Nhà thông minh kết hợp điện năng lượng mặt trời điều khiển đa chức năng thông qua công nghệ iot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHÀ THÔNG MINH KẾT HỢP ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ĐIỀU KHIỂN ĐA CHỨC NĂNG THÔNG QUA CÔNG NGHỆ IoT Ngành KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn PGS TS Nguyễn Hùng SVTH Nguyễn Quang Thành MSSV 1711020078 Lớp 17DDCA1 SVTH Võ Thành Vinh MSSV 1711020062 Lớp 17DDCA1 SVTH Lý Thái Tài MSSV 1711020076 Lớp 17DDCA1 Tp HCM, ngày 31 tháng 08 năm 2021 ii LỜI CẢM ƠN Trong cuộc sống, cùng với những giây phút thành công, mỗi cá nhâ.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHÀ THÔNG MINH KẾT HỢP ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ĐIỀU KHIỂN ĐA CHỨC NĂNG THÔNG QUA CÔNG NGHỆ IoT Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Hùng SVTH: Nguyễn Quang Thành MSSV: 1711020078 Lớp: 17DDCA1 SVTH: Võ Thành Vinh MSSV: 1711020062 Lớp: 17DDCA1 SVTH: Lý Thái Tài MSSV: 1711020076 Lớp: 17DDCA1 Tp.HCM, ngày 31 tháng 08 năm 2021 LỜI CẢM ƠN Trong sống, với giây phút thành công, cá nhân phải trải qua giai đoạn khó khăn định hướng Trong thời gian đó, song hành với nổ lực lĩnh cá nhân đó, giúp đỡ chân thành người thân bạn bè xung quanh đóng vai trị quan trọng để người trở lại bước tiếp để vượt qua nghịch cảnh Trong suốt năm học qua, chúng em nhận giúp đỡ từ nhiều phía để hơm hồn thành luận văn Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người ln theo dõi hỗ trợ vật chất tinh thần để chúng em kết thúc bốn năm đại học Chúng em gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS TS Nguyễn Hùng, người giúp đỡ tụi em chọn đề tài, hướng dẫn em suốt thời gian thực đề tài từ lúc bắt đầu đồ án Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô giảng dạy em, đặc biệt Thầy Cô giảng viên Viện Kỹ thuật HUTECH Nhờ hướng dẫn tận tình Thầy ý kiến góp ý, hỗ trợ bạn sinh viên giúp em hoàn thành tốt đề tài Mặc dù cố gắng, kiến thức hạn chế khơng tránh khỏi sai sót khơng mong muốn Sau chúng em xin kính chúc Thầy Cô Viện Kỹ thuật HUTECH thầy PGS TS Nguyễn Hùng thật nhiều sức khoẻ TP Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 08 năm 2021 Sinh viên thực Nguyễn Quang Thành Võ Thành Vinh Lý Thái Tài ii MỤC LỤC Lời cam đoan I Lời cảm ơn II Mục lục III Danh sách chữ viết tắt VI Danh sách bảng VII Danh sách hình VIII Lời mở đầu Chương 1: Giới thiệu nhà thông minh 1.1 Tầm quan trọng ý nghĩa đề tài 1.2 Những cơng trình nghiên cứu giới 1.3 Mục đích nghiên cứu đề tài 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Các kết đạt đề tài 1.7 Kết cấu đề tài Chương 2: Tổng quan giải pháp iot 2.1 Tìm hiểu thuật ngữ ” Internet of things” 2.2 Tổng quan nhà thông minh 10 2.2.1 Giới thiệu nhà thông minh 10 2.2.2 Nguyên tắc hoạt động nhà thông minh 12 2.2.3 Tiêu chuẩn nhà thông minh 13 2.2.4 Những xu hướng phát triển nhà thông minh Việt Nam 14 iii 2.3 Vi điều khiển 15 2.4 Raspberrt Pi 16 2.4.2 Arduino Uno R3 25 2.5 Cảm biến 29 