スマートホームとは、住宅をプラットフォームとし、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用いて、家庭生活関連設備を統合し、効率的な居住設備および家庭事務管理システムを構築し、家庭のセキュリティ、利便性、快適性、芸術性を向上させ、環境保護と省エネルギーの生活環境を実現するものです。最新のスマートホームの定義に基づき、ZigBee技術の特性を参照し、このシステムを設計すると、スマートホームシステム（スマートホーム（中央）制御システム、家庭用照明制御システム、ホームセキュリティシステム）が必須となり、その上に家庭用配線システム、家庭用ネットワークシステム、BGMシステム、家庭環境制御システムが統合されます。インテリジェントな生活とは、必要なシステムをすべて完全にインストールした住宅システムのみを指し、少なくとも1種類以上のオプションシステムをインストールした住宅システムはインテリジェントな生活と呼ぶことができます。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. システム設計案
本システムは、家庭内の制御機器と遠隔制御機器で構成されています。家庭内の制御機器には、主にインターネット接続可能なコンピュータ、制御センター、監視ノード、および追加可能な家電製品のコントローラが含まれます。遠隔制御機器は、主にリモートコンピュータと携帯電話で構成されています。
本システムの主な機能は以下のとおりです。1) Webページのフロントページ閲覧、背景情報管理。2) インターネットと携帯電話を介した屋内家電、セキュリティ、照明のスイッチ制御。3) RFIDモジュールによるユーザー認証により屋内セキュリティ状態の切り替えを実現し、盗難発生時にはSMSアラームでユーザーに通知。4) 中央制御管理システムソフトウェアによる屋内照明および家電のローカル制御と状態表示。5) データベースを使用して個人情報と屋内機器の状態を保存。中央制御管理システムを通じて、ユーザーは屋内機器の状態を簡単に照会できます。
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、制御センター、監視ノードの設計、およびオプションで追加可能な家電コントローラー（扇風機コントローラーを例にとる）の設計が含まれる。
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次のとおりです。1) ワイヤレス 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て、新しい機器の受信を実現します。2) ユーザー認証を行い、ユーザーが自宅にいるか帰宅しているかをユーザーカードで確認して、屋内セキュリティスイッチを実現します。3) 侵入者が部屋に侵入した場合、ユーザーにショートメッセージを送信して警告します。ユーザーはショートメッセージを通じて屋内セキュリティ、照明、家電製品を制御することもできます。4) システムが単独で動作している場合、LCD に現在のシステム状態が表示され、ユーザーが確認しやすくなっています。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にします。
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。動作電圧は2.0～3.6Vで、システムの低消費電力化に貢献します。制御センターのZigBeeコーディネーターモジュールに接続して、屋内に無線ZigBeeスターネットワークを構築します。そして、選択されたすべての監視ノードは、ネットワークの端末ノードとして家電コントローラを追加してネットワークに参加し、屋内セキュリティと家電の無線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以下のとおりです。1) 人体信号検出、泥棒侵入時の音と光の警報。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、自動制御は室内照明の強度に応じて自動的に照明をオン/オフします。手動制御は中央制御システムを介して照明を制御します。3) 警報情報やその他の情報を制御センターに送信し、制御センターから制御コマンドを受信して機器の制御を完了します。
赤外線とマイクロ波を組み合わせた検出モードは、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、増幅デバイスはBISS0001です。RE200Bは3～10Vの電圧で動作し、焦電型デュアル感度赤外線素子を内蔵しています。素子が赤外線を照射すると、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、演算増幅器、電圧比較器、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です。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。
照明制御モジュールは、主に感光抵抗器と照明制御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方の端を接地し、可変抵抗器のもう一方の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定します。可変抵抗器は、ユーザーが調整して、照明が点灯した直後の光強度に合わせることができます。屋内照明スイッチはリレーによって制御されます。入出力ポートは1つしか実現できません。
2.3 追加した家電コントローラーを選択する
家電製品の制御を追加する際は、主に機器の機能に基づいて機器制御を実現することを選択し、ここでは扇風機を例にとります。扇風機の制御は、制御センターがZigBeeネットワークを介して扇風機コントローラにPCの扇風機制御命令を送信する方式です。機器の識別番号はそれぞれ異なり、例えば、本契約の扇風機の識別番号は122、国内カラーテレビの識別番号は123です。これにより、異なる家電製品の制御センターを認識できます。同じ命令コードでも、異なる家電製品は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の設計は主に6つの部分から構成されており、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、制御センターメインコントローラ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デバイス選択追加プログラム設計が含まれます。
3.1 ZigBeeコーディネータープログラムの設計
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、グローバル割り込みを有効にしてI/Oポートを初期化します。次に、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、コーディネータは自動的に2.4GHz帯域を選択し、1秒あたりの最大ビット数は62,500、デフォルトのPANIDは0×1347、最大スタック深度は5、1回の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タイマーは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、コーディネータは自身のアドレスを制御センターのMCUに送信します。ここで、制御センターの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、端末ノードから新しいデータが送信されたかどうかを判断し、送信された場合は、そのデータを制御センターのMCUに直接送信します。制御センターのMCUに命令が送信されたかどうかを判断し、送信された場合は、対応するZigBee端末ノードに命令を送信します。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、侵入者がいる場合は、アラーム情報を制御センターの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、自動制御状態にある場合は、アナログ-デジタル変換器をオンにしてサンプリングします。サンプリング値はライトのオン/オフを切り替えるためのキーであり、ライトの状態が変化すると、新しい状態情報が制御センターMC-Uに送信されます。
3.2 ZigBeeターミナルノードのプログラミング
ZigBee端末ノードとは、ZigBeeコーディネーター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することもできます。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、割り込みの有効化、I/Oポートの初期化も含まれます。その後、ZigBeeネットワークへの参加を試みます。ZigBeeコーディネーターが設定されているエンドノードのみ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が成功するまで2秒ごとに再試行します。ネットワークへの参加が成功すると、ZI-Gbee端末ノードは登録情報をZigBeeコーディネーターに送信し、コーディネーター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。このプログラムはZigBeeコーディネーターと似ていますが、監視ノードがZigBeeコーディネーターにデータを送信し、その後ZigBeeコーディネーターが制御センターの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の場合、上位コンピュータからのデータを受信するだけで状態をアップロードする必要がないため、無線データ受信の中断時にも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ノード自身の制御パラメータに変換し、ノードのメインプログラムで受信した無線命令を処理しません。
4. オンラインデバッグ
中央制御管理システムから発行された固定機器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ラインインターフェースを介してコーディネーターに送信され、その後、コーディネーターによって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端末ノードによって受信されたデータが、制御センターによって送信されたデータと比較されます。中央制御管理システムは毎秒2つの命令を送信します。5時間のテストの後、テストソフトウェアは、受信したパケットの総数が36,000パケットであることを示した時点で停止します。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。正しいパケット数は36,000、間違ったパケット数は0で、精度は100%です。
スマートホームの内部ネットワーク構築にはZigBee技術が採用されており、便利なリモートコントロール、柔軟な機器追加、信頼性の高い制御性能といった利点があります。また、ユーザー認証とシステムセキュリティの向上にはRFTD技術が用いられています。さらに、GSMモジュールを介してリモートコントロール機能とアラーム機能が実現されています。
投稿日時：2022年1月6日