Беспроводная сеть домашней автоматики на основе профайла ZigBee Home Automation

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный университет»

Физико-технический факультет

Кафедра Вычислительной техники и электроники

БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИКИ НА ОСНОВЕ ПРОФАЙЛА ZIGBEE HOME AUTOMATION

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К БАКАЛАВАРСКОЙ РАБОТЕ

БР 230100.586.083 ПЗ

Студент группы 586

М.А. Усольцев

Руководитель

работы                         к.ф.-м.н. доцент                     А.В. Калачев

Нормоконтролер          к.ф.-м.н. доцент                     А.В. Калачев

БАРНАУЛ 2012

РЕФЕРАТ

Объем работы, листов                                                                33

Количество иллюстраций                                                           10

Количество используемых источников                                      10

Количество приложений                                                             4

ZigBee, RF-модуль, стек протоколов BitCloud profile suite, микроконтроллер, домашняя автоматизация, беспроводная сеть.

В данной работе рассматриваются технологии беспроводных сетей для систем домашней автоматики, современная элементная база для данной области. Проектируется аппаратная часть узлов беспроводной сети для стандартного профиля ZigBee Home Automation.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ

.1 Системы «умный дом»

.2 Обзор беспроводных технологий для систем домашней автоматизации

1.3 Технология ZigBee

.4 ZigBee Home Automation

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЗЛОВ СЕТИ В СООТВЕТСТВИИ С ПРОФАЙЛОМ ZIGBEE HOME AUTOMATION

.1 Обзор элементной базы для построения ZigBee сетей

.2 Программная поддержка разработки беспроводных ZigBee сетей

.3 Датчик присутствия

.4 Устройство управления освещением

.5 Устройство управления нагрузкой

.6 Пульт управления

ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ УЗЛОВ СЕТИ

.1 Разработка принципиальных схем

.2 Описание принципиальной схемы устройства управления освещением

.3 Описание принципиальной схемы устройства управления нагрузкой

.4 Описание принципиальной схемы устройства управления нагрузкой

.5 Описание принципиальной схемы датчика присутствия

.6 Описание работы системы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время с применением беспроводных технологий решается достаточно широкий круг задач мониторинга, сбора данных и управления. Беспроводные решения значительно упрощают и удешевляют процесс разработки систем, т.к. затраты на линии связи и проектирование кабеленесущих систем сводятся к минимуму. При решении данных задач применяют различные беспроводные технологии, одной из которых является ZigBee, позволяющая в короткие сроки разворачивать сенсорные сети ячеистой топологии, используя при этом относительно недорогие маломощные передатчики.

Целью данной работы является рассмотрение беспроводных сетей передачи данных стандарта в области домашней автоматики, проектирование аппаратной части узлов беспроводной сети домашней автоматики.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ

.1 Системы «умный дом»

У́мный дом (англ. digital home) - жилой автоматизированный дом современного типа, организованный для удобства проживания людей при помощи высокотехнологичных устройств. Под «умным домом» следует понимать систему, которая должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам. Основной особенностью интеллектуального здания является объединение отдельных подсистем в единый управляемый комплекс.

Важной особенностью и свойством «Умного дома» отличающим его от других способов организации жизненного пространства является то, что это наиболее прогрессивная концепция взаимодействия человека с жилым пространством, когда человек одной командой задает желаемую обстановку, а уже автоматика в соответствии с внешними и внутренними условиями задает и отслеживает режимы работы всех инженерных систем и электроприборов.

В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопительными системами, системами видеонаблюдения и сигнализации, воротами и прочим. В доме оборудованном системой «Умный дом» достаточно одним нажатием на настенной клавише (или пульте ДУ, сенсорной панели и т. д.) выбрать один из сценариев. Дом сам настроит работу всех систем в соответствии с Вашим пожеланием, временем суток, Вашим положением в доме, погодой, внешней освещённостью и т. д. для обеспечения комфортного состояния внутри дома.

Под термином «умный дом» обычно понимают интеграцию следующих систем в единую систему управления жилыми помещениями:

1.       Систему отопления, вентиляции и кондиционирования.

2.       Охранно-пожарную сигнализацию, систему контроля доступа в помещения, контроль протечек воды, утечек газа.

.        Систему освещения.

4.       Систему электропитания здания (АВР, промышленные ИБП <#"587315.files/image001.jpg">

Рис. 2.1 Структурная схема микроконтроллера JN5148.

