Uma casa inteligente é uma residência que funciona como uma plataforma, utilizando tecnologias integradas de cabeamento, comunicação em rede, segurança, controle automático, áudio e vídeo para integrar as instalações relacionadas à vida doméstica. O objetivo é construir um sistema eficiente de gestão residencial e de assuntos familiares, aprimorando a segurança, a conveniência, o conforto e a estética do lar, além de proporcionar um ambiente de vida ecologicamente correto e com economia de energia. Baseado na definição mais recente de casa inteligente, considerando as características da tecnologia ZigBee, o projeto deste sistema inclui um sistema essencial para casa inteligente (sistema de controle central da casa inteligente, sistema de controle de iluminação residencial, sistema de segurança residencial), além da integração com o sistema de cabeamento da residência, a rede doméstica, o sistema de música ambiente e o sistema de controle do ambiente familiar. Para que uma casa seja considerada inteligente, é necessário instalar todos os sistemas essenciais. A instalação de pelo menos um sistema opcional já caracteriza uma casa inteligente. Portanto, este sistema pode ser chamado de casa inteligente.
1. Esquema de Projeto do Sistema
O sistema é composto por dispositivos controlados e dispositivos de controle remoto na residência. Entre eles, os dispositivos controlados na residência incluem principalmente o computador com acesso à internet, a central de controle, o nó de monitoramento e os controladores de eletrodomésticos adicionais. Os dispositivos de controle remoto são compostos principalmente por computadores e telefones celulares.
As principais funções do sistema são: 1) navegação na página inicial da web e gerenciamento de informações de fundo; 2) controle de eletrodomésticos, sistemas de segurança e iluminação internos via internet e celular; 3) identificação do usuário por meio do módulo RFID, permitindo o acionamento do status de segurança interna e o envio de um alerta por SMS em caso de roubo; 4) controle local e exibição do status da iluminação e dos eletrodomésticos internos através do software do sistema de controle central; 5) armazenamento de informações pessoais e do status dos equipamentos internos em um banco de dados. Isso facilita a consulta do status dos equipamentos internos pelos usuários através do sistema de controle central.
2. Projeto de Hardware do Sistema
O projeto de hardware do sistema inclui o projeto do centro de controle, do nó de monitoramento e a adição opcional do controlador de eletrodomésticos (tomando como exemplo o controlador de ventilador elétrico).
2.1 O Centro de Controle
As principais funções da central de controle são as seguintes: 1) Criar uma rede sem fio ZigBee, adicionar todos os nós de monitoramento à rede e permitir a recepção de novos equipamentos; 2) Identificação do usuário: o usuário pode controlar a segurança interna através do cartão de acesso, verificando se está em casa ou ausente; 3) Enviar um SMS ao usuário quando um intruso invade o ambiente, alertando-o. Os usuários também podem controlar a segurança interna, a iluminação e os eletrodomésticos por meio de SMS; 4) Exibir o status atual do sistema no visor LCD, facilitando a visualização pelos usuários; 5) Armazenar o estado dos equipamentos elétricos e enviá-lo para o computador para manter o sistema online.
O hardware suporta acesso múltiplo por detecção de portadora/detecção de colisão (CSMA/CA). A tensão de operação de 2,0 a 3,6 V contribui para o baixo consumo de energia do sistema. Configure uma rede ZigBee em estrela sem fio em ambientes internos conectando-a ao módulo coordenador ZigBee no centro de controle. Em seguida, adicione o controlador de eletrodomésticos selecionado como nó terminal na rede para realizar o controle sem fio da segurança interna e dos eletrodomésticos via rede ZigBee.
2.2 Nós de Monitoramento
As funções do nó de monitoramento são as seguintes: 1) detecção de sinais corporais, alarme sonoro e luminoso em caso de invasão; 2) controle de iluminação, com modos de controle divididos em automático e manual. O controle automático liga/desliga a luz automaticamente de acordo com a intensidade da luz interna, enquanto o controle manual é realizado através do sistema de controle central; 3) envio de informações de alarme e outras informações para a central de controle, que recebe comandos para controlar os equipamentos.
