El hogar inteligente es una casa como plataforma, que utiliza tecnología de cableado integrado, tecnología de comunicación de red, tecnología de seguridad, tecnología de control automático, tecnología de audio y video para integrar las instalaciones relacionadas con la vida doméstica, programar la construcción de instalaciones residenciales eficientes y un sistema de gestión de asuntos familiares, mejorando la seguridad, la comodidad, el confort y la estética del hogar, y logrando un entorno de vida ecológico y de ahorro de energía. Basado en la definición más reciente de hogar inteligente, y haciendo referencia a las características de la tecnología ZigBee, el diseño de este sistema contiene un sistema de hogar inteligente (sistema de control central del hogar inteligente, sistema de control de iluminación del hogar, sistemas de seguridad del hogar), sobre la base de la unión del sistema de cableado doméstico, el sistema de red doméstica, el sistema de música ambiental y el sistema de control del entorno familiar. Partiendo de la premisa de que se vive en un hogar inteligente, solo se instalan todos los sistemas necesarios por completo, y el sistema doméstico que instala al menos un sistema opcional de un tipo puede considerarse un hogar inteligente. Por lo tanto, este sistema puede denominarse hogar inteligente.
1. Esquema de diseño del sistema
El sistema se compone de dispositivos controlados y dispositivos de control remoto en el hogar. Entre ellos, los dispositivos controlados incluyen principalmente la computadora con acceso a internet, el centro de control, el nodo de monitoreo y el controlador de electrodomésticos que se pueden agregar. Los dispositivos de control remoto se componen principalmente de computadoras y teléfonos móviles.
Las funciones principales del sistema son: 1) la página principal de navegación web y la gestión de información de fondo; 2) el control de electrodomésticos, sistemas de seguridad e iluminación a través de Internet y el teléfono móvil; 3) la identificación del usuario mediante el módulo RFID, lo que permite cambiar el estado de seguridad interior y enviar una alarma por SMS en caso de robo; 4) el control local y la visualización del estado de la iluminación y los electrodomésticos mediante el software del sistema de gestión central; 5) el almacenamiento de información personal y del estado de los equipos interiores mediante una base de datos. Esto facilita a los usuarios la consulta del estado de los equipos interiores a través del sistema de gestión central.
2. Diseño del hardware del sistema
El diseño del hardware del sistema incluye el diseño del centro de control, el nodo de monitorización y la adición opcional del controlador de electrodomésticos (por ejemplo, el controlador del ventilador eléctrico).
2.1 El Centro de Control
Las funciones principales del centro de control son las siguientes: 1) Crear una red inalámbrica ZigBee, agregar todos los nodos de monitoreo a la red y permitir la recepción de nuevos equipos; 2) Identificación de usuario, el usuario en casa o de regreso a través de la tarjeta de usuario para lograr el interruptor de seguridad interior; 3) Cuando un ladrón entra en la habitación, envía un mensaje de texto al usuario para activar la alarma. Los usuarios también pueden controlar la seguridad interior, la iluminación y los electrodomésticos a través de mensajes de texto; 4) Cuando el sistema funciona de forma autónoma, la pantalla LCD muestra el estado actual del sistema, lo que facilita la visualización para los usuarios; 5) Almacena el estado de los equipos eléctricos y lo envía a la PC para que el sistema esté en línea.
El hardware admite acceso múltiple con detección de portadora/detección de colisiones (CSMA/CA). El voltaje de funcionamiento de 2,0 a 3,6 V contribuye a un bajo consumo de energía del sistema. Configure una red ZigBee inalámbrica en estrella en interiores conectándola al módulo coordinador ZigBee en el centro de control. Todos los nodos de monitoreo seleccionados agregarán el controlador de electrodomésticos como nodo terminal a la red para unirse a ella, de modo que se logre el control de red ZigBee inalámbrica para la seguridad interior y los electrodomésticos.