Основные характеристики JN5148:

-     максимальная тактовая частота 32-х разрядного RISC процессора: 32 МГц;

-       объем статического ОЗУ для хранения программного кода: 128 кбайт;

-       объем ОЗУ: 128 кбайт;

-       диапазон частот: от 2400 до 2500 МГц;

-       мощность радиопередатчика: 2.5 дБм;

-       чувствительность приемника: -95 дБм;

-       ток при передаче 15 мА;

-       ток при приеме 17.5 мА;

-       ток в режиме сна (запуск сигналом с входа): 0.12 мкА;

-       ток в режиме сна (запуск по таймеру или сигналом с входа): 1.2 мкА;

-       диапазон рабочих температур: от -40 до 85 °C;

-       корпус: HVQFN56, 8 x 8 x 0.85 мм [5];

ATMELRFA1 8-битный микроконтроллер AVR со встроенным 2.4-гигагерцевым ZigBee и IEEE 802.15.4-совместимым трансивером.

Общее описаниеRFA1 - экономичный 8-битный микроконтроллер на основе RISC-архитектуре AVR, дополненной высокоскоростным РЧ трансивером ISM-диапазона 2.4ГГц. Он является производным от микроконтроллера ATmega1281и РЧ трансивера AT86RF231.

Благодаря выполнению большинства инструкций за один цикл синхронизации, микроконтроллер достигает производительности близкой к 1 MIPS/МГц, что позволит разработчику систем оптимизировать соотношение потребляемой мощности и производительности исполнения инструкций.

РЧ трансивер поддерживает передачу данных на скорости от 250 кбит/сек до 2Мбит/сек, обработку посылок, обладает отличной чувствительностью приемника и высокой выходной мощностью передатчика. Все эти особенности обеспечат надежность беспроводной передачи данных.

Отличительные особенности:

1.       Высокоэффективный и маломощный 8-битный микроконтроллер AVR.

2.       Прогрессивная RISC-архитектура:

-               135 инструкций, большинство которых выполняются за один цикл синхронизации;

-              32x8 рабочих регистров общего назначения;

-              Производительность до 16 MIPS на тактовой частоте 16МГц и при напряжении 1.8В;

3.       Энергонезависимые памяти программ и данных:

-               128 кбайт внутрисистемно-самопрограммируемой Flash-памяти;

-              4 кбайт EEPROM;

-              16 кбайт встроенного SRAM.

4.       Интерфейс JTAG (совместим со стандартом IEEE 1149.1):

-               Возможности граничного сканирования по стандарту JTAG;

-              Встроенная отладочная система;

-              Программирование Flash-памяти, EEPROM, Fuse- и Lock-бит через интерфейс JTAG.

5.       Особенности встроенных устройств ввода-вывода:

-               Несколько каналов таймеров-счетчиков и широтно-импульсной модуляции;

-              Счетчик реального времени с отдельным генератором;

-              10-битный АЦП на частоту дискретизации до 330 кГц; аналоговый компаратор, встроенный датчик температуры;

-              Ведущий/подчиненный последовательный интерфейс SPI;

-              Два программируемых последовательных интерфейса USART;

-              2-проводной последовательный интерфейс для побайтной передачи данных.

6.       Улучшенный обработчик прерываний.

7.       Сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором .

.        Сброс при подаче питания и экономичная схема супервизора питания.

.        Полностью интегрированный трансивер ISM-диапазона 2.4ГГц

-               Поддерживаемые скорости: 250 кбит/сек, 500 кбит/сек, 1Мбит/сек и 2Мбит/сек;

-              Чувствительность приемника -100 дБм; выходная мощность передатчика до 3.5дБм;

-              Аппаратно реализованные MAC-функции (автоматическое подтверждение, автоповтор);

-              32-битный IEEE 802.15.4-совместимый счетчик символов;

-              Обработка РЧ сигналов;

-              Сигналы управления разнесенными антеннами и приемом/передачей;

-              128-байтный буфер посылок приема/передачи;

10.     Аппаратные средства защиты данных (AES).

11.     Встроенные кварцевые генераторы (32.768 кГц и 16 МГц);

.        Корпус и линии ввода-вывода:

-               38 программируемых линий ввода-вывода;

-              64-выводной корпус QFN (RoHS/Fully Green).

13.     Температурный диапазон: промышленный -40…+85°C;

14.     Диапазон напряжения питания: 1.8…3.6В (с учетом встроенных стабилизаторов напряжения);

.        Сверхмалый потребляемый ток приемника/передатчика и AVR (1.8…3.6В): не более 18.6 мА;

-               Активный режим ЦПУ (16МГц): 4.1мА;

-              Трансивер 2.4ГГц: 12.5 мА (приемник)/14.5 мА (передатчик с максимальной выходной мощностью);

-              Режим полного отключения (Deep Sleep): <250нА (25°C).

16.     Градации быстродействия: 0…16МГц (1.8…3.6В).

