Hệ thống điều khiển và giám sát nhà thông minh

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .ii LỜI CAM KẾT v LỜI CẢM ƠN vi CHƯƠNG I DẪN NHẬP 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.2 Hướng dẫn giải vấn đề 1.3 Giới hạn đề tài 1.4 Tóm tắt chương 1.5 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.2 Nội dung, phương tiện phương án thực 2.2.1 Nội dung 2.2.2 Phương tiện phương án thực CHƯƠNG III HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 3.1 Tổng quan nhà thông minh 3.1.1 Khái niệm nhà thông minh 3.1.2 Các tiêu kỹ thuật nhà thông minh 3.1.2.1 Chỉ tiêu ánh sáng 3.1.2.2 Chỉ tiêu thơng gió 3.1.2.3 Chỉ tiêu nhiệt độ 3.1.2.4 Chỉ tiêu an toàn 3.2 Giới thiệu số nhà thông minh thực tế 3.2.1 Ngôi nhà thông minh Việt Nam 3.2.2 Một số nhà thông minh giới 10 vii 3.3 Các thành phần hệ thống nhà thông minh 13 3.4 Nguyên lí hoạt động 14 CHƯƠNG IV 16 TỔNG QUAN VỀ WEB SERVER 16 4.1 Giới thiệu Web server 16 4.2 Tầm quan trọng Web server 18 4.3 Ứng dụng Web server vơ mục đích giám sát 18 CHƯƠNG V 23 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 23 5.1 Arduino 23 5.1.1 Giới thiệu chung Arduino 23 5.1.2 Giới thiệu board Arduino Mega 2560 R3 24 5.1.3 Tổ chức nhớ 25 5.1.4 Nguồn cấp 25 5.1.5 Các cổng vào 26 5.1.6 Cổng giao tiếp 26 5.1.7 USB bảo vệ dòng 26 5.1.8 Giới thiệu Arduino IDE ngơn ngữ lập trình cho Arduino 27 5.2 LCD 16x2 33 5.3 CB phát chuyển động HC-SR501 34 5.3.1 Thông tin chung: 34 5.3.2 Các tính thơng số kỹ thuật 34 5.3.3 Thơng tin ống kính 35 5.3.4 Lưu ý sử dụng 35 5.4 CB phát lửa 35 5.5 CB phát khí gas 36 5.5.1 Giới thiệu 36 5.5.2 Sơ đồ mạch cảm biến MQ2 37 5.6 CB nhiệt độ - độ ẩm DHT11 38 5.7 CB phát mưa mh-rd 39 5.8 Thẻ từ RFID – RC55 40 5.8.1 Giới thiệu RFID 40 viii 5.8.2 Nguyên lý hoạt động RFID 41 5.8.3 Mạch RFID RC522 NFC 13.56mhz 42 5.9 Ethernet shield 44 5.9.1 Giới thiệu board Ethernet Shield v1.1 44 5.9.2 Kết nối broad Ethernet Shield v1.1 với Arduino Mega2560 R3 47 5.10 Các linh kiện khác 49 CHƯƠNG VI 52 THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 52 6.1 Thiết kế phần cứng mơ hình 52 6.1.1 Sơ đồ nhà 52 6.1.2 Chức khối 54 6.1.2.1 Khối nguồn 54 6.1.2.2 Khối cảm biến 55 6.1.2.3 Khối hiển thị LCD 55 6.1.2.4 Khối báo động 55 6.1.2.5 Khối động lực 56 6.1.2.6 Khối xử lý 57 6.2 Thiết kế phần mềm mơ hình 58 CHƯƠNG VII 60 LƯU ĐỒ VÀ GIẢI THUẬT 60 7.1 Lưu đồ chương trình 60 7.2 Lưu đồ chương trình đọc mã vạch RFID 61 7.3 Lưu đồ cảm biến khí gas 62 7.4 Lưu đồ cảm biến mưa 62 7.5 Một số hình ảnh thực tế 63 CHƯƠNG VIII 64 KẾT LUẬN 64 8.1 Kết luận 64 8.2 Hướng phát triển đề tài 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 ix CHƯƠNG I DẪN NHẬP 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ vượt bậc Khoa học kỹ thuật, vi điều khiển AVR PIC ngày thơng dụng hơn, nói xuất Arduino vào năm 2005 Italia mở hướng cho vi điều khiển Sự xuất Arduino hỗ trợ cho người nhiều lập trình thiết kế, người bắt đầu tìm tịi vi điều khiển mà khơng có nhiều kiến thức lập trình điện tử Phần cứng thiết bị tích hợp nhiều chức mã nguồn mở với ngôn ngữ C thư viện phong phú nên Arduino dần phổ biến giới Đặc biệt thập niên gần với phát triển hệ thống thơng minh, ngành tự động hóa phát triển tạo bước ngoặt