2.5.1 Cảm Biến Mưa 29 2.5.2 Cảm Biến Độ Âm Đất 31 2.5.3 Cảm Biến Khí Gas 32 2.5.4 Cảm biến chuyển động Pir 34 2.5.5 Cảm biến nhiệt độ độ âm 36 2.5.6 Cảm Biến Thẻ Từ RFID 39 2.5.7 Cảm Biến Khoảng Cách HC-SR04 40 2.5.8 Cảm biến hồng ngoại 42 Chương 3: Phương pháp giải 44 3.1 Các ứng dụng điều khiển hệ thống 44 3.1.1 Giới thiệu IBM Bluemix 44 3.1.2 Phương thức giao tiếp sử dụng Waston IOT Platform 45 3.2 Tìm hiểu MQTT 46 3.2.1 Lưu Trữ Dữ Liệu Bằng Node-Red Trên Cloudant 46 3.2.2 Web Application 51 3.2.3 Hệ thống điện mặt trời có lưu trữ bao gồm thiết bị gì? 56 3.2.4 Tính tốn lựa chọn hệ thống điện mặt trời hịa lưới có dự trữ: 60 3.2.5 Hệ thống điện mặt trời có lưu trữ 61 Chương 4: Quy trình thiết kế mơ hình nhà thơng minh 62 4.1 Thiết kế mô hình nhà 62 iv 4.1.1 Mơ hình nhà 62 4.2 Thiết kế ứng dụng điều khiển 64 4.2.1 Giao diện web cách điều khiển 64 4.2.2 Lưu trữ liệu 72 Chương 5: Thi cơng mơ hình nhà thông minh 73 5.1 Lưu đồ giải thuật 73 5.1.1 Sơ đồ toàn ứng dụng hệ thống SmartHome 73 5.2 Kết đo đạc node 77 5.3 Mơ hình thực tế 78 5.4 Đánh giá 82 Chương 6: kết luận hướng phát triển 83 6.1 Kết luận 83 6.2 Khuyêt điểm 83 6.3 Ưu điếm 83 6.4 Hướng phát triển 83 6.5 Ứng dụng 84 Tài liệu tham khảo 85 Phụ lục 87 v DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT DC (Direct Currnet) GND (Ground) VCC (Voltage Common Collector) I2C (Inter-Integrated) IC (Integrated Circuit) LED (Light Emitting Diode) SSH (Secure Shell) SOC (System-On-Chip) GPU (Graphics Processing Unit) SPI (Serial Peripheral Interface) USB (Universal Serial Bus) HDMI (High-Definition Multimedia Interface) GPIO (General Purpose Input Output) VNC (Virtual Network Computing) IDE (Integrated Development Environment) PRI (Passive InfraRed sensor) IR (infrared radiation) SDA (Serial Data Line) SCL (Serial Clock Line) IOT (Internet of things) MQTT (Message Queueing Telemetry Transport) RFID (Radio Frequency Identification) NLMT (Năng Lượng Mặt Trời) vi DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Arduino R3 UNO 28 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm 41 Bảng 5.2: Lưu đồ giải thuật Arduino 74 Bảng 5.3: Lưu đồ giải thuật thực Raspberry 76 Bảng 6.1: Liệt kệ loại thiết bị sử dụng hệ thống nhà 88 Bảng 6.2: Danh sách phịng sử dụng thiết bị mơ hình nhà 89 vii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Internet of Things Hình 2.2: Hệ thống nhà thông minh [2] Hình 2.3: Tương lai nhà thông minh [2] 10 Hình 2.4: Tổng quan vi xử lý 15 Hình 2.5: Thiết bị điều khiển không dây 16 Hình 2.6: Hình ảnh thực tế Raspberry Pi [5] 17 Hình 2.7: Mơ hình Board Raspberry Pi Model B [5] 17 Hình 2.8: Sơ đồ chân GPIO Raspberry [5] 19 Hình 2.9: Phụ kiện kèm theo với Raspberry Pi 3+ [5] 21 Hình 2.10: Thơng tin địa ch IP 22 Hình 2.11: Giao diện raspi-config 23 Hình 2.12: Giao diện PuTTY máy tính 24 Hình 2.13: Màn hình điều khiển Raspberry băng SSH 25 Hình 2.14: Arduino Uno R3 [7] 26 Hình 2.15: Các chân Arduino [7] 28 Hình 2.16: Giao diện