المنزل الذكي هو منزل مُصمم كمنصة، يستخدم تقنيات متكاملة للأسلاك، وشبكات الاتصال، والأمن، والتحكم الآلي، والصوت والفيديو، لدمج جميع مرافق الحياة المنزلية، بهدف إنشاء نظام فعال لإدارة شؤون الأسرة، وتحسين أمن المنزل، وراحته، وجماله، وتحقيق بيئة معيشية صديقة للبيئة وموفرة للطاقة. وبناءً على أحدث تعريف للمنزل الذكي، وبالرجوع إلى خصائص تقنية ZigBee، يتضمن تصميم هذا النظام نظام المنزل الذكي (نظام التحكم المركزي، ونظام التحكم في الإضاءة، وأنظمة الأمن)، بالإضافة إلى نظام الأسلاك، ونظام الشبكة المنزلية، ونظام الموسيقى الخلفية، ونظام التحكم في بيئة المنزل. ويُعتبر المنزل ذكيًا إذا تم تركيب جميع الأنظمة الضرورية فيه بالكامل، أو إذا تم تركيب نظام اختياري واحد على الأقل. لذا، يُمكن تسمية هذا النظام بالمنزل الذكي.
1. مخطط تصميم النظام
يتألف النظام من أجهزة يتم التحكم بها وأجهزة تحكم عن بُعد في المنزل. تشمل الأجهزة التي يتم التحكم بها في المنزل بشكل أساسي جهاز الكمبيوتر المتصل بالإنترنت، ومركز التحكم، ووحدة المراقبة، ووحدة التحكم في الأجهزة المنزلية التي يمكن إضافتها. أما أجهزة التحكم عن بُعد فتتكون بشكل رئيسي من أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة.
تتمثل الوظائف الرئيسية للنظام فيما يلي: 1) تصفح الصفحة الرئيسية للموقع الإلكتروني وإدارة المعلومات الأساسية؛ 2) التحكم في تشغيل وإيقاف الأجهزة المنزلية الداخلية وأنظمة الأمن والإضاءة عبر الإنترنت والهاتف المحمول؛ 3) التحقق من هوية المستخدم باستخدام وحدة RFID، وذلك لإتمام عملية تبديل حالة الأمن الداخلي، وإرسال تنبيه عبر الرسائل النصية القصيرة في حالة السرقة؛ 4) التحكم المحلي وعرض حالة الإضاءة والأجهزة المنزلية الداخلية من خلال برنامج نظام إدارة التحكم المركزي؛ 5) تخزين المعلومات الشخصية وحالة المعدات الداخلية باستخدام قاعدة بيانات، مما يسهل على المستخدمين الاستعلام عن حالة المعدات الداخلية من خلال نظام إدارة التحكم المركزي.
2. تصميم مكونات النظام المادية
يشمل تصميم الأجهزة للنظام تصميم مركز التحكم، وعقدة المراقبة، والإضافة الاختيارية لجهاز التحكم في الأجهزة المنزلية (خذ جهاز التحكم في المروحة الكهربائية كمثال).
2.1 مركز التحكم
تتمثل الوظائف الرئيسية لمركز التحكم فيما يلي: 1) إنشاء شبكة ZigBee لاسلكية، وإضافة جميع نقاط المراقبة إليها، واستقبال الأجهزة الجديدة؛ 2) التحقق من هوية المستخدم، سواء كان في المنزل أو خارجه، باستخدام بطاقة المستخدم لتفعيل مفتاح الأمان الداخلي؛ 3) عند اقتحام لص للغرفة، يتم إرسال رسالة نصية قصيرة إلى المستخدم للتنبيه. كما يمكن للمستخدمين التحكم في الأمن الداخلي والإضاءة والأجهزة المنزلية عبر الرسائل النصية القصيرة؛ 4) عند تشغيل النظام بشكل مستقل، تعرض شاشة LCD حالة النظام الحالية، مما يسهل على المستخدمين الاطلاع عليها؛ 5) تخزين حالة الأجهزة الكهربائية وإرسالها إلى جهاز الكمبيوتر لتفعيل النظام عبر الإنترنت.
