(TIỂU LUẬN) báo cáo kiến trúc và giao thức truyền thông trong iot project cuối kỳ smart homestay

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO Kiến trúc giao thức truyền thông IoT Project Cuối Kỳ: Smart HomeStay Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc Cường Sinh viên thực hiện: Trịnh Minh Nhật Nguyễn Đức Thuận Mẫn Bá Hữu HÀ NỘI, 12/2020 MỤC LỤC CHƯƠNG NHẬT KÝ 1.1 Tuần (Họp ngày 6/12/2020) Phân công công việc Nội dung thực Nội dung vướng mắc 1.2 Tuần (Họp ngày 13/12) Phân chia công việc Nội dung thực Nội dung vướng mắc 1.3 Tuần (Họp ngày 20/12) Phân chia công việc Nội dung thực 1.4 Tuần (Họp ngày 27/12) Phân chia công việc Nội dung thực 1.5 Tuần (Họp ngày 3/1) Phân chia công việc Nội dung thực 1.6 Tuần (Họp ngày 10/1) Phân chia công việc Nội dung thực 1.7 Đánh giá công việc cá nhân CHƯƠNG NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 2.1 Smart Home gì? 2.2 Chức Smart Home nhóm CHƯƠNG KỊCH BẢN SỬ DỤNG 3.1 Phục vụ cho thiết kế Cửa tự động Hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm Giám sát, điều khiển từ xa Công tắc cảm ứng 3.2 Phục vụ cho đánh giá Cửa tự động Hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm Giám sát, điều khiển từ xa Công tắc cảm ứng CHƯƠNG THIẾT KẾ 4.1 Thiết kế khí 4.2 Thiết kế chức năng, hệ thống (hardware) 4.3 Thiết kế phần mềm (software) Tổng quan hệ thống Cảm biến DHT11[2] Cấu hình WiFi[3] – Wire[4] UART[5] Truyền thơng khơng dây kết nối Internet[6] CHƯƠNG TRIỂN KHAI 5.1 Linh kiện, thiết bị Vi điều khiển ESP8266 Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm DHT11 Động RC Servo SG90[7] Cảm biến chạm TTP223 Máy bơm mini 5.2 Lập trình CHƯƠNG THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ TÀI LIỆU THAM KHẢO Danh Mục Hình Ảnh Hình 2.1.1 Mơ hình smart home _ Hình 4.1.1 Mặt trước homestay 11 Hình 4.1.2 Ngơi nhà nhìn từ xuống (a) Phòng ngủ (b) Phòng khách (c) Sân _ 12 Hình 4.3.1.1 Sơ đồ tín hiệu 13 Hình 4.3.4.1 Chế độ 1-Wire _ 15 Hình 4.3.4.2 Giao thức 1-wire _ 15 Hình 4.3.5.1 Giao thức UART _ 16 Hình 4.3.5.2 Truyền liệu phương thức UART 16 Hình 4.3.6.1 App Blynk 17 Hình 5.1.1.1 Vi điều khiển ESP8266 19 Hình 5.1.2.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 _ 20 Hình 5.1.3.1 Động RC Servo SG90 _ 21 Hình 5.1.4.1 Nguyên lý cảm biến chạm 22 Hình 5.1.4.2 So sánh module cảm biến chạm 22 Hình 5.1.5.1 Máy bơm mini _ 23 Hình 5.2.1 Sơ đồ trạng thái 24 Hình 6.1 a) giao diện app Blynk b) thông báo homestay bị kết nối mạng _ 29 Hình 6.2 Phịng khách homestay _ 30 Hình 6.3 Phịng ngủ homestay _ 30 Hình 6.4 Sân homestay _ 31 Hình 6.5 Nhận diện chủ nhà qua camera PC 32 CHƯƠNG NHẬT KÝ 1.1 Tuần (Họp ngày 6/12/2020) - Phân công công việc Phân công công việc Thành viên Hữu Nhật Thuận - Nội dung thực Lên ý tưởng, thống chức năng, lên danh sách linh kiện Nội dung vướng mắc 1.2 Tuần (Họp ngày 13/12) Phân chia công việc Thành viên Hữu Nhật Thuận Nội dung thực Đã mua đủ linh kiện: ESP, đèn, động servo, máy bơm mini, cảm biến DHT11 - Hồn thành khung ngơi nhà, tiếp tục lắp ráp phần cứng - Lập trình bật tắt đèn sử dụng Blynk - Tìm