quan trọng lĩnh vực nhà thông minh phục vụ cho nhu cầu ngày cao người đời sống Hãy nghĩ tất mà ngơi nhà thơng minh mang lại cho bạn bật tắt đèn quạt hay thiết bị điện khác với nút nhấn đâu Đèn tự động bật có người phịng tự tắt khơng có nhằm tiết kiệm điện Kiểm soát giới hạn người vào nhà bạn Tự báo động ngắt nhà bạn gặp cố điện, khí gas, hỏa hoạn Tự động tưới nước cho vườn cây, tự động kéo dây phơi đồ trời có mưa…Thật tuyệt vời nhà bạn giải tất việc này? Và tất mục đích Nhà thơng minh/ Tự động hóa Xuất phát từ thực tiễn nói trên, nhóm định thực đề tài: “Hệ thống điều khiển giám sát nhà thông minh” 1.2 Hướng dẫn giải vấn đề Có nhiều hướng thiết kế xử lý trung tâm để điều khiển ngơi nhà Gồm có:  Dùng PIC  Dùng Arduino  Dùng PLC  Dùng IC rời Ở đây, nhóm chọn hướng giải đề tài sử dụng Arduino phù hợp với tiêu chí nhóm muốn tìm hiểu nghiên cứu Arduino quan trọng Arduino có khả kết nối với module Internet, Android với giá thành vừa phải không cao PLC Và Arduino có kích thước nhỏ gọn phù hợp lắp đặt lên mơ hình nên dùng Arduino hợp lý 1.3 Giới hạn đề tài Để thực thi ngơi nhà thơng minh hồn chỉnh nói phức tạp tốn Để đáp ứng việc điều khiển toàn thiết bị địi hỏi phải có lượng thời gian, kiến thức định Bên cạnh cịn vấn đề tài Với lượng thời gian kiến thức có hạn, đề tài nhóm em thực thực thi phần hệ thống hoàn chỉnh Đó xây dựng mơ hình nhà thơng minh với khả sau:  Thiết kế hệ thống quản lý hạn chế người vào nhà dựa thẻ từ RFID  Thiết kế hệ thống báo động có người lạ đột nhập vào nhà  Thiết kế Web server module mở rộng Arduino  Bật tắt hệ thống đèn, cửa quạt qua Web server  Hiển thị nhiệt độ - độ ẩm qua Web server  Thiết kế hệ thống báo khí gas, báo cháy qua Web server  Thiết kế hệ thống dây phơi đồ tự động thu vào phát có mưa, kéo hết mưa 1.4 Tóm tắt chương Chương 1: Dẫn nhập Chương : Cơ sở lý luận Chương trình bày kế hoạch ý tưởng thực Chương 3: Hệ thống nhà thông minh Trong chương này, ta tìm hiểu sơ ngơi nhà thơng minh giới cách hoạt động nhà thông minh Chương 4: Tổng quan Web server Chương 5: Các linh kiện sử dụng Chương 6: Thiết kế thi cơng mơ hình Chương trình bày thiết kế chi tiết, nguyên lý hoạt động mạch điện, kết thu Chương 7: Lưu đồ giải thuật Chương 8: Kết luận Chương nêu ưu khuyết đề tài, khẳng định đóng góp đề tài vào thực tiễn Đồng thời đưa đề nghị hướng phát triển cho đề tài 1.5 Ý nghĩa thực tiễn Thiết kế mạch điều khiển thiết bị - báo động từ xa qua Web server giúp người nghiên cứu có nhìn trực quan với kiến thức tiếp nhận, từ nâng cao thêm hiệu nghiên cứu Mạch điều khiển thiết bị - báo động thiết kế từ vi điều khiển với số IC khác nên giá thành tương đối thấp, giúp tiết kiệm chi phí Hệ thống ứng dụng nhà riêng, quan xí nghiệp trường học đặc biệt nơi nguy hiểm…giúp điều khiển thiết bị theo ý muốn, đồng thời mạch cịn có chức báo động từ xa qua web server giúp người điều khiển kiểm soát thiết bị đề phòng cháy, trộm xảy CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đề tài hướng tới phương thức điều khiển tự động có kết hợp nhiều lĩnh vực liên quan như: Web server, vi mạch điện tử…Do đó, để tạo ta sản phẩm hoàn thiện theo mục đích đặt đề tài người thực cần phải tập trung nghiên cứu chủ yếu đến đối tượng: Vi mạch