Thiết kế điều khiển nhà thông minh qua Web

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA WEB NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN: TH.S HOÀNG NGUYÊN PHƢỚC Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Tấn Phát 1711020338 17DDCA2 Huỳnh Minh Hiếu 1711020285 17DDCA2 Nguyễn Lê Anh Khoa 1711020316 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/29 17DDCA2 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH Chương GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Định nghĩa nhà thông minh 1.3 Các thành phần hệ thống nhà thông minh 11 1.3.1 Hệ thống chiếu sáng thông minh 11 1.3.2 Hệ thống kiểm soát vào 13 1.3.3 Hệ thống quan sát 13 1.3.4 Hệ thống giải trí đa phương tiện 14 1.3.5 Hệ thống cảm biến, an ninh 14 1.4 Giải pháp tiết kiệm nhà thông minh 14 1.5 Phân loại chế thông minh 15 1.6 Tiêu chuẩn nhà thông minh 15 1.7 Xu hướng tương lai nhà thông minh 16 Tổng quan phƣơng pháp điều khiển nhà thơng minh có giới18 2.1 Điều khiển từ xa remote 18 2.2 Điều khiển nhà thơng minh giọng nói 18 2.3 Điều khiển nhà thông minh qua trang Web, Smartphone 19 Chương PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 20 3.1 Mô tả hoạt động hệ thống 20 3.2 Sơ đồ khối chức 21 3.2 Khối xử lý 22 3.2.1 Giới thiệu Arduino Nano 22 3.2.2 Cấu tạo phần cứng Arduino 23 3.3 Khối cảm biến 26 3.3.2 Cảm biến khí gas 26 3.3.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 27 3.4 Động RC Servo S90 28 3.5 Relay trung gian 30 3.5.1 Tìm hiểu chung relay trung gian 30 3.5.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc relay trung gian 30 3.5.3 Lựa chọn relay trung gian 31 3.6 Module Wifi ESP8266 31 3.6.1 Thông số kỹ thuật 32 3.6.2 Sơ đồ chân chức chân 33 3.6.3 Phần mềm lập trình 33 3.7 Module RFID RC522 34 3.7.1 Giới thiệu 34 3.7.2 Nguyên lý hoạt Module RFID RC522 35 3.8 Mạch giảm áp DC LM2596 37 3.9 Nút bấm điều khiển APT LA39 38 3.9.1 Vai trò 38 3.9.2 Thông số kỹ thuật 38 3.10 Bộ chuyển đổi nguồn tổ ong 220V-12V 38 3.10.1 Vai trò 38 3.10.2 Thông số kĩ thuật 39 3.11 Quạt tản nhiệt 40x40x10mm 12V DC 40 Chương QUY TRÌNH THIẾT KẾ 41 4.1 Giới thiệu mơ hình 41 4.2 Quy trình thiết kế 41 4.2.1 Phần cứng 41 4.2.2 Phần mềm 47 4.2.3 Lƣu đồ giải thuật 53 Chương Thi Công 55 5.1 Thông số tổng quát mơ hình 55 5.2 Các bƣớc thi công 55 5.3 Nguyên lý làm việc 56 5.4 Video giới thiệu mơ hình 63 Chương ĐÁNH GIÁ 64 6.1 Kết đạt đƣợc 64 6.2 Đánh giá tổng quan tồn mơ hình 64 6.3 Những hạn chế tồn 64 6.4 Kết luận tổng kết đề tài 64 6.5 Hƣớng phát triển 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1-1 Mơ hình nhà thơng minh 11 Hình 1-2 Các thành phần hệ thống nhà thông minh 12 Hình 1-3 Nhà thơng minh xu hướng tương lai 18 Hình 2-1 Hình ảnh điều khiển nhà thơng minh remote 20 Hình 2-2 Hình ảnh điều khiển giọng nói 21 Hình 2-3 Hình ảnh điều khiển Smartphone 21 Hình 3-1 Mơ hình tổng qt nhà thơng minh 22 Hình 3-2 Sơ đồ khối phần cứng hệ thống nhà thơng minh 24 Hình 3-3 Arduino nano 25 Hình 3-4 Sơ đồ chân Arduino nano 27 Hình 3-5 Cảm biến MQ-2 29 Hình 3-6 Cảm biến khí gas MQ-2 30 Hình 3-7 Cảm biến DHT11 30 Hình 3-8 Module DHT11 31 Hình 3-9 Động servo S90 33 Hình 3-10 Cấu tạo relay 34 Hình 3-11 Module relay 5V kênh 34 Hình 3-12 Module Esp8266 v3 35 