O modo de detecção por infravermelho combinado com micro-ondas é o mais comum para a detecção de sinais do corpo humano. A sonda infravermelha piroelétrica utilizada é a RE200B, e o dispositivo de amplificação é o BISS0001. A RE200B é alimentada por uma tensão de 3 a 10 V e possui um elemento infravermelho piroelétrico de dupla sensibilidade integrado. Quando o elemento recebe luz infravermelha, o efeito fotoelétrico ocorre nos polos de cada elemento, acumulando carga. O BISS0001 é um circuito integrado híbrido digital-analógico composto por amplificador operacional, comparador de tensão, controlador de estado, temporizador de retardo e temporizador de bloqueio. Juntamente com a RE200B e alguns outros componentes, forma-se um interruptor infravermelho piroelétrico passivo. O módulo Ant-G100 foi utilizado como sensor de micro-ondas, com frequência central de 10 GHz e tempo máximo de estabelecimento de 6 μs. Combinado com o módulo infravermelho piroelétrico, a taxa de erro na detecção do alvo pode ser efetivamente reduzida.
O módulo de controle de iluminação é composto principalmente por um resistor fotossensível e um relé de controle de iluminação. Conecte o resistor fotossensível em série com o resistor ajustável de 10 kΩ, conecte a outra extremidade do resistor fotossensível ao terra e a outra extremidade do resistor ajustável ao nível alto. O valor da tensão entre os dois pontos de conexão do resistor é obtido através do conversor analógico-digital do módulo de controle (SCM) para determinar se a lâmpada está acesa. O resistor ajustável pode ser regulado pelo usuário para ajustar a intensidade da luz ao ligar a lâmpada. Os interruptores de iluminação interna são controlados por relés. Apenas uma porta de entrada/saída está disponível.
2.3 Selecione o Controlador de Eletrodomésticos Adicionado
A escolha de adicionar o controle de eletrodomésticos baseia-se principalmente na função do dispositivo, visando o controle do mesmo. Neste caso, tomaremos como exemplo um ventilador. O controle do ventilador será realizado pelo centro de controle, que enviará instruções de controle do PC para o controlador do ventilador através da rede ZigBee. Cada aparelho terá um número de identificação diferente; por exemplo, de acordo com as disposições deste contrato, o número de identificação do ventilador é 122, enquanto o da TV a cores é 123. Dessa forma, o centro de controle reconhece diferentes eletrodomésticos. Para o mesmo código de instrução, diferentes aparelhos executam funções diferentes. A Figura 4 mostra a composição dos eletrodomésticos selecionados para adição.
3. Projeto de software de sistema
O projeto do software do sistema inclui principalmente seis partes: projeto da página web de controle remoto, projeto do sistema de gerenciamento de controle central, projeto do programa do controlador principal do centro de controle ATMegal28, projeto do programa do coordenador CC2430, projeto do programa do nó de monitoramento CC2430 e projeto do programa de seleção e adição de dispositivos CC2430.