يدعم الجهاز تقنية الوصول المتعدد مع استشعار الناقل/كشف التصادم (CSMA/CA). ويُسهم جهد التشغيل الذي يتراوح بين 2.0 و3.6 فولت في خفض استهلاك الطاقة للنظام. قم بإنشاء شبكة ZigBee لاسلكية نجمية داخل المنزل عن طريق توصيلها بوحدة تنسيق ZigBee في مركز التحكم. ثم قم بإضافة وحدة تحكم الأجهزة المنزلية كعقدة طرفية في الشبكة إلى جميع نقاط المراقبة المختارة، وذلك لتحقيق التحكم اللاسلكي عبر شبكة ZigBee في أنظمة الأمن الداخلي والأجهزة المنزلية.
2.2 عقد المراقبة
تتمثل وظائف عقدة المراقبة فيما يلي: 1) اكتشاف إشارات الجسم البشري، وإصدار إنذار صوتي وضوئي عند اقتحام اللصوص؛ 2) التحكم في الإضاءة، وينقسم وضع التحكم إلى تحكم آلي وتحكم يدوي، حيث يقوم التحكم الآلي بتشغيل/إيقاف الإضاءة تلقائيًا وفقًا لشدة الإضاءة الداخلية، بينما يتم التحكم اليدوي في الإضاءة من خلال نظام التحكم المركزي؛ 3) إرسال معلومات الإنذار وغيرها من المعلومات إلى مركز التحكم، واستقبال أوامر التحكم من مركز التحكم لإتمام عملية التحكم في المعدات.
يُعدّ نمط الكشف بالأشعة تحت الحمراء والموجات الميكروية الطريقة الأكثر شيوعًا في الكشف عن إشارات جسم الإنسان. المجس الكهروحراري للأشعة تحت الحمراء هو RE200B، وجهاز التضخيم هو BISS0001. يعمل RE200B بجهد 3-10 فولت، ويحتوي على عنصر كهروحراري مزدوج الحساسية للأشعة تحت الحمراء. عند استقبال هذا العنصر للأشعة تحت الحمراء، يحدث تأثير كهروضوئي عند قطبيه، مما يؤدي إلى تراكم الشحنة. أما BISS0001 فهو عبارة عن دائرة متكاملة هجينة رقمية-تناظرية تتكون من مضخم عمليات، ومقارن جهد، ووحدة تحكم في الحالة، ومؤقت تأخير، ومؤقت حجب. يمكن تشكيل مفتاح كهروحراري سلبي للأشعة تحت الحمراء باستخدام RE200B وبعض المكونات الأخرى. استُخدمت وحدة Ant-g100 كمستشعر للموجات الميكروية، بتردد مركزي 10 جيجاهرتز، وزمن إنشاء أقصى 6 ميكروثانية. يساهم دمجها مع وحدة الأشعة تحت الحمراء الكهروحرارية في تقليل معدل الخطأ في الكشف عن الهدف بشكل فعال.
تتكون وحدة التحكم بالإضاءة بشكل أساسي من مقاومة ضوئية ومرحل تحكم. يتم توصيل المقاومة الضوئية على التوالي مع المقاومة القابلة للتعديل بقيمة 10 كيلو أوم، ثم يتم توصيل الطرف الآخر للمقاومة الضوئية بالأرضي، والطرف الآخر للمقاومة القابلة للتعديل بالجهد العالي. يتم الحصول على قيمة الجهد بين نقطتي توصيل المقاومتين من خلال محول تناظري رقمي في وحدة التحكم لتحديد ما إذا كان المصباح مضاءً أم لا. يمكن للمستخدم ضبط المقاومة القابلة للتعديل لتناسب شدة الإضاءة عند تشغيل المصباح. يتم التحكم بمفاتيح الإضاءة الداخلية بواسطة مرحلات. يوجد منفذ إدخال/إخراج واحد فقط.