2.2 Monitoreo de nodos
Las funciones del nodo de monitoreo son las siguientes: 1) detección de señales de cuerpos humanos, alarma sonora y luminosa cuando hay intrusos; 2) control de iluminación, el modo de control se divide en control automático y control manual, el control automático enciende/apaga la luz automáticamente según la intensidad de la luz interior, el control manual de la iluminación se realiza a través del sistema de control central, (3) la información de alarma y otra información se envía al centro de control y recibe comandos de control del centro de control para completar el control del equipo.
El modo de detección por infrarrojos y microondas es el método más común para la detección de señales corporales. La sonda infrarroja piroeléctrica es la RE200B, y el dispositivo de amplificación es el BISS0001. La RE200B se alimenta con un voltaje de 3 a 10 V e incorpora un elemento infrarrojo piroeléctrico de doble sensibilidad. Al recibir luz infrarroja, se produce un efecto fotoeléctrico en los polos de cada elemento, acumulándose la carga. El BISS0001 es un circuito integrado híbrido digital-analógico compuesto por un amplificador operacional, un comparador de voltaje, un controlador de estado, un temporizador de retardo y un temporizador de bloqueo. Junto con la RE200B y algunos componentes, se puede formar un interruptor infrarrojo piroeléctrico pasivo. Se utilizó el módulo Ant-g100 como sensor de microondas, con una frecuencia central de 10 GHz y un tiempo máximo de establecimiento de 6 μs. En combinación con el módulo infrarrojo piroeléctrico, se reduce eficazmente la tasa de error en la detección del objetivo.
El módulo de control de iluminación se compone principalmente de una fotorresistencia y un relé de control de luz. Conecte la fotorresistencia en serie con una resistencia ajustable de 10 kΩ, conecte el otro extremo de la fotorresistencia a tierra y el otro extremo de la resistencia ajustable a un nivel alto. El valor de voltaje entre los dos puntos de conexión de la resistencia se obtiene mediante el convertidor analógico-digital SCM para determinar si la luz está encendida. La resistencia ajustable puede ser ajustada por el usuario para lograr la intensidad de luz deseada al encender la luz. Los interruptores de iluminación interior se controlan mediante relés. Solo se puede lograr un puerto de entrada/salida.
2.3 Seleccione el controlador de electrodomésticos añadido
Se optó por agregar el control de electrodomésticos principalmente según la función del dispositivo para lograr el control del mismo, aquí tomando como ejemplo un ventilador eléctrico. El control del ventilador se realiza desde el centro de control, donde la PC envía instrucciones de control al controlador del ventilador eléctrico a través de la implementación de la red ZigBee. El número de identificación de cada electrodoméstico es diferente; por ejemplo, en este acuerdo, el número de identificación del ventilador es 122, mientras que el número de identificación del televisor a color es 123, lo que permite el reconocimiento de los diferentes centros de control de electrodomésticos. Con el mismo código de instrucción, diferentes electrodomésticos realizan diferentes funciones. La Figura 4 muestra la composición de los electrodomésticos seleccionados para la adición.
3. Diseño de software de sistema
El diseño del software del sistema incluye principalmente seis partes: diseño de la página web de control remoto, diseño del sistema de gestión de control central, diseño del programa del controlador principal del centro de control ATMegal28, diseño del programa del coordinador CC2430, diseño del programa del nodo de monitorización CC2430 y diseño del programa de selección y adición de dispositivos CC2430.