điện tử: đối tượng giữ vai trò trung tâm việc liên kết xử lý tín hiệu từ đối tượng khác Trong đề tài có board mạch Arduino, broad thiết kế thi công từ linh kiện điện tử có sẵn ngồi thị trường như: điện trở, tụ điện, IC số…với điều khiển trung tâm vi điều khiển Board nhận tín hiệu từ cảm biến điều khiển nhiệm vụ lập trình từ trước Đối với hệ thống báo cháy, báo trộm…khi nhận tín hiệu từ cảm biến, board điều khiển phát câu thông báo ghi sẵn câu lệnh Web server đóng vai trị kết nối người dùng với thiết bị nhà Nó chứa đựng thông tin mà người dùng muốn board truyền tải để người dùng lệnh cho thiết bị ngoại vi làm việc 2.2 Nội dung, phương tiện phương án thực 2.2.1 Nội dung Từ lập luận trên, nhóm thực tiến hành thi công đồ án với nội dung sau: Phần viết báo cáo gồm nội dung chính:  Mơ hình, sơ đồ khối phương án thiết kế  Lý thuyết thiết kế  Thiết kế phần cứng  Thiết kế phần mềm  Tóm tắt – Kết luận – Đề nghị hướng phát triển đề tài Phần thi cơng mơ hình mạch điện gồm:  Chế tạo mơ hình nhà thơng minh  Thi công lắp đặt mạch điện cảm biến đồ án 2.2.2 Phương tiện phương án thực Nhóm thực đồ án tiến hành cơng việc theo giai đoạn sau:  Giai đoạn 1: Tìm hiểu hệ thống báo cháy, báo trộm, đóng mở cửa tự động Công nghệ thẻ từ RFID Đo hiển thị nhiệt độ - độ ẩm – áp suất đưa mơ hình dự kiến thiết bị điều khiển giám sát nhà thông minh Từ lựa chọn kiểu mẫu phù hợp với khả để thực Sau trình lên giáo viên hướng dẫn duyệt  Giai đoạn 2: Sau đưa mơ hình dự kiến, giáo viên hướng dẫn đồng ý, nhóm tiến hành thực phần mơ hình đó: Thiết kế mơ hình nhà thơng minh Thi cơng mạch điện, lắp đặt cảm biến lên mơ hình nhà thơng minh Viết chương trình cho vi điều khiển Tạo web server, viết giao diện để kết nối người dung với thiết bị  Giai đoạn 3: Chạy thử nghiệm viết báo cáo  Giai đoạn 4: Khắc phục lỗi hồn thiện mơ hình báo cáo với thầy hướng dẫn kết đề tài CHƯƠNG III HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 3.1 Tổng quan nhà thông minh 3.1.1 Khái niệm nhà thông minh Ngơi nhà thơng minh ngơi nhà có điều kiện kỹ thuật đảm bảo sống tốt người, tự động bảo đảm tiêu kỹ thuật theo mong muốn người sử dụng Ngơi nhà thơng minh khác với ngơ nhà bình thường chỗ q trình tích hợp hệ thống hệ thống điều khiển giám sát môi trường: hệ thống điều khiển đảm bảo nhiệt độ, hệ thống đảm bảo ánh sáng, mạch đóng ngắt, điều khiển cửa vào, giám sát cảnh báo cháy thành hệ thống mạng thống Hình - Nhà thông minh ngày than thiện với người dùng Albert Einstein dùng tủ quần áo bé để bớt phí thời gian nghĩ việc phải mặc Đơn giản hóa sống giúp ơng có thêm thời gian lượng để tập trung cho cơng việc Tự động hóa nhà cửa theo hướng Nó đơn giản hóa sống cho bạn cách chuyển việc nhàm chán, lặp lại từ tay bạn sang cho hệ thống điều khiển ngơi nhà Với ngơi nhà “thơng minh” hơn, bạn tập trung sức lực thời gian cho người, việc có ý nghĩa với Nhiệm vụ ngơi nhà thơng minh:  Đóng mở cửa tự động có người vào  Bật đèn có người sử dụng tắt đèn khơng sử dụng  Tự động phát đám cháy cách nhanh chóng, xác kịp thời vùng hệ thống bảo vệ, tự động phát tín hiệu báo động, thị tín hiệu điều khiển thiết bị ngoại vi hệ thống báo cháy tự động nhằm thực nhiệm vụ cụ thể thông báo cho chủ nhà  Điều chỉnh nhiệt độ phòng