스마트 홈은 주택을 플랫폼으로 삼아, 통합 배선 기술, 네트워크 통신 기술, 보안 기술, 자동 제어 기술, 오디오 및 비디오 기술을 활용하여 가정 생활 관련 시설을 통합하고, 효율적인 주거 시설 및 가족 관리 시스템을 구축하여 가정의 보안, 편의성, 쾌적함, 예술성을 향상시키고, 환경 보호 및 에너지 절약형 생활 환경을 실현하는 것입니다. 스마트 홈의 최신 정의에 따르면, 지그비(ZigBee) 기술의 특성을 고려하여, 이 시스템은 스마트 홈 시스템(스마트 홈(중앙) 제어 시스템, 가정 조명 제어 시스템, 가정 보안 시스템)을 포함하며, 이를 기반으로 가정 배선 시스템, 홈 네트워크 시스템, 배경 음악 시스템, 가정 환경 제어 시스템을 통합합니다. 스마트 홈이라는 전제 하에, 필요한 모든 시스템을 완벽하게 설치하고, 최소 한 가지 이상의 선택 사양 시스템을 설치한 가정 시스템만이 스마트 홈이라고 할 수 있습니다. 따라서 이 시스템은 지능형 홈이라고 할 수 있습니다.
1. 시스템 설계 계획
이 시스템은 가정 내 제어 장치와 원격 제어 장치로 구성됩니다. 그중 가정 내 제어 장치는 주로 인터넷 접속이 가능한 컴퓨터, 제어 센터, 모니터링 노드, 그리고 추가 가능한 가전제품 컨트롤러를 포함합니다. 원격 제어 장치는 주로 원격 컴퓨터와 휴대폰으로 구성됩니다.
시스템의 주요 기능은 다음과 같습니다. 1) 웹페이지 첫 페이지 탐색 및 배경 정보 관리; 2) 인터넷 및 휴대폰을 통한 실내 가전제품, 보안 및 조명 스위치 제어; 3) RFID 모듈을 통한 사용자 식별을 통해 실내 보안 상태 전환 완료, 도난 발생 시 사용자에게 SMS 알림; 4) 중앙 제어 관리 시스템 소프트웨어를 통해 실내 조명 및 가전제품의 현장 제어 및 상태 표시 완료; 5) 데이터베이스를 활용한 개인 정보 저장 및 실내 기기 상태 저장. 사용자는 중앙 제어 관리 시스템을 통해 실내 기기 상태를 편리하게 조회할 수 있습니다.
2. 시스템 하드웨어 설계
시스템의 하드웨어 설계에는 제어 센터 설계, 모니터링 노드, 가전제품 컨트롤러(예를 들어 전기 팬 컨트롤러)의 선택적 추가가 포함됩니다.
2.1 제어 센터
제어 센터의 주요 기능은 다음과 같습니다. 1) 무선 ZigBee 네트워크를 구축하고 모든 모니터링 노드를 네트워크에 연결하여 새로운 장비의 수신을 실현합니다. 2) 사용자 식별, 사용자 카드를 통해 집이나 집에 있는 사용자를 식별하여 실내 보안 스위치를 구현합니다. 3) 침입자가 실내에 침입하면 사용자에게 단문 메시지를 전송하여 경보를 발령합니다. 사용자는 단문 메시지를 통해 실내 보안, 조명, 가전제품을 제어할 수도 있습니다. 4) 시스템 단독 작동 시 LCD 화면에 현재 시스템 상태가 표시되어 사용자가 편리하게 확인할 수 있습니다. 5) 전기 장비의 상태를 저장하고 PC로 전송하여 시스템을 온라인으로 구현합니다.
하드웨어는 반송파 감지 다중 접속/충돌 감지(CSMA/CA)를 지원합니다. 2.0~3.6V의 작동 전압은 시스템의 저전력 소모에 도움이 됩니다. 제어 센터의 ZigBee 코디네이터 모듈에 연결하여 실내 무선 ZigBee 스타 네트워크를 구축합니다. 또한, 선택된 모든 모니터링 노드는 네트워크의 단말 노드로 가전제품 컨트롤러를 추가하여 네트워크에 연결함으로써 실내 보안 및 가전제품의 무선 ZigBee 네트워크 제어를 실현합니다.
