ĐỒ án tốt NGHIỆP thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh NGUYỄN CAO VĂN Van.nc174365@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điện Chuyên ngành Thiết bị điện – Điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Sơn Bộ môn: Viện: Thiết bị điện – Điện tử Điện HÀ NỘI, 11/2021 Chữ ký GVHD BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI ************ ========0000======= Hà nội, ngày 03 tháng 03 năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên SV: Nguyễn Cao Văn Khoá: K62 Viện Điện Chuyên ngành: Thiết bị điện - Điện tử Đề tài Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh Nhiệm vụ thiết kế: − Thiết kế hệ thống hoạt động tự động dựa theo cảm biến − Thiết kế webserver điều khiển, giám sát thiết bị − Thiết kế mơ hình nhà thơng minh thực nghiệm Ngày nộp quyển: 03/03/2022 TRƯỞNG BỘ MÔN TBĐ - ĐT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Phùng Anh Tuấn Nguyễn Thanh Sơn Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Thiết bị điện – Điện tử, đặc biệt giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Thanh Sơn tận tình hướng dẫn, bảo để em hoàn thành đề tài nghiên cứu Do thời gian kiến thức nhiều hạn chế, đề tài em khơng tránh khỏi sai sót, em mong thầy góp ý, chỉnh sửa để hồn thiện Tóm tắt nội dung đồ án Đồ án trình bày thiết kế mơ hình nhà thơng minh với thiết bị có khả điều khiển tự động, tương tác với giám sát, điều khiển từ xa thông qua Internet Để thực hiện, em tìm hiểu tổng thể hệ thống nhà thơng minh, sau lựa chọn thiết bị để xây dựng mơ hình, tiếp đến tiến hành mơ hồn thiện mơ hình Nhờ cơng cụ hỗ trợ bao gồm phần mềm “Arduino IDE, Proteus” phần cứng có thiết bị như: Bo mạch Arduino Uno, Esp8266… đồ án đạt kết với mục tiêu đặt Đồ án có tính thực tế cao dựa nhu cầu cơng nghệ, u cầu tính an tồn khả giám sát tình trạng hoạt động thiết bị người dùng Sau hoàn thành đồ án, em tiếp thu nhiều kiến thức cách xây dựng quản lý nhà thông minh, cách kết nối hệ thống, lập trình điều khiển thiết bị, bên cạnh em có thêm kĩ tự đọc hiểu tài liệu tiếng anh, kĩ làm việc nhóm kí sử dụng phần mềm,… Từ giúp em có thêm nhiều hiểu biết nhận thức chuyên ngành, tự tin sau tốt nghiệp Sinh viên thực Nguyễn Cao Văn MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Tổng quan nhà thông minh dựa IoT 1.2 Lợi ích hệ thống nhà thông minh 1.3 Hạn chế hệ thống nhà thông minh 1.4 Xu hướng phát triển nhà thông minh 1.4.1 Xu hướng phát triển nhà thông minh giới 1.4.2 Xu hướng phát triển nhà thông minh Việt Nam CHƯƠNG THIẾT KẾ TỔNG QUAN MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH 2.1 Lựa chọn hướng thiết kế 2.2 Kết cấu nhà chức 2.2.1 Kết cấu 2.2.2 Chức 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 2.4 Giới thiệu vi điều khiển Arduino 2.5 2.4.1 Giới thiệu chung 2.4.2 Arduino Uno R3 2.4.3 Arduino Mega 2560 10 2.4.4 Arduino Ethernet Shield W5100 12 2.4.5 ESP8266 13 Giới thiệu loại cảm biến 14 2.5.1 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 14 2.5.2 Cảm biến chuyển động HC-SR501 16 2.5.3 Cảm biến khí Gas MQ2 17 