZigBee-koordinaattori lähettää tiedot ohjauskeskuksen MCU:lle. Jos ZigBee-päätelaite on sähkötuulettimen ohjain, sen tarvitsee vain vastaanottaa ylemmän tietokoneen tiedot ilman tilan lataamista, joten sen ohjaus voidaan suorittaa suoraan langattoman tiedonsiirron keskeytyksen aikana. Langattoman tiedonsiirron keskeytyksen aikana kaikki päätelaitteet kääntävät vastaanotetut ohjauskäskyt omaksi ohjausparametrikseen eivätkä käsittele vastaanotettuja langattomia ohjeita solmun pääohjelmassa.
4 Online-virheenkorjaus
Keskusohjausjärjestelmän antama kiinteän laitteen käskykoodin kasvava käsky lähetetään ohjauskeskuksen MCU:lle tietokoneen sarjaportin kautta ja koordinaattorille kaksilinjaisen liitännän kautta ja sitten koordinaattorin toimesta ZigBee-päätelaitteelle. Kun päätelaite vastaanottaa datan, data lähetetään takaisin tietokoneelle sarjaportin kautta. Tällä tietokoneella ZigBee-päätelaitteen vastaanottamaa dataa verrataan ohjauskeskuksen lähettämään dataan. Keskusohjausjärjestelmä lähettää kaksi käskyä joka sekunti. Viiden tunnin testauksen jälkeen testausohjelmisto pysähtyy, kun se näyttää vastaanotettujen pakettien kokonaismääräksi 36 000 pakettia. Moniprotokollaisen tiedonsiirron testausohjelmiston testitulokset on esitetty kuvassa 6. Oikeiden pakettien määrä on 36 000, väärien pakettien määrä on 0 ja tarkkuusprosentti on 100 %.
ZigBee-teknologiaa käytetään älykodin sisäisen verkottumisen toteuttamiseen, minkä etuna on kätevä etäohjaus, uusien laitteiden joustava lisäys ja luotettava ohjaussuorituskyky. RFTD-teknologiaa käytetään käyttäjän tunnistamiseen ja järjestelmän turvallisuuden parantamiseen. GSM-moduulin kautta voidaan käyttää etäohjaus- ja hälytystoimintoja.
Julkaisun aika: 06.01.2022