La maison intelligente est une plateforme qui utilise des technologies intégrées de câblage, de communication réseau, de sécurité, de contrôle automatisé, audio et vidéo pour centraliser les équipements liés à la vie quotidienne. Elle permet de créer un système de gestion efficace des installations et des affaires familiales, d'améliorer la sécurité, le confort et l'esthétique du logement, et de créer un environnement de vie respectueux de l'environnement et économe en énergie. Selon la définition la plus récente de la maison intelligente, et en s'appuyant sur les caractéristiques de la technologie ZigBee, ce système comprend un système domotique (système de contrôle centralisé, système de contrôle de l'éclairage et système de sécurité), intégrant le câblage, le réseau domestique, le système audio et le système de contrôle de l'environnement. Pour qu'une maison soit considérée comme intelligente, il faut installer tous les systèmes nécessaires. Un logement équipé d'au moins un système optionnel peut donc être qualifié de maison intelligente.
1. Schéma de conception du système
Le système est composé d'appareils contrôlés et de dispositifs de télécommande au sein du domicile. Parmi les appareils contrôlés, on trouve principalement l'ordinateur connecté à Internet, le centre de contrôle, le nœud de surveillance et le contrôleur des appareils électroménagers (en option). Les dispositifs de télécommande sont principalement des ordinateurs et des téléphones mobiles.
Les principales fonctions du système sont les suivantes : 1) navigation web et gestion des informations de base ; 2) commande des appareils électroménagers, de la sécurité et de l’éclairage via Internet et téléphone mobile ; 3) identification de l’utilisateur par module RFID pour la gestion de la sécurité intérieure et l’envoi d’une alerte SMS en cas de vol ; 4) contrôle et affichage de l’état de l’éclairage et des appareils électroménagers via le logiciel de gestion centralisée ; 5) stockage des informations personnelles et de l’état des équipements dans une base de données, permettant aux utilisateurs de consulter facilement l’état de leurs équipements via le système de gestion centralisée.
2. Conception matérielle du système
La conception matérielle du système comprend la conception du centre de contrôle, du nœud de surveillance et l'ajout optionnel du contrôleur d'appareils électroménagers (prenons comme exemple le contrôleur de ventilateur électrique).
2.1 Le centre de contrôle
Les principales fonctions du centre de contrôle sont les suivantes : 1) Création d'un réseau sans fil ZigBee, ajout de tous les nœuds de surveillance au réseau et prise en charge des nouveaux équipements ; 2) Identification de l'utilisateur : présence ou absence de l'utilisateur grâce à sa carte d'accès pour la gestion de la sécurité intérieure ; 3) En cas d'intrusion, envoi d'une alerte par SMS à l'utilisateur. Ce dernier peut également contrôler la sécurité intérieure, l'éclairage et les appareils électroménagers par SMS ; 4) Affichage de l'état du système sur l'écran LCD en mode autonome ; 5) Enregistrement et transmission des données d'état des équipements électriques vers un ordinateur pour une utilisation en ligne.
Le matériel prend en charge l'accès multiple par détection de porteuse/détection de collision (CSMA/CA). Sa tension de fonctionnement de 2,0 à 3,6 V contribue à la faible consommation d'énergie du système. Configurez un réseau ZigBee en étoile sans fil à l'intérieur du bâtiment en le connectant au module coordinateur ZigBee du centre de contrôle. Sélectionnez ensuite le contrôleur d'appareils électroménagers comme nœud terminal pour rejoindre le réseau et ainsi permettre le contrôle sans fil ZigBee de la sécurité intérieure et des appareils électroménagers.
2.2 Nœuds de surveillance
Les fonctions du nœud de surveillance sont les suivantes : 1) détection des signaux corporels humains, alarme sonore et lumineuse en cas d'intrusion ; 2) contrôle de l'éclairage, le mode de contrôle étant divisé en contrôle automatique et contrôle manuel. Le contrôle automatique allume/éteint automatiquement la lumière en fonction de l'intensité lumineuse intérieure, tandis que le contrôle manuel s'effectue via le système de contrôle central ; 3) les informations d'alarme et autres informations sont envoyées au centre de contrôle, et ce dernier reçoit des commandes pour effectuer le contrôle des équipements.
