BÁO cáo đề tài THIẾT kế mô HÌNH NHÀ THÔNG MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN - - BÁO CÁO ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THƠNG MINH Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc Cường Nhóm sinh viên thực hiện: Phạm Hồng MSSV: 20170761 Trần Việt Hoàng MSSV: 20172571 Dương Đức Hiếu MSSV: 20172547 Lớp: CTTN – Điều khiển tự động K62 Hà Nội, 1/2021 Mục lục 1.1 1.2 1.3 1.4 Chương Nhật ký Tuần Tuần Tuần Tuần 2.1 2.2 Chương Nhiệm vụ thiết kế Giới thiệu Smart Home Chức mơ hình SmartHome thực Trang 7 12 13 14 Chương Kịch sử dụng 3.1 Yêu cầu cho thiết kế 3.1.1 Cửa tự dộng 3.1.2 Ánh sáng 3.1.3 Nhiệt độ 3.1.4 Hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm 3.1.5 Hệ thống đảm bảo an toàn 3.1.6 Giám sát, điều khiển từ xa 3.1.7 Các kịch khác 3.2 Phương thức đánh giá 15 Chương Thiết kế 4.1 Thiết kế khí 4.2 Thiết kế chức năng, hệ thống (hardware) 4.3 Thiết kế phần mềm (software) 4.3.1 Tổng quan hệ thống 4.3.2 Hiển thị LCD 4.3.3 Xuất xung PWM PCA9865 4.3.4 Cảm biến DHT11 4.3.5 – Wire 4.3.6 I2C 4.3.7 Truyền thông không dây kết nối Internet 4.3.8 Giao thức MQTT 4.3.9 Nhận diện giọng nói (Python code) 17 17 18 5.1 Chương Triển khai Linh kiện, thiết bị 16 22 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 5.1.8 Vi điều khiển ESP8266 Cảm biết nhiệt độ & độ ẩm DHT11 Màn hình LCD 1602 LED đỏ, LED cơng suất đèn sợi đốt Cảm biến chuyển động PIR Cảm biến cường độ ánh sáng GY - 30 Module thu phát hồng ngoại phát lửa Quạt Chương Thử nghiệm đánh giá Lời kết 26 27 CHƯƠNG NHẬT KÝ 1.1 Tuần Phân chia công việc - Việt Hoàng + Đức Hiếu : Đang trình làm mơ hình nhà + Chất liệu: bìa catton + phòng: + cửa (dùng đèn để báo hiệu) - Phạm Hoàng : Xong điều khiển đèn led qua webserver (code php), giao thức truyền thông HTTP (Local) 1.1.2 - Nội dung thực Mơ hình tổng thể - Giao diện website - Chạy thực tế - Xong mơ hình nhận dạng giọng nói (speech to text) - 1.1.3 Nội dung vướng mắc Liên kết mơ hình nhận dạng giọng nói với chức điều khiển webserver 1.1.4 Nội dung - Hệ thống camera streaming tự động gửi ảnh chủ nhà khách đến nhà capture - Hệ thống điều khiển bóng đèn, cửa, quạt giọng nói - Hệ thống đọc cảm biến hiển thị lên server - Hệ thống chống trộm phát tia hồng ngoại kích hoạt 1.2 Tuần Phân chia cơng việc - Các linh kiện cần thiết (Phạm Hoàng+ Việt Hồng) + Màn hình LCD16x2 + Cảm biến: DHT11 + Cảm biến hồng ngoại thụ động PIR (HC - SR501) - Mơ hình Smart Home (Dương Đức Hiếu) + Chất liệu: bìa Catton + Kích thước: 40 cm x 60 cm (2 phịng) 1.3 Tuần 1.3.2 Phân chia cơng việc - Phạm Hoàng: Hoàn thành code web server, người dùng login thành cơng đèn tự động bật, logout đèn tự động tắt Khi login thành cơng hệ thống, người sử dụng điều khiển khiển đèn, quạt - Dương Đức Hiếu: thử lắp linh kiện demo Smart Home bìa catton + viết báo cáo - Việt Hoàng: đọc cảm biến DHT11 cảm biến PIR, lập trình hiển thị thành cơng lên hình LCD16x2 1.3.3 Nội dung thực - Cảm biến DHT11: DHT11 Là cảm biến thông dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu thông qua giao tiếp 1-wire (giao tiếp digital 1-wire truyền liệu nhất) Cảm biến tích hợp tiền xử lý tín hiệu giúp liệu nhận xác mà khơng cần phải qua tính tốn - LCD text 1602 sản phẩm quen thuộc với người học muốn thực dự án điện