Hình 3-13 Sơ đồ chân ESP8266 v3 36 Hình 3-14 Module đọc RFID loại thẻ Mifare 38 Hình 3-15 Cấu tạo thẻ Mifare 38 Hình 3-16 Module RFID 40 Hình 3-17 Hình mạch giảm áp 41 Hình 3-18 Hình ảnh chuyển nguồn tổ ong 43 Hình 3-19 Hình ảnh quạt tản nhiệt 44 Hình 4-1 Sơ đồ mạch in 46 Hình 4-2 Thi công mạch in 47 Hình 4-3 Tổng thiết bị tủ điện 48 Hình 4-4 Hình ảnh khung mơ hình thực tế 49 Hình 4-5 Vị trí lắp đặt cảm biến khí gas 50 Hình 4-6 Vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 50 Hình 4-7 Vị trí lắp đặt Motor Servo 51 Hình 4-8 Vị trí lắp đặt RFID 52 Hình 4-9 Vị trí lắp đặt quạt 52 Hình 4-10 Giao diện slidebar 53 Hình 4-11 Giao diện soạn thảo Visual Studio Code 54 Hình 4-12 Giao diện trang Debug 55 Hình 4-13 Giao diện lệnh để thao tác với chương trình File menu 56 Hình 4-14 Giao diện lệnh để thao tác với chương trình Sketch 57 Hình 4-15 Giao diện lệnh để thao tác với chương trình Tool menu 57 Hình 4-16 Giao diện lệnh để thao tác với chương trình Toolbar 58 Hình 5-1 Giao diện Web 63 Hình 5-2 Giao diện Web đăng nhập 63 Hình 5-3 Ta cấp nguồn vào mơ hình 64 Hình 5-4 Nguồn tổ ong mạch điều khiển cấp điện 64 Hình 5-5 Ấn nút Start khởi động mơ hình 65 Hình 5-6 Trạng thái ESP trạng thái hoạt động chuyển sang màu xanh 65 Hình 5-7 Hình ảnh nút thiết bị hệ thống mơ hình kích hoạt 66 Hình 5-8 Mơ hình khởi động sau nút ON Web 66 Hình 5-9 Ta dùng thẻ để mở cửa 67 Hình 5-10 Hình ảnh tất cửa sổ mơ hình mở bị báo động khí gas… 67 Hình 5-11 Hình ta nhấn nút cửa sổ phịng khách…………… ……………… … 68 Hình 5-12 Cửa sổ phịng khách mở…………………………… …………… 68 Hình 5-13 Ấn nút Stop để dừng tồn mơ hình………………………… … 69 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần với phát triển kinh tế xã hội Việt Nam, nhu cầu xây dựng sở hạ tầng tăng cách nhanh chóng Đặc biệt nhu cầu nhà ở, ngồi tính thẩm mỹ nhà đòi hỏi tiện nghi đại hóa Tuy nhiên, Việt Nam việc xây dựng nhà đại tiện nghi với nhiều cơng nghệ tự động gặp nhiều khó khăn Đề giải vấn đề nhóm chúng em nghiên cứu phát triển “Mơ hình thiết kế điều khiển nhà thông minh qua Web” Với hệ thống nhà thông minh đưa vào sử dụng mang lại nhiều lợi ích cho người tiêu dùng như: - Tiết kiệm lượng - Điều khiển thiết bị nhà cách tiện lợi - An toàn an ninh - Sang trọng tiện nghi Chƣơng GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Thập kỉ vừa qua với tốc độ đô thị hóa cực nhanh thành phố lớn Việt Nam, kéo theo nhu cầu nhà tăng mạnh tương lai Việc mua nhà không để ở, mua nhà để hưởng thụ giá trị tinh thần nhà xu hướng đầu tư thị trường bất động sản Do việc xây dựng ngơi nhà thơng minh với đầy đủ tiện ích coi giải pháp giúp cho người nâng cao chất lượng sống cho người sử dụng Vì nhóm chúng em chọn đề tài tốt nghiệp “Thiết kế điều khiển nhà thông minh qua Web” để giải vấn đề nhà người 1.2 Định nghĩa nhà thông minh Nhà thông minh (tiếng anh "Smart Home") hệ thống nhà thông minh nhà/căn hộ trang bị hệ thống tự động thông minh với bố trí hợp lý, hệ thống có khả tự điều phối hoạt động nhà theo thói quen sinh hoạt nhu cầu cá nhân gia chủ Chúng ta hiểu ngơi nhà thông minh hệ thống chỉnh thể mà đó, tất thiết bị điện tử gia dụng liên kết với thiết bị điều khiển trung tâm phối hợp với để thực chức Các thiết bị đưa cách xử lý tình lập trình