스마트홈이란 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 가정 관리 시스템을 구축하여 주택의 안전, 편의성, 안락함, 예술적 감각을 향상시키고, 환경 보호 및 에너지 절약형 생활 환경을 실현하는 것입니다. 최신 스마트홈 정의와 ZigBee 기술의 특성을 고려하여 설계된 이 시스템은 필수적으로 스마트홈 시스템(스마트홈 (중앙) 제어 시스템, 가정용 조명 제어 시스템, 가정용 보안 시스템)을 포함하며, 여기에 가정용 배선 시스템, 홈 네트워크 시스템, 배경 음악 시스템, 가정 환경 제어 시스템을 통합합니다. 생활이 지능화되었다는 전제 하에, 모든 필수 시스템을 완벽하게 설치하거나, 최소 한 가지 이상의 선택 시스템을 설치한 가정만이 지능화된 생활이라고 할 수 있습니다. 따라서 이러한 시스템을 스마트홈이라고 부를 수 있습니다.
1. 시스템 설계 계획
이 시스템은 가정 내 제어 장치와 원격 제어 장치로 구성됩니다. 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.
이 시스템의 주요 기능은 다음과 같습니다. 1) 웹페이지 첫 화면 표시 및 백그라운드 정보 관리; 2) 인터넷과 휴대폰을 통해 실내 가전제품, 보안 시스템, 조명 제어; 3) RFID 모듈을 통한 사용자 식별 및 실내 보안 시스템 작동 상태 전환, 도난 발생 시 사용자에게 SMS 알람 전송; 4) 중앙 제어 관리 시스템 소프트웨어를 통해 실내 조명 및 가전제품의 개별 제어 및 상태 표시; 5) 데이터베이스를 활용하여 개인 정보 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, 모니터링 노드 설계 및 선택적으로 추가할 수 있는 가전제품 컨트롤러(예: 선풍기 컨트롤러)가 포함됩니다.
2.1 제어 센터
제어 센터의 주요 기능은 다음과 같습니다. 1) ZigBee 무선 네트워크를 구축하고 모든 모니터링 노드를 네트워크에 추가하여 새로운 장비의 연결을 수신합니다. 2) 사용자 식별 기능을 통해 사용자가 집에 있거나 집에 돌아왔을 때 사용자 카드를 이용하여 실내 보안 스위치를 작동시킬 수 있습니다. 3) 침입자가 방에 들어오면 사용자에게 문자 메시지를 전송하여 경보를 울립니다. 사용자는 문자 메시지를 통해 실내 보안, 조명 및 가전 제품을 제어할 수도 있습니다. 4) 시스템이 단독으로 작동 중일 때 LCD 화면에 현재 시스템 상태가 표시되어 사용자가 편리하게 확인할 수 있습니다. 5) 전기 장비의 상태를 저장하고 PC로 전송하여 시스템을 온라인으로 운영할 수 있습니다.
하드웨어는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)를 지원합니다. 2.0~3.6V의 작동 전압은 시스템의 저전력 소비에 유리합니다. 제어 센터의 ZigBee 코디네이터 모듈에 연결하여 실내 무선 ZigBee 스타 네트워크를 구축할 수 있습니다. 모든 모니터링 노드는 가전제품 컨트롤러를 단말 노드로 선택하여 네트워크에 연결하면 실내 보안 및 가전제품의 무선 ZigBee 네트워크 제어가 가능합니다.
2.2 모니터링 노드
모니터링 노드의 기능은 다음과 같습니다. 1) 인체 신호 감지, 침입 시 소리와 빛으로 경보 발생; 2) 조명 제어, 제어 모드는 자동 제어와 수동 제어로 구분되며, 자동 제어는 실내 조명의 강도에 따라 조명을 자동으로 켜거나 끄고, 수동 제어는 중앙 제어 시스템을 통해 조명을 제어합니다. 3) 경보 정보 및 기타 정보를 제어 센터로 전송하고, 제어 센터로부터 제어 명령을 수신하여 장비 제어를 완료합니다.