tử, lập trình Với khả hiển thị dịng với dịng 16 ký tự, đồng thời có nhiều ví dụ mẫu cộng đồng Arduino xây dựng sẵn giúp người sử dụng làm quen nhanh tiết kiệm thời gian việc phát triển ứng dụng - - Cảm biến PIR cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) tia nhiệt phát từ vật thể nóng Trong thể sống, ln có thân nhiệt (thơng thường 37 độ C), từ thể phát tia nhiệt, hay gọi tia hồng ngoại, người ta dùng tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt dạng tín hiệu điện nhờ mà làm cảm biến phát vật thể nóng chuyển động Cảm biến gọi thụ động khơng dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà phụ thuộc vào nguồn tha nhiệt, thân nhiệt thực thể khác, người vật… - Vi điều khiển ESP 8266 + Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua kit phát triển dựa chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng đặc biệt sử dụng trực tiếp trình biên dịch Arduino để lập trình nạp code + Dùng cho ứng dụng cần kết nối, thu thập liệu điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt ứng dụng liên quan đến IoT - Chức điều khiển đèn - Thử nghiệm : Hệ thống điều khiển đèn, quạt qua webserver hoạt động xác 10 CHƯƠNG NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 2.1 Giới thiệu Smart Home a) Tổng quan Smart Home SmartHome (nhà thông minh) kiểu nhà lắp đặt thiết bị điện, điện tử điều khiển tự động hoá bán tự động, thay người thực thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt nhà, ứng dụng điện thoại di động, máy tính bảng giao diện web Sự đời nhà thông minh giải pháp thay đại: ⚫ Smart TV - TV thông minh kết nối Internet, truy cập nội dung thông qua ứng dụng, chẳng hạn video âm nhạc theo yêu cầu Một số TV thông minh bao gồm nhận diện giọng nói cử ⚫ Ngồi khả điều khiển từ xa tùy biến, hệ thống chiếu sáng thơng minh phát có người phòng điều chỉnh ánh sáng cần Bóng đèn thơng minh tự điều chỉnh dựa ánh sáng ban ngày ⚫ Các điều chỉnh nhiệt thơng minh tích hợp Wi-Fi, cho phép người dùng lên lịch, theo dõi điều khiển nhiệt độ nhà từ xa Các thiết bị học hành vi chủ nhà tự động sửa đổi thiết lập nhằm cung cấp cho người dùng thoải mái hiệu tối đa Bộ điều chỉnh nhiệt thơng minh báo cáo việc sử dụng lượng nhắc nhở người dùng thay đổi lọc 13 ⚫ Sử dụng khóa thơng minh dụng cụ mở cửa nhà để xe, người dùng cho phép từ chối mở cửa cho khách vào nhà Hơn nữa, khóa thơng minh phát chủ nhà gần mở khóa cho họ ⚫ Với camera quan sát thơng minh, người dùng theo dõi nhà di chuyển nghỉ mát Các cảm biến chuyển động thơng minh xác định khác biệt chủ nhà, khách, thú cưng kẻ trộm để thơng báo cho quyền phát hành vi đáng ngờ ⚫ Có thể tự động chăm sóc vật nuôi với hệ thống cho ăn kết nối sẵn Cây trồng nhà cỏ tưới nước đếm thời gian kết nối ⚫ Các thiết bị nhà bếp có sẵn, bao gồm máy pha cà phê thơng minh pha tách cà phê thơm ngon chuông báo thức bạn reo lên; tủ lạnh thông minh theo dõi ngày hết hạn, lên danh sách mua sắm chí tạo cơng thức nấu ăn dựa thành phần sẵn có; nồi nấu lị nướng bánh mỳ; phịng giặt có máy giặt máy sấy ⚫ Các hình hệ thống hộ gia đình cảm nhận điện áp tăng vọt tắt thiết bị; nhận thấy đường ống nước bị hỏng ngắt đường ống tắt nước để không bị tràn sàn 2.2 Chức mô hình Smart Home thực - Mở cửa nhận dạng khn mặt (có can thiệp chủ nhà) - Hệ thống điều