trước, điều khiển giám sát từ xa nhằm mục đính cho sống ngày tiện nghi, an tồn góp phần sử dụng hợp lý nguồn tài ngun Hình 1-1 Mơ hình nhà thơng minh Các thành phần hệ thống nhà thông minh bao gồm cảm biến (như cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng cử chỉ), điều khiển máy chủ thiết bị chấp hành khác Nhờ hệ thống cảm biến, điều khiển máy chủ theo dõi trạng thái bên ngồi nhà để đưa định điều khiển thiết bị chấp hành cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt cho người Ngoài ra, với phát triển thiết bị điện tử cá nhân máy tính bảng điện thoại thơng minh hạ tầng thông tin ngày tiên tiến internet mạng thông tin di động wifi, 3G, 4G, ngày hệ thống nhà thơng minh cịn cung cấp khả tương tác với người sử dụng thông qua giao diện cảm ứng smart phone cho phép người giám sát điều khiển nhà từ đâu Tùy theo nhu cầu, người sử dụng cấu hình hệ thống theo kịch lập trình hẹn tắt đèn ngủ, quên tắt tivi, kéo rèm cửa sổ… tới nơi 10 làm việc, họ có điều khiển qua điện thoại smartphone để điều khiển từ xa Tùy theo mức độ sử dụng mà mức giá Nhà Thông Minh dao động từ vài triệu đến vài trăm triệu đồng cho nhà 1.3 Các thành phần hệ thống nhà thông minh Các thành phần hệ thống nhà thông minh bao gồm hệ thống cảm biến cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng cử chỉ, điều khiển máy chủ thiết bị chấp hành khác Nhờ hệ thống cảm biến, điều khiển máy chủ theo dõi trạng thái bên nhà để đưa định điều khiển thiết bị chấp hành cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt cho người Hình 1-2 Các thành phần hệ thống nhà thông minh 1.3.1 Hệ thống chiếu sáng thông minh Các thiết bị chiếu sáng như: bóng đèn sợi đốt, đèn neon, đèn led, đèn ngủ, đèn trang trí… sử dụng nhiều Vì phối hợp chiếu sáng không hợp lý dẫn tới bị "ơ nhiễm" ánh sáng Ngồi ra, việc chiếu sáng cịn gây lãng phí điện, giảm tuổi thọ thiết bị Bên cạch số lượng đèn dùng để chiếu sáng lớn, gia chủ gặp bất tiện nhỏ việc bật tắt, điều chỉnh độ sáng cho phù hợp Hệ thống chiếu sáng tích hợp chung với hệ thống khác tách riêng để điều khiển độc lập Các giải pháp nhằm tối ưu hóa hệ 11 Arduino Toolbar có số chức sau: - Verify: kiểm tra code có lỗi hay khơng - Upload: nạp code soạn thảo vào Arduino - New, Open, Save: tạo mới, mở lưu sketch - Serial Monitor: hình hiển thị liệu từ Arduino gửi lên máy tính Hình 4-16 Giao diện lệnh để thao tác với chương trình Toolbar 52 4.2.3 Lƣu đồ giải thuật Bắt đầu Đúng Cảm biến khí gas? Sai Sai Bộ đọc RFID? Sai Đúng Bật/Tắt thiết bị tương ứng Cảnh báo, gọi điện gửi liệu lên Server Dữ liệu từ ESP? Đúng So sánh ID? Đúng Mở cổng gửi liệu lên Server Sai Đúng Gửi liệu lên Server Dữ liệu nhiệt độ? Sai Nguyên lý hoạt động Arduino ln đọc tín hiệu cảm biến khí gas, độc RIFD, liệu ESP8266 cảm biến nhiệt độ Với vòng lặp 2s, Arduino đọc liệu từ cảm biến nhiệt độ DHT11 sau truyền liệu cho ESP8266 thông qua UART ESP8266 đưa liệu lên Web Server Sau xử lý Server cho phép hiển thị giá trị đọc giao diện Web Đối với tín hiệu gas, hệ thống phát khí gas rị rì hệ thống bật chế độ khẩn cấp cho tất cửa sổ (servo) quạt hoạt động để giải khí gas, đồng thời gọi điện khẩn cấp đến chủ nhà Sau khi, khí gas giải đồng nghĩa với việc cảm biến khí gas trả trạng thái bình