Đang tải... (xem toàn văn)
Trên cơ sở nghiên cứu những nhu cầu sử dụng trong thực tế cũng như các thiết bị thuộc hệ thống ngôi nhà thông minh, nghiên cứu đã đưa ra ý tưởng và các giải pháp thực hiện. Ngôi nhà thông minh (SmartHome) hoạt động dựa trên sự cài đặt của người sử dụng với các chế độ khác nhau. Người sử dụng rất ít khi phải thực hiện các thao tác điều khiển trực tiếp các thiết bị trong nhà. Hệ thống đã được lập trình hoạt động một cách thông minh giúp đơn giản hóa việc điều khiển các thiết bị. Tham khảo bài viết về Ngôi nhà thông minh sau đây để biết thêm nội dug chi tiết.
KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 NGƠI NHÀ THƠNG MINH Ngơ Thị Dung, Đỗ Thanh Hoa, Lê Thị Huyền Trang, Lớp K60A, Nguyễn Thị Tính, Nguyễn Thị Bích Vân, Lớp K61A, Khoa Sƣ phạm Kĩ thuật GVHD: ThS Trịnh Văn Đích Tóm tắt: Trên sở nghiên cứu nhu cầu sử dụng thực tế thiết bị thuộc hệ thống ngơi nhà thơng minh, nhóm đưa ý tưởng giải pháp thực Ngôi nhà thông minh (SmartHome) hoạt động dựa cài đặt người sử dụng với chế độ khác Người sử dụng phải thực thao tác điều khiển trực tiếp thiết bị nhà Hệ thống lập trình hoạt động cách thơng minh giúp đơn giản hóa việc điều khiển thiết bị Ngoài ra, giao diện điều khiển cài đặt thiết bị thông minh cầm tay (điện thoại, máy tính bảng) giúp cho ta sử dụng cách dễ dàng Từ khóa: Ngơi nhà thơng minh, internet, quản lí, giám sát, điều khiển từ xa, điện thoại 3G I MỞ ĐẦU Nhà thông minh (Smart home Intellihome) kiểu nhà đƣợc lắp đặt thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hố hoàn toàn bán tự động, thay ngƣời thực thao tác quản lí, điều khiển “Ngơi nhà thơng minh" lịch sử ngơi biệt thự Thái Bình Dƣơng Bill Gates có hệ thống trang, thiết bị điện tử tinh vi, đại phức tạp đƣợc bố trí nội thất bên Với công nghệ kết nối tiên tiến nhƣ công nghệ truyền liệu không dây chuyên dụng Zigbee, công nghệ truyền liệu đƣờng điện PLC… hệ thống Nhà thơng minh SmartHome dễ dàng triển khai nhà sử dụng xây mà lại đƣờng điện hay sửa đổi hạ tầng II NỘI DUNG Tổng quan hệ thống ngơi nhà thơng minh (Smart home) Nhà thơng minh có đặc trƣng bật tiết kiệm tối đa tiêu hao lƣợng dƣới dạng mà tạo điều kiện thoải mái tiện nghi tối đa cho chủ nhân Trong nhà thông minh, đồ dùng nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet gắn điều khiển điện tử kết nối với Internet điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa lập trình cho thiết bị nhà hoạt động theo lịch Thêm vào đó, đồ gia dụng hiểu đƣợc ngơn ngữ có khả tƣơng tác với Hình Sơ đồ khối chức nhà thông minh 189 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 Hình Sơ đồ chung hệ thống ngơi nhà thơng minh Các chức thƣờng sử dụng nhà thông minh 2.1 Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic, ) Các đèn phòng đƣợc kết hợp với nối với thiết bị khác phịng nhƣ quạt thơng gió Toàn hệ thống đƣợc tự động điều khiển trạng thái tối ƣu cho hoàn cảnh sử dụng cụ thể 2.2 Điều khiển mành, rèm, cửa cổng Hệ thống cửa cổng, cửa cuốn, rèm,… đƣợc đóng mở nhiều cách, tự động, tay, điều khiển từ xa, hình cảm ứng qua điện thoại 2.3 Hệ thống an ninh, báo động, báo cháy Các cảm biến chuyển động hệ thống chiếu sáng đƣợc kích hoạt (bằng phím bấm đặt trƣớc) tự động trở thành hệ thống chống trộm Khi có nguy bị đột nhập, thiết bị cảnh báo chỗ còi hú gọi điện đến số điện thoại đặt trƣớc 2.4 Hệ thống điều khiển điều hịa, máy lạnh