cách dùng Blynk server không bị giới hạn energy Nội dung vướng mắc 1.3 Tuần (Họp ngày 20/12) Phân chia công việc Thành viên Hữu Nhật Thuận - Nội dung thực Hồn thành ngơi nhà với trang thiết bị Hồn thành mơ hình nhận dạng khn mặt Đạt 50% nội dung lập trình 1.4 Tuần (Họp ngày 27/12) Phân chia công việc Thành viên Hữu Nhật Thuận - Nội dung thực Hoàn thành mở cửa nhận diện khn mặt Hồn thành 70% nội dung lập trình 1.5 Tuần (Họp ngày 3/1) Phân chia cơng việc Thành viên Hữu Nhật Thuận - Nội dung thực Cơ hoàn thiện nội dung đề tài 1.6 Tuần (Họp ngày 10/1) Phân chia công việc Thành viên Hữu Nhật Thuận - Nội dung thực Hồn phần lập trình nhà 1.7 Đánh giá công việc cá nhân Thành viên Hữu Nhật Thuận CHƯƠNG NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 2.1 Smart Home gì? Hiểu theo cách đơn giản nhất, Smart Home nhà mà thiết bị liên quan đến điện điều khiển trực tiếp công tắc cảm ứng hay điều khiển từ xa qua nút chạm hiển thị hình smart phone, tablet, máy tính cá nhân (PC, laptop)[1] Theo nghĩa tương đối đầy đủ Smart Home hay nhà thông minh nhà tích hợp cơng nghệ tân tiến kỹ thuật điện – điện tử – tin học để quản lý điều khiển thiết bị điện theo mong muốn chủ nhà lúc, nơi theo chương trình cài đặt theo ngữ cảnh, lịch trình, cảm biến tự động Như khác biệt với ngơi nhà bình thường mà việc quản lý điều khiển thiết bị điện thực cách thủ công học theo nguyên tắc Mở/Tắt (On/Off) Smart Home tiến lên đẳng cấp khác điều khiển, quản lý thiết bị cách thơng minh nhiều Hình 2.1.1 Mơ hình smart home Nhà thơng minh (tiếng Anh: home automation, domotics, smart home Intellihome) 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 Trong nhà thông minh, đồ dùng nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet gắn điều khiển điện tử kết nối với Internet điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa lập trình cho thiết bị nhà hoạt động theo lịch Thêm vào đó, đồ gia dụng hiểu ngơn ngữ có khả tương tác với Các chức nhà thơng minh : • • • • • • • • Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic,…) Điều khiển mành, rèm, cửa cổng Hệ thống an ninh, báo động, báo cháy Điều Khiển Điều hòa, máy lạnh Hệ Thống Âm đa vùng Camera, chng hình Hệ thống Bảo vệ nguồn điện Các tiện ích ứng dụng khác 2.2 Chức Smart Home nhóm -Sử dụng app điện thoại Blynk để giám sát chỉ, điều khiển từ xa (khi kết nối internet) -Hệ thống khóa cửa thơng minh: nhận dạng khn mặt, đóng mở cửa app -Giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm app -Điều khiển hệ thống đèn app công tắc cảm ứng -Điều khiển đài phun nước app CHƯƠNG KỊCH BẢN SỬ DỤNG 3.1 Phục vụ cho thiết kế Cửa tự động - Sử dụng phần mềm nhận diện khn mặt máy tính, chương trình nhận diện chủ nhà cửa mở - Điều khiển cửa đóng mở app Blynk Hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm - Đo giá trị nhiệt độ, độ ẩm sau gửi lên app chủ nhà thuận tiện việc giám sát - Cập nhật thông số liên tục Giám sát, điều khiển từ xa - Sử dụng app Blynk bật tắt đèn, đài phun nước thông qua điện thoại từ xa (có kết nối mạng internet) Cơng tắc cảm ứng Bật tắt đèn công tắc