2.5.4 Module cảm biến ánh sáng 18 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ CẤU CHẤP HÀNH CHO NHÀ THÔNG MINH 19 3.1 3.2 Tổng quan thiết bị sử dụng cấu chấp hành 19 3.1.1 Quạt tản nhiệt DC brushless 8025 19 3.1.2 Còi chip 5V 9,5x12mm 19 3.1.3 Động servo MG90S 20 Các module thiết bị sử dụng mơ hình chức 21 3.2.1 Hệ thống bật/tắt quạt dựa nhiệt độ, độ ẩm 21 3.2.2 Hệ thống cảnh báo khí gas 22 3.2.3 Hệ thống bật/tắt đèn dựa cảm biến ánh sáng 23 3.2.4 Hệ thống mở cửa theo cảm biến chuyển động 24 3.2.5 Hệ thống bật/tắt thiết bị nút nhấn 25 CHƯƠNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH BẰNG WEB SERVER THÔNG QUA INTERNET 26 4.1 Mạng Internet 26 4.2 Địa IP 27 4.3 Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển webserver qua internet 27 4.4 Nguyên lý điều khiển truyền nhận liệu 28 4.4.1 Nguyên lý điều khiển – Truyền nhận liệu sử dụng ESP8266 28 4.4.2 Shield Nguyên lý điều khiển – Truyền nhận liệu sử dụng Ethernet 28 4.4.3 Ví dụ điều khiển, giám sát thiết bị Webserver 29 CHƯƠNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 35 5.1 Mơ hình thực tế 35 5.2 Giao diện webserver giám sát điều khiển 43 5.3 Kết điều khiển số thiết bị 44 5.4 Kết đạt 45 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH DỰA TRÊN TRÍ TUỆ NHÂN TẠO 46 6.1 Giới thiệu chung 46 6.2 Ngun lý xây dựng mơ hình nhà thông minh 46 6.3 Các bước để xây dựng mơ hình nhà thơng minh dựa AI 47 6.4 Nhận dạng hoạt động ngày sử dụng mạng nơ ron BP 48 6.4.1 Thu thập liệu 48 6.4.2 Xác định lớp đầu vào đầu 50 6.4.3 Xác định số lớp ẩn 50 6.4.4 Kết 51 CHƯƠNG KẾT LUẬN 52 7.1 Kết luận 52 7.2 Hướng phát triển đồ án tương lai 52 PHỤ LỤC 55 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một ví dụ cấu trúc nhà thông minh [1] Hình 1.2 Mơ hình Smart home cơng ty Compro Technology [2] Hình 1.3 Mơ hình Smart home cơng ty IEI Integration [2] Hình 1.4 Mơ hình Smart home Eco-Future-World [2] Hình 1.5 Mơ hình Smart home BKAV [2] Hình 1.6 Mơ hình Smart home Lumi [2] Hình 2.1 Các chức nhà thông minh Hình 2.2 Sơ đồ ngun lý hệ thống nhà thơng minh Hình 2.3 Hình ảnh vi điều khiển Arduino [3] Hình 2.4 Hình ảnh Arduino Uno R3 [4] Hình 2.5 Hình ảnh Arduino Mega 2560 [5] 11 Hình 2.6 Hình ảnh Arduino Ethernet Shield W5100 [6] 13 Hình 2.7 Hình ảnh ESP8266 [7] 13 Hình 2.8 Sơ đồ chân ESP8266 [7] 14 Hình 2.9 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 [8] 14 Hình 2.10 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 [8] 15 Hình 2.11 Cấu tạo cảm biến độ ẩm bên DHT11 [8] 15 Hình 2.12 Cảm biến chuyển động HC-SR501 [9] 16 Hình 2.13 Cảm biến chuyển động HC-SR501 [9] 16 Hình 2.14 Cảm biến khí gas MQ2 [10] 17 Hình 2.15 Sơ đồ chân cảm biến khí gas MQ2 [10] 17 Hình 2.16 Module cảm biến ánh sáng [11] 18 Hình 3.1 Quạt tản nhiệt DC brushless 8025 [12] 19 Hình 3.2 Cịi chip 5V 9,5x12mm [13] 19 Hình 3.3 Động servo MG90S [14] 20 Hình 3.4 Sơ đồ chân Servo MG90S [14] 21 Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống bật/tắt quạt theo nhiệt độ, độ ẩm 21 Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống cảnh báo khí gas 22 Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống bật/tắt đèn theo cảm biến ánh sáng 23 Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống mở cửa theo cảm biến chuyển động 24 Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống bật/tắt thiết bị nút nhấn 25 Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống giám sát điều khiển 27 Hình 4.2 Sơ đồ truyền tín hiệu từ cấu chấp hành đến Webserver sử dụng ESP8266 28 Hình 4.3 Sơ đồ truyền tín hiệu từ Webserver đến cấu chấp hành sử dụng ESP8266 28 Hình 4.4 Sơ đồ truyền tín hiệu từ Webserver đến cấu chấp hành sử dụng Ethernet 29 Hình 4.5 Sơ đồ truyền tín hiệu từ cấp chấp hành đến Webserver sử dụng Ethernet 29 Hình 4.6 Sơ đồ kết nối thiết bị 29 Hình 4.7 Giao diện Web điều khiển sử dụng ESP8266 34 Hình 4.8 Giao diện bật Relay Relay 34 Hình 4.9 Relay Relay bật 34 Hình 5.1 Mơ hình nhà thực tế 35 Hình 5.2 Mơ hình nhà thực tế 35 Hình 5.3 Sơ đồ mạch điện mơ hình nhà thực tế 36 Hình 5.4 Giao diện webserver ban đầu 44 Hình 5.5 Bật quạt độ ẩm cao 44 Hình 5.6 Bật đèn trời tối 44 Hình 5.7 Cửa mở có chuyển động 44 Hình 5.8 Cịi báo động nồng độ khí Gas cao 45 Hình 6.1 Mạng nơ ron BP lớp [15] 48 Hình 6.2 Ví dụ tập liệu hoạt động Night_wandering [15] 50 Hình 6.3 Kết cho hoạt động [15] 51 DANH MỤC HÌNH VẼ Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật Arduino Uno R3 [4] Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật Arduinno Mega 2560 [5] 11 Bảng 2.3 Chân RX, TX ứng với cổng Serial tương ứng [5] 12 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Tổng quan nhà thông minh dựa IoT Ngày nay, phổ biến rộng rãi thiết bị thông minh với cảm biến nhúng giao diện không dây tạo điều kiện cho phát triển nhanh chóng Internet of Things (IoT) IoT đóng vai trò đáng kể việc cải thiện chất lượng sống phát triển kinh tế giới Nó tạo điều kiện cho kết nối toàn cầu qua đối tượng vật lý tồn giới (ví dụ: cảm biến, điện thoại thông minh, xe cộ, thiết bị) để phục vụ người theo cách cộng tác tự động thông minh IoT giúp nhiều thứ khác kết nối kiểm soát Internet Các lĩnh vực ứng dụng IoT bao gồm nhà thơng minh, chăm sóc sức khỏe thơng minh, lưới điện thông minh, giao thông thông minh, thành phố thông minh, tự động hóa cơng nghiệp giám sát Trong số ứng dụng IoT khác nhau, thiết kế Nhà thông minh (Smart Home) thu hút ý lớn liên quan nhiều đến sống người Một nhà thông minh định nghĩa theo nhiều cách Một định nghĩa nhà thơng minh ngơi nhà có hệ thống tự động bao gồm cảm biến điều khiển thiết bị để cung cấp hệ thống tiện nghi, thơng minh an tồn nhằm cải thiện chất lượng sống kiểm soát thiết bị gia dụng cách dễ dàng, đặc biệt người già người tàn tật Hệ thống tự động hóa nhà thơng minh thể Hình 1.1 cung cấp giao diện điện thoại thơng minh máy tính cá nhân với thiết bị gia dụng, thông qua giao diện giao tiếp không dây Bluetooth Wi-Fi Hình 1.1 Một ví dụ cấu trúc nhà thông minh [1] Nhà thông minh thành phần "Internet of Things", thứ có địa IP định, giám sát truy cập từ xa, từ đâu vào lúc Đó cách mà thiết bị gia dụng