2.3 حدد وحدة التحكم في الأجهزة المنزلية المضافة
يتم اختيار إضافة التحكم في الأجهزة المنزلية بناءً على وظيفة كل جهاز، ولنأخذ المروحة الكهربائية كمثال. يتم التحكم في المروحة عن طريق إرسال تعليمات التحكم من جهاز الكمبيوتر إلى وحدة التحكم عبر شبكة ZigBee. يختلف رقم تعريف كل جهاز، فمثلاً، رقم تعريف المروحة في هذه الاتفاقية هو 122، بينما رقم تعريف التلفزيون الملون هو 123، مما يُمكّن مركز التحكم من التعرف على الأجهزة المنزلية الكهربائية المختلفة. يؤدي استخدام نفس رمز التعليمات وظائف مختلفة لكل جهاز. يوضح الشكل 4 مكونات الأجهزة المنزلية المختارة للإضافة.
3. تصميم برمجيات النظام
يتضمن تصميم برنامج النظام بشكل أساسي ستة أجزاء، وهي تصميم صفحة الويب للتحكم عن بعد، وتصميم نظام إدارة التحكم المركزي، وتصميم برنامج وحدة التحكم الرئيسية لمركز التحكم ATMegal28، وتصميم برنامج المنسق CC2430، وتصميم برنامج عقدة المراقبة CC2430، وتصميم برنامج إضافة جهاز التحديد CC2430.
3.1 تصميم برنامج منسق ZigBee
يقوم المنسق أولاً بتهيئة طبقة التطبيق، ثم يضبط حالتي طبقة التطبيق والاستقبال على وضع الخمول، ثم يُفعّل المقاطعات العامة ويُهيئ منفذ الإدخال/الإخراج. بعد ذلك، يبدأ المنسق بإنشاء شبكة نجمية لاسلكية. في البروتوكول، يختار المنسق تلقائيًا نطاق 2.4 جيجاهرتز، ويبلغ الحد الأقصى لعدد البتات في الثانية 62500 بت، ومعرف الشبكة الشخصية الافتراضي هو 0×1347، والحد الأقصى لعمق المكدس هو 5، والحد الأقصى لعدد البايتات لكل إرسال هو 93 بايت، ومعدل نقل البيانات عبر المنفذ التسلسلي هو 57600 بت/ثانية. يُولّد مؤقت SL0W عشر مقاطعات في الثانية. بعد إنشاء شبكة ZigBee بنجاح، يُرسل المنسق عنوانه إلى وحدة التحكم الدقيقة (MCU) في مركز التحكم. هنا، تُعرّف وحدة التحكم الدقيقة في مركز التحكم منسق ZigBee كعضو في عقدة المراقبة، ويكون عنوانه المُعرّف هو 0. يدخل البرنامج في الحلقة الرئيسية. أولاً، يتم تحديد ما إذا كانت هناك بيانات جديدة مرسلة من العقدة الطرفية، وفي حال وجودها، تُرسل البيانات مباشرةً إلى وحدة التحكم الدقيقة (MCU) في مركز التحكم؛ ثم يتم تحديد ما إذا كانت وحدة التحكم الدقيقة (MCU) في مركز التحكم قد أرسلت تعليمات، وفي حال وجودها، تُرسل التعليمات إلى عقدة ZigBee الطرفية المقابلة؛ وأخيراً، يتم التحقق من حالة الأمان، وما إذا كان هناك لص، وفي حال وجوده، تُرسل معلومات الإنذار إلى وحدة التحكم الدقيقة (MCU) في مركز التحكم؛ وأخيراً، يتم التحقق مما إذا كان الضوء في حالة تحكم تلقائي، وفي حال وجوده، يتم تشغيل محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية لأخذ العينات، حيث تُعد قيمة العينة هي المفتاح لتشغيل الضوء أو إطفائه، وفي حال تغير حالة الضوء، تُرسل معلومات الحالة الجديدة إلى وحدة التحكم الدقيقة (MCU) في مركز التحكم.