Với cảm biến mơi trƣờng, giúp tự động điều khiển nhiệt độ nhà phù hợp với nhiệt độ đƣợc cài đặt trƣớc 2.5 Hệ thống âm & hình ảnh đa vùng Giải pháp âm giúp tiết kiệm nhiều thời gian giải trí, quản lí bảo trì hệ thống âm thanh.Với khả thiết kế linh hoạt, hệ thống cho phép thƣởng thức ca khúc yêu thích từ vị trí nhà 2.6 Hệ thống chng cửa có hình Hệ thống chng hình bao gồm đầu nhận hình đƣợc đặt phịng khách phịng ngủ cho phép nói chuyện, nhìn đƣợc hình ảnh ngƣời khách đến nhà mở cửa, bật tắt thiết bị nhà hệ thống chng hình 190 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 2.7 Hệ thống camera Với hệ thống camera, ngóc ngách nhà luôn đƣợc giám sát 24/7 Có thể giám sát ngơi nhà mình, hay xem làm khơng có nhà Smartphone, laptop từ xa 2.8 Hệ thống bảo vệ nguồn điện Với hệ thống cáp, ngƣời sử dụng tiếp xúc gần với điện 220VAC, giảm thiểu tối đa nguy cháy nổ chập điện Đồng thời, giảm thiểu tổn thất điện dây dẫn Khi cần mở rộng hệ thống ta thêm vào mà khơng phải lại dây Quá trình nghiên cứu ứng dụng 3.1 Hệ thống giám sát bảo vệ 3.1.1 IP Camera (Camera quan sát qua mạng) Camera IP hay gọi camera mạng cho phép việc giám sát đƣợc thực chỗ thông qua hệ thống mạng Lan/ Wan/ Wireless đƣợc xác nhận địa IP riêng biệt Các camera đƣợc chế tạo sử dụng tiêu chuẩn nén ảnh JPEG, MJEG, MPEG4 nhằm giảm tối đa dung lƣợng đƣờng truyền nhƣng giữ đƣợc chất lƣợng hình ảnh a) Cấu trúc ngun lí hoạt động IP Camera Hình Cấu trúc Camera IP Một IP Camera hệ thống camera quang học cịn có thêm kết nối wifi, hệ thống âm chiều gồm micro, loa; hệ thống đèn chiếu hồng ngoại hỗ trợ quan sát tối, đầu vào/ra báo động IP Camera đƣợc kết hợp kết nối trực tiếp vào mạng thông qua Switch Router, tín hiệu hình ảnh điều khiển đƣợc truyền qua mạng Tất Camera muốn hiển thị ghi hình phải thơng qua phần mềm đƣợc cài đặt máy vi tính, tablet, smart phone 191 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 IP Camera đƣợc trang bị thêm tính có giá trị nhƣ phát chuyển động hay có cổng output cho camera thơng thƣờng khác b) Các chức IP Camera nhà thông minh - Quan sát: Camera ghi nhận hình ảnh rõ nét, sáng rõ nhờ ống kính cảm biến ảnh CMOS Camera quan sát cho độ phân giải hình ảnh tới mức VGA (640 x 480 pixel) cho hình ảnh rõ nét, góc qt lớn cho phạm vi quan sát rộng, tiết kiệm số lƣợng camera Có hệ thống đèn hồng ngoại hỗ trợ quan sát bóng tối - Lƣu trữ: Ghi hình ảnh vào thẻ nhớ MicroSD, sử dụng phần mềm để ghi hình ảnh vào máy tính, điện thoại Ghi lên thẻ MicroSD thƣờng bị giới hạn dung lƣợng thẻ, ghi hình phần mềm, hình ảnh ghi trực tiếp vào ổ cứng Phần mềm giúp cho ghi hình nhiều camera hơn, thời gian ghi chất lƣợng hình ảnh tốt - Kết nối: Camera mạng sử dụng Web Server lắp để chuyển hình ảnh, web server giúp cho camera hoạt động độc lập Webserver cịn giúp cho việc truyền hình ảnh qua mạng LAN, internet điện thoại di động an toàn, phân quyền truy cập user name mật - Phát lại: Xem lại hình ảnh máy tính điện thoại di động Ta xem nhiều ảnh lúc nhờ chức hiển thị đa hình, dùng hệ thống giám sát camera không dây để hiển thị tivi Phát lại hình ảnh ghi thẻ nhớ - Điều khiển: Điều khiển nhiều chức Camera khác máy tính điện thoại di động - Báo động: Kích hoạt chức phát chuyển động, có vật thể chuyển động, camera phát tín hiệu báo động âm trực tiếp loa, gửi tín hiệu cổng I/O gửi báo động đến Smart phone c) Nghiên cứu ứng dụng T6836WTP IP