كيفية تصميم منزل ذكي يعتمد على ZigBee؟

المنزل الذكي هو منصة متكاملة تجمع بين تقنيات الأسلاك المتكاملة، وشبكات الاتصالات، والأمن، والتحكم الآلي، والصوت والفيديو، لدمج مرافق الحياة المنزلية، وبناء مرافق سكنية فعّالة، ونظام إدارة شؤون الأسرة، وتحسين أمن المنزل، وراحته، وإتقانه، وتحقيق بيئة معيشية صديقة للبيئة وموفرة للطاقة. واستنادًا إلى أحدث تعريف للمنزل الذكي، وبالرجوع إلى خصائص تقنية زيجبي، وتصميم هذا النظام، فإن المتطلبات الأساسية للمنزل الذكي (نظام تحكم مركزي للمنزل الذكي، ونظام تحكم في الإضاءة المنزلية، وأنظمة أمن المنزل)، تعتمد على ربط أنظمة الأسلاك المنزلية، والشبكة المنزلية، ونظام الموسيقى الخلفية، ونظام التحكم في بيئة الأسرة. وانطلاقًا من مبدأ "العيش بذكاء"، يتم تركيب جميع الأنظمة الضرورية فقط، ويمكن للنظام المنزلي الذي يحتوي على نظام اختياري واحد أو أكثر أن يُطلق عليه اسم "العيش بذكاء". ولذلك، يُمكن تسمية هذا النظام بالمنزل الذكي.

1. مخطط تصميم النظام

يتألف النظام من أجهزة تحكم وأجهزة تحكم عن بُعد في المنزل. من بين هذه الأجهزة، تشمل أجهزة التحكم المنزلية بشكل رئيسي جهاز الكمبيوتر المتصل بالإنترنت، ومركز التحكم، ووحدة المراقبة، ووحدة التحكم في الأجهزة المنزلية التي يمكن إضافتها. تتكون أجهزة التحكم عن بُعد بشكل رئيسي من أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة.

الوظائف الرئيسية للنظام هي: 1) تصفح الصفحة الأولى لصفحة الويب وإدارة المعلومات الأساسية؛ 2) تحقيق التحكم في مفاتيح الأجهزة المنزلية الداخلية والأمن والإضاءة عبر الإنترنت والهاتف المحمول؛ 3) من خلال وحدة RFID لتحقيق هوية المستخدم، وذلك لإكمال مفتاح حالة الأمن الداخلي، في حالة السرقة من خلال إنذار الرسائل القصيرة للمستخدم؛ 4) من خلال برنامج نظام إدارة التحكم المركزي لإكمال التحكم المحلي وعرض حالة الإضاءة الداخلية والأجهزة المنزلية؛ 5) يتم إكمال تخزين المعلومات الشخصية وتخزين حالة المعدات الداخلية باستخدام قاعدة البيانات. من الملائم للمستخدمين الاستعلام عن حالة المعدات الداخلية من خلال نظام التحكم والإدارة المركزي.

2. تصميم أجهزة النظام

يتضمن تصميم الأجهزة للنظام تصميم مركز التحكم وعقدة المراقبة والإضافة الاختيارية لوحدة التحكم في الأجهزة المنزلية (خذ وحدة التحكم في المروحة الكهربائية كمثال).

2.1 مركز التحكم

الوظائف الرئيسية لمركز التحكم هي كما يلي: 1) بناء شبكة زيجبي لاسلكية، وإضافة جميع عقد المراقبة إلى الشبكة، واستقبال المعدات الجديدة؛ 2) تحديد هوية المستخدم، سواءً كان في المنزل أو خارجه، من خلال بطاقة المستخدم لتحقيق مفتاح أمان داخلي؛ 3) عند دخول لص إلى الغرفة، يُرسل رسالة قصيرة إلى المستخدم لإطلاق الإنذار. يمكن للمستخدمين أيضًا التحكم في الأمان الداخلي والإضاءة والأجهزة المنزلية من خلال الرسائل القصيرة؛ 4) عند تشغيل النظام بمفرده، تعرض شاشة LCD حالة النظام الحالية، مما يسهل على المستخدمين الاطلاع عليها؛ 5) تخزين حالة المعدات الكهربائية وإرسالها إلى جهاز الكمبيوتر لتشغيل النظام عبر الإنترنت.