theo mức đặt trước chủ nhà v.v 3.1.2 Các tiêu kỹ thuật nhà thông minh 3.1.2.1 Chỉ tiêu ánh sáng Đảm bảo ánh sáng theo yêu cầu sử dụng chất lượng ánh sáng tiết kiệm điện, ánh sáng nơi nhau, không để chỗ sáng chỗ tối Ánh sáng tắt mở thơng qua hệ thống tự động điều khiển điều khiển từ xa Ngoài thiết bị ánh sáng cần kết nối với số thiết bị nhà như: thiết bị báo trộm, báo cháy 3.1.2.2 Chỉ tiêu thơng gió Đảm bảo lượng gió vừa đủ, tốc độ gió phù hợp với u cầu chung Ngồi lượng gió tốc độ gió thay đổi tùy theo yêu cầu người sử dụng Hệ thống tự động nhận biết nhiệt độ nhà điều chỉnh phù hợp với khí hậu mơi trường, tránh tình trạng vào nhà với nhiệt độ khác xa nhau, gây bệnh cho người 3.1.2.3 Chỉ tiêu nhiệt độ Nhiệt độ nhà thay đổi tùy theo sở thích người thơng qua hệ thống điều khiển từ xa Phải có thiết bị cảnh báo phòng chống nhiệt độ cao, thiết bị báo cháy, còi báo động 3.1.2.4 Chỉ tiêu an toàn Cần đảm bảo việc phát cảnh báo có người lạ xâm nhập, phát qua còi báo động, bật đèn, tự động liên hệ với chủ nhà, tự động đóng kín cửa vào Cần đảm bảo an toàn độ bền, tùy theo vùng mà cảnh báo độ bền nhà có bão gặp hỏa hạn  Rơle 5V Được dùng làm cơng tắc điện tử đóng ngắt cấu chấp hành Hình 56 – Rơle 5V  TPLink Dùng để kết nối thiết bị di động máy tính với board arduino thơng qua sóng wifi mạng Lan Hình 57 – TP Link 51 CHƯƠNG VI THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 6.1 Thiết kế phần cứng mơ hình 6.1.1 Sơ đồ ngơi nhà Hình 58 – sơ đồ mặt ngơi nhà 52 Hình 59 – Hình 3D ngơi nhà (1) Hình 60 – Hình 3D ngơi nhà (2) 53 Hình 61 – Hình 3D ngơi nhà (3) Ngun tắc hoạt động: Có chế độ Auto Manual  Chế độ Auto: Khi đăng nhập vào nhà thẻ từ RFID mặc định ngơi nhà hoạt động chế độ Auto Khi có tín hiệu người vào cảm biến hoạt động theo chế độ lập trình từ trước Như: Đèn hành lang sáng có người qua Dây phơi đồ tự động thu vào phát có mưa… Khi phát cháy hay có nồng độ khí gas vượt mức cho phép trung tâm xử lý báo động cịi, đèn đăng thơng tin cảnh báo Web server cho người dùng biết  Chế độ Manual: Khi chủ nhà muốn điều chỉnh lại số thiết bị hoạt động theo ý điều khiển thơng qua Web server 6.1.2 Chức khối 6.1.2.1 Khối nguồn Mạch xử lý trung tâm mạch điện điều khiển gọn tủ điện cấp nguồn trực tiếp từ mạng điện nhà 220VAC, có mạch điều chỉnh dịng để phù hợp với điều kiện hoạt động thiết bị 54 Nguồn phụ: trường hợp xảy cố nguồn dự phòng hoạt động , đề tài mơ hình nhóm chọn viên pin Lithium Panasonic 3200mAh mắc nối tiếp 6.1.2.2 Khối cảm biến Gồm cảm biến: - CB phát chuyển động HC-SR501 - CB phát lửa - CB phát khí gas MQ2 - CB nhiệt độ - độ ẩm - CB phát mưa 6.1.2.3 Khối hiển thị LCD Dùng để hiển thị trạng thái nhà tình trạng đăng nhập cửa vào 6.1.2.4 Khối báo động Gồm có báo động loa Led Hình 62 – Mạch loa đèn Ở khối báo động loa, ta sử dụng tranzitor lọai NPN C1815 làm khóa điện tử để đóng mở nguồn 5v cung cấp cho loa hoạt động Điện trở R7 dùng để hạn dòng vào chân 55 B tranzitor R7= 1KΩ R8 =10KΩ Sử dụng LED đỏ sáng nhấp nháy hệ thống chuyển sang trạng thái báo động có cháy Điện trở có giá trị 220Ω dùng để hạn dòng cho LED 6.1.2.5 Khối động lực Để kéo cửa vào phịng ngủ em sử dụng loại motor servo Do thử nghiệm mô hình nên cửa có kích thước 6x12.5 cm