cảm ứng khơng có điện thoại thơng minh bên cạnh 3.2 Phục vụ cho đánh giá Cửa tự động - Khi chủ nhà lại gần, camera ghi hình nhận dạng, chủ nhà, hình tên, đồng thời cửa tự mở - Muốn đóng cửa phải dùng app điện thoại - Khi người lạ lại gần camera, hệ thống không nhận diện được, cửa không mở - Hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm Hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm app Blynk - Khi thay đổi nhiệt độ, độ ẩm cảm biến giá trị app tự cập nhật theo - Giám sát, điều khiển từ xa Bật đèn, tắt đèn theo thứ tự phòng, đèn sáng tắt theo thứ tự - Bật tắt đèn lúc, đèn sáng tắt lúc - Bật, tắt đài phun nước máy bơm hoạt động/không hoạt động Công tắc cảm ứng - Chạm tay vào cơng tắc cảm ứng phịng, lần chạm thay đổi trạng thái đèn phịng CHƯƠNG TRIỂN KHAI 5.1 Linh kiện, thiết bị Vi điều khiển ESP8266 Hình 5.1.1.1 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 19 Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm DHT11 Hình 5.1.2.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 DHT11 cảm biến nhiệt độ & độ ẩm giá rẻ, Nó có cấu tạo đơn giản, kích cỡ nhỏ gọn 15.5x12x5.5mm, nên thường sử dụng dự IoT đơn giản yêu cầu kích cỡ cảm biến nhỏ Cảm biến truyền liệu thông qua giao thức 1-wire Thông số cảm biến: - Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC) - Dải độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH - Dải nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C - Khoảng cách truyển tối đa: 20m 20 Động RC Servo SG90[7] Động RC Servo 9G động phổ biến dùng mơ hình điều khiển nhỏ đơn giản cánh tay robot, khớp nối, Động có tốc độ phản ứng nhanh, tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay phương pháp điều độ rộng xung PWM Thông số kỹ thuật: - Kích thước: 23mmX12.2mmX29mm Trọng lượng: gram Điện áp hoạt động: 4.2-6V Nhiệt độ: ℃ - 55 ℃ Tốc độ: 0.3 giây / 60 độ Hình 5.1.3.1 Động RC Servo SG90 21 Cảm biến chạm TTP223 Cảm ứng điện dung công nghệ cảm ứng dựa thay đổi điện tích bề mặt cảm ứng tay người, vật có tích điện chạm nhẹ vào Bề mặt cảm ứng điện dung sử dụng kính phủ ion, lớp ion kim loại bề mặt tạo mạng lưới tụ điện Các tụ điện bị điện tích tay người hay vật có điện chạm vào Nhờ vậy, bề mặt cảm ứng dạng điều khiển “cái chạm” nhẹ từ ngón tay Hình 5.1.4.1 Ngun lý cảm biến chạm Hình 5.1.4.2 So sánh module cảm biến chạm 22 Máy bơm mini Hình 5.1.5.1 Máy bơm mini Thơng số kỹ thuật máy bơm chìm mini - 12VDC: ● Vật liệu: nhựa cứng cao cấp ● Màu sắc: trắng ngà ● Điện áp: 3VDC - 12VDC ● Máy Bơm Nằm Ngang ○ Chiều dài bơm chìm: 43 mm ○ Đường Kính máy bơm: 24mm ○ Đường kính ống ra: 8mm ● Máy Bơm Thẳng Đứng ○ Chiều dài bơm chìm: 42 mm ○ Đường Kính máy bơm: 23mm ○ Đường kính ống ra: 6mm 23 5.2 Lập trình Hình 5.2.1 Sơ đồ trạng thái Mơ tả: Sau cấp nguồn, hệ thống khởi tạo kết nối với wifi cấu hình trước Sau đó, hàm Blynk.run() hoạt động có chức năng: Kiểm tra xem có nút nhấn hay khơng Nếu có nút ấn, thao tác tương ứng thực thi bao gồm: bật, tắt đèn, bật, tắt máy bơm, đóng, mở cổng Nếu khơng có nút nhấn, chương trình thực thi đo giá trị nhiệt độ, độ ẩm Đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm: đọc từ cảm biến DHT11 gửi lên server vòng lặp, giá trị cập nhật theo chu kỳ vòng lặp Sau cập nhật giá trị DHT11, chương trình kiểm tra buffer UART, có chuỗi “” điều khiển cho mở cổng Nếu khơng có liệu, chương trình thực lại vịng lặp Nếu có cố ngắt kết nối mạng, app thông báo hàm Blynk.run() tự động kết nối lại với wifi #define BLYNK_PRINT Serial #include #include #include #include #include #include "DHTesp.h" 24 DHTesp dht; Servo myservo; char auth[] = "uJA9SlCdCIBAcQk6QVzvsfQ1WTcipJuT"; char ssid[] = "Minhduc"; char pass[] = "nhatsiunhan"; int pos, pinValue6, pinValue7, pinValue8, pinValue, pinValue10; bool gate; boolean checkDataV6 = false; boolean checkDataV7 = false; boolean checkDataV8 = false; boolean checkDataV10 = false; void myTimerEvent() { delay(dht.getMinimumSamplingPeriod()); float humidity = dht.getHumidity(); float temperature = dht.getTemperature(); Blynk.virtualWrite(V1, temperature); Blynk.virtualWrite(V2, humidity); } BLYNK_WRITE(V6) { pinValue6 = param.asInt(); checkDataV6 = true; } BLYNK_WRITE(V7) { pinValue7 = param.asInt(); checkDataV7 = true; } BLYNK_WRITE(V8) { pinValue8 = param.asInt(); checkDataV8 = true; } BLYNK_WRITE(V10) { pinValue10 = param.asInt(); if (pinValue10) { digitalWrite(10,1);} 25 else digitalWrite(10,0); } BLYNK_WRITE(V3) { pinValue = param.asInt(); // assigning incoming value from pin V1 to a variable if(pinValue == && gate == false){ for (pos = 0; pos =0; pos -= 1) { / if(pos%20==0) {digitalWrite(9,0); delay(50); digitalWrite(9,1);} myservo.write(pos); delay(50); } gate = false; } } void setup() { / Debug console pinMode(5, OUTPUT); //D1 pinMode(4, OUTPUT); //D2 pinMode(0, OUTPUT); //D3 pinMode(10, OUTPUT); //SDD3 pinMode(12, INPUT); //D6 pinMode(13, INPUT); //D7 pinMode(15, INPUT); //D8 myservo.attach(2); dht.setup(14, DHTesp::DHT11); Serial.begin(9600); Blynk.begin(auth, ssid, pass,"iot.htpro.vn", 8080); } void loop() { Blynk.run(); 26 delay(dht.getMinimumSamplingPeriod()); float humidity = dht.getHumidity(); float temperature = dht.getTemperature(); Blynk.virtualWrite(V1, temperature); Blynk.virtualWrite(V2, humidity); /*******************LED*************************************/ if (checkDataV6 == true) { digitalWrite(5, pinValue6); checkDataV6 == false; } if (digitalRead(12) != 0) { delay(500); pinValue6 = !pinValue6; digitalWrite(5, pinValue6); Blynk.virtualWrite(V6, pinValue6); } /*****************************************/ if (checkDataV7 == true) { digitalWrite(4, pinValue7); checkDataV7 == false; } if (digitalRead(13) != 0) { delay(500); pinValue7 = !pinValue7; digitalWrite(4, pinValue7); Blynk.virtualWrite(V7, pinValue7); } /*****************************************/ if (checkDataV8 == true) { digitalWrite(0, pinValue8); checkDataV8 == false; } if (digitalRead(15) != 0) { delay(500); pinValue8 = !pinValue8; digitalWrite(0, pinValue8); Blynk.virtualWrite(V8, pinValue8); } /**************DOOR*****************************************/ if(Serial.available()) { // có liệu gửi đến 27 String text = Serial.readStringUntil('\n'); // đọc giá trị gửi đến gặp kí tự xuống dịng \n if (text == "nhat" && gate == true) { for (pos = 100; pos >= 0; pos -= 1) { myservo.write(pos); delay(50); } gate = false; Blynk.virtualWrite(V3,1); } text = Serial.readString(); } } 28 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ Hình 6.1a thể giao diện app Blynk bao gồm chức điều khiển nhà từ xa : Bật tắt đèn, đài phun nước; Đóng mở cửa từ xa; Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm Ngồi app cịn lập trình để hiển thị thông báo lên điện thoại thông minh homestay bị kết nối mạng (hình 6.1b) Hình 6.1 a) giao diện app Blynk b) thông báo homestay bị kết nối mạng 29 Phòng khách phòng ngủ nội thất bật tắt đèn homestay biểu thị gồm cảm biến chạm hình 6.2 hình 6.3, Hình 6.2 Phịng khách homestay Hình 6.3 Phịng ngủ homestay 30 Ngồi ra, ngồi sân homestay thiết kế đầy đủ tiện nghi với phong cách trang trí bắt mắt sáng tạo : gồm cửa tự động, đài phun nước, công tắc cảm ứng bật tắt đèn, xích đu, … Hình 6.4 Sân homestay 31 Để tăng bảo mật cho homestay, cửa tự động gắn camera sử dụng trí tuệ nhân tạo để nhận diện khn mặt có người đứng trước cửa Hình 6.5 Nhận diện chủ nhà qua camera PC Từ hình 6.5, kết nhận diện tốt thấy chủ nhà Tuy nhiên, hạn chế điều lúc camera bật, nhận diện dẫn đến việc hao tốn lượng, công nghệ áp dụng sử dụng PC Điều cố gắng khắc phục dự án tương lai : sử dụng raspberry pi, … 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L Jiang, D.-Y Liu, and B Yang, "Smart home research," in Proceedings of 2004 international conference on machine learning and cybernetics (IEEE Cat No 04EX826), 2004, vol 2, pp 659-663: IEEE [2] D Srivastava, A Kesarwani, and S Dubey, "Measurement of Temperature and Humidity by using Arduino Tool and DHT11," International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), vol 5, no 12, pp 876-878, 2018 [3] M Schwartz, Internet of Things with ESP8266 Packt Publishing Ltd, 2016 [4] A M.-l Lin and L A Neyman, "1-wire communication protocol and interface circuit," ed: Google Patents, 2012 [5] N R Laddha and A Thakare, "A review on serial communication by UART," International journal of advanced research in computer science and software engineering, vol 3, no 1, 2013 [6] M Sadiku, S M Musa, and S Nelatury, "Internet of things: An introduction," International Journal of Engineering Research and Advanced Technology, vol 2, no 3, pp 39-43, 2016 [7] T VanHuy, D T Minh, N P Kien, and T A Vu, "Simple robotic hand in motion using arduino controlled servos," International Journal of Science and Research (IJSR), vol 6, no 3, pp 972-975, 2017 33 ... giao thức truyền thông (I2C & SPI) Chức UART truyền liệu nối tiếp Trong UART, giao tiếp hai thiết bị thực theo hai cách giao tiếp liệu nối tiếp giao tiếp liệu song song 15 Hình 4.3.5.1 Giao thức. .. ARABIC \s Giao thức 1-Wire Hình 4.3.4.2 Giao thức 1-wire 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... _ 15 Hình 4.3.4.2 Giao thức 1-wire _ 15 Hình 4.3.5.1 Giao thức UART _ 16 Hình 4.3.5.2 Truyền liệu phương thức UART 16 Hình