thường, hệ thống hoạt động lại ban đầu 53 Đối với tín hiệu RFID, hệ thống nhận tín hiệu RFID ID kèm theo, hệ thống so sánh ID nhận ID gửi nhớ Nếu sai cảnh cáo khơng mở cửa, ngược lại mở cửa sau 2s đóng cửa Đối với tín hiệu từ ESP8266, hệ thống điều khiển thơng q Web Server truyền tải tín hiệu điều khiển cho ESP8266 Sau ESP8266 truyền liệu cho Aruduino thông qua UART, liệu xử lý bật/tắt thiết bị tương ứng 54 Chƣơng THI CƠNG 5.1 Thơng số tổng qt mơ hình Nguồn điện: 220V Chiều dài: 55cm Chiều rộng: 35cm Chiều cao: 30cm 5.2 Các bƣớc thi cơng a) Phần khí Bước 1: Cắt miếng nhựa Mica theo thông số để tạo thành khung mơ hình để lắp rắp thành tường phịng mơ hình Bước 2: Dán miếng nhựa theo theo chiều dọc để tạo thành tường phịng Bước 3: Khoan lỗ mơ hình để đưa dây điện từ lên cách dễ dàng Bước 4: Dán thiết bị điện lên tường phòng Bước 5: Canh chỉnh dây điện thiết bị điện hoạt đọng trơn tru Khi hoạt động trơn tru ta bôi keo vào để củng cố đường dây điện Bước 6: Trang trí cho mơ hình b) Phần điện, điều khiển: Bước 1: Cố định thiết bị điện, máng dây vào tủ điện ốc, vít Bước 2: Bấm đầu cosse dây dẫn để tăng tiết diện tiếp xúc chắn hơn, thẩm mĩ đấu vào thiết bị Bước 3: Đấu dây điện vào phích cắm để lấy điện 220V vào thẳng nguồn tổ ong Bước 4: Khi cấp nguồn esp8266 arduino, ta nối cổng COM đầu vào esp8266 arduino để hai vi xử lý nhận tín hiệu nguồn Bước 5: Ta đấu dây từ nguồn tổ ong vào domino để cung cấp nguồn cho mơ hình Bước 6: Đấu dây cho relay: Ta đấu relay tất cổng out esp8266 arduino để điều khiển nhiều relay trung gian 55 Bước 7: Đấu tụ vào động theo sơ đồ nhà sản xuất đưa vào chân relay Bước 8: Bật cơng tắc lên cấp nguồn cho mơ hình: đấu esp8266 arduino báo sáng kêu khởi động, nguồn tổ ong sáng Bước 9: Cho hoạt động mơ hình để kiểm tra xem cảm biến hoạt động có chập chờn hay ổn định Động hoạt động mượt mà hay giật cục, đèn sáng hay chớp nháy 5.3 Nguyên lý làm việc Bước 1: Ta đăng nhập vào trang web http://smart-homehutech.herokuapp.com/?fbclid=IwAR2fhFyEiVROpr5zSP_auW4BRl_116qg wjc9ar_ N74GIFyBFLzGl78oC7rI Hình 5-1 Giao diện Web Bước 2: Ta đăng nhập tài khoản admin mật admin đăng nhập vào trang web để điều khiển 56 Hình 5-2 Giao diện Web đăng nhập Bước 3: Cấp nguồn vào mơ hình Hình 5-3 Ta cấp nguồn vào mơ hình 57 Hình 5-4 Nguồn tổ ong mạch điều khiển cấp điện Bước 4: Bấm Start để khởi động hệ thống (Đèn xanh lá) Hình 5-5 Ấn nút Start khởi động mơ hình 58 Hình 5-6 Trạng thái ESP trạng thái hoạt động chuyển qua màu xanh ta ấn nút Start Bước 5: Ta ấn vào nút ON để khởi động thiết điện giao diện Web Hình 5-7 Hình ảnh nút thiết hệ thống mơ hình kích hoạt 59 Hình 5-8 Mơ hình khởi động sau ta mở nút ON Web Bước 6: Ta dùng thẻ Mifare để mở cửa mơ hình Hình 5-9 Ta dùng thẻ để mở cửa Bước 7: Ta dùng khí gas để thử cảm biến khí gas mơ hình 60 Hình 5-10 Hình ảnh tất cửa sổ mơ hình mở bị báo động khí gas Bước 8: Ta thử nút nhấn tủ điện (nút cửa số phịng khách) Hình 5-11 Hình ta nhấn nút cửa sổ phịng khách 61 Hình 5-12 Cửa số phịng khách mở Bước 9: Ấn nút Off để tắt mơ hình (Đèn mảu đỏ) Hình 5-13 Ấn nút Stop để dừng tồn mơ hình 62 5.4 Video giới thiệu mơ hình video thuyet trinh.mp4 63 Chƣơng ĐÁNH GIÁ 6.1 Kết đạt đƣợc Mơ hình hoạt động trơn tru, ổn định Hoạt động