khiển mở cửa, bật đèn, bật quạt giọng nói - Hệ thống chống trộm kích hoạt, phát tia hồng ngoại có người đến gần - Hệ thống điều khiển nhiệt độ phịng ngủ - Hiển thị thơng tin nhiệt độ, độ ẩm lên web server 14 CHƯƠNG KỊCH BẢN SỬ DỤNG 3.1 Yêu cầu cho thiết kế Giả sử chủ nhà thiếu gia sống biệt thự, có khách hay người ngồi vào nhà - 3.1.1 Cửa tự động Khi có người đến, quét thẻ RFID (nếu đúng) để bật hệ thống nhận diện khuôn mặt, camera chụp vài ảnh, xử lý đưa thơng báo: mở khóa cửa người nhà, không mở cửa người nhà GPS Enter thơng báo “Welcome home” bỏ qua chức RFID, tiến hành nhận diện khuôn mặt GPS Exit tắt hết đèn (Ngồi mở khóa cửa qua App cần nhập mật mã.) Giả sử cửa đóng vào khóa ngồi khóa từ bên ngồi, bên dễ dàng Để demo đơn giản, cửa tự khóa sau 10s 3.1.2 Ánh sáng - Đèn lúc sáng mức cố định theo tiêu chuẩn 200 lux cho phòng ngủ - Chế độ ban đêm: Để người dùng dễ ngủ hơn, ánh sáng giảm dần theo thời gian không tới mốc 24 đêm người dùng tự tắt - Đèn phịng khách tự bật sáng phát chuyển động thông qua cảm biến PIR chế độ Auto Light bật Do đó, kết hợp với Security Mode để đuổi kẻ xâm nhập 3.1.3 Nhiệt độ - Điều chỉnh nhiệt độ phòng tăng lên theo tùy ý người sử dụng, mặc định không hoạt động người dùng không bật 3.1.4 Hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm - Sử dụng hình LCD để liên tục hiển thị thơng tin nhiệt độ, độ ẩm ngồi hiên nhà nhà để người nhà biết Hiển thị ứng dụng 3.1.5 Hệ thống đảm bảo an toàn - Cảm biến phát cháy bật còi thông báo App - Khi chủ nhà bật chế độ an ninh Security Mode, PIR đặt phòng khách bật, phát chuyển động ngồi hiên nhà phát tiếng còi báo động, bật sáng đèn (với chế độ Auto Light bật) thông báo điện thoại - Còi đèn tắt người dùng sử dụng App (cần mật khẩu) 15 3.1.6 Giám sát, điều khiển từ xa - Giả sử nhà có đầy đủ công tắc thủ công (trung tâm điều khiển Control Center) - Điều khiển chức thông qua ứng dụng điện thoại Blynk - Điều khiển giọng nói qua Google Assistance 3.1.7 Các kịch khác - Người dùng bật bình nước nóng từ xa muốn tắm theo định trước (minh họa đèn LED) - Người dùng đặt báo thức, chuông điện thoại kêu máy pha cà phê tự động bật - Người dùng bật máy pha cà phê ngủ dậy (minh họa đèn LED) 3.2 Phương thức đánh giá 3.2.1 Ánh sáng - Tương tác trực quan với người điều khiển 3.2.2 Nhiệt độ - Nhiệt độ q thấp bật bóng đèn sợi đốt để tăng nhiệt độ lên Hệ thống hiển thị: - Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm hình LCD16x2 (cả web server), để người nhà người xa biết) 3.2.3 Hệ thống an ninh - Khách bấm chuông, camera bật lên quay lại mặt người đó, capture web server để chủ nhà nhận diện Nếu người quen chủ nhà bấm nút mở cửa web server, từ chối - Chủ nhà điều khiển thiết bị giọng nói (tiếng anh) 3.2.4 Giám sát, điều khiển từ xa - Giả sử nhà có đầy đủ cơng tắc thủ cơng (trung tâm điều khiển Control Center) - Điều khiển chức thông qua ứng dụng điện thoại Blynk - Điều khiển giọng nói qua Google Assistance để bật đèn phòng khách 3.2.5 Các thiết bị khác - Dùng bật lửa thử cảm biến cháy 16 CHƯƠNG THIẾT KẾ 4.1 Thiết kế khí - Thiết kế tổng thể: Gồm tầng, phịng với kích thước tương đương sau Ngồi cịn có cấu khí khác: o Cửa thơng minh o Đèn sợi đốt, đèn LED chế độ, quạt,… o Các loại cảm biến - Cách thức tiến hành: Làm bìa 4.2 Thiết