nên em định chọn servo 9G có nguồn cấp 5VDC để kéo mở cửa hoàn toàn phù hợp với cấu tạo ngơi nhà Hình 63 - servo 9G Hình 64 – Mạch ngun lý khối cơng suất 56 Hình 65 – Mạch in khối công suất 6.1.2.6 Khối xử lý Bao gồm board xử lý trung tâm module Ethernet shield mở rộng để xử lí tín hiệu thu từ cảm biến, công tắc khẩn giả sử có cháy xảy (phát cảm biến lửa, công tắc khẩn bật) cảm biến truyền tín hiệu đến vi điều khiển để vi điều khiển xử lí đưa hệ thống cảnh báo tương ứng là:  Điều khiển hệ thống cảnh báo (báo động)  Hiển thị trạng thái hoạt động hệ thống báo cháy qua hình LCD, trạng thái có cháy khơng có cháy  Hiển thị trạng thái có cháy hay khơng có cháy lên giao diện Web server 57 6.2 Thiết kế phần mềm mơ hình Hình 66 – IDE Arduino Arduino IDE phần mềm lập trình cho Arduino Mơi trường lập trình cho Arduino IDE chạy tảng phổ biến Windows, OS Linux Do có tính chất nguồn mở nên ngơn ngữ lập trình mở rộng qua thư viện C++ Lập trình giao diện cho Web server ngơn ngữ HTML Code biên dịch Arduino IDE 58 Hình 67 – Giao diện Web server 59 CHƯƠNG VII LƯU ĐỒ VÀ GIẢI THUẬT 7.1 Lưu đồ chương trình Hình 68 - Lưu đồ chương trình 60 7.2 Lưu đồ chương trình đọc mã vạch RFID Hình 69 - Lưu đồ chương trình đọc mã vạch RFID 61 7.3 Lưu đồ cảm biến khí gas Hình 70 - Lưu đồ cảm biến khí gas 7.4 Lưu đồ cảm biến mưa Hình 71 - Lưu đồ cảm biến mưa 62 7.5 Một số hình ảnh thực tế Hình 72 – Hình ảnh thực tế (1) Hình 73 – Hình ảnh thực tế (2) 63 CHƯƠNG VIII KẾT LUẬN 8.1 Kết luận Những đạt được:  Mơ hình hoàn tất  Hoàn thành kết nối cảm biến với Arduino  Thiết kế Web server thị thông tin đặt ban đầu  Nâng cao kỹ làm việc nhóm Những chưa đạt được:  Mơ hình chưa mong muốn  Chưa viết ứng dụng Android  Hoạt động ngơi nhà cịn đơn giản 8.2 Hướng phát triển đề tài  Nguồn lượng dự phòng lấy từ pin lượng mặt trời nhằm tiết kiệm lượng  Kết nối Arduino với internet wifi  Liên hệ thực tế với công ty lĩnh vực điều khiển thông minh  Điều khiển thông qua giọng  Viết ứng dụng Android 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dự án nhà thông minh BKAV: www.bkav.com.vn/ngoi-nha-thong-minh [2] Lịch sử phát triển Arduino wikipedia.com/arduino- mega [3] Tạp chí tự động hóa NXB QG Hà Nội Ngoài tài liệu tham khảo từ nguồn mạng:  Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738:2000 Yêu cầu kĩ thuật hệ thống báo cháy tự động  Data Sheet Arduino Mega 2560 pdf  Diễn đàn điện tử Việt Nam: http://www.dientuvietnam.net  Diễn đàn Arduino Việt Nam quốc tế http://www.arduino.vn http://www.arduino.cc Giáo trình Đo lường cảm biến, NXB: ĐH Sư phạm kỹ thuật TPHCM 65 ... người sử dụng Ngôi nhà thơng minh khác với ngơ nhà bình thường chỗ q trình tích hợp hệ thống hệ thống điều khiển giám sát môi trường: hệ thống điều khiển đảm bảo nhiệt độ, hệ thống đảm bảo ánh... với mục đích giám sát: 20 Hình 13 - Giám sát điều khiển hệ thống thơng khí cơng ty Ecapro (1) Hình 14 - Giám sát điều khiển hệ thống thơng khí cơng ty Ecapro (2) 21 Hình 15 - Giám sát trạm bơm... thầy hướng dẫn kết đề tài CHƯƠNG III HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 3.1 Tổng quan nhà thông minh 3.1.1 Khái niệm nhà thông minh Ngơi nhà thơng minh ngơi nhà có điều kiện kỹ thuật đảm bảo sống tốt người,