スマートホームとは、住宅をプラットフォームとして、統合配線技術、ネットワーク通信技術、セキュリティ技術、自動制御技術、オーディオおよびビデオ技術を使用して、家庭生活関連施設を統合し、効率的な住宅施設と家庭事務管理システムを構築し、ホームセキュリティ、利便性、快適性、芸術性を向上させ、環境保護と省エネの生活環境を実現することです。 最新のスマートホームの定義に基づき、ZigBee技術の特徴を参考に、このシステムを設計し、必要なスマートホームシステム（スマートホーム（セントラル）制御システム、ホーム照明制御システム、ホームセキュリティシステム）を含み、その上にホーム配線システム、ホームネットワークシステム、BGMシステム、および家庭環境制御システムを結合します。 インテリジェントな生活という肯定に基づき、必要なすべてのシステムを完全にインストールし、少なくとも1種類のオプションシステムをインストールしたホームシステムで、インテリジェントな生活を送ることができます。したがって、このシステムはインテリジェントホームと呼ぶことができます。
1. システム設計スキーム
このシステムは、家庭内の被制御機器とリモコン機器で構成されています。このうち、家庭内の被制御機器には、主にインターネットにアクセスできるパソコン、コントロールセンター、監視ノード、そして追加可能な家電製品のコントローラーが含まれます。リモコン機器は、主にリモートパソコンと携帯電話で構成されています。
システムの主な機能は、1) ウェブページのフロントページ閲覧、背景情報管理、2) インターネットや携帯電話を介して、室内家電、セキュリティ機器、照明のスイッチ制御を実現する、3) RFIDモジュールを介してユーザー識別を実現し、室内セキュリティステータスのスイッチ操作を完了し、盗難時にはSMSでユーザーに警報を通知する、4) 中央制御管理システムソフトウェアを介して、室内照明および家電製品のローカル制御とステータス表示を実現する、5) データベースを用いて個人情報と室内機器の状態を保存する。ユーザーは、中央制御管理システムを介して室内機器の状態を照会することができる。
2. システムハードウェア設計
システムのハードウェア設計には、コントロール センター、監視ノード、および家電コントローラ (扇風機コントローラを例に挙げます) のオプションの追加の設計が含まれます。
2.1 コントロールセンター
コントロールセンターの主な機能は以下のとおりです。1) 無線ZigBeeネットワークを構築し、すべての監視ノードをネットワークに追加し、新しい機器の受信を実現します。2) ユーザー識別、ユーザーはユーザーカードを介して在宅または帰宅時に室内セキュリティスイッチを実現します。3) 侵入者が室内に侵入した場合、ユーザーにショートメッセージを送信して警報を発します。ユーザーはショートメッセージを通じて室内セキュリティ、照明、家電製品を制御することもできます。4) システムが単独で稼働している場合、LCDに現在のシステム状態が表示され、ユーザーが簡単に確認できます。5) 電気機器の状態を保存し、PCに送信してシステムをオンライン化します。
ハードウェアはキャリアセンス多重アクセス/衝突検出（CSMA/CA）をサポートしています。2.0～3.6Vの動作電圧は、システムの低消費電力化に貢献します。コントロールセンターのZigBeeコーディネーターモジュールに接続することで、屋内にワイヤレスZigBeeスターネットワークを構築できます。そして、選択されたすべての監視ノード、特に家電コントローラーをネットワークの末端ノードとしてネットワークに追加することで、屋内セキュリティと家電製品のワイヤレスZigBeeネットワーク制御を実現します。
2.2 監視ノード
監視ノードの機能は次のとおりです：1）人体信号検知、侵入者の侵入時に音と光で警報を発する。2）照明制御。制御モードは自動制御と手動制御に分かれており、自動制御は室内の光の強さに応じて自動的にライトをオン/オフし、手動制御の照明制御は中央制御システムを介して行われ、（3）警報情報などの情報が制御センターに送信され、制御センターから制御コマンドを受信して設備制御を完了します。
赤外線とマイクロ波の併用検出モードは、人体信号検出において最も一般的な方法です。焦電型赤外線プローブはRE200B、増幅装置はBISS0001です。RE200Bは3～10Vの電圧で駆動し、焦電型デュアルセンシティブ赤外線素子を内蔵しています。素子が赤外線を受信すると、各素子の極で光電効果が発生し、電荷が蓄積されます。BISS0001は、オペアンプ、電圧コンパレータ、状態コントローラ、遅延時間タイマー、ブロッキング時間タイマーで構成されるデジタルアナログハイブリッドASICです。RE200Bといくつかの部品を組み合わせることで、受動型焦電型赤外線スイッチを構成できます。マイクロ波センサーにはAnt-g100モジュールを使用し、中心周波数は10GHz、最大確立時間は6μsでした。焦電型赤外線モジュールと組み合わせることで、ターゲット検出のエラー率を効果的に低減できます。
調光モジュールは、主に感光抵抗器と調光リレーで構成されています。感光抵抗器を10KΩの可変抵抗器と直列に接続し、感光抵抗器のもう一端をグランドに接続し、可変抵抗器のもう一端をハイレベルに接続します。2つの抵抗接続点の電圧値は、SCMアナログ-デジタルコンバータを介して取得され、現在の照明が点灯しているかどうかを判断します。可変抵抗器は、照明が点灯した直後の光量に合わせてユーザーが調整できます。室内照明スイッチはリレーによって制御され、1つの入出力ポートのみを実現できます。
2.3 追加した家電コントローラを選択する