La détection des signaux corporels humains repose le plus souvent sur le mode de détection infrarouge et micro-ondes. La sonde infrarouge pyroélectrique utilisée est la RE200B, et le dispositif d'amplification est le BISS0001. La RE200B est alimentée par une tension de 3 à 10 V et intègre un élément infrarouge pyroélectrique à double sensibilité. Lorsque cet élément reçoit un rayonnement infrarouge, un effet photoélectrique se produit à ses pôles, entraînant une accumulation de charges. Le BISS0001 est un circuit intégré hybride numérique-analogique composé d'un amplificateur opérationnel, d'un comparateur de tension, d'un contrôleur d'état, d'un temporisateur et d'un temporisateur de blocage. Associé à la RE200B et à quelques composants, il forme un commutateur infrarouge pyroélectrique passif. Le module ANT-G100, utilisé comme capteur micro-ondes, a une fréquence centrale de 10 GHz et un temps d'établissement maximal de 6 µs. Combiné au module infrarouge pyroélectrique, il permet de réduire efficacement le taux d'erreur de détection de la cible.
Le module de commande d'éclairage est principalement composé d'une photorésistance et d'un relais de commande. Connectez la photorésistance en série avec une résistance ajustable de 10 kΩ, puis reliez l'autre extrémité de la photorésistance à la masse et l'autre extrémité de la résistance ajustable à un niveau haut. La tension aux bornes de ces deux résistances est convertie en tension par un convertisseur analogique-numérique SCM afin de déterminer si la lampe est allumée. La résistance ajustable permet à l'utilisateur de régler l'intensité lumineuse lors de l'allumage. Les interrupteurs d'éclairage intérieur sont commandés par des relais. Un seul port d'entrée/sortie est disponible.
2.3 Sélectionnez le contrôleur d'appareils électroménagers ajoutés
Le choix d'ajouter la commande des appareils électroménagers se fait principalement en fonction de leur fonction, comme par exemple pour un ventilateur. Le centre de contrôle envoie des instructions au contrôleur du ventilateur via le réseau ZigBee. Chaque appareil possède un numéro d'identification différent ; par exemple, le numéro d'identification d'un ventilateur est 122, tandis que celui d'un téléviseur couleur est 123. Ainsi, le centre de contrôle peut reconnaître les différents appareils électroménagers. Un même code d'instruction peut donc affecter la fonction de chaque appareil. La figure 4 illustre la liste des appareils électroménagers sélectionnés pour l'ajout de la commande.
3. Conception du logiciel système
La conception du logiciel système comprend principalement six parties : la conception de la page Web de contrôle à distance, la conception du système de gestion de contrôle central, la conception du programme ATMegal28 du contrôleur principal du centre de contrôle, la conception du programme coordinateur CC2430, la conception du programme du nœud de surveillance CC2430 et la conception du programme d'ajout de périphérique de sélection CC2430.
