(TIỂU LUẬN) giải quyết các vấn đề trên, đồng thời cải thiện chất lượng cuộc sống smathome – giải pháp nhà thông minh

SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh TĨM TẮT Trong thời đại khoa học công nghệ ngày phát triển mạnh, người dần trở nên bận rộn với công việc sống Sự đảm bảo an ninh an tồn cho ngơi nhà nhu cầu thiết yếu Ai có đơi lúc vội vã rời khỏi nhà mà quên tắt thiết bị điện, máy lạnh hay quên khóa cửa… Lúc không tránh khỏi cảm giác lo lắng an tồn cho ngơi nhà Sau bàn bạc kĩ lưỡng nhóm chúng em định lựa chọn thực nghiên cứu đề tài: “SmartHome - Giải pháp nhà thơng minh” với mục đích giải vấn đề trên, đồng thời cải thiện chất lượng sống, mang lại an toàn tiện nghi cho người Để đáp ứng thực đầy đủ yêu cầu dự án, chúng em áp dụng kiến thức học quy trình thiết kế hệ thống nhúng, thiết kế mạch điện, kỹ lập trình nhúng lập trình phần mềm Với hệ thống SmartHome chúng em không dừng lại mức Demo sản phầm, hệ thống cịn có khả hoạt động tốt điều kiện thực tế Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thông minh LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Ngơ Minh Trí thầy cô Khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng truyền đạt kiến thức quý báu năm học vừa qua tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập thực Đồ án Mặc dù đồ án hoàn thành cách tốt phạm vi khả cho phép chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận lời góp ý tận tình bảo q thầy bạn Đà Nẵng, tháng năm 2021 Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Thành viên nhóm:  Nguyễn Văn Hồng Việt – 17DTCLC  Lê Thị Bích Ngọc – 17DTCLC  Phạm Minh Đức – 17DTCLC Hoàng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thông minh LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: - Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng - Khoa Điện Tử - Viễn Thơng Nhóm chúng em gồm thành viên: Nguyễn Văn Hoàng Việt - sinh viên lớp 17DTCLC, khoa Điện Tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Lê Thị Bích Ngọc - sinh viên lớp 17DTCLC, khoa Điện Tử- Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Phạm Minh Đức - sinh viên lớp 17DTCLC, khoa Điện Tử- Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Chúng em xin cam đoan đồ án kết chúng em tự tính tốn, thiết kế nghiên cứu, không chép thực hướng dẫn thầy Ngơ Minh Trí Nếu có vi phạm nào, nhóm chúng em xin chịu hồn tồn trách nhiệm chịu kỉ luật Khoa nhà trường Xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, tháng năm 2021 Sinh viên Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh LỜI NĨI ĐẦU Với phát triển Internet, Smartphone đặc biệt thiết bị cảm biến, Internet of Things (IoT) trở thành xu hướng giới IoT định nghĩa vật dụng có khả kết nối Internet Bạn vào nhà, mở khóa cửa, đèn tự động sáng chỗ bạn đứng, điều hòa tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc tự động bật để chào đón bạn… điều có phim khoa học viễn tưởng, dần trở thành thực với công nghệ IoT Internet of Things vật dụng có khả kết nối với thông qua Internet Đồ án đồ án quan trọng sinh viên khoa Điện Tử Viễn Thông, qua việc thực đồ án sinh viên tổng hợp kiến thức học đúc kết nhiều kinh nghiệm thực tế quý giá trình làm sản phẩm, viết chương trình, đồng thời qua giúp tăng khả sáng tạo, hứng thú học tập cho sinh viên Đề tài nhóm chúng em “SmartHome-giải pháp nhà thông minh” Với hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy Ngơ Minh Trí với kiến thức học tìm tịi nghiên cứu, nhóm chúng em hồn thành đồ án giao Do bảo vệ Đồ Án trúng đợt dịch Covid nên nhóm chưa có điều kiện để hồn thành mơ hình, mong thầy thơng cảm Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hoàng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh MỤC LỤC TĨM TẮT LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN LỜI NÓI ĐẦU GIỚI THIỆU Các thành phần đồ án: Phân công công việc CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 10 Tính cấp thiết: 10 Chức hệ thống 10 Nguyên lý làm việc hệ thống 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Các thiết bị linh kiện sử dụng: 13 2.1.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11: 15 2.1.4 Cảm biến chất lượng không khí MQ135: 15 2.1.5 Cảm biến bụi PM2.5 (GP2Y10): 16 2.1.6 Công tắc cơ: 17 2.2 Các phần mềm liên quan: 18 2.2.1 Cơ sở liệu (IoT FlatForm) 18 2.2.2 Hệ điều hành Ubuntu 20 2.2.3 Sinric 21 2.2.4 Trợ lý ảo Alexa 22 2.2.5 Ngôn ngữ dùng để xây dựng phần mềm 23 2.3 Các chuẩn giao tiếp: 24 2.3.1 Giao thức HTTP 25 2.4 Các sơ đồ liên quan hệ thống: 27 2.4.1 Sơ đồ mạch phòng khách 27 2.4.2 Sơ đồ mạch phòng ngủ 27 2.4.3 Lưu đồ giải thuật 28 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .29 Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thông minh Kết luận: 29 Hướng phát triển đề tài: 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí PM IOT JSON SQL API APK HTML DC Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thông minh GIỚI THIỆU Các thành phần đồ án: Chương 1: Trong chương đề cập đến tính cấp thiết, chức nguyên lý làm việc hệ thống Chương 2: Trong chương tổng quan hệ thống ,trình bày linh kiện thiết bị sử dụng, phần mền liên quan, chuẩn giao tiếp sơ đồ liên quan Chương 3: Trong chương đưa kết thực nghiệm, kết luận trình bày hướng phát triển đề tài Phân cơng cơng việc Nguyễn Văn Hồng Việt  Đưa ý tưởng đề tài thiết kế hệ thống  Thực đưa liệu lên lấy liệu từ Firebase  Chọn cảm biến phù hợp với hệ thống  Kết nối với trợ lý ảo Alexa sử dụng Sinric  Viết FronEnd giao diện cho App ngôn ngữ Python Kivy KivyMD  Xây dựng sở liệu NoSQL FireBase  Đồng công tắc với App trợ lý ảo Alexa  Debug build App thông qua hệ điều hành Ubuntu  Viết báo cáo làm slide thuyết trình  Làm mơ hình Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh Nguyễn Thị Bích Ngọc  Đưa ý tưởng đề tài thiết kế hệ thống  Viết Test Case xử lý Case  Chọn cảm biến phù hợp với hệ thống  Kết nối với Alexa sử dụng Sinric  Làm mơ hình Phạm Minh Đức  Đưa ý tưởng đề tài thiết kế hệ thống  Thực đưa liệu lên lấy liệu từ Firebase  Chọn cảm biến phù hợp với hệ thống  Kết nối với Alexa sử dụng Sinric  Làm mơ hình Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thông minh CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Tính cấp thiết: Ngày nay, cụm từ "nhà thông minh" "Internet vạn vật kết nối" thường xuyên nhắc đến xu hướng tiên tiến, hướng người đến với sống tiện nghi thoải mái cơng nghệ mang lại Đó khơng cịn thứ tương lai xa mà diện khắp nơi giới Việt Nam có thị trường sôi động Nhu cầu ngày cao người tiêu dùng vấn đề giám sát an ninh tự động từ xa, tiết kiệm lượng thông qua hệ thống bật tắt đèn thông minh, nâng cao chất lượng sống việc sử dụng công nghệ điều khiển cử chỉ, giọng nói… địn bẩy cho phát triển thị trường nhà thông minh Ngành công nghiệp bất động sản thúc đẩy phát triển thị trường nhà thông minh với việc dự án bất động sản đưa "nhà thơng minh" làm tiêu chí để cạnh tranh Khơng khó để thấy tồ nhà lớn hay khu hộ, khu đô thị trưng pano, tờ rơi quảng cáo "căn hộ 4.0" hay "căn hộ thơng minh" Về phía người tiêu dùng, ngày nhiều gia đình chủ động tìm hiểu nhà thơng minh xây dựng biệt thự, hộ, nhà riêng từ bắt đầu dự định xây sửa nhà  Đây lý yếu nhóm chúng em chọn đề tài “SmarHome – Giải pháp nhà thông minh” để thực cho Đồ Án định hướng cho Đồ Án tốt nghiệp  Chức hệ