2.2 모니터링 노드
감시 노드의 기능은 다음과 같습니다. 1) 인체 신호 감지, 도둑 침입 시 소리와 빛으로 경보; 2) 조명 제어, 제어 모드는 자동 제어와 수동 제어로 나뉩니다. 자동 제어는 실내 조명 세기에 따라 조명을 자동으로 켜거나 끄고, 수동 제어 조명 제어는 중앙 제어 시스템을 통해 이루어집니다. (3) 경보 정보 및 기타 정보를 제어 센터로 전송하고 제어 센터에서 제어 명령을 받아 장비 제어를 완료합니다.
적외선과 마이크로파 감지 모드는 인체 신호 감지에 가장 일반적인 방식입니다. 초전형 적외선 프로브는 RE200B이고 증폭 소자는 BISS0001입니다. RE200B는 3~10V 전압으로 구동되며 초전형 이중 감응형 적외선 소자가 내장되어 있습니다. 이 소자가 적외선을 받으면 각 소자의 극에서 광전 효과가 발생하여 전하가 축적됩니다. BISS0001은 연산 증폭기, 전압 비교기, 상태 제어기, 지연 시간 타이머, 차단 시간 타이머로 구성된 디지털-아날로그 하이브리드 ASIC입니다. RE200B와 몇 가지 구성 요소를 함께 사용하면 수동 초전형 적외선 스위치를 구성할 수 있습니다. 마이크로파 센서에는 Ant-g100 모듈이 사용되었으며, 중심 주파수는 10GHz, 최대 설정 시간은 6μs입니다. 초전형 적외선 모듈과 함께 사용하면 표적 감지 오류율을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
조명 제어 모듈은 주로 감광 저항과 조명 제어 릴레이로 구성됩니다. 감광 저항을 10KΩ 가변 저항과 직렬로 연결하고, 감광 저항의 다른 쪽 끝을 접지에 연결한 후, 가변 저항의 다른 쪽 끝을 하이 레벨에 연결합니다. 두 저항 연결점의 전압 값은 SCM 아날로그-디지털 변환기를 통해 얻어지며, 이를 통해 현재 조명이 켜져 있는지 확인할 수 있습니다. 가변 저항은 조명이 켜졌을 때의 조도에 맞춰 사용자가 조절할 수 있습니다. 실내 조명 스위치는 릴레이로 제어되며, 입출력 포트는 하나만 사용할 수 있습니다.
2.3 추가된 가전제품 컨트롤러 선택
가전제품 제어를 위해 주로 기기 기능에 따라 추가하도록 선택합니다. 여기서는 선풍기를 예로 들어 보겠습니다. 선풍기 제어는 제어 센터가 PC의 선풍기 제어 명령을 ZigBee 네트워크를 통해 선풍기 컨트롤러로 전송하는 방식입니다. 각 기기의 식별 번호는 서로 다릅니다. 예를 들어, 본 계약의 규정에 따라 선풍기 식별 번호는 122이고, 가정용 컬러 TV 식별 번호는 123입니다. 이를 통해 다양한 가전제품 제어 센터의 인식을 실현할 수 있습니다. 동일한 명령 코드에 대해 각 가전제품은 서로 다른 기능을 수행합니다. 그림 4는 추가 대상으로 선정된 가전제품의 구성을 보여줍니다.
3. 시스템 소프트웨어 설계
시스템 소프트웨어 설계는 주로 원격 제어 웹 페이지 설계, 중앙 제어 관리 시스템 설계, 제어 센터 메인 컨트롤러 ATMegal28 프로그램 설계, CC2430 코디네이터 프로그램 설계, CC2430 모니터링 노드 프로그램 설계, CC2430 선택 추가 장치 프로그램 설계의 6가지 부분으로 구성됩니다.