kế chức năng, hệ thống (hardware) - Các dây nguồn 5V, 3.3V chạy quanh tường - ESP8266-1 thứ nằm phịng 1: Điều khiển tồn hệ thống tầng 1, truyền tín hiệu khơng dây PCA kết nối I2C (D1 – GPIO SCL, D2 – GPIO SDA) - ESP8266-2 thứ hai nằm tầng 2: Điều khiển tồn hệ thống tầng 2, truyền tín hiệu không dây - LED chế độ - Quạt 17 - Đèn nhiệt - DHT11 - PIR - 2xGY30 - LED LCD - Còi - Sử dụng Gateway/Router (Sử dụng điện thoại) - Global Server 4.3 Thiết kế phần mềm (software) 4.3.1 Tổng quan hệ thống 4.3.2 Hiển thị LCD - Nhóm sử dụng thư viện có sẵn hỗ trợ truyền thông I2C 4.3.3 Xuất xung PWM PCA9865 - Thực mơ hình kì 18 4.3.4 Cảm biến DHT11 - Sử dụng thư viện có sẵn DHT11 để đọc nhiệt độ độ ẩm môi trường 4.3.5 – Wire - Dùng – Wire chế độ master – slave - Trong ESP8266 master cịn DHT11 slave Hình 0.1 Kết nối 1-Wire - Do dùng dây để truyền liệu nên việc truyền nhận có tốc độ thấp, phù hợp cho việc truyền nhận liệu nhiệt độ, độ ẩm, không cần tốc độ cao - Dùng sở truyền nhận READ: ESP8266 kéo xuống khoảng A (1- micro giây) sau delay khoảng E (1-9 micro giây) nhận giá trị DHT11 gửi Hình 0.2 Giao thức 1-Wire 19 - Bus liệu trạng thái chờ (khoảng thời gian khơng có liệu đường truyền ) phải mức cao bus liệu cần kéo lên nguồn thông qua điện trở Và DHT11 có sẵn trở kéo nên nhóm khơng cần thiết kế thêm trở để trì bus - Thư viện sử dụng: 4.3.6 I2C - Dùng I2C chế độ one master – multi slave - Trong ESP8266 master cịn LCD16x2 BMP180 slave - Khi ESP8266 muốn giao tiếp với ngoại vi bus gửi bit địa thiết bị sau xung START Byte tiên gửi bao gồm bit địa bit thứ điều khiển hướng truyền Hình 0.3 Giao thức I2C - Mỗi ngoại vi có địa riêng nhà sản xuất quy định Riêng bit điều khiển hướng quy định chiều truyền liệu (bit thứ R/W byte đầu tiên) , đây, “1” byte theo sau byte đầu liệu gửi từ slave tới master (Sensors tới ESP ) ngược lại “0” (ESP tới LCD16x2) - Thư viện sử dụng: a) - - 4.3.7 Truyền thông không dây kết nối Internet Kết nối ESP8266 WiFi Để kết nối thiết bị wireless có dây vào mạng nội (LAN), ta cần thiết bị gọi Điểm truy cập (Access Point) Những thiết bị kết nối với Access Point gọi Station Để Station kết nối khơng dây vào Access Point có thơng số cần quan tâm SSID: tên Access Point muốn kết nối đến Password: mật truy nhập Access Point ESP8266 kết nối với thiết bị khác thông qua mạng WiFi theo chế độ: + Chế độ WiFi Station 20 + Chế độ WiFi Access Point + Đồng thời chế độ b) Cấu hình WiFi - Sử dụng thư viện có sẵn cho ESP8266 - Bên cạnh cịn sủ dụng thư viện tự động lựa chọn WiFi có tốc độ tốt để kết nối 4.3.8 Giao thức truyền thông MQTT - MQTT Là giao thức truyền tin theo mơ hình publish/subcribe (xuất bản/theo dõi) sử dụng băng thông thấp độ tin cậy cao có kha hoạt động điều kiện đường truyền không ổn định - Kiến trúc bậc cao MQTT bao gồm thành phần Broker Client Broker trung tâm mạng truyền tin MQTT, điểm giao tất kết nối client Broker có nhiệm vụ nhận message từ publisher, xếp message theo hàng đợi sau chuyển chúng tới địa cụ thể Hình 0.4 Giao thức MQTT - Client chia thành nhóm Publisher Subcriber Client làm việc gửi message lên topic cụ thể subcribe topic để nhận message từ topic - Vì giao thức sử dụng băng thơng thấp trường có độ trễ cao nên giao thức lý tưởng cho ứng dụng M2M( Machine to Machine) - Có