Camera - Ƣu điểm: Ƣu điểm loại camera là: Nhỏ gọn, kết nối wifi, có khả quan sát đêm, phát chuyển động: báo động đến smart phone, ghi hình vào thẻ nhớ, gửi mail, có cổng I/O alarm; đàm thoại chiều… Hình Sơ đồ cấu trúc tối thiểu hệ thống Camera IP 192 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 - Nhƣợc điểm: Tuy nhiên, Camera IP T6836WTP khơng có nhớ riêng để ghi lại hình ảnh đƣợc quan sát mà tích hợp thêm thẻ nhớ SD bên để ghi lại video hình ảnh Độ phân giải mức VGA (640 x 480) Ta có sơ đồ kết nối IP camera nhƣ trình bày Hình - Nguyên tắc làm việc sơ đồ: Hình ảnh, âm nhận đƣợc từ IPcam đƣợc xử lí truyền qua wifi cáp đến modem – Internet - Smart phone PC Smart phone, PC điều khiển ngƣợc lại IPcam để xoay cài đặt từ xa, cài đặt chuông báo chức khác Trong đó, IPcam có khả phát chuyển động báo động đến smart phone, gửi mail đến chủ nhà, gửi ảnh lên server, ghi hình vào thẻ nhớ Camera có khả quan sát ngày đêm, đàm thoại chiều: bảo vệ (báo động chống đột nhập, kết nối với cảm biến có báo động chống cháy, dị khí ga ) tín hiệu đƣợc gửi đến Smart phone - Yêu cầu trình lắp đặt: Cần có mơi trƣờng Internet, chọn vị trí Cam, kết nối internet, kết nối I/O Out còi báo động, đèn, thiết bị quay số nhanh đến chủ 115 (tùy vào cài đặt ngƣời sử dụng), đầu vào In từ cam khác, cảm biến khí ga, khói, chng cửa tự động để lấy tín hiệu cho ghi hình, báo động - Cài đặt T6836WTP IP Camera: + Bƣớc 1: Cấp nguồn cắm cáp mạng vào camera + Bƣớc 2: Cài đặt mạng Wificho camera, sau rút cáp mạng + Bƣớc 3: Cấu hình xem Camera IP PC qua mạng Internet + Bƣớc 4: Cấu hình xem Camera IP qua Smart phone, máy tính bảng chạy Android iOS + Bƣớc 5: Cài đặt báo động d) Cài đặt chức báo động qua I/O Kết nối cổng Input với cảm biến hồng ngoại camera khác để kích hoạt chế độ báo động sớm, cảm biến khói, khí ga để báo cháy Cổng output đƣợc dùng kích hoạt thiết bị báo động nhƣ cịi hú, đèn bảo vệ nhƣ Hình Hình Kết nối cổng I/O alarm 3.1.2 Cảm biến phát chuyển động 193 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 a) PIR sensor Các cảm biến hồng ngoại thụ động (Passive infrared sensor - PIR sensor) đƣợc ứng dụng làm chng cửa tự động báo động chống đột nhập Hình Hoạt động PIR sensor Khái niệm: Là cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) tia nhiệt phát từ thể nóng Trong thể sống, ln có thân nhiệt, từ thể phát tia nhiệt, hay gọi tia hồng ngoại, ngƣời ta dùng tế bào điện để chuyển tia nhiệt sang dạng tín hiệu điện nhờ mà làm cảm biến phát vật thể nóng hoạt động Cảm biến gọi tự động khơng dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà phụ thuộc vào nguồn thân nhiệt khác nhƣ ngƣời Nguyên lí làm việc: Các nguồn nhiệt (con ngƣời nguồn thân nhiệt) phát tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kính lọc lấy tia hồng ngoại, đƣợc tiêu tụ cảm biến hồng ngoại gắn đầu dò tạo điện áp đƣợc khuếch đại với transistor FET Khi có vật nóng ngang qua, từ cảm biến cho xuất tín hiệu tín hiệu đƣợc khuếch có biên độ đủ cao đƣa vào mạch so áp để tác động vào điều khiển thiết bị báo hiệu, báo động nhƣ chng, cịi hú, đèn điện Hình dƣới chng cửa tự động dùng PIR sensor Hình Chng cửa tự động 194 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 b) Microwave Sensitive switch (MWS) PIR có nhƣợc điểm có điểm mù, độ nhạy phụ thuộc vào mơi trƣờng bị vơ hiệu hóa bị phát Microwave Sensitive switch khơng phụ thuộc mơi