3.2 برمجة عقدة طرفية ZigBee
يشير مصطلح "عقدة طرفية ZigBee" إلى عقدة ZigBee اللاسلكية التي يتحكم بها منسق ZigBee. في النظام، تُستخدم هذه العقدة بشكل أساسي للمراقبة، ويمكن إضافة وحدة تحكم للأجهزة المنزلية إليها. تشمل عملية تهيئة عقد ZigBee الطرفية تهيئة طبقة التطبيق، وفتح المقاطعات، وتهيئة منافذ الإدخال/الإخراج. بعد ذلك، تُحاول العقدة الانضمام إلى شبكة ZigBee. تجدر الإشارة إلى أنه لا يُسمح إلا للعقد الطرفية المُهيأة لمنسق ZigBee بالانضمام إلى الشبكة. في حال فشل عقدة ZigBee الطرفية في الانضمام إلى الشبكة، ستُحاول مرة أخرى كل ثانيتين حتى تنجح في ذلك. بعد نجاح الانضمام، تُرسل عقدة ZigBee الطرفية معلومات التسجيل إلى منسق ZigBee، الذي بدوره يُعيد توجيهها إلى وحدة التحكم الدقيقة (MCU) في مركز التحكم لإتمام عملية تسجيل عقدة ZigBee الطرفية. إذا كانت عقدة ZigBee الطرفية عقدة مراقبة، فيمكنها التحكم في الإضاءة والأمن. يشبه هذا البرنامج منسق ZigBee، باستثناء أن عقدة المراقبة تحتاج إلى إرسال البيانات إلى منسق ZigBee، والذي بدوره يرسل البيانات إلى وحدة التحكم الدقيقة (MCU) في مركز التحكم. إذا كانت عقدة ZigBee الطرفية عبارة عن وحدة تحكم في مروحة كهربائية، فإنها تحتاج فقط إلى استقبال بيانات الحاسوب المركزي دون الحاجة إلى تحميل الحالة، وبالتالي يمكن إتمام عملية التحكم مباشرةً حتى في حالة انقطاع استقبال البيانات اللاسلكية. عند انقطاع استقبال البيانات اللاسلكية، تقوم جميع العقد الطرفية بترجمة تعليمات التحكم المستلمة إلى معلمات تحكم خاصة بها، ولا تعالج التعليمات اللاسلكية المستلمة في البرنامج الرئيسي للعقدة.
4. تصحيح الأخطاء عبر الإنترنت
تُرسل التعليمات المتزايدة لرمز تعليمات المعدات الثابتة، الصادرة عن نظام إدارة التحكم المركزي، إلى وحدة التحكم الدقيقة (MCU) في مركز التحكم عبر المنفذ التسلسلي للحاسوب، ثم إلى المنسق عبر واجهة ثنائية الخطوط، ومن ثم إلى عقدة ZigBee الطرفية بواسطة المنسق. عند استلام العقدة الطرفية للبيانات، تُرسل البيانات مرة أخرى إلى الحاسوب عبر المنفذ التسلسلي. على هذا الحاسوب، تُقارن البيانات المستلمة من عقدة ZigBee الطرفية مع البيانات المرسلة من مركز التحكم. يُرسل نظام إدارة التحكم المركزي تعليماتين كل ثانية. بعد خمس ساعات من الاختبار، يتوقف برنامج الاختبار عندما يُظهر أن إجمالي عدد الحزم المستلمة هو 36000 حزمة. تُظهر نتائج اختبار برنامج اختبار نقل البيانات متعدد البروتوكولات في الشكل 6. عدد الحزم الصحيحة هو 36000، وعدد الحزم الخاطئة هو صفر، ومعدل الدقة هو 100%.
تُستخدم تقنية ZigBee لتحقيق الربط الشبكي الداخلي للمنزل الذكي، مما يوفر مزايا التحكم عن بُعد بسهولة، وإضافة أجهزة جديدة بمرونة، وأداء تحكم موثوق. وتُستخدم تقنية RFTD للتحقق من هوية المستخدم وتعزيز أمان النظام. ومن خلال الوصول إلى وحدة GSM، يتم تفعيل وظائف التحكم عن بُعد والإنذار.
تاريخ النشر: 6 يناير 2022