3.1 ZigBee Coordinator 프로그램 설계
코디네이터는 먼저 애플리케이션 계층 초기화를 완료하고 애플리케이션 계층 상태와 수신 상태를 유휴로 설정한 다음 글로벌 인터럽트를 켜고 I/O 포트를 초기화합니다.그런 다음 코디네이터는 무선 스타 네트워크 구축을 시작합니다.프로토콜에서 코디네이터는 자동으로 2.4GHz 대역을 선택하고, 초당 최대 비트 수는 62,500이고, 기본 PANID는 0x1347이고, 최대 스택 깊이는 5이고, 전송당 최대 바이트 수는 93이고, 직렬 포트 전송 속도는 57,600비트/초입니다.SL0W 타이머는 초당 10개의 인터럽트를 생성합니다.ZigBee 네트워크가 성공적으로 구축된 후 코디네이터는 제어 센터의 MCU로 주소를 전송합니다.여기서 제어 센터 MCU는 ZigBee 코디네이터를 모니터링 노드의 멤버로 식별하고 식별된 주소는 0입니다.프로그램은 메인 루프로 들어갑니다. 먼저, 터미널 노드에서 새로운 데이터가 전송되었는지 확인합니다. 전송된 데이터가 있는 경우 해당 데이터는 제어 센터의 MCU로 직접 전송됩니다. 제어 센터의 MCU에 전송된 명령이 있는지 확인합니다. 있는 경우 해당 ZigBee 터미널 노드로 명령을 전송합니다. 보안이 열려 있는지, 도둑이 있는지 판단하고 있는 경우 제어 센터의 MCU로 경보 정보를 전송합니다. 조명이 자동 제어 상태인지 판단하고 있는 경우 샘플링을 위해 아날로그-디지털 변환기를 켭니다. 샘플링 값은 조명을 켜거나 끄는 키입니다. 조명 상태가 변경되면 새로운 상태 정보가 제어 센터 MC-U로 전송됩니다.
3.2 ZigBee 터미널 노드 프로그래밍
ZigBee 단말 노드는 ZigBee 코디네이터가 제어하는 무선 ZigBee 노드를 의미합니다. 시스템에서는 주로 모니터링 노드이며, 선택적으로 가전제품 컨트롤러를 추가할 수 있습니다. ZigBee 단말 노드 초기화에는 애플리케이션 계층 초기화, 인터럽트 열기, I/O 포트 초기화가 포함됩니다. 그런 다음 ZigBee 네트워크에 가입을 시도합니다. ZigBee 코디네이터가 설정된 종단 노드만 네트워크에 가입할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. ZigBee 단말 노드가 네트워크 가입에 실패하면 네트워크에 가입할 때까지 2초마다 다시 시도합니다. 네트워크에 가입하면 ZI-Gbee 단말 노드는 등록 정보를 ZigBee 코디네이터로 전송하고, 코디네이터는 이를 제어 센터의 MCU로 전달하여 ZigBee 단말 노드의 등록을 완료합니다. ZigBee 단말 노드가 모니터링 노드인 경우 조명 및 보안 제어를 실현할 수 있습니다. 이 프로그램은 ZigBee 코디네이터와 유사하지만, 모니터링 노드가 ZigBee 코디네이터로 데이터를 전송하고, ZigBee 코디네이터가 제어 센터의 MCU로 데이터를 전송한다는 점이 다릅니다. ZigBee 단말 노드가 선풍기 컨트롤러인 경우, 상태 정보를 업로드하지 않고 상위 컴퓨터의 데이터만 수신하면 되므로 무선 데이터 수신 중단 시에도 제어가 직접 완료됩니다. 무선 데이터 수신 중단 시, 모든 단말 노드는 수신된 제어 명령을 노드 자체의 제어 매개변수로 변환하며, 노드의 메인 프로그램에서 수신된 무선 명령을 처리하지 않습니다.
4 온라인 디버깅
중앙 제어 관리 시스템에서 발행한 고정 장비의 명령 코드에 대한 증가 명령은 컴퓨터의 직렬 포트를 통해 제어 센터의 MCU로 전송되고, 2선 인터페이스를 통해 코디네이터로 전송된 다음 코디네이터를 통해 ZigBee 단말 노드로 전송됩니다. 단말 노드가 데이터를 수신하면 데이터는 다시 직렬 포트를 통해 PC로 전송됩니다. 이 PC에서 ZigBee 단말 노드가 수신한 데이터는 제어 센터에서 전송한 데이터와 비교됩니다. 중앙 제어 관리 시스템은 1초마다 2개의 명령을 전송합니다. 5시간의 테스트 후, 수신된 총 패킷 수가 36,000개라는 것을 표시하면 테스트 소프트웨어가 중지됩니다. 다중 프로토콜 데이터 전송 테스트 소프트웨어의 테스트 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 올바른 패킷 수는 36,000개이고, 잘못된 패킷 수는 0개이며, 정확도는 100%입니다.
ZigBee 기술은 스마트 홈의 내부 네트워킹을 구현하는 데 사용되며, 편리한 원격 제어, 신규 장비의 유연한 추가, 그리고 안정적인 제어 성능이라는 장점을 가지고 있습니다. RFTD 기술은 사용자 식별을 구현하고 시스템 보안을 강화합니다. GSM 모듈 접속을 통해 원격 제어 및 알람 기능을 구현합니다.
게시 시간: 2022년 1월 6일