trƣờng, khơng có điểm mù, vùng phủ sóng rộng, cảm biến ngƣời chuyển động có vật cản Vì lắp kín bên vỏ bóng đèn, bên trần thạch cao, đặt hộp điện, sau kính Hình Cảm biến dùng vi sóng MWS sử dụng cơng nghệ vi sóng kiểu radar, hoạt động theo hiệu ứng Doppler, vi sóng phản xạ từ vật chuyển động tăng giảm tần số, từ phát tín hiệu để điểu khiển thiết bị báo động 3.2 Hệ thống điều khiển trung tâm 3.2.1 Giới thiệu trung tâm điều khiển Broadlink RM2 Trung tâm điều khiển nhà thơng minh Broadlink RM2 điều khiển thiết bị điện ngơi nhà nhƣ: TV, điều hịa, cơng tắc, ổ cắm, bóng đèn,… hồng ngoại (IR) sóng cao tần (RF) thơng qua kết nối Wifi, có hẹn giờ, lập trình điều khiển theo kịch bản,… Trung tâm điều khiển kết nối vào mạng wifi, dùng smartphone, máy tính bảng, tivi box, tivi, laptop,… (chạy hệ điều hành IOS, ANDROID) để điều khiển thiết bị điện nhà có điều khiển IR RF nhƣ tivi, đầu DVD, camera, điều hịa, cơng tắc điện điều khiển….), điện thoại đƣợc kết nối internet (Wifi, 3G, GPRS…) Nguyên lí làm việc: - Chế độ học lệnh: Các lệnh từ điều khiển từ xa IR, RF đƣợc CPU nhận lệnh, thông qua Internet đƣợc chuyển đến lƣu trữ sở liệu (Data Base) smartphone, máy tính bảng, laptop,… - Chế độ phát: Điều khiển lệnh điện thoại, máy tính bảng, laptop,… lƣu trữ sở liệu (Data Base) đƣợc cài đặt từ trƣớc, lệnh đƣợc CPU nhận, 195 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 thông qua Internet đƣợc chuyển đến điều khiển từ xa IR, RF từ điều khiển thiết bị theo ý muốn ngƣời dùng Hình Điều khiển thiết bị qua Broadlink RM2 3.2.2 Lắp đặt cài đặt trung tâm điều khiển a) Sơ đồ điều khiển Các thiết bị điện nhà đƣợc điều khiển từ xa smartphone máy tính bảng thơng qua kết nối internet nhƣ hình 10 Hình 10 Mơ hình điều khiển trung tâm Module điều khiển hạt cơng tắc Module điều khiển ổ cắm Hình 11 Một số module điều khiển b) Module điều khiển công tắc, ổ cắm 196 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 Không phải thay đổi kết cấu hệ thống điện nhà mà cần thay lắp thêm module điều khiển nhƣ công tắc, ổ cắm, để điều khiển thiết bị nhƣ đèn, ổ cắm thiết bị điện khác,… c) Các bƣớc thực - Bƣớc 1: Thay thiết bị cũ bổ sung module điều khiển nhƣ công tắc ổ cắm, công tắc - Bƣớc 2: Cho module điều khiển học lệnh từ điều khiển cầm tay - Bƣớc 3: Kết nối RM2 với Internet qua Wifi - Bƣớc 4: Kết nối điện thoại với Wifi cài đặt phần mềm E-contol điện thoại Sau cài đặt chƣơng trình điều khiển thiết bị nhà theo ý muốn - Bƣớc 5: Cài đặt cho RM2 học lệnh từ IR,RF, - Bƣớc 6: Thử nghiệm điều khiển thiết bị nhà 3.3 Hệ thống bật tắt đèn tự động 3.3.1 Hệ thống đèn bảo vệ Hệ thống điều khiển đèn bảo vệ có chức tự động bật trời tối tắt trời sáng Hệ thống sử dụng sensor quang trở photo diode, trời sáng (tối) vƣợt ngƣỡng đặt trƣớc hệ thống điều khiển đèn tắt (bật) tự động mà khơng cần có tác động chủ nhà Hình 12 Hệ thống bật tắt đèn tự động theo ánh sáng Bộ cảm biến tự động bật đèn trời tối, tự động tắt trời sáng nhờ cảm biến ánh sáng tự nhiên vào buổi sáng Và có phận chng báo thức trời sáng Khi cơng tác xa, ta thiết lập chế độ tự động điều khiển ánh sáng nhà vào định (19h – 22h) thƣờng xuyên ngày việc giúp cho nhà nhƣ tình trạng có ngƣời nhà, trộm không để ý đến nhà Hoặc giả nhƣ có kẻ cố tình xâm phạm hệ thống cảm biến chuyển động nhà cảnh báo tới chuông báo động, tự động gọi điện đến cảnh sát 113, tự động nhắn 197 