智慧家庭—Zigbee無線自動燈光及溫度調控系統

1. 嵌入式智慧家庭系統整合平台
Integrated Embedded Linux Smart Home Gateway with
ZigBee, Smart Lighting Control, Remote Sensing Control
第一組: 葉徐明 、陳易澍、王信惠、施宏達
陳奇瑋 、顏志宏、林聖修
10/18/2012

2. Outline
智慧家庭的應用
系統架構
ZigBee Overview
Smart Light Control & Sensors
IR Remote Control
艾鍗智慧家庭系統
系統操作流程與軟體架構
DEMO
Q&A

3. 智慧家庭系統簡介

5. Smart Home Gateway 應用
Thermal
PIR Light Light Air-Cond.
Humidity Remote
Sensor Sensor Control
Sensor Controller w/
ZigBee
ZigBee Light Controller Ｗi-Fi
紅外線
ZigBee 遙控
HDMI,
A/V
RS232
ADSL Router
RFID
Smart Home Gateway

6. 智慧家庭統功能實現
智慧家庭嵌入式主機(Samsung S3C6410X
ARM11, Linux)
無線感應網路(ZigBee + PIR + 溫度Sensor)
遠端無線控制(ZigBee + TRIAC燈光調控 + Relay)
智慧型燈光情境控制(Linux + ZigBee + 燈光調控)
智慧型紅外線遙控家電(Linux + Universal IR
Remote Control)
RFID 讀卡機

7. 系統架構

8. Smart Home 系統架構
TRIAC
Light
Control
TI CC2430
ZigBee
Thermal Device
Sensor ZigBee
紅外線
遙控
PIR
Sensor TI CC2430
紅外線
ZigBee
發射器
Coordinator Relay
UART1 GPIO
UART2 GPIO
LAN
PIC 18F4520
RFID Reader LCD &
Touch ADSL Router
I/F
LCD Touch Panel DMA-6410L Samsung S3C6410X APP /
ARM11 Linux 開發平臺 Web
Browser

9. Smart Home 系統規格
Gateway 硬體規格: 燈光調控器
• CPU: Samsung S3C6410 • TI CC2430 2.4GHz
(ARM11 @ 667MHZ) ZigBee Module
• SDRAM:128MB • TRIAC 調光線路with PIC
• Flash:128MB Microcontroller
• LCD : 4.3 inch (480x272) • Parallax PIR Sensor
• Resistive Touch Panel 軟體規格:
• Mic In • OS: Linux Kernel 2.6
• Audio Out • Open Source:
• TI CC2430 2.4GHz • JPEG
ZigBee Coordinator • X-Window
Module • LIRC Remote Control
• MP3 Player
• KeyPad 4x2
• Status LED
• IR Remote Control

10. Smart Home 系統 (主機)
紅外線發射器
Relay 控制板
TI CC2430 ZigBee
Coordinator Module
DMA6410L Samsung
S3C641 開發平台

11. Smart Home 系統 (燈光調控器)
Zero Crossing
PIR Sensor
電路板
電路板
Parallax PIR
感應器
TI CC2430 ZigBee
Device Module
PIC TRIAC 燈光
控制電路板
調光器電燈電
源插座

12. ZigBee Overview

13. ZigBee 簡介
硬體標準 : 由 IEEE802.15.4小組制定
軟體標準 : ZigBee Alliance 制定
ZigBee 是一種低速短距無線通訊技術 ，主
要特色有低速、低耗電、低成本、支援大
量網路節點、支援多種網路拓撲。

14. ZigBee IoT Application Areas

16. Current ZigBee IoT Standards
ZigBee Home Automation (ZHA)
ZigBee Light Link (ZLL)
ZigBee Smart Energy (ZSE)
ZigBee Building Automation (CBA)
ZigBee Telecom Services (ZTS)
ZigBee Health Care (ZHC)
ZigBee Remote Control (ZRC)
ZigBee Input Device (ZID)
ZigBee Retail Services (ZRS)

17. ZigBee 優點
省電 :
RX: 27 mA, TX: 27mA
Wide supply voltage range (2.0V - 3.6V)
8051 compatible microcontroller running at 32 MHz
Device 端適合使用電池長時間工作
適合遠距離無線感測網路(WSN)、物聯網(The internet
of Thing)
使用 TI CC2430 ZigBee SoC, 8051 Microcontroller 容
易與Sensors, 及外接控制線路結合使用

18. ZigBee / Wi-Fi / BT 比較
Feature(s) IEE 802.11g Bluetooth 2.0 ZigBee
電源持續力 Hours Days Years
複雜度 Very comples Comlex Simple
節點數 Many 7 Up to 65535
建立連線速度 Upto 3 S Upto 10 S 30 ms
傳輸距離 100M 10m 70m ~
300m
擴充性 Yes No Yes
資料傳輸率 54Mbps 3Mbps 250Kbps
(2.4Ghz) (2.4Ghz) (2.4Ghz)
安全性 SSID 64bit,128bit 128bit AES

19. IEEE 802.15.4 and ZigBee working model

20. ZigBee Network Model
Coordinator
建立網路及設定各項參數
發放網路位址及管理
具有Router 功能
Router
轉發訊息
允許其它裝置加入網路
End Device
只能傳送或接收封包，無法
轉發具有休眠模式