Atmel предлагает набор бесплатных и сертифицированных IEEE 802.15.4-совместимых программных стеков, таких как IEEE 802.15.4 MAC, IPv6/6LoWPAN, ZigBee® PRO и ZigBee Smart Energy ZigBeeHome Automation.

Рис. 2.2 Функциональная схема радиомодуля на основе ATMega128RFA1.

Рис. 2.3 Структурная схема микроконтроллера ATMega128RFA1.

2.2 Программная поддержка разработки беспроводных ZigBee сетей

Помимо аппаратной части, при построении беспроводной сети важна часть программная, производители выпускают не просто приемопередатчики, физически поддерживающие требуемые частотные диапазоны, форматы данных, скорости передачи, но и предоставляют готовые стеки протоколов, позволяющие организовывать сети различной топологии, осуществлять маршрутизацию, передачу данных и многое другое.

Наличие готового стека протоколов позволяет разработчикам сосредоточить внимание именно на прикладных сетевых приложениях - примерно так, как это происходит с веб-сервисами и клиент-серверными приложениями для персональных компьютеров: стек сетевых протоколов выполняет основную работу.

Стек протоколов BitCloud представляет собой полнофункциональный программный стек для встраиваемых систем, позволяющий создавать на его основе надежные, масштабируемые и безопасные приложения, работающие на аппаратной платформе фирмы Atmel.

Рис. 2.4 Основные уровни программного ZigBee стека BitCloud.

Помимо непосредственно стека протоколов компания Atmel также предоставляет готовую к работе платформу BitCloud Profile Suite для быстрой разработки сертифицированных ZigBee устройств, основанных на стандарте на стеке протоколов ZigBee PRO. На рис. 2.5 представлена диаграмма функциональных возможностей разных уровней стека [6, 7].

Рис. 2.5 Функциональные возможности уровней стека протоколов.

После анализа рынка компонентов для беспроводных сетей стандарта 802.15.4 был выбран микроконтроллер ATMEGA128RFA1, удовлетворяющий следующим критериям:

         низкое энергопотребление;

-        малые габариты;

-        достаточная мощность выходного сигнала.

На его основе и будет производится разработка узлов целевой сети.

Профиль ZigBee Home Automation обеспечивает поддержку следующих устройств:

датчик присутствия;

устройство управлении нагрузкой;

пульт управления системой.

Таким образом система в минимальном варианте будет состоять из 4 узлов взаимодействующих между собой по беспроводному каналу и обеспечивающих управление освещением и нагрузкой в электрической цепи жилого помещения [8].

2.3 Датчик присутствия

Данный узел беспроводной сети отвечает за определение присутствия человека в области видимости датчика и передаче информации другим узлам сети.

,

Рис. 2.6 Функциональная схема датчика присутствия.

Существуют различные датчики для проводных систем сигнализации. Они отличаются надежностью, дешевизной и доступностью. На выходе, как правило, сигнал присутствия в виде высокого уровня напряжения. Таким образом, чтобы получить беспроводной датчик присутствия достаточно оснастить его беспроводным модулем. Подключив сигнальную линию проводного датчика к соответствующему входу микроконтроллера.

2.4. Устройство управления освещением

Отвечает за включение/выключение и регулировку яркости освещения. Т.к. в современной светотехнике активно завоевывает позиции светодиодное освещение. Повсеместно применяются светодиодные светильники, лампы и даже прожекторы. Управлять такой светотехникой достаточно просто, т.к. большинство драйверов светодиодов как правило имеют цифровые управляющие входы для включения/отключения и регулировки яркости посредством ШИМ.

Рис. 2.7 Функциональная схема устройства управления светодиодным освещением.

2.5 Устройство управления нагрузкой

Данный узел сети является беспроводным силовым ключом коммутирующим цепь переменного напряжения 220В с нагрузкой до 10А. Что является достаточным практически для всей бытовой аппаратуры, будь то утюг, фен, телевизор. Для коммутации подобного рода цепей удобно использовать симистор. Но, т.к. контроллер питается напряжением в 3.3 вольта, а коммутировать необходимо высоковольтную нагрузку очень важно организовать гальваническую развязку между «ключом» и микроконтроллером.

Для этих целей удобно использовать симисторный оптодрайвер. Таким образом данный узел сети будет представлять из себя связку микроконтроллер, симисторный оптодрайвер, симистор.

Рис. 2.8 Функциональная схема устройства управления нагрузкой.

2.6 Пульт управления

Для управления работой системы необходим узел имеющий элементы управления и индикации, он используется для настройки возможных сценариев работы системы и контроля узлов сети.

Рис. 2.9 Функциональная схема устройства управления системой.