家電製品の制御を追加する際は、主に機器の機能に応じて制御を選択します。ここでは扇風機を例に挙げます。扇風機制御は、制御センターがPCのファン制御命令をZigBeeネットワーク実装を介して扇風機コントローラーに送信することで実現します。機器ごとに識別番号が異なります。例えば、本契約の扇風機識別番号は122ですが、家庭用カラーテレビの識別番号は123です。これにより、家電製品制御センターがそれぞれ異なる識別番号を持つようにすることができます。同じ命令コードでも、家電製品ごとに異なる機能を実行します。図4は、追加対象として選択された家電製品の構成を示しています。
3. システムソフトウェア設計
システム ソフトウェア設計は、主に、リモート コントロール Web ページ設計、中央制御管理システム設計、コントロール センター メイン コントローラー ATMegal28 プログラム設計、CC2430 コーディネーター プログラム設計、CC2430 監視ノード プログラム設計、CC2430 選択追加デバイス プログラム設計の 6 つの部分で構成されます。
3.1 ZigBeeコーディネータープログラム設計
コーディネータは、まずアプリケーション層の初期化を完了し、アプリケーション層の状態と受信状態をアイドルに設定してから、グローバル割り込みをオンにして、I/O ポートを初期化します。 その後、コーディネータはワイヤレス スター ネットワークの構築を開始します。 プロトコルでは、コーディネータは 2.4 GHz 帯域を自動的に選択し、最大ビット数は 62,500 ビット/秒、デフォルトの PANID は 0×1347、最大スタック深度は 5、送信あたりの最大バイト数は 93、シリアル ポートのボー レートは 57,600 ビット/秒です。 SL0W TIMER は、1 秒あたり 10 回の割り込みを生成します。 ZigBee ネットワークが正常に確立されると、コーディネータはそのアドレスをコントロール センターの MCU に送信します。 ここで、コントロール センター MCU は、ZigBee コーディネータを監視ノードのメンバーとして識別し、その識別されたアドレスは 0 です。 プログラムはメイン ループに入ります。まず、端末ノードから送信された新しいデータがあるかどうかを判断し、ある場合は、データを直接コントロールセンターの MCU に送信します。コントロールセンターの MCU に送信された命令があるかどうかを判断し、ある場合は、命令を対応する ZigBee 端末ノードに送信します。セキュリティが開いているかどうか、侵入者がいるかどうかを判断し、ある場合は、アラーム情報をコントロールセンターの MCU に送信します。ライトが自動制御状態にあるかどうかを判断し、ある場合は、サンプリングのためにアナログ/デジタル コンバータをオンにします。サンプリング値は、ライトをオンまたはオフにするキーです。ライトの状態が変化すると、新しい状態情報がコントロールセンターの MC-U に送信されます。
3.2 ZigBeeターミナルノードプログラミング
ZigBee端末ノードとは、ZigBeeコーディネータによって制御される無線ZigBeeノードを指します。システムでは、主に監視ノードであり、オプションで家電コントローラを追加します。ZigBee端末ノードの初期化には、アプリケーション層の初期化、割り込みの開始、I/Oポートの初期化も含まれます。次に、ZigBeeネットワークへの参加を試みます。ZigBeeコーディネータが設定されているエンドノードだけがネットワークに参加できることに注意することが重要です。ZigBee端末ノードがネットワークへの参加に失敗した場合、ネットワークへの参加に成功するまで2秒ごとに再試行します。ネットワークへの参加に成功した後、ZI-Gbee端末ノードはその登録情報をZigBeeコーディネータに送信し、ZigBeeコーディネータはそれを制御センターのMCUに転送して、ZigBee端末ノードの登録を完了します。ZigBee端末ノードが監視ノードである場合、照明やセキュリティの制御を実現できます。プログラムはZigBeeコーディネータと似ていますが、監視ノードがZigBeeコーディネータにデータを送信し、ZigBeeコーディネータが制御センターのMCUにデータを送信する点が異なります。ZigBee端末ノードが扇風機コントローラーの場合、状態をアップロードすることなく上位コンピューターのデータを受信するだけでよいため、無線データ受信の中断時に制御を直接完了できます。無線データ受信の中断時には、すべての端末ノードは受信した制御命令を自身の制御パラメータに変換し、受信した無線命令をノードのメインプログラムで処理しません。
4 オンラインデバッグ
中央制御管理システムが発行した固定設備の命令コードの増加命令は、コンピュータのシリアルポートを介して制御センターのMCUに送信され、2線式インターフェースを介してコーディネータに送信され、コーディネータによってZigBee端末ノードに送信されます。 端末ノードがデータを受信すると、データは再びシリアルポートを介してPCに送信されます。 このPCでは、ZigBee端末ノードが受信したデータと、制御センターから送信されたデータを比較します。 中央制御管理システムは、1秒ごとに2つの命令を送信します。 5時間のテスト後、受信したパケットの総数が36,000パケットであると表示されたら、テストソフトウェアは停止します。 マルチプロトコルデータ伝送テストソフトウェアのテスト結果を図6に示します。正しいパケットの数は36,000、間違ったパケットの数は0、精度率は100％です。
ZigBee技術はスマートホームの内部ネットワーク化に活用され、リモートコントロールの利便性、機器の柔軟な追加、信頼性の高い制御性能といった利点を備えています。RFTD技術はユーザー識別とシステムセキュリティの向上に活用され、GSMモジュールへのアクセスを通じてリモートコントロールとアラーム機能を実現します。
投稿日時: 2022年1月6日