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 tin vào di động cá nhân Đây thực giải pháp công nghệ cao ứng dụng tốt đời sống đại ngày nay, giúp tiết kiệm thời gian, tiết kiệm điện năng, bảo vệ an tồn cho ngơi nhà… Hệ thống đèn bảo vệ ngồi ngơi nhà đƣợc chia thành nhiều khu vực, khu vực có ngƣời đèn đƣợc bật sáng tự động tắt khơng có ngƣời Ngoài ra, độ sáng màu sắc đƣợc điều chỉnh tự động theo ánh sáng môi trƣờng theo sở thích chủ nhân, đem tới tiện nghi tiết kiệm lƣợng 2.3.2 Hệ thống đèn chiêu sáng thơng minh Ở số vị trí nhƣ: toilet, cầu thang hệ thống đèn tự động bật có ngƣời đến gần tự động tắt sau khoảng thời gian Điều làm cho chủ nhà rảnh tay để làm việc khác bảo đảm an toàn cho trẻ nhỏ Có thể dùng PIR sensor dùng cảm biến âm Hình 13 Cơng tắc đèn tự động cảm biến chuyển động âm Một số tính bật hệ điều khiển chiếu sáng: - Hệ thống đèn chiếu sang thông hoạt động hoàn toàn tự động - Tự động bật đèn sân vƣờn Mặt trời lặn tự động tắt vào lúc nửa đêm - Tự động bật đèn gia chủ bƣớc vào nhà trời tối đèn chƣa bật - Tự động bật đèn cầu thang có ngƣời điều kiện mơi trƣờng thiếu sáng, sau tự động tắt phút sau ngƣời khỏi khu vực cần chiếu sáng - Tự động bật, tắt theo kịch bản, ngữ cảnh tùy theo nhu cầu sinh hoạt, giải trí, nghỉ ngơi gia đình - Với cảm biến chuyển động (motion sensor) vừa có chức điều khiển đèn tự động vừa có chức an ninh báo động thiết lập chế độ an ninh làm tăng khả an tồn cho ngơi nhà - Hệ thống chiếu sáng điều khiển theo nhiều phƣơng thức khác nhau: phím bấm, remote, tự động theo cảm biến chuyển động (ở khu vựt nhƣ cầu thang, hành lang, nhà vệ sinh), tự động theo lịch cài đặt trƣớc đó, thiết bị cầm tay có wifi, Laptop, iPhone, iPad, 198 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 III KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu hƣớng dẫn nhiệt tình thầy cô giáo Tổ Bộ môn Kĩ thuật Điện tử - Tin học, nghiên cứu thực thành công đề tài “Ngôi nhà thông minh” Một ƣu điểm bật sản phẩm khả điều khiển truy cập từ xa tới thiết bị nhà Qua việc nghiên cứu đề tài, lần đƣợc củng cố phƣơng pháp nghiên cứu khoa học: từ tìm kiếm, thu thập thông tin, tra cứu thông tin qua mạng, từ nghiên cứu đến tiến hành thực Hạn chế đề tài: Những rủi ro vấn đề an ninh bảo mật riêng tƣ, kẻ xấu cơng (hack) vào nhà ngƣời lạ qua hệ thống tự động Hƣớng phát triển đề tài: Kết nối với thiết bị khác cổng IO, gọi điện tới số điện thoại khác… Do chƣa có nhiều kinh nghiệm, nên sản phẩm khơng thể tránh khỏi sai sót, chúng tơi mong thầy bạn đóng góp ý kiến để đề tài đƣợc hồn thiện giúp chúng tơi làm tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://sinhvienit.net/forum/tim-hieu-vpn-cau-hinh-camera-ip.150426.htmL [2] http://cd.gocam.so/T_en.htmL [3] http://cd.gocam.so [4] http://www.smarthome.com.vn/kich-ban-ngu-canh [5] http://camera311.viewnetcam.com:83 199 ...KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 Hình Sơ đồ chung hệ thống nhà thông minh Các chức thƣờng sử dụng nhà thơng minh 2.1 Điều khiển chiếu... iPad, 198 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 III KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu hƣớng dẫn nhiệt tình thầy giáo Tổ Bộ mơn Kĩ thuật Điện tử - Tin học, nghiên cứu thực... mở cửa, bật tắt thiết bị nhà hệ thống chng hình 190 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 2.7 Hệ thống camera Với hệ thống camera, ngóc ngách nhà ln ln đƣợc giám sát