يدعم الجهاز تقنية استشعار الناقل للكشف عن الوصول المتعدد/التصادم (CSMA/CA). جهد التشغيل الذي يتراوح بين 2.0 و3.6 فولت يُسهم في خفض استهلاك النظام للطاقة. يُمكنك إعداد شبكة زيجبي لاسلكية نجمية داخل المنزل بالاتصال بوحدة منسق زيجبي في مركز التحكم. جميع عُقد المراقبة، المُختارة لإضافة وحدة تحكم الأجهزة المنزلية كعُقدة طرفية في الشبكة، تُمكّنك من التحكم اللاسلكي في أنظمة الأمن الداخلي والأجهزة المنزلية عبر شبكة زيجبي.

2.2 مراقبة العقد

وظائف عقدة المراقبة هي كما يلي: 1) اكتشاف إشارة جسم الإنسان، إنذار الصوت والضوء عندما يغزو اللصوص؛ 2) التحكم في الإضاءة، يتم تقسيم وضع التحكم إلى التحكم التلقائي والتحكم اليدوي، التحكم التلقائي هو تشغيل/إيقاف الضوء تلقائيًا وفقًا لقوة الضوء الداخلي، التحكم اليدوي في الإضاءة يكون من خلال نظام التحكم المركزي، (3) يتم إرسال معلومات الإنذار والمعلومات الأخرى إلى مركز التحكم، ويتلقى أوامر التحكم من مركز التحكم لإكمال التحكم في المعدات.

يُعد وضع الكشف بالأشعة تحت الحمراء بالإضافة إلى الميكروويف الطريقة الأكثر شيوعًا في اكتشاف إشارات جسم الإنسان. مسبار الأشعة تحت الحمراء الكهروحراري هو RE200B، وجهاز التضخيم هو BISS0001. يعمل RE200B بجهد 3-10 فولت ويحتوي على عنصر الأشعة تحت الحمراء الكهروحراري مزدوج الحساسية مدمج. عندما يستقبل العنصر ضوء الأشعة تحت الحمراء، سيحدث التأثير الكهروضوئي عند أقطاب كل عنصر وستتراكم الشحنة. BISS0001 عبارة عن دائرة متكاملة رقمية تناظرية هجينة تتكون من مضخم تشغيلي، ومقارن جهد، ووحدة تحكم حالة، ومؤقت وقت تأخير، ومؤقت وقت حظر. مع RE200B وعدد قليل من المكونات، يمكن تكوين مفتاح الأشعة تحت الحمراء الكهروحراري السلبي. تم استخدام وحدة Ant-g100 لمستشعر الميكروويف، وكان التردد المركزي 10 جيجاهرتز، وكان أقصى وقت للتأسيس 6 ميكروثانية. بالاقتران مع وحدة الأشعة تحت الحمراء الكهروحرارية، يمكن تقليل معدل خطأ اكتشاف الهدف بشكل فعال.

تتكون وحدة التحكم في الإضاءة بشكل رئيسي من مقاوم حساس للضوء ومرحل للتحكم في الإضاءة. يُوصَل المقاوم الحساس للضوء على التوالي مع المقاوم القابل للتعديل بقيمة 10 كيلو أوم، ثم يُوصَل الطرف الآخر للمقاوم الحساس للضوء بالأرض، ثم يُوصَل الطرف الآخر للمقاوم القابل للتعديل بالمستوى العالي. يتم الحصول على قيمة جهد نقطتي توصيل المقاومتين من خلال محول SCM التناظري إلى الرقمي لتحديد ما إذا كان الضوء قيد التشغيل. يمكن للمستخدم ضبط المقاومة القابلة للتعديل لتناسب شدة الضوء عند تشغيله. يتم التحكم في مفاتيح الإضاءة الداخلية بواسطة مرحلات. يتوفر منفذ إدخال/إخراج واحد فقط.