3.1 Projeto do programa ZigBee Coordinator
O coordenador primeiro completa a inicialização da camada de aplicação, define o estado da camada de aplicação e o estado de recepção como ocioso, em seguida, ativa as interrupções globais e inicializa a porta de E/S. O coordenador então inicia a construção de uma rede em estrela sem fio. No protocolo, o coordenador seleciona automaticamente a banda de 2,4 GHz, o número máximo de bits por segundo é 62.500, o PANID padrão é 0x1347, a profundidade máxima da pilha é 5, o número máximo de bytes por envio é 93 e a taxa de transmissão da porta serial é 57.600 bits/s. O TIMER SL0W gera 10 interrupções por segundo. Após o estabelecimento bem-sucedido da rede ZigBee, o coordenador envia seu endereço para o MCU do centro de controle. Aqui, o MCU do centro de controle identifica o Coordenador ZigBee como um membro do nó de monitoramento, e seu endereço identificado é 0. O programa entra no loop principal. Primeiro, determine se há novos dados enviados pelo nó terminal; em caso afirmativo, os dados são transmitidos diretamente para o MCU do centro de controle; determine se o MCU do centro de controle recebeu instruções; em caso afirmativo, envie as instruções para o nó terminal ZigBee correspondente; verifique se a segurança está aberta e se há um intruso; em caso afirmativo, envie a informação de alarme para o MCU do centro de controle; verifique se a luz está no estado de controle automático; em caso afirmativo, ligue o conversor analógico-digital para amostragem; o valor da amostragem é a chave para ligar ou desligar a luz; se o estado da luz mudar, a nova informação de estado é transmitida para o MCU do centro de controle.
3.2 Programação de nós terminais ZigBee
O nó terminal ZigBee refere-se ao nó sem fio ZigBee controlado pelo coordenador ZigBee. No sistema, ele funciona principalmente como um nó de monitoramento, podendo também ser adicionado, opcionalmente, como controlador de eletrodomésticos. A inicialização dos nós terminais ZigBee inclui a inicialização da camada de aplicação, a abertura de interrupções e a inicialização das portas de E/S. Em seguida, o nó tenta se conectar à rede ZigBee. É importante observar que apenas os nós terminais com um coordenador ZigBee configurado podem se conectar à rede. Se o nó terminal ZigBee não conseguir se conectar à rede, ele tentará novamente a cada dois segundos até que a conexão seja estabelecida com sucesso. Após a conexão bem-sucedida, o nó terminal ZigBee envia suas informações de registro para o coordenador ZigBee, que, por sua vez, as encaminha para o microcontrolador (MCU) do centro de controle para concluir o registro do nó terminal ZigBee. Se o nó terminal ZigBee for um nó de monitoramento, ele poderá controlar a iluminação e a segurança. O programa é semelhante ao coordenador ZigBee, exceto que o nó de monitoramento precisa enviar dados para o coordenador ZigBee, e este, por sua vez, envia os dados para o microcontrolador (MCU) do centro de controle. Se o nó terminal ZigBee for um controlador de ventilador, ele só precisa receber os dados do computador central, sem precisar enviar o estado, de modo que seu controle pode ser concluído diretamente durante a interrupção da recepção de dados sem fio. Durante a interrupção da recepção de dados sem fio, todos os nós terminais traduzem as instruções de controle recebidas em parâmetros de controle do próprio nó, sem processar as instruções sem fio recebidas no programa principal do nó.
4 Depuração online
A instrução crescente para o código de instrução do equipamento fixo, emitida pelo sistema central de gerenciamento de controle, é enviada ao MCU do centro de controle através da porta serial do computador e ao coordenador através da interface de duas linhas, sendo então enviada ao nó terminal ZigBee pelo coordenador. Quando o nó terminal recebe os dados, estes são enviados novamente ao PC através da porta serial. Neste PC, os dados recebidos pelo nó terminal ZigBee são comparados com os dados enviados pelo centro de controle. O sistema central de gerenciamento de controle envia 2 instruções por segundo. Após 5 horas de teste, o software de teste para quando indica que o número total de pacotes recebidos é de 36.000. Os resultados do teste de transmissão de dados multiprotocolo do software de teste são mostrados na Figura 6. O número de pacotes corretos é 36.000, o número de pacotes incorretos é 0 e a taxa de precisão é de 100%.
A tecnologia ZigBee é utilizada para realizar a interconexão interna da casa inteligente, oferecendo vantagens como controle remoto conveniente, flexibilidade na adição de novos equipamentos e desempenho de controle confiável. A tecnologia RFTD é utilizada para realizar a identificação do usuário e aprimorar a segurança do sistema. Através do módulo GSM, as funções de controle remoto e alarme são implementadas.
Data da publicação: 06/01/2022