Arduino IDE 29 Hình 2.17: Cảm biến mưa 30 Hình 2.18: Sơ đồ đặc tính LM35 31 Hình 2.19: Sơ đồ chân MQ2 33 Hình 2.20: Sơ đồ mắc MQ2 33 Hình 2.21: Hình ảnh PIR 35 Hình 2.22: Bộ cảm biến dò ngang nguyên lý phát nguồn nhiệt 36 viii Hình 2.23: Cảm biến độ ẩm DHT11 36 Hình 2.24: Sơ đồ chân 37 Hình 2.25: Sơ đồ chân cảm biến thẻ từ RFID 522 40 Hình 2.26: Sơ Đồ Chân Nguyên Lý Hoạt Động 41 Hình 2.27: Biểu đồ thời gian SRF05 42 Hình 2.28: Cảm biến hồng ngoại 42 Hình 2.29: Nguyên lý hoạt động cảm biến 43 Hình 3.1: Các mơ hình dịch vụ đám mây 44 Hình 3.2: Mơ hình dự án IoT Waston IoT Platform 45 Hình 3.3: Trang chủ Node-RED 47 Hình 3.4: Lệnh điều khiển node-red 47 Hình 3.5: Các nút điều khiển node-red 48 Hình 3.6: Client B Client C subscribe kiện “current_draw” [16] 48 Hình 3.7: Giá trị “current_draw” Client B Client C nhận A publish 49 Hình 3.8: Nhận mã xác thực API key từ service Watson IoT Platform 50 Hình 3.9: Cấu trúc liệu kiểu JSON 51 Hình 3.10: Mơ hình client-server 52 Hình 3.11: Mơ hình client-server 52 Hình 3.12: Chương trình Hello World ngơn ngữ HTML 53 Hình 3.13: Trước sau có CSS 54 Hình 3.14: Cấu trúc đoạn javascript nhúng vào tập tin HTML 54 Hình 3.15: Chương trình Hello World framework Flask 55 Hình 3.16: Những phận hệ thống 56 Hình 3.17: Tấm pin lượng mặt trời 57 ix Hình 3.18: Tấm pin Poly 57 Hình 3.19: Hệ thống Inverter Hybrid [12] 58 Hình 3.20: Các loại pin lưu trữ 59 Hình 3.21: Hệ thống giám sát sản lượng 59 Hình 3.22: Hệ thống điện lượng mặt trời [11] 61 Hình 4.1: Mẫu nhà tổng quát 62 Hình 4.2: Tầng 62 Hình 4.3: Tầng 63 Hình 4.4: Tầng 63 Hình 4.6: Cài đặt gói cần thiết cho Web 64 Hình 4.7: Giao diện trang 65 Hình 4.8: Giao diện trang chủ 65 Hình 4.9: Giao diện phịng với nút điều khiển thơng tin cảm biến 67 Hình 4.10: Giao diện phịng với biểu đồ biểu thị thơng tin cảm biến ngày 67 Hình 4.11: Giao diện đầy đủ trang Setting 68 Hình 4.12: Tạo Node mới, địa ch Node 0007 70 Hình 4.13: Tạo phịng tên “Garden” tầng 70 Hình 4.14: Tạo thiết bị bơm nước phòng “Garden” 71 Hình 4.15: Giao diện phịng “Garden” thơng báo thiết lập thành cơng 71 Hình 4.16: Xây dựng ứng dụng Node-RED lưu trữ liệu 72 Hình 4.17: Dữ liệu lưu trữ Cloudant 72 Hình 5.1: Sơ đồ tồn ứng dụng hệ thống SmartHome [13] 73 Hình 5.2: Thông tin trạng thái đọc Raspberry Pi 77 x Serial.print("HT="); Serial.print(temperature); Serial.print("*C,"); Serial.print(humidity); Serial.print("%"); Serial.println(); if (temperature > 38 || humidity > 80) digitalWrite(HT_LED, HIGH); else digitalWrite(HT_LED, LOW); delay(500); } int time_Measurement(int duration) { digitalWrite(ULT_TRIG, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(ULT_TRIG, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(ULT_TRIG, LOW); duration = pulseIn(ULT_ECHO, HIGH); return duration; 95 } void display_distance(int distance) { lcd.setCursor(8, 0); if (distance < 10) { lcd.print(0); } lcd.print(distance); Serial.print("US="); Serial.print(distance); Serial.print("\t"); if (1