2.3 حدد وحدة التحكم بالأجهزة المنزلية المضافة

اختر إضافة وحدة تحكم للأجهزة المنزلية وفقًا لوظيفة الجهاز، مثل المروحة الكهربائية. يتم إرسال تعليمات التحكم في المروحة من جهاز الكمبيوتر إلى وحدة التحكم عبر شبكة ZigBee، وتختلف أرقام تعريف الأجهزة المختلفة. على سبيل المثال، رقم تعريف المروحة في هذه الاتفاقية هو 122، ورقم تعريف التلفزيون الملون المنزلي هو 123، مما يتيح التعرف على مراكز التحكم المختلفة للأجهزة المنزلية الكهربائية. لكل جهاز وظيفة مختلفة، ولكل جهاز وظيفة مختلفة. يوضح الشكل 4 مكونات الأجهزة المنزلية المختارة للإضافة.

3. تصميم برمجيات النظام

يتضمن تصميم برنامج النظام بشكل أساسي ستة أجزاء، وهي تصميم صفحة ويب التحكم عن بعد، وتصميم نظام إدارة التحكم المركزي، وتصميم برنامج وحدة التحكم الرئيسية ATMegal28، وتصميم برنامج منسق CC2430، وتصميم برنامج عقدة مراقبة CC2430، وتصميم برنامج إضافة جهاز تحديد CC2430.

3.1 تصميم برنامج منسق ZigBee

يُكمل المُنسِّق أولاً تهيئة طبقة التطبيق، ويُعيِّن حالة طبقة التطبيق وحالة الاستقبال إلى وضع الخمول، ثم يُفعِّل المقاطعات العامة ويُهيئ منفذ الإدخال/الإخراج. ثم يبدأ المُنسِّق ببناء شبكة نجمية لاسلكية. في البروتوكول، يُحدِّد المُنسِّق تلقائيًا نطاق 2.4 جيجاهرتز، والحد الأقصى لعدد البتات في الثانية هو 62500، ومعرف PANID الافتراضي هو 0×1347، والحد الأقصى لعمق المكدس هو 5، والحد الأقصى لعدد البايتات لكل إرسال هو 93، ومعدل بود المنفذ التسلسلي هو 57600 بت/ثانية. يُولِّد مُؤقِّت SL0W 10 مقاطعات في الثانية. بعد إنشاء شبكة ZigBee بنجاح، يُرسِل المُنسِّق عنوانه إلى وحدة التحكم الدقيقة (MCU) في مركز التحكم. هنا، تُحدِّد وحدة التحكم الدقيقة (MCU) مُنسِّق ZigBee كعضو في عقدة المراقبة، ويكون عنوانه المُحدَّد هو 0. يدخل البرنامج في الحلقة الرئيسية. أولاً، حدد ما إذا كانت هناك بيانات جديدة مرسلة من العقدة الطرفية، إذا كان هناك، يتم نقل البيانات مباشرة إلى وحدة التحكم الدقيقة في مركز التحكم؛ حدد ما إذا كانت وحدة التحكم الدقيقة في مركز التحكم قد أرسلت تعليمات، إذا كان الأمر كذلك، فأرسل التعليمات إلى العقدة الطرفية المقابلة ZigBee؛ احكم ما إذا كان الأمان مفتوحًا، وما إذا كان هناك لص، إذا كان الأمر كذلك، فأرسل معلومات الإنذار إلى وحدة التحكم الدقيقة في مركز التحكم؛ احكم ما إذا كان الضوء في حالة تحكم تلقائي، إذا كان الأمر كذلك، فقم بتشغيل المحول التناظري إلى الرقمي للعينة، وقيمة العينة هي المفتاح لتشغيل أو إيقاف تشغيل الضوء، إذا تغيرت حالة الضوء، يتم نقل معلومات الحالة الجديدة إلى مركز التحكم MC-U.

