Akıllı ev, entegre kablolama teknolojisi, ağ iletişim teknolojisi, güvenlik teknolojisi, otomatik kontrol teknolojisi, ses ve video teknolojisini kullanarak ev yaşamıyla ilgili tesisleri entegre eden, verimli konut tesisleri ve aile işleri yönetim sistemi kurmayı planlayan, ev güvenliğini, rahatlığını, konforunu, estetiğini artıran ve çevre koruma ve enerji tasarruflu bir yaşam ortamı gerçekleştiren bir platform olarak evi tanımlar. Akıllı evin en son tanımına dayanarak, ZigBee teknolojisinin özelliklerine atıfta bulunarak tasarlanan bu sistem, akıllı ev sisteminin (akıllı ev (merkezi) kontrol sistemi, ev aydınlatma kontrol sistemi, ev güvenlik sistemleri) yanı sıra ev kablolama sistemi, ev ağ sistemi, arka plan müzik sistemi ve aile ortamı kontrol sistemini de içerir. Zekice yaşama ilkesine dayanarak, yalnızca gerekli tüm sistemlerin eksiksiz olarak kurulması yeterlidir ve en az bir veya daha fazla opsiyonel sistemin kurulduğu ev sistemlerine zekice yaşam denilebilir. Bu nedenle, bu sisteme akıllı ev denilebilir.
1. Sistem Tasarım Şeması
Sistem, evdeki kontrollü cihazlar ve uzaktan kumanda cihazlarından oluşmaktadır. Bunlar arasında, evdeki kontrollü cihazlar başlıca internete erişebilen bilgisayar, kontrol merkezi, izleme düğümü ve eklenebilen ev aletlerinin kontrol ünitesini içerir. Uzaktan kumanda cihazları ise başlıca uzaktan erişimli bilgisayarlar ve cep telefonlarından oluşmaktadır.
Sistemin temel işlevleri şunlardır: 1) Web sayfası tarama ön sayfası, arka plan bilgi yönetimi; 2) İnternet ve cep telefonu aracılığıyla iç mekan ev aletleri, güvenlik ve aydınlatmanın anahtarlama kontrolünün gerçekleştirilmesi; 3) RFID modülü aracılığıyla kullanıcı tanımlamasının gerçekleştirilmesi, böylece iç mekan güvenlik durumunun anahtarlanması ve hırsızlık durumunda kullanıcıya SMS alarmı gönderilmesi; 4) Merkezi kontrol yönetim sistemi yazılımı aracılığıyla iç mekan aydınlatması ve ev aletlerinin yerel kontrolü ve durum gösteriminin tamamlanması; 5) Veritabanı kullanılarak kişisel bilgilerin ve iç mekan ekipmanlarının durumlarının saklanması. Kullanıcıların merkezi kontrol ve yönetim sistemi aracılığıyla iç mekan ekipmanlarının durumunu sorgulamaları kolaydır.
2. Sistem Donanım Tasarımı
Sistemin donanım tasarımı, kontrol merkezinin, izleme düğümünün ve isteğe bağlı olarak ev aletleri kontrol cihazının (örneğin elektrikli vantilatör kontrol cihazı) tasarımını içerir.
2.1 Kontrol Merkezi
Kontrol merkezinin temel işlevleri şunlardır: 1) Kablosuz ZigBee ağı kurmak, tüm izleme noktalarını ağa eklemek ve yeni ekipmanların alınmasını sağlamak; 2) Kullanıcı tanımlama, kullanıcının evde veya uzaktan kullanıcı kartı aracılığıyla iç mekan güvenlik anahtarını çalıştırmasını sağlamak; 3) Bir hırsız odaya girdiğinde, alarm vermek için kullanıcıya kısa mesaj göndermek. Kullanıcılar ayrıca kısa mesajlar aracılığıyla iç mekan güvenliğini, aydınlatmayı ve ev aletlerini kontrol edebilir; 4) Sistem tek başına çalışırken, LCD ekranda mevcut sistem durumu görüntülenir, bu da kullanıcılar için kolaylık sağlar; 5) Elektrikli ekipmanların durumunu saklamak ve sistemin çevrimiçi çalışmasını sağlamak için bilgisayara göndermek.
Donanım, Taşıyıcı algılama çoklu erişim/Çarpışma algılama (CSMA/CA) özelliğini destekler. 2,0 ~ 3,6V çalışma voltajı, sistemin düşük güç tüketimine katkıda bulunur. Kontrol merkezindeki ZigBee koordinatör modülüne bağlanarak iç mekanda kablosuz bir ZigBee yıldız ağı kurulur. Tüm izleme düğümlerine, ev aletleri kontrol cihazı terminal düğümü olarak eklenerek ağa dahil edilir ve böylece iç mekan güvenlik ve ev aletlerinin kablosuz ZigBee ağ kontrolü gerçekleştirilir.