thiết bị khác kết nối internet để kiểm soát tất khía cạnh ngơi nhà thơng minh Trong nhiều thập kỷ, hệ thống nhà thông minh chiếu sáng điều khiển thiết bị đơn giản Gần đây, cơng nghệ cho phép kiểm sốt hồn tồn nhà thông minh từ đâu để ý tưởng “thế giới kết nối” trở thành thực Ngôi nhà thơng minh điều khiển thiết bị hoạt động nào, thiết bị hoạt động Nó mang lại tiện lợi, dễ kiểm soát tiết kiệm tiền Hơn nữa, hệ thống nhà thơng minh cảnh báo người dùng việc xảy họ vắng rị rỉ nước, rị rỉ khí gas, hỏa hoạn đột nhập trái phép vào nhà họ Tại thời điểm nào, người dùng thực thay đổi cài đặt hệ thống tự động hóa dựa yêu cầu mong muốn cách sử dụng ứng dụng điện thoại Android thiết bị điều khiển khác thơng qua Internet 1.2 Lợi ích hệ thống nhà thơng minh Một lợi ích hệ thống nhà thông minh hệ thống điều khiển ánh sáng tiên tiến Người sử dụng bật tắt thiết bị điện theo cách thủ công Ví dụ, người dùng bước vào phịng ngủ, có hai lựa chọn, đèn tự động bật tắt sau người rời khỏi phịng người dùng điều khiển việc bật/tắt từ ứng dụng điện thoại thơng minh Độ sáng đèn kiểm sốt để giảm điện tiêu thụ Bên cạnh đó, người dùng lựa chọn để điều chỉnh điều kiện phòng dựa số cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, v.v.) điều khiển tốc độ quạt từ ứng dụng di động tốc độ tự động điều chỉnh dựa nhiệt độ phòng Bằng cách này, hiệu sử dụng lượng cải thiện thiết bị điện tự động bật dễ dàng tắt không sử dụng, điều tiết kiệm lượng giảm chi phí điện Ngồi ra, người dùng điều khiển thiết bị điện theo dõi tình trạng nhà từ đâu cách sử dụng điện thoại thơng minh, máy tính bảng máy tính xách tay Ví dụ, người dùng quên tắt quạt thiết bị khác rời khỏi nhà, người dùng tắt thiết bị thơng minh Các cảm biến khói, carbon monoxide cảm biến mức nước lắp đặt để người dùng biết ngơi nhà họ có bị ngập lụt hay khơng khí xung quanh có nguy hiểm hay không Đối với hệ thống bảo mật, có cố xảy ra, người dùng nhận cảnh báo điện thoại họ Người dùng khơng phải lo lắng có kẻ gian cố gắng vào nhà họ giám sát từ điện thoại cách sử dụng cảm biến chuyển động phát chuyển động nào, báo động bật Hệ thống an ninh phần quan trọng để giữ cho ngơi nhà an tồn trước kẻ xâm nhập Tất thành phần ngơi nhà thơng minh thơng gió, sưởi ấm, điều hịa khơng khí, hệ thống chiếu sáng tập trung, thiết bị tự động hệ thống an ninh mang lại thoải mái an toàn sống hàng ngày 1.3 Hạn chế hệ thống nhà thông minh Một vấn đề hầu hết hệ thống nhà thơng minh ... tháng 03 năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên SV: Nguyễn Cao Văn Khoá: K62 Viện Điện Chuyên ngành: Thiết bị điện - Điện tử Đề tài Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh. .. cạnh nhà thông minh Trong nhiều thập kỷ, hệ thống nhà thông minh chiếu sáng điều khiển thiết bị đơn giản Gần đây, cơng nghệ cho phép kiểm sốt hồn tồn nhà thông minh từ đâu để ý tưởng “thế giới kết... sóng vùng nơng thơn Do đó, hệ thống đề xuất để khắc phục hạn chế hệ thống nhà thơng minh có thiết kế chế tạo hệ thống nhà thông minh dựa Wi-Fi vi điều khiển Arduino Hệ thống tiết kiệm chi phí cho