3.2 برمجة عقدة ZigBee الطرفية

تشير عقدة طرفية زيجبي إلى عقدة زيجبي اللاسلكية التي يتحكم بها منسق زيجبي. في النظام، هي بشكل أساسي عقدة المراقبة وإضافة اختيارية لوحدة تحكم الأجهزة المنزلية. تتضمن تهيئة عقد طرفية زيجبي أيضًا تهيئة طبقة التطبيق، وفتح المقاطعات، وتهيئة منافذ الإدخال/الإخراج. ثم حاول الانضمام إلى شبكة زيجبي. من المهم ملاحظة أنه يُسمح فقط للعقد الطرفية التي تم إعداد منسق زيجبي لها بالانضمام إلى الشبكة. إذا فشلت عقدة طرفية زيجبي في الانضمام إلى الشبكة، فستحاول مرة أخرى كل ثانيتين حتى تنضم إليها بنجاح. بعد الانضمام إلى الشبكة بنجاح، ترسل عقدة طرفية زيجبي-جي معلومات التسجيل الخاصة بها إلى منسق زيجبي، الذي يرسلها بدوره إلى وحدة التحكم الدقيقة في مركز التحكم لإكمال تسجيل عقدة طرفية زيجبي. إذا كانت عقدة طرفية زيجبي عقدة مراقبة، فيمكنها تحقيق التحكم في الإضاءة والأمان. يشبه البرنامج منسق ZigBee، إلا أن عقدة المراقبة تحتاج إلى إرسال البيانات إلى منسق ZigBee، الذي بدوره يرسلها إلى وحدة التحكم الدقيقة (MCU) في مركز التحكم. إذا كانت عقدة ZigBee الطرفية وحدة تحكم مروحة كهربائية، فإنها تحتاج فقط إلى استقبال بيانات الكمبيوتر العلوي دون تحميل الحالة، مما يسمح بإنجاز التحكم فيها مباشرةً عند انقطاع استقبال البيانات اللاسلكية. في هذه الحالة، تُترجم جميع العقد الطرفية تعليمات التحكم المُستقبَلة إلى معلمات تحكم العقدة نفسها، ولا تُعالج هذه التعليمات اللاسلكية المُستقبَلة في البرنامج الرئيسي للعقدة.

4 تصحيح الأخطاء عبر الإنترنت

يتم إرسال التعليمات المتزايدة لرمز التعليمات للمعدات الثابتة الصادرة عن نظام إدارة التحكم المركزي إلى وحدة التحكم الدقيقة في مركز التحكم من خلال المنفذ التسلسلي للكمبيوتر، وإلى المنسق من خلال واجهة الخطين، ثم إلى عقدة طرفية ZigBee بواسطة المنسق. عندما تستقبل العقدة الطرفية البيانات، يتم إرسال البيانات إلى الكمبيوتر من خلال المنفذ التسلسلي مرة أخرى. على هذا الكمبيوتر، تتم مقارنة البيانات التي تتلقاها عقدة طرفية ZigBee بالبيانات التي يرسلها مركز التحكم. يرسل نظام إدارة التحكم المركزي تعليمتين كل ثانية. بعد 5 ساعات من الاختبار، يتوقف برنامج الاختبار عندما يظهر أن إجمالي عدد الحزم المستلمة هو 36000 حزمة. تظهر نتائج اختبار برنامج اختبار نقل البيانات متعدد البروتوكولات في الشكل 6. عدد الحزم الصحيحة هو 36000، وعدد الحزم الخاطئة هو 0، ومعدل الدقة هو 100٪.

تُستخدم تقنية ZigBee لتحقيق الشبكات الداخلية للمنزل الذكي، مما يوفر سهولة التحكم عن بُعد، ومرونة إضافة معدات جديدة، وأداء تحكم موثوق. تُستخدم تقنية RFTD لتحديد هوية المستخدم وتحسين أمان النظام. ومن خلال وحدة GSM، يتم تحقيق وظائف التحكم عن بُعد والإنذار.