2.2 İzleme Düğümleri
İzleme düğümünün işlevleri şunlardır: 1) İnsan vücudu sinyalini algılama, hırsızların girmesi durumunda sesli ve ışıklı alarm verme; 2) Aydınlatma kontrolü, kontrol modu otomatik kontrol ve manuel kontrol olarak ikiye ayrılır, otomatik kontrol iç mekan ışığının şiddetine göre ışığı otomatik olarak açıp kapatır, manuel kontrol ise merkezi kontrol sistemi aracılığıyla aydınlatma kontrolü sağlar; (3) Alarm bilgileri ve diğer bilgiler kontrol merkezine gönderilir ve kontrol merkezinden kontrol komutları alınarak ekipman kontrolü tamamlanır.
İnsan vücudu sinyal algılamasında en yaygın yöntem kızılötesi ve mikrodalga algılama modudur. Kullanılan piroelektrik kızılötesi prob RE200B, yükseltme cihazı ise BISS0001'dir. RE200B, 3-10 V voltajla çalışır ve dahili piroelektrik çift duyarlı kızılötesi elemana sahiptir. Eleman kızılötesi ışığı aldığında, her elemanın kutuplarında fotoelektrik etki meydana gelir ve yük birikir. BISS0001, operasyonel yükselteç, voltaj karşılaştırıcı, durum kontrolörü, gecikme zamanlayıcısı ve bloke zamanlayıcısından oluşan dijital-analog hibrit bir ASIC'tir. RE200B ve birkaç bileşenle birlikte, pasif piroelektrik kızılötesi anahtar oluşturulabilir. Mikrodalga sensörü için Ant-g100 modülü kullanılmıştır, merkez frekansı 10 GHz ve maksimum kurulum süresi 6 μs'dir. Piroelektrik kızılötesi modülle birlikte, hedef algılama hata oranı etkili bir şekilde azaltılabilir.
Işık kontrol modülü esas olarak ışığa duyarlı direnç ve ışık kontrol rölesinden oluşur. Işığa duyarlı direnci 10 kΩ'luk ayarlanabilir dirençle seri olarak bağlayın, ardından ışığa duyarlı direncin diğer ucunu toprağa, ayarlanabilir direncin diğer ucunu ise yüksek seviyeye bağlayın. İki direnç bağlantı noktasının voltaj değeri, SCM analog-dijital dönüştürücü aracılığıyla elde edilerek mevcut ışığın açık olup olmadığı belirlenir. Ayarlanabilir direnç, ışık yeni açıldığında gereken ışık yoğunluğunu karşılayacak şekilde kullanıcı tarafından ayarlanabilir. İç mekan aydınlatma anahtarları rölelerle kontrol edilir. Sadece bir giriş/çıkış portu elde edilebilir.
2.3 Eklenen Ev Aletleri Kontrol Cihazını Seçin
Ev aletlerinin kontrolünü ekleme seçeneği, esas olarak cihazın işlevine göre belirlenir; burada örnek olarak elektrikli vantilatör ele alınmıştır. Vantilatör kontrolü, kontrol merkezinden PC aracılığıyla ZigBee ağı üzerinden elektrikli vantilatör kontrol ünitesine gönderilen vantilatör kontrol talimatlarıyla gerçekleştirilir. Farklı cihazların tanımlama numaraları farklıdır; örneğin, bu anlaşmanın hükümlerine göre vantilatörün tanımlama numarası 122, ev tipi renkli televizyonun tanımlama numarası ise 123'tür. Böylece, farklı elektrikli ev aletlerinin kontrol merkezi tarafından tanınması sağlanır. Aynı talimat kodu için, farklı ev aletleri farklı işlevler gerçekleştirir. Şekil 4, ekleme için seçilen ev aletlerinin bileşimini göstermektedir.
3. Sistem yazılımı tasarımı
Sistem yazılım tasarımı esas olarak altı bölümden oluşmaktadır: uzaktan kumanda web sayfası tasarımı, merkezi kontrol yönetim sistemi tasarımı, kontrol merkezi ana kontrol ünitesi ATMegal28 program tasarımı, CC2430 koordinatör program tasarımı, CC2430 izleme düğümü program tasarımı ve CC2430 cihaz seçme ve ekleme program tasarımı.