với tính ổn định cao, tín hiệu đầu vào tốt, không bị chập chờn Đạt yêu cầu thiết kế đề 6.2 Đánh giá tổng quan tồn mơ hình Mơ hình hồn thành, hệ thống hoạt động Các yêu cầu đề mở cửa thẻ RFID, điều khiển thiết bị điện qua trang Web hồn thành Mơ hình hoạt động với điện áp từ 12V trở xuống nên an tòa người sử dụng Các thao tác trang Web đơn giản dễ sử dụng Thời gian điều khiển so sánh liệu với NodeJS để mở điều khiển mơ hình tương đối nhanh Đơi có tượng trễ mở cửa kết nối internet chưa ổn định 6.3 Những hạn chế tồn Cịn nhiều lỗi nhỏ ngồi mong muốn vài nút ấn tủ điện không hoạt động tốt Phụ thuộc vào người vận hành để để bật tắt thiết bị chưa có tính tự động hóa cao Cịn thiết nhiều thiết bị an tồn cho mơ hình Cịn vài thiết bị hoạt động chập chờn k ổn định 6.4 Kết luận tổng kết đề tài Đề tài “Mơ hình thiết kế điều khiển nhà thơng minh điều khiển qua Web” mơ hình thực tế, có tính ứng dụng cao, cần thiết hữu ích tình hình thực tế cuả nước ta Đặc biệt thành phố lớn Thành phố Hồ Chí Minh, nơi có mật độ dân cư đơng Do hệ thống đáp ứng thể ưu điểm vượt trội 64 Tuy nhiên, áp dụng mơ hình vào thực tế, cần phải xem xét vấn đề kinh phí cho xây dựng hệ thống chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống cao 6.5 Hƣớng phát triển Để đảm bảo ổn định tính thực tế sản phẩm, nhóm đề hướng phát triển hệ thống sau: - Đơn giản hóa thiết bị thông minh - Tăng cường bảo mật, tiện nghi cho người dùng - Tiết kiệm sống xanh với môi trường - Sử dụng nhà thông minh giọng nói - Có nhiều thiết bị tự động hóa 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Hiệp – Phạm Quang Huy, “Công nghệ nhận dạng sóng vơ tuyến RFID”, Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 9/2014 [2] Nguyễn Ngọc Hùng – Nguyễn Ngơ Lâm – Nguyễn Văn Phúc, “Giáo trình Kỹ thuật truyền số liệu”, Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 9/2011 [3] Cơ sở liệu RealTime Database Google Firebase “Firebase.google.com” [4] Dương Thanh Long – Phạm Quang Huy – Bùi Văn Minh, “Lập trình điều khiển xa với ESP8266, ESP32 Arduino”, 2019 [5] Trần Mạnh Khang – Lữ Khánh Trung, “Thiết kế hệ thống khóa điện tử thơng minh”, Đồ án tốt nghiệp, Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2019 [6] Nguyễn Thành Dương – Trần Vinh Sơn, “Thiết kế thi cơng mơ hình khóa điện tử có giám sát từ xa sử dụng GSM RFID”, 2019 [7] Nguyễn Văn Hiệp, “Giáo trình lập trình Android ứng dụng điều khiển”, Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2016 [8] Dejan Nedelkovski, “How RFID works and how to make an Arduino based RFID door lock – howtomechatronics”, 2017 [9] Rui Santos – Sara Santos, “Build ESP32-CAM project using Arduino IDE”, 2019 66 ... Alexa, Apple Siri để điều khiển thiết bị nhà 18 Hình 2.2 Hình ảnh điều khiển giọng nói 2.3 Điều khiển nhà thơng minh qua trang Web, Smartphone Đây cách điều khiển nhà thông minh tiện ích Khi bạn... “Mơ hình thiết kế điều khiển nhà thông minh qua Web? ?? Với hệ thống nhà thông minh đưa vào sử dụng mang lại nhiều lợi ích cho người tiêu dùng như: - Tiết kiệm lượng - Điều khiển thiết bị nhà cách... kiệm nhà thông minh 14 1.5 Phân loại chế thông minh 15 1.6 Tiêu chuẩn nhà thông minh 15 1.7 Xu hướng tương lai nhà thông minh 16 Tổng quan phƣơng pháp điều khiển nhà