Mục lục Mục lục Chương 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1 1 1 Giới thiệu 1 1 1 1 Xu hướng Internet of Things 2 1 1 2 Các tính năng nhà thông minh Smarthome 3 1 2 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới 6 1 2 1.
Mục lục Mục lục Chương GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Xu hướng Internet of Things 1.1.2 Các tính nhà thơng minh Smarthome 1.2 Tình hình nghiên cứu nước giới 1.2.1 Thế giới 1.2.2 Trong nước 10 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Chọn chuẩn truyền phù hợp 13 2.1.1 Giới thiệu 13 2.1.2 Đặc tính kỹ thuật 13 2.2 Vi điều khiển 17 2.2.1 Lý thuyết vi điều khiển 17 2.2.2 Cấu trúc 18 2.2.3 Một số dòng vi điều khiển 18 2.3 Đo lường điện áp 19 2.4 Đo lường dòng điện 20 2.4.1 Điện trở shunt 20 2.4.2 Cảm biến Hall 20 2.4.3 Biến dòng 21 2.5 Đo lường công suất 21 Chương THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 22 Mục lục 3.1 Sơ đồ kết nối 22 3.2 Thiết kế phần cứng cho mạch Master 23 3.2.1 Truyền thông giao tiếp UART 24 3.2.2 Giao tiếp I2C 27 3.2.3 Kết nối LCD 27 3.2.4 Thiết kế nguồn 29 3.3 Thiết kế phần cứng cho mạch Slave: 30 3.3.1 Thiết kế khối nguồn cho mạch Slave: 32 3.3.2 Thiết kế khối giao tiếp RS485 cho mạch Slave: 32 3.3.3 Thiết kế khối vi điều khiển cho mạch Slave: 33 3.3.4 Thiết kế khối button cho mạch Slave Button: 34 3.3.5 Thiết kế khối Relay cho mạch Slave Device: 34 3.3.6 Thiết kế khối Sensor cho mạch Slave Sensor: 35 3.3.7 Thiết kế khối Speaker cho mạch Slave Sensor: 36 3.3.8 Thiết kế khối đo thông số điện 37 3.3.9 Sơ đồ thiết kế mạch hoàn chỉnh 41 3.4 Mạch giám sát hệ thống qua camera: 47 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG 50 4.1 Các tính kỹ thuật 50 4.1.1 Khả đóng ngắt tiện dụng 50 4.1.2 Sơ đồ khối chức tổng quát 51 4.1.3 Giao thức truyền thông 52 4.2 Thiết kế phần mềm cho Master Slave 59 Mục lục 4.2.1 Thiết kế phần mềm cho Slave Device 59 4.2.2 Thiết kế phần mềm cho Slave Button 59 4.2.3 Thiết kế phần mềm cho Slave Sensor 60 4.2.4 Thiết kế phần mềm cho Slave Compteur 60 4.2.5 Thiết kế phần mềm cho Master 61 4.3 Thiết kế Webserver điều khiển hệ thống nhà thông minh Smarthome 62 4.3.1 Thiết kế Back-end 62 4.3.2 Thiết kế Front-end 64 4.3.3 Webserver sau thiết kế 65 4.4 Thiết kế App Android điều khiển nhà thông minh Smarthome 67 4.4.1 React Native 67 4.4.2 Redux 68 4.4.3 AI 69 4.4.4 Một số hình ảnh App Android 70 4.5 Hiệu chỉnh phép đo thơng số dịng điện 71 4.5.1 Hiệu chỉnh điện áp 71 Chương KẾT QUẢ THỰC HIỆN 73 5.1 Tổng thể mơ hình 73 5.2 Khối Master 73 5.3 Khối Slave 74 5.3.1 Khối Slave Button: 74 5.3.2 Khối Slave Device: 75 5.3.3 Khối Slave Sensor: 76 Mục lục 5.4 Bảng đo thông số điện 77 5.4.1 Đo lường điện áp 78 5.4.2 Đo lường dòng điện 79 5.4.3 Đo lường công suất 79 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 81 6.1 Kết đạt 81 6.2 Hạn chế 81 6.3 Hướng phát triển 81 Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Giới thiệu mơ hình nhà thơng minh smarthome 11 Hình 1.2: Panel điều khiển nhà thông minh smarthome 13 Hình 1.3: Điều khiển Smarthome qua cơng tắc điện thoại 14 Hình 1.4: Bật tắt đèn theo ngữ cảnh cảm biến ánh sáng 15 Hình 1.5: Giám sát thông qua camera 16 Hình 1.6: Google Home 17 Hình 1.7: Amazon Echo 18 Hình 1.8: Amazon Look 18 Hình 1.9: HomeKit Apple TV 19 Hình 1.10: Hệ sinh thái IoT 20 Hình 2.1: Dạng tín hiệu đường RS485 22 Hình 2.2: Phân cục fail-safe đường truyền đa trạm 23 Hình 2.3: Dạng sóng ngõ dây A 23 Hình 2.4: Cáp xoắn đơi 24AWG có bọc chống nhiễu 24 Hình 2.5: Nguyên lý mạch chia áp 27 Hình 2.6: Điện trở shunt 28 Hình 2.7: Nguyên lý cảm biến Hall 28 Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động biến dòng 29 Hình 3.1: Sơ đồ kết nối hệ thống 30 Hình 3.2: Sơ đồ kết nối mạch Master 31 Hình 3.3: Sơ đồ mạch RS485 32 Hình 3.4: Module sim800A 32 Hình 3.5: ESP8266 33 Hình 3.6: Sơ đồ khối Wifi 33 Hình 3.7: Sơ đồ khối thời gian thực 34 Hình 3.8: LCD 20x4 34 Hình 3.9: Sơ đồ khối nguồn 12V/5V 36 Mục lục Hình 3.10: Mạch chuyển 5V 3.3V 37 Hình 3.11: Vi điều khiển PIC16F628A 37 Hình 3.12: Vi điều khiển PIC16F887 38 Hình 3.13: Sơ đồ mạch nguồn 39 Hình 3.14: Sơ đồ mạch RS485 39 Hình 3.15: Sơ đồ mạch vi điều khiển 40 Hình 3.16: Sơ đồ mạch đo MCU 40 Hình 3.17: Sơ đồ mạch Button 41 Hình 3.18: Sơ đồ mạch Relay 41 Hình 3.19: Cảm biến nhiệt độ DHT11 42 Hình 3.20: Cảm biến gas MQ135 42 Hình 3.21: Sơ đồ mạch đo Sensor 43 Hình 3.22: Sơ đồ mạch đo MCU 43 Hình 3.23: EMIC ADE7753 44 Hình 3.24: Khối chuyển đổi điện áp 47 Hình 3.25: Khối chuyển dòng điện 47 Hình 3.26: Sơ đồ nguyên lý mạch Master 48 Hình 3.27: Sơ đồ nguyên lý mạch Master 49 Hình 3.28: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave Button 50 Hình 3.29: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave Device 51 Hình 3.30: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave Sensor 52 Hình 3.31: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave Compteur 53 Hình 3.32: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave Compteur 54 Hình 3.33: Máy tính nhúng Raspberry Pi 55 Hình 3.35: Kết nối Rasp Pi Camera 56 Hình 4.1: Tổng quan chức mơ hình smarthome 57 Hình 4.2: Sơ đồ khối chức smathome 58 Hình 4.3: Ví dụ frame truyền hệ thống 65 Hình 4.4: Sơ đồ khối Slave Device 66 Mục lục Hình 4.5: Sơ đồ khối Slave Button 66 Hình 4.6: Sơ đồ khối Slave Sensor 67 Hình 4.7: Sơ đồ khối Slave Compteur 68 Hình 4.8: Sơ đồ khối Master 69 Hình 4.9: Nodejs 70 Hình 4.10: Trang Login vào hệ thống 71 Hình 4.11: Webserver điều khiển nhà thơng minh SmartHome 72 Hình 4.12: Trang điều khiển thiết bị 72 Hình 4.13: Trang ngữ cảnh hệ thống 72 Hình 4.14: Trang hiển thị chart hệ thống 73 Hình 4.15: React-native 74 Hình 4.16: Redux 75 Hình 4.17: Sơ đồ hoạt động AI 76 Hình 4.18: Một số hình ảnh App Android 77 Hình 4.19: Bố trí thí nghiệm để đo đạc 79 Hình 5.1: Sơ đồ tổng thể mơ hình 80 Hình 5.2: Layout khối master 80 Hình 5.3: Mặt sau khối master 81 Hình 5.4: Layout khối Slave Button 81 Hình 5.5: Mạch khối Slave Button 82 Hình 5.6: Layout khối Slave Device 82 Hình 5.7: Mạch khối Slave Device 83 Hình 5.8: Layout khối Slave Sensor 83 Hình 5.9: Mạch khối Slave Sensor 84 Hình 5.10: Thí nghiệm đo đạc thông số 84 Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Các đặc điểm kỹ thuật module kết nối không dây 25 Bảng 3.1 Một vài lệnh AT 32 Bảng 3.2 Chức chân LCD 35 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật vi điều khiển PIC16F628A 38 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật vi điều khiển PIC16F887 38 Bảng 3.5 Sơ đồ chức chân EMIC ADE7753 45 Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật thiết bị 85 Bảng 5.2 Kết đo lường điện áp 85 Bảng 5.3 Kết đo lường dòng điện 86 Bảng 5.4 Kết đo lường công suất cosθ ≈ 86 Bảng 5.5 Kết đo lường công suất cosθ ≠ 87 Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ARM (Advanced RISC Machine) : Cấu trúc vi xử lý tân tiến phát triển RISC CPU (Central Processing Unit): Bộ xử lý trung tâm CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect): đa truy cập nhận biết sóng mang phát xung đột Iot (Internet of Things): Mọi vật kết nối internet AI (Artificial Intelligence): Trí tuệ nhân tạo Tóm tắt luận văn TĨM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, với phát triển nhanh công nghệ với cách mạng công nghiệp 4.0, công nghệ thông minh ngày làm chủ thị trường Nhà thơng minh dường khơng cịn q xa lạ với người Kéo theo ngày nhiều tiện ích mà nhà thơng minh mang lại cho chủ sở hữu Nắm bắt điều này, theo đuổi đề tài nhà thông minh luận văn Luận văn thiết kế thi công mô hình nhà thơng minh với số tính hữu sản phẩm nhà thông minh công ty thi trường Mặt khác, gia tăng chi phí điện mối quan tâm ấm lên toàn cầu đặt nhu cầu phát triển sản phẩm, ứng dụng với mục tiêu cắt giảm điện tiêu thụ Vì lý luận văn tập trung vào việc giám sát, kiểm tra phân tích cơng suất thiết bị nhà, giúp người dùng sử dụng chúng cách hiệu Cùng với đó, liệu lượng tiêu thụ gửi lên internet trở có giá trị việc phân tích nhu cầu, thói quen người dùng, giúp công ty, tổ chức xác định nhu cầu lượng hay chí tình hình phát triển kinh tế xã hội địa bàn Chương 1: Giới thiệu đề tài: Khái quát định nghĩa, chức nhà thơng minh tình hình nghiên cứu ngồi nước, đề xuất thiết kế mơ hình hệ thống smarthome Chương 2: Cơ sở lý thuyết chuẩn truyền, vi điều khiển phương pháp đo lường điện áp, dịng điện, cơng suất Chương 3: Thiết kế phần cứng: Thiết kế thi công phần cứng cho hệ thống nhà thông minh smarthome Chương 4: Thiết kế hệ thống: Kết thực hình ảnh thực tế mơ hình Chương 5: Kết thực hiện, hình ảnh thực tế mơ bảng số liệu đo đạc thông số điện Chương 6: Kết luận hướng phát triển đề tài Chương 4: Thiết kế hệ thống 4.4.2 Redux Redux thư viện quan trọng dùng để quản lý state ứng dụng Được dựa tảng kiến trúc Flux Facebook giới thiệu, Redux React Native đơi hồn hảo Việc kiểm sốt state ứng dụng giúp việc kiểm soát lỗi dễ dàng đồng thời đồng tất state liệu app lại với Redux giúp cho tất liệu lưu vào nguồn chúng phép đọc Việc thay đổi liệu xảy có kiện khơng thay đổi cách trực tiếp Ở App Android này, redux đóng vai trị kho chứa tất liệu gồm địa IP, port server, trạng thái thiết bị mạng Như lúc đồng với server cần đồng redux với server Hình 4.16: Redux 68 Chương 4: Thiết kế hệ thống 4.4.3 AI Những thiết bị tích hợp AI Alexa Amazon Echo hay Siri Apple giúp người tương tác điều khiển thiết bị thơng qua giọng nói Trong luận văn suy nghĩ không tự tạo riêng cho AI để giúp điều khiển thiết bị thông qua giọng nói smartphone Tơi đặt tên cho Geni Ở dùng mã nguồn mở Api.ai google để tạo Geni Từ việc thu âm giọng nói Smartphone truy cập gửi liệu lên server google để so sánh đưa action từ đồng với webserver để điều khiển thiết bị Webserver Server Google Master Smart phone Hình 4.17: Sơ đồ hoạt động AI Ví dụ: Khi tơi nói: Turn on device Geni ghi âm gửi lên database google để so sánh Sau trả câu trả lời: Ok boss, I turned it on for you đồng thời gửi action: turnOnDevice1 Dựa vào với React Native tơi phân tích gửi lên Webserver để bật thiết bị Ngồi hỏi thời tiết: Weather in Ho Chi Minh city Geni trả về: The weather looks great kèm theo nhiệt độ tình trạng thời tiết thành phố Hồ Chí Minh 69 Chương 4: Thiết kế hệ thống 4.4.4 Một số hình ảnh App Android Hình 4.18: Một số hình ảnh App Android 70 Chương 4: Thiết kế hệ thống 4.5 Hiệu chỉnh phép đo thơng số dịng điện Trong việc chế tạo hay sử dụng thiết bị đo, hiệu chỉnh giai đoạn thiếu để làm nên thiết bị đo xác Để đạt độ xác, ADE7753 ngồi việc tích hợp chuyển đổi analog sang số (ADC) xác cao, sử dụng điện áp tham chiếu Uref tự động bù phần mềm nhằm đưa kết đảm bảo độ xác theo yêu cầu Giá trị đọc từ ghi EMIC ADE7753 giá trị thập phân Mỗi đơn vị số thập phân gọi LSB Mục tiêu việc hiệu chỉnh chuyển giá trị ghi EMIC thành giá trị thực có nghĩa bù sai số nhiễu gây nên Có phương pháp để hiệu chỉnh thông số thiết bị: thứ sử dụng đồng hồ chuẩn, thứ hai sử dụng nguồn chuẩn Do điều kiện phịng thí nghiệm ICA có máy biến áp (0V - 250V) đồng hồ AMPROBE 34XR-A đồng hồ MFM383A, nhóm đề tài chọn phương pháp hiệu chỉnh thông số đo lường đồng hồ chuẩn Trong phạm vi đề tài, Slave cần đo thơng số dịng điện, điện áp cơng suất Vì vậy, tơi thực số thí nghiệm để hiệu chỉnh thông số 4.5.1 Hiệu chỉnh điện áp B1: Điều chỉnh giá trị V từ – 250V, đọc giá trị ghi VRMS giá trị thực đo từ đồng hồ Có cách hiệu chỉnh: Cách 1: Thông thường người ta hiệu chỉnh cách tính sai số tuyệt đối 𝑉𝑅𝑀𝑆𝑂𝑆 = | 𝑉1 ×𝑉𝑅𝑀𝑆2 −𝑉2 ×𝑉𝑅𝑀𝑆1 𝑉2 −𝑉1 71 | (4.1) Chương 4: Thiết kế hệ thống Sau tính hệ số điện áp Kv: 𝐾𝑣 = 220 𝑉𝑅𝑀𝑆−𝑉𝑅𝑀𝑆𝑂𝑆 (4.2) Công thức tính tốn giá trị điện áp thực: V = (𝑉𝑅𝑀𝑆 − 𝑉𝑅𝑀𝑆𝑂𝑆 ) ∗ 𝐾𝑣 (4.3) Cách 2: Dùng phương pháp xấp xỉ hàm Dựa bảng số liệu dùng Matlab tính xấp xỉ hàm ta hàm số dạng V = f (VRMS) với V giá trị thực VRMS giá trị đọc từ ghi Làm tương tự với I P Hình 4.19: Bố trí thí nghiệm để đo đạc 72 Chương 5: Kết thực Chương KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Tổng thể mơ hình Hình 5.1: Sơ đồ tổng thể mơ hình 5.2 Khối Master Layout: Hình 5.2: Layout khối master 73 Chương 5: Kết thực Mạch hồn chỉnh: Hình 5.3: Mặt sau khối master 5.3 Khối Slave 5.3.1 Khối Slave Button: Layout: Hình 5.4: Layout khối Slave Button 74 Chương 5: Kết thực Mạch hồn chỉnh: Hình 5.5: Mạch khối Slave Button 5.3.2 Khối Slave Device: Layout: Hình 5.6: Layout khối Slave Device 75 Chương 5: Kết thực Mạch hồn chỉnh: Hình 5.7: Mạch khối Slave Device 5.3.3 Khối Slave Sensor: Layout: Hình 5.8: Layout khối Slave Sensor 76 Chương 5: Kết thực Mạch hồn chỉnh: Hình 5.9: Mạch khối Slave Sensor 5.4 Bảng đo thông số điện Hình 5.10: Thí nghiệm đo đạc thông số 77 Chương 5: Kết thực Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật thiết bị Kiểu pha pha Điện áp định mức 220V Dải điện áp 100 – 250V Dòng điện định mức 5A Dòng cực đại 10A 5.4.1 Đo lường điện áp Bảng 5.2 Kết đo lường điện áp Giá trị điện áp đọc từ Giá trị điện áp đọc từ ADE7753 (V) đồng hồ Amprobe (V) 39.65 40.1 58.83 60.2 78.98 80 100.49 100.4 0.8 120.47 120.2 0.2 140.79 140.4 0.2 160.6 160.4 0.1 180.12 180 0.6 200.08 200.4 0.1 220 220 237 240 78 Sai số (%) Chương 5: Kết thực Nhận xét: Sai số đo từ 0.2% đến 2% => thỏa yêu cầu 5.4.2 Đo lường dòng điện Bảng 5.3: Kết đo lường dòng điện Giá trị dòng điện đọc Giá trị dòng điện đọc từ ADE7753 (A) từ MFM383A (A) 0.28 0.28 0.86 0.86 1.5 1.5 2.12 2.12 3.31 3.31 3.91 3.91 4.54 4.54 Sai số (%) Nhận xét: Sai số 1% => thỏa yêu cầu 5.4.3 Đo lường công suất Bảng 5.4: Kết đo lường công suất cosθ ≈ Cơng suất (W) Dịng điện (A) Điện áp Đọc từ Đọc từ Sai số Đọc từ Đọc từ (V) ADE7753 MFM383A (%) ADE7753 MFM383A 92 93 1.1 0.86 0.87 163 165 1.2 1.51 1.51 230.1 232 0.8 2.13 2.14 300.07 300 2.76 2.77 110 79 Chương 5: Kết thực 417 415 0.5 3.94 3.93 479 478.1 0.2 4.53 4.53 Bảng 5.5: Kết đo lường cơng suất cosθ ≠ Điện áp (V) Dịng điện (A) Pđo từ Pthực đo từ ADE7753 (W) MFM383A (W) cosθ Sai số (%) 58.1 1.336 54.34 56 0.7 58.1 1.261 54.34 55 0.75 1.2 58.3 1.135 52.69 53 0.8 0.6 58.3 0.992 47.77 49 0.85 2.5 58.6 0.811 42.84 43 0.9 0.37 Nhận xét: Sai số khoảng 3% => thỏa yêu cầu 80 Chương 6: Kết luận hướng phát triển Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết đạt - Mô hình chạy thành cơng thiết kế lý thuyết có khả mở rộng thêm số thiết bị hệ thống - Thiết kế chạy tốt giao thức truyền thông - Thiết kế thi công mạch Altium Designer - Xây dựng webserver để điều khiển giám sát thiết bị thông số điện thiết bị - Xây dựng database để quản lý số liệu công suất gửi từ thiết bị - Xây dựng App Android điện thoại để điều khiển giám sát thiết bị - Tích hợp AI vào App Android để điều khiển thiết bị giọng nói - Sử dụng camera để theo dõi tình trạng nhà webserver 6.2 Hạn chế Bên cạnh kết đạt vài điểm hạn chế ảnh hưởng đến chất lượng luận văn: - Mơ hình cịn nhị chưa thành hệ thống lớn giới hạn sở vật chất - AI tích hợp vào dạng sơ khai, chưa khai thác nhiều tính AI 6.3 Hướng phát triển - Truyền Master – Slave khơng dây qua RF thay RS485 - Cải thiện AI cho chức phức tạp - Tính hợp thêm số tính vào camera phát nhận dạng người - Xây dựng thêm nhiều tính vào mơ hình smarthome - Từ thơng số điện đưa lời khuyên giúp tiết kiệm điện dựa hành vi người - Tối ưu hóa thiết kế, cải thiện tính thẩm mỹ, độ bền tin cậy thiết bị 81 Chương 6: Kết luận hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Trọng Tiến (2010) Intelligent Home Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ Thuật Điện, ĐHBK TP.HCM [2] Trần Xuân Tuấn Anh (2016) Thiết kế mơ hình I-Home Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ Thuật Điện, ĐHBK TP.HCM [3] Võ Đình Thịnh (2016) Thiết kế thi công thiết bị giám sát hệ thống điện tòa nhà từ xa Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ Thuật Điện, ĐHBK TP.HCM [3] Hein Marais RS-485/RS-422 Circuit Implementation Guide [4] Datasheet ADE 7753 từ Analog Device : http://www.analog.com/ [5] Datasheet Sim900A từ Simcom : http://www.simcom.eu/ [6] Tập lệnh AT Sim 900A từ Simcom : http://www.simcom.eu/ [7] Datasheet C1815 từ Toshiba : http://www.alldatasheet.com/ WEBSITE THAM KHẢO [8] Tham khảo lập trình webserver: https://www.w3schools.com/ https://nodejs.org/en/ https://www.mongodb.com/ [9] Tham khảo lập trình Android: https://facebook.github.io/react-native/ https://stackoverflow.com/ 82