21. Device Types in ZigBee Networks
Yes Yes Yes
No No Yes
: 本專題ZigBee Coordinator 及Device工作模式

22. ZigBee SoC Architecture Concept

23. TI CC2430 ZigBee SoC Block Diagram

24. ZigBee Hardware Connection
TI CC2430
Zigbee ZigBee Device
Radio signal
TI CC2430
Uart
ZigBee
Coordinator
DMA6410L
Samsung S3C6410
Linux
Platform

25. 燈光調控器
Smart Light Control &
Sensors

26. Smart Home 系統 (燈光調控器)
Zero Crossing
PIR Sensor
電路板
電路板
Parallax PIR
感應器
TI CC2430 ZigBee
Device Module
PIC & TRIAC
燈光控制電路板
調光器電燈電
源插座

27. Smart Light Control 燈光調控器PCB
TI CC2430
ZigBee SoC IC Zero Crossing
TI CC2430 ZigBee
w/ 溫度Sensor PIC & TRIAC 電路板
Device Module
燈光控制電路板
燈座盒
Parallax PIR Sensor 紅 PIR Sensor
外線體溫感測器 電路板

28. TRIAC 燈光調控電路圖
PIC 16F916

29. ZigBee Device 控制信號
P1_1 作為output，與PIC TRIAC 燈光控制板連接，藉此
將燈光控制指令脈波送出，控制電燈ON / OFF 或不同亮
度。
ON: 2 control pulses (50 ~ 100ms)
UP : 4 control pulses
DOWN: 6 control pulses
OFF: 8 control pulses
P0_7 設定為外部中斷與PIR Sensor (Pyroelectric
Infrared Sensor)連接
人體焦電紅外線檢測傳感器PIR(Pyroelectric Infrared
Sensor):感應角度：100 度 感應距離：7m 在一般狀態下，
輸出為低電位，偵測到有人時，輸出為高電位。
溫度感應Sensor: TI CC2430 內建，讀值經內部ADC 轉換
計算傳回主控制器

30. IR Remote Control
紅外線遙控

31. IR Remote Control 線路
紅外線發射電路板
DMAˊ6410L GPIO Port
紅外線發射線路

32. IR Remote Control Signals
• 利用 WinLIRC 學習IR Remote Controller 之紅外線信號編
碼,再將此編碼由Linux 智慧家庭主機透過IR 發射器送出，
遙控電扇
• IR Data Logical 1 & 0 Timing
37.91KHz 載波

33. IR Remote Control Signals (Cont’)
• 傳送一個完整指令的時脈圖
• 傳送一個重複指令的時脈圖

34. Smart Home System
智慧家庭系統

35. Home Gateway System
Air Home
Light Media
Web Condi. Camera Automat
Control Play
Server Control Service ion
Service Service
Service Service
Light Network
Media Play
JVM Control Protocol
API
API Stack
Linux
Embedded Hardware Platform
RFID Ether
Reader Wi-Fi USB ZigBee UART Sensor Video Audio LCD IR
net

36. 主要功能
1. 利用ZigBee 無線傳輸與燈光控制器溝通，控制LED 或燈光亮度。
2. 燈光控制器也提供溫度、與PIR (紅外線人體感應) Sensor資訊，供
Gateway 判斷與控制相關家庭電器。
3. 依據讀回的房間溫度與，閘道器(Gateway)可以聰明的利用紅外線發
射器遙控電風扇或冷氣機運轉強弱，以控制舒適的室內溫度。
4. 藉由PIR (紅外線人體感應) Sensor資訊，閘道器(Gateway)可以自動控
制房間的燈光，讓家中老人夜間安全行動。
5. RFID 刷卡自動點亮燈光與冷氣(或風扇)
6. 依照預設時間，按照選定的室內燈光情境控制燈光氣氛，調整燈光
亮度
7. 使用者可以在LCD觸控面板直接方便的操控。
8. 提供Web Server功能，讓家人利用iPhone 或Android 手機遠端遙控家
中電燈，冷氣、風扇，或其他電器。

37. Smart Home KeyPad 功能

38. 系統畫面

39. Zigbee 網路建立及傳輸
Coordinate firmware flow Device firmware flow

40. CMD_STRUCT
Head cmd flag length Data[0] Data[1] Data[1] Data[3]
COORDINATOR 和DEVICE之間封包的傳送格式
head:固定為0xa8
cmd:0x01 要求device回傳晶片內溫度
0x02 要求device回傳PIR目前狀況
0x03 對電燈進行控制 data[0]=1為亮 data[1] =0為暗
0x04 當PIR受到觸發時，發送給coordinate端的訊息
flag: 是否需要回傳封包 ex:回傳晶片內溫度，PIR狀況…
length :data所需長度
data:存放要傳送的資訊

41. 燈光與無線Sensor控制軟體流程圖
Linux/DMA6410L
PIC Controller
UART
傳送資料 TRIAC
PIR Sensor
light control
傳送動作 傳送資料
P1_1 P0_7
傳送命令
Temperature
Coordinator End Device sensor
回傳資料

42. Linux Zigbee application flow

43. Sequence diagram

44. Smart Home System DEMO
智慧家庭系統DEMO

45. 結語
智慧家庭系統應用正方興未艾，我們展望未來此類產
品的成長
本專題只是一個Smart Home 系統平台開發起步，未
來還可以在本平台上擴充更多智慧家庭應用功能，如:
 Web Cam
 RFID 門禁管制系統
 Media Player
 Web Remote Control (利用手機或網頁控制)
 UI 操作介面使用者經驗(User Experience)改善
 多個房間家電燈光┘控制
 居家醫療照護

46. Q&A

47. Thank You!