적외선과 마이크로파를 결합한 감지 방식은 인체 신호 감지에 가장 일반적인 방법입니다. 열전 적외선 프로브는 RE200B이고, 증폭 장치는 BISS0001입니다. RE200B는 3~10V 전압으로 작동하며, 내장된 열전 이중 감지 적외선 소자를 가지고 있습니다. 이 소자가 적외선을 받으면 각 소자의 극에서 광전 효과가 발생하여 전하가 축적됩니다. BISS0001은 연산 증폭기, 전압 비교기, 상태 제어기, 지연 시간 타이머 및 차단 시간 타이머로 구성된 디지털-아날로그 하이브리드 IC입니다. RE200B와 몇 가지 구성 요소를 함께 사용하여 수동 열전 적외선 스위치를 만들 수 있습니다. 마이크로파 센서로는 중심 주파수 10GHz, 최대 설정 시간 6μs인 Ant-g100 모듈을 사용했습니다. 열전 적외선 모듈과 결합하여 목표물 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 한쪽 끝은 접지에, 가변 저항의 다른 쪽 끝은 고전압에 연결합니다. 두 저항 연결 지점의 전압 값은 SCM 아날로그-디지털 변환기를 통해 얻어지며, 이를 통해 조명의 점등 여부를 판단합니다. 가변 저항은 사용자가 조명을 처음 켰을 때의 조도를 조절할 수 있도록 설계되었습니다. 실내 조명 스위치는 릴레이로 제어되며, 하나의 입출력 포트만 사용할 수 있습니다.
2.3 추가된 가전제품 컨트롤러를 선택합니다.
가전제품 제어는 주로 기기의 기능에 따라 추가하여 구현하며, 여기서는 선풍기를 예로 들어 설명합니다. 선풍기 제어는 제어 센터에서 PC로 선풍기 제어 명령을 전송하여 ZigBee 네트워크를 통해 구현됩니다. 각 기기의 식별 번호는 서로 다릅니다. 예를 들어, 본 계약에서는 선풍기의 식별 번호를 122로, 가정용 컬러 TV의 식별 번호를 123으로 지정하여 제어 센터에서 다양한 가전제품을 인식할 수 있도록 합니다. 동일한 명령 코드를 사용하더라도 각 가전제품은 서로 다른 기능을 수행합니다. 그림 4는 추가 제어 대상으로 선정된 가전제품 목록을 보여줍니다.
3. 시스템 소프트웨어 설계
시스템 소프트웨어 설계는 크게 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 장치 선택 추가 프로그램 설계 등 6개 부분으로 구성됩니다.
3.1 ZigBee 코디네이터 프로그램 설계
코디네이터는 먼저 애플리케이션 계층 초기화를 완료하고, 애플리케이션 계층 상태와 수신 상태를 유휴(idle)로 설정한 다음, 전역 인터럽트를 활성화하고 I/O 포트를 초기화합니다. 그런 다음 코디네이터는 무선 스타 네트워크 구축을 시작합니다. 프로토콜에서 코디네이터는 자동으로 2.4GHz 대역을 선택하고, 초당 최대 비트 수는 62,500비트, 기본 PANID는 0×1347, 최대 스택 깊이는 5, 전송당 최대 바이트 수는 93, 시리얼 포트 전송 속도는 57,600비트/초로 설정합니다. SL0W 타이머는 초당 10개의 인터럽트를 발생시킵니다. ZigBee 네트워크가 성공적으로 설정되면 코디네이터는 자신의 주소를 제어 센터의 MCU로 전송합니다. 이때 제어 센터의 MCU는 ZigBee 코디네이터를 모니터링 노드의 구성원으로 식별하고, 식별된 주소를 0으로 지정합니다. 이후 프로그램은 메인 루프로 진입합니다. 먼저, 단말 노드에서 새로운 데이터가 전송되었는지 확인하고, 전송되었다면 해당 데이터를 제어 센터의 MCU로 직접 전송합니다. 제어 센터의 MCU에 명령이 전송되었는지 확인하고, 전송되었다면 해당 ZigBee 단말 노드로 명령을 전송합니다. 보안이 유지되고 있는지, 침입자가 있는지 판단하고, 침입자가 있다면 경보 정보를 제어 센터의 MCU로 전송합니다. 조명이 자동 제어 상태인지 판단하고, 자동 제어 상태라면 아날로그-디지털 변환기를 작동시켜 샘플링합니다. 샘플링된 값은 조명을 켜거나 끄는 기준값이 됩니다. 조명 상태가 변경되면 새로운 상태 정보를 제어 센터의 MCU로 전송합니다.