3.1 ZigBee Koordinatör programı tasarımı
Koordinatör öncelikle uygulama katmanı başlatmasını tamamlar, uygulama katmanı durumunu ve alma durumunu boşta olarak ayarlar, ardından genel kesintileri açar ve G/Ç portunu başlatır. Daha sonra koordinatör kablosuz yıldız ağını kurmaya başlar. Protokolde, koordinatör otomatik olarak 2,4 GHz bandını seçer, saniyede maksimum bit sayısı 62.500'dür, varsayılan PANID 0×1347'dir, maksimum yığın derinliği 5'tir, gönderim başına maksimum bayt sayısı 93'tür ve seri port baud hızı 57.600 bit/s'dir. SL0W TIMER saniyede 10 kesinti üretir. ZigBee ağı başarıyla kurulduktan sonra, koordinatör adresini kontrol merkezinin MCU'suna gönderir. Burada, kontrol merkezi MCU'su ZigBee Koordinatörünü izleme düğümünün bir üyesi olarak tanımlar ve tanımlanan adresi 0'dır. Program ana döngüye girer. Öncelikle, terminal düğümünden yeni veri gönderilip gönderilmediği belirlenir; eğer varsa, veri doğrudan kontrol merkezinin MCU'suna iletilir; kontrol merkezinin MCU'suna gönderilen talimatlar olup olmadığı belirlenir; eğer varsa, talimatlar ilgili ZigBee terminal düğümüne gönderilir; güvenlik açık olup olmadığı, hırsız olup olmadığı değerlendirilir; eğer varsa, alarm bilgisi kontrol merkezinin MCU'suna gönderilir; ışığın otomatik kontrol durumunda olup olmadığı değerlendirilir; eğer öyleyse, örnekleme için analog-dijital dönüştürücü açılır, örnekleme değeri ışığı açıp kapatmanın anahtarıdır; ışık durumu değişirse, yeni durum bilgisi kontrol merkezi MCU'suna iletilir.
3.2 ZigBee Terminal Düğümü Programlama
ZigBee terminal düğümü, ZigBee koordinatörü tarafından kontrol edilen kablosuz ZigBee düğümünü ifade eder. Sistemde, esas olarak izleme düğümü ve isteğe bağlı olarak ev aletleri kontrolörü olarak kullanılır. ZigBee terminal düğümlerinin başlatılması, uygulama katmanı başlatma, kesmeleri açma ve G/Ç portlarını başlatmayı da içerir. Ardından ZigBee ağına katılmaya çalışılır. Yalnızca ZigBee koordinatörü kurulumu yapılmış uç düğümlerin ağa katılmasına izin verildiğini belirtmek önemlidir. ZigBee terminal düğümü ağa katılmada başarısız olursa, ağa başarılı bir şekilde katılana kadar her iki saniyede bir tekrar deneyecektir. Ağa başarılı bir şekilde katıldıktan sonra, ZigBee terminal düğümü kayıt bilgilerini ZigBee Koordinatörüne gönderir ve bu da ZigBee terminal düğümünün kaydını tamamlamak için kontrol merkezinin MCU'suna iletir. ZigBee terminal düğümü bir izleme düğümü ise, aydınlatma ve güvenlik kontrolünü gerçekleştirebilir. Program, ZigBee koordinatörüne benzer, ancak izleme düğümünün ZigBee koordinatörüne veri göndermesi ve ardından ZigBee koordinatörünün verileri kontrol merkezinin MCU'suna göndermesi gerekir. ZigBee terminal düğümü bir elektrikli fan kontrol cihazı ise, durumu yüklemeden yalnızca üst bilgisayardan veri alması yeterlidir, bu nedenle kablosuz veri alımının kesintiye uğraması durumunda kontrolü doğrudan tamamlanabilir. Kablosuz veri alımının kesintiye uğraması durumunda, tüm terminal düğümleri alınan kontrol talimatlarını kendi düğümlerinin kontrol parametrelerine çevirir ve düğümün ana programında alınan kablosuz talimatları işlemez.
4 Çevrimiçi Hata Ayıklama
Merkezi kontrol yönetim sistemi tarafından verilen sabit ekipmanın talimat koduna ilişkin artan talimat, bilgisayarın seri portu üzerinden kontrol merkezinin MCU'suna, iki hatlı arayüz üzerinden koordinatöre ve ardından koordinatör tarafından ZigBee terminal düğümüne gönderilir. Terminal düğümü veriyi aldığında, veri tekrar seri port üzerinden bilgisayara gönderilir. Bu bilgisayarda, ZigBee terminal düğümü tarafından alınan veri, kontrol merkezi tarafından gönderilen veriyle karşılaştırılır. Merkezi kontrol yönetim sistemi saniyede 2 talimat gönderir. 5 saatlik testten sonra, test yazılımı toplam alınan paket sayısı 36.000'e ulaştığında durur. Çok protokollü veri iletim test yazılımının test sonuçları Şekil 6'da gösterilmiştir. Doğru paket sayısı 36.000, yanlış paket sayısı 0 ve doğruluk oranı %100'dür.
Akıllı evlerin iç ağ bağlantısını gerçekleştirmek için ZigBee teknolojisi kullanılır; bu teknoloji, kolay uzaktan kontrol, yeni ekipmanların esnek bir şekilde eklenmesi ve güvenilir kontrol performansı gibi avantajlara sahiptir. Kullanıcı tanımlaması ve sistem güvenliğinin artırılması için RFTD teknolojisi kullanılır. GSM modülü erişimi sayesinde uzaktan kontrol ve alarm fonksiyonları gerçekleştirilir.
Yayın tarihi: 06 Ocak 2022