3.1 Conception du programme de coordination ZigBee
Le coordinateur initialise d'abord la couche application, configure son état et son état de réception sur « inactif », puis active les interruptions globales et initialise le port d'E/S. Il commence ensuite à établir un réseau en étoile sans fil. Dans le protocole, le coordinateur sélectionne automatiquement la bande 2,4 GHz, le débit maximal est de 62 500 bits par seconde, l'identifiant PANID par défaut est 0x1347, la profondeur de pile maximale est de 5, le nombre maximal d'octets par envoi est de 93 et le débit du port série est de 57 600 bits/s. Le minuteur SL0W génère 10 interruptions par seconde. Une fois le réseau ZigBee établi, le coordinateur envoie son adresse au microcontrôleur du centre de contrôle. Ce dernier identifie le coordinateur ZigBee comme un nœud de surveillance et lui attribue l'adresse 0. Le programme entre alors dans sa boucle principale. Premièrement, déterminer si de nouvelles données ont été envoyées par le nœud terminal. Si c'est le cas, elles sont directement transmises au microcontrôleur du centre de contrôle. Ensuite, déterminer si le microcontrôleur du centre de contrôle a reçu des instructions. Si oui, les transmettre au nœud terminal ZigBee correspondant. Déterminer si la sécurité est activée et s'il y a un intrus. Si c'est le cas, envoyer une alarme au microcontrôleur du centre de contrôle. Enfin, déterminer si l'éclairage est en mode automatique. Si oui, activer le convertisseur analogique-numérique pour l'échantillonnage. La valeur échantillonnée détermine l'allumage ou l'extinction de l'éclairage. En cas de changement d'état, l'information est transmise au microcontrôleur du centre de contrôle.
3.2 Programmation des nœuds terminaux ZigBee
Un nœud terminal ZigBee est un nœud sans fil contrôlé par le coordinateur ZigBee. Dans le système, il sert principalement de nœud de surveillance et peut, en option, de contrôleur d'appareils électroménagers. L'initialisation d'un nœud terminal ZigBee comprend l'initialisation de la couche application, l'ouverture des interruptions et l'initialisation des ports d'E/S. Le nœud tente ensuite de rejoindre le réseau ZigBee. Seuls les nœuds terminaux configurés avec un coordinateur ZigBee sont autorisés à rejoindre le réseau. En cas d'échec de la connexion, le nœud terminal ZigBee réessaie toutes les deux secondes jusqu'à ce que la connexion soit établie. Une fois connecté, le nœud terminal ZigBee envoie ses informations d'enregistrement au coordinateur ZigBee, qui les transmet au microcontrôleur du centre de contrôle pour finaliser l'enregistrement. Si le nœud terminal ZigBee est un nœud de surveillance, il permet de contrôler l'éclairage et la sécurité. Le programme est similaire à celui du coordinateur ZigBee, à ceci près que le nœud de surveillance doit envoyer des données au coordinateur ZigBee, qui les transmet ensuite au microcontrôleur du centre de contrôle. Si le nœud terminal ZigBee est un contrôleur de ventilateur électrique, il lui suffit de recevoir les données de l'ordinateur central sans avoir à télécharger son état ; son contrôle peut donc être assuré directement même en cas d'interruption de la réception des données sans fil. Lors d'une interruption de la réception des données sans fil, tous les nœuds terminaux traduisent les instructions de contrôle reçues en leurs propres paramètres de contrôle, sans traiter ces instructions dans leur programme principal.
4 Débogage en ligne
L'instruction d'incrémentation du code d'instruction de l'équipement fixe, émise par le système de gestion et de contrôle central, est transmise au microcontrôleur du centre de contrôle via le port série de l'ordinateur, puis au coordinateur via l'interface à deux lignes. Le coordinateur transmet ensuite les données au nœud terminal ZigBee. À réception, les données sont renvoyées au PC via le port série. Sur ce PC, les données reçues par le nœud terminal ZigBee sont comparées à celles envoyées par le centre de contrôle. Le système de gestion et de contrôle central envoie deux instructions par seconde. Après cinq heures de test, le logiciel s'arrête lorsque 36 000 paquets ont été reçus. Les résultats du test de transmission de données multiprotocole sont présentés sur la figure 6. Le nombre de paquets corrects est de 36 000, aucun paquet incorrect n'a été détecté, soit un taux de précision de 100 %.
La technologie ZigBee est utilisée pour la mise en réseau interne de la maison connectée, offrant une commande à distance aisée, une grande flexibilité dans l'ajout de nouveaux équipements et une fiabilité optimale. La technologie RFTD permet l'identification de l'utilisateur et renforce la sécurité du système. Grâce à l'accès au module GSM, les fonctions de commande à distance et d'alarme sont assurées.
Date de publication : 6 janvier 2022