3.1 Diseño del programa ZigBee Coordinator
El coordinador primero completa la inicialización de la capa de aplicación, establece el estado de la capa de aplicación y el estado de recepción en inactivo, luego activa las interrupciones globales e inicializa el puerto de E/S. A continuación, el coordinador comienza a construir una red inalámbrica en estrella. En el protocolo, el coordinador selecciona automáticamente la banda de 2,4 GHz, el número máximo de bits por segundo es 62 500, el PANID predeterminado es 0×1347, la profundidad máxima de pila es 5, el número máximo de bytes por envío es 93, y la velocidad de transmisión del puerto serie es 57 600 bit/s. El temporizador SL0W genera 10 interrupciones por segundo. Una vez establecida correctamente la red ZigBee, el coordinador envía su dirección al MCU del centro de control. Aquí, el MCU del centro de control identifica al coordinador ZigBee como un miembro del nodo de monitorización, y su dirección identificada es 0. El programa entra en el bucle principal. Primero, determine si el nodo terminal envía nuevos datos; si los hay, los datos se transmiten directamente al MCU del centro de control. Determine si el MCU del centro de control ha enviado instrucciones; si es así, envíe las instrucciones al nodo terminal ZigBee correspondiente. Determine si la seguridad está abierta y si hay un intruso; si es así, envíe la información de alarma al MCU del centro de control. Determine si la luz está en estado de control automático; si es así, encienda el convertidor analógico-digital para el muestreo; el valor de muestreo es la clave para encender o apagar la luz; si el estado de la luz cambia, la información del nuevo estado se transmite al MCU del centro de control.
3.2 Programación de nodos terminales ZigBee
El nodo terminal ZigBee se refiere al nodo inalámbrico ZigBee controlado por el coordinador ZigBee. En el sistema, funciona principalmente como nodo de monitorización y, opcionalmente, como controlador de electrodomésticos. La inicialización de los nodos terminales ZigBee incluye la inicialización de la capa de aplicación, la apertura de interrupciones y la inicialización de los puertos de E/S. A continuación, intenta unirse a la red ZigBee. Es importante destacar que solo los nodos finales con el coordinador ZigBee configurado pueden unirse a la red. Si el nodo terminal ZigBee no logra unirse a la red, lo intentará de nuevo cada dos segundos hasta que lo consiga. Tras unirse correctamente a la red, el nodo terminal ZI-Gbee envía su información de registro al coordinador ZigBee, que a su vez la reenvía al microcontrolador del centro de control para completar el registro del nodo terminal ZigBee. Si el nodo terminal ZigBee es un nodo de monitorización, puede controlar la iluminación y la seguridad. El programa es similar al coordinador ZigBee, con la diferencia de que el nodo de monitorización debe enviar datos al coordinador ZigBee, quien a su vez los envía al microcontrolador del centro de control. Si el nodo terminal ZigBee es un controlador de ventilador eléctrico, solo necesita recibir los datos del ordenador superior sin cargar el estado, por lo que su control puede completarse directamente durante la interrupción de la recepción de datos inalámbricos. En caso de interrupción de la recepción de datos inalámbricos, todos los nodos terminales traducen las instrucciones de control recibidas a los parámetros de control del propio nodo, sin procesarlas en el programa principal del nodo.
4. Depuración en línea
La instrucción de incremento para el código de instrucción del equipo fijo, emitida por el sistema central de gestión de control, se envía a la MCU del centro de control a través del puerto serie del ordenador, al coordinador mediante la interfaz de dos líneas y, posteriormente, al nodo terminal ZigBee. Cuando el nodo terminal recibe los datos, estos se envían de nuevo al PC a través del puerto serie. En este PC, los datos recibidos por el nodo terminal ZigBee se comparan con los datos enviados por el centro de control. El sistema central de gestión de control envía dos instrucciones por segundo. Tras cinco horas de prueba, el software de prueba se detiene al mostrar que el número total de paquetes recibidos es de 36 000. Los resultados de la prueba del software de prueba de transmisión de datos multiprotocolo se muestran en la Figura 6. El número de paquetes correctos es de 36 000, el número de paquetes incorrectos es de 0 y la tasa de precisión es del 100 %.
La tecnología ZigBee se utiliza para la interconexión interna del hogar inteligente, ofreciendo ventajas como un control remoto sencillo, la incorporación flexible de nuevos equipos y un rendimiento de control fiable. La tecnología RFID se emplea para la identificación de usuarios y la mejora de la seguridad del sistema. Mediante el acceso al módulo GSM, se habilitan las funciones de control remoto y alarma.
Fecha de publicación: 6 de enero de 2022