3.2 ZigBee 터미널 노드 프로그래밍
ZigBee 단말 노드는 ZigBee 코디네이터에 의해 제어되는 무선 ZigBee 노드를 말합니다. 시스템에서 주로 모니터링 노드로 사용되며, 선택적으로 가전제품 제어 노드로도 활용될 수 있습니다. ZigBee 단말 노드의 초기화에는 애플리케이션 계층 초기화, 인터럽트 활성화, I/O 포트 초기화 등이 포함됩니다. 이후 ZigBee 네트워크 연결을 시도합니다. 중요한 점은 ZigBee 코디네이터가 설정된 단말 노드만 네트워크에 연결할 수 있다는 것입니다. ZigBee 단말 노드가 네트워크 연결에 실패하면 2초 간격으로 다시 시도하여 성공할 때까지 계속합니다. 네트워크 연결에 성공하면 ZigBee 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 시스템을 제어할 수 있습니다. 이 프로그램은 ZigBee 코디네이터와 유사하지만, 모니터링 노드가 ZigBee 코디네이터로 데이터를 전송해야 하고, ZigBee 코디네이터는 다시 제어 센터의 MCU로 데이터를 전송한다는 점이 다릅니다. ZigBee 단말 노드가 선풍기 컨트롤러인 경우, 상위 컴퓨터로부터 데이터만 수신하면 되고 상태 정보를 업로드할 필요가 없으므로 무선 데이터 수신이 중단되더라도 제어를 직접 수행할 수 있습니다. 무선 데이터 수신이 중단되면 모든 단말 노드는 수신된 제어 명령을 자체 제어 매개변수로 변환하고, 노드의 메인 프로그램에서 수신된 무선 명령을 처리하지 않습니다.
4. 온라인 디버깅
중앙 제어 관리 시스템에서 발행된 고정 장비의 명령어 코드에 대한 증가 명령어는 컴퓨터의 시리얼 포트를 통해 제어 센터의 MCU로 전송되고, 2선 인터페이스를 통해 코디네이터로 전송된 후, 코디네이터를 통해 ZigBee 단말 노드로 전송됩니다. 단말 노드가 데이터를 수신하면, 해당 데이터는 다시 시리얼 포트를 통해 PC로 전송됩니다. PC에서는 ZigBee 단말 노드에서 수신된 데이터와 제어 센터에서 전송된 데이터를 비교합니다. 중앙 제어 관리 시스템은 매초 2개의 명령어를 전송합니다. 5시간 동안 테스트를 진행한 후, 테스트 소프트웨어는 수신된 패킷의 총 개수가 36,000개에 도달하면 테스트를 중지합니다. 다중 프로토콜 데이터 전송 테스트 소프트웨어의 테스트 결과는 그림 6에 나타나 있습니다. 수신된 패킷 수는 36,000개, 오류 패킷 수는 0개로, 정확도는 100%입니다.
ZigBee 기술은 스마트 홈의 내부 네트워크 구축에 사용되어 편리한 원격 제어, 유연한 장비 추가, 안정적인 제어 성능 등의 장점을 제공합니다. RFTD 기술은 사용자 식별 및 시스템 보안 강화에 사용됩니다. GSM 모듈을 통해 원격 제어 및 경보 기능을 구현할 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 1월 6일