Данный узел сети, в первом приближении, может быть выполнен следующим образом: к микроконтроллеру подключаются элементы управления кнопки или сенсорная панель, также подключаются элементы индикации.

ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ УЗЛОВ СЕТИ

3.1 Разработка принципиальных схем

В процессе выполнения работы были разработаны принципиальные электрические схемы для четырех типов устройств стандартного профиля ZigBee Home Automation. В приложении 1 представлена схема электрическая принципиальная для устройства управления освещением, в приложении 2 - схема устройства управления нагрузкой переменного тока, в приложении 3 - схема пульта управления системой, в приложении 4 - схема датчика присутствия. Все чертежи производились в САПР P-CAD 2006 мирмы Altium.

3.2 Описание принципиальной схемы устройства управления освещением

В приложении 1 изображена схема электрическая принципиальная устройства управления освещением. На ней представлено стандартное включение микроконтроллера ATmega128RFA1 рекомендуемое производителем, питание микроконтроллера осуществляется через стабилизатор, на вход которого можно подавать напряжения в диапазоне 4,5-20 вольт, для непосредственного управления освещением на схеме выполнены два ключа на полевых n-канальных транзисторах. Затвор первого транзистора соединен с выводом PE0 порта E и будет управляться в режиме вкл/выкл. Затвор второго транзистора соединен с выводом PE3 порта E, который является выводом аппаратного ШИМ контроллера. Через него будет осуществляться управление мощностью осветительного прибора.

3.3 Описание принципиальной схемы устройства управления нагрузкой

В приложении 2 изображена схема электрическая принципиальная устройства управления нагрузкой, аналогично предыдущему разделу на схеме изображено включение микроконтроллера и организация питания. Отличительной особенностью данной схемы является наличие цепи реализующей коммутацию нагрузки переменного тока сети 220 вольт. Эта цепь представлена в виде оптосимистроного драйвера и симистора включенных по стандартной схеме рекомендуемой производителем. Управляющий вход драйвера подключен к выводу микроконтроллера PE0[9].

3.4 Описание принципиальной схемы устройства управления нагрузкой

В приложении 3 изображена схема электрическая принципиальная пульта управления, аналогично разделу 3.2. на схеме изображено включение микроконтроллера и организация питания. Отличительной особенностью данной схемы является наличие светодиодов индикации подключенных к выводам PF0-PF3 порта P микроконтроллера и кнопок управления подключенных к выводам PD0-PD3 порта D.

3.5 Описание принципиальной схемы датчика присутствия

В приложении 4 изображена схема электрическая принципиальная датчика присутствия, аналогично разделу 3.2. на схеме изображено включение микроконтроллера и организация питания. Отличительной особенностью данной схемы является наличие оптопары, осуществляющей гальваническую развязку датчика и микроконтроллера. Сигнал с коллектора фототранзистора поступает на вывод PD0, являющийся входом внешнего прерывания контроллера и используется для определения присутствия человека в области видимости датчика[10].

3.6 Описание работы системы

Данная система может работать по следующим сценариям:

) Режим ручного управления - управление всей системой, а именно освещением и коммутацией нагрузки производится пользователем при помощи пульта управления.

) Режим отсутствия - при переходе системы в данный режим происходит контроль отсутствия человека и отключение систем освещения и электроприборов.

) Режим имитации присутствия - имитация проходит следующим образом: в вечернее время на определенный период включается освещение, создавая тем самым видимость присутствия хозяев дома.

Организация сети и взаимодействие узлов полностью осуществляется средствами стека протоколов BitCloud Profile Suite. Рассмотрим роли узлов в данной сети:

)        Пульт управления - координатор сети.

)        Устройство управления нагрузкой - конечное устройство сети.

)        Устройство управления освещением - конечное устройство сети.

)        Датчик присутствия - конечное устройство сети.

На рисунке 3.1 представлена диаграмма взаимодействия узлов сети.

Рис. 3.1 Диаграмма взаимодействия узлов сети.

После включения всех устройств и их обнаружения координатором система входит в один из допустимых режимов работы. При этом пользователь может изменить режим работы с пульта управления. Основное взаимодействие узлов сети осуществляется следующим образом:

С датчика присутствия считывается состояние, после чего, в зависимости от выбранного режима, система принимает решение отключить свет и включенную нагрузку либо не отключать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы был проведен анализ предметной области беспроводных сенсорных сетей, элементной базы для их построения и средств разработки программного обеспечения для данного вида встраиваемых систем. Были разработаны функциональные и электрические принципиальные схемы узлов беспроводной сети домашней автоматики для стандартного профайла ZigBee Home Automation.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1)      Автоматизация вашего дома. [Электронный ресурс] - Режим доступа: #"587315.files/image011.gif">

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4