nhiều thư viện viết sẵn nhằm hỗ trợ cho việc lập trình MQTT viết cho C, C ++, Go, Java, C #, PHP, Python, Node.js, 4.3.9 Nhận diện giọng nói (Python code) CHƯƠNG TRIỂN KHAI 21 5.1 Linh kiện, thiết bị 5.1.1 Vi điều khiển ESP8266 - Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua kit phát triển dựa chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng đặc biệt sử dụng trực tiếp trình biên dịch Arduino để lập trình nạp code - Dùng cho ứng dụng cần kết nối, thu thập liệu điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt ứng dụng liên quan đến IoT Thông số kỹ thuật - Phiên firmware: NodeMCU Lua - Chip nạp: CP2102 - GPIO tương thích hồn tồn với firmware Node MCU - Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB nguồn tự làm - GIPO giao tiếp hiệu điện 3.3V - Có Led báo trạng thái, nút Reset - Tương thích hồn tồn với trình biên dịch Arduino - Kích thước: 25x50 mm Trong dự án này, nhóm sử dụng ESP8266 để điều khiển tầng Smarthome 22 5.1.2 Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm DHT11 Thông số cảm biến: - Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC) - Dãi độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH - Dãi nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C - Khoảng cách truyển tối đa: 20m Trong dự án này, nhóm sử dụng cảm biển DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm phịng 5.1.3 Màn hình LCD 1602 Thơng số hình: - Điện áp MAX : 7V Điện áp MIN : - 0,3V Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V Điện áp mức cao : > 2.4 Điện áp mức thấp : 65535 lux Kích cỡ: 21*16*3.3mm 5.1.7 Module thu phát hồng ngoại phát lửa Module cảm biến led thu hồng ngoại module cảm biến ánh sáng sử dụng hệ thống báo cháy, có độ nhạy cao Bộ cảm biến trì khoảng cách định từ tia hồng ngoại để tránh thiệt hại nhiệt độ cao Thông số kỹ thuật module cảm ứng thu hồng ngoại: - Điện áp hoạt động: 3.3V - 5V Một lỗ bu lông Khoảng cách kiểm tra tia hồng ngoại: 80cm Góc phát hồng ngoại: 60 độ Kích thước: 3.1cm x 1.4cm bóng đèn led chân Sử dụng LM393 5.1.8 Quạt CHƯƠNG THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ 25 Mơ hình thiết kế hoàn thiện chạy thử nghiệm ổn định, đạt yêu cầu đặt Kinh phí sử dụng: nhóm tận dụng vài linh kiện có sẵn nên kinh phí sử dụng khoảng 400 nghìn Ảnh giao diện web để quan sát điều khiển: (video hoạt động cập nhập sau) 26 LỜI KẾT Trong trình thực đề tài, kiến thức kinh nghiệm cịn thiếu sót, có vấn đề phát sinh nhờ sợ giúp đỡ thầy giáo, nhóm chúng em tìm giải pháp khắc phục tìm nhiều ý tưởng để phát triển mơ hình tương lai Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Cường tận tình giúp đỡ nhóm hồn thành đề tài 27 ... 3.1.7 Các kịch khác 3.2 Phương thức đánh giá 15 Chương Thiết kế 4.1 Thiết kế khí 4.2 Thiết kế chức năng, hệ thống (hardware) 4.3 Thiết kế phần mềm (software) 4.3.1 Tổng quan hệ thống 4.3.2 Hiển... điện tử đặt nhà, ứng dụng điện thoại di động, máy tính bảng giao diện web Sự đời nhà thông minh giải pháp thay đại: ⚫ Smart TV - TV thông minh kết nối Internet, truy cập nội dung thông qua ứng... 4.3.7 Truyền thông không dây kết nối Internet Kết nối ESP8266 WiFi Để kết nối thiết bị wireless có dây vào mạng nội (LAN), ta cần thiết bị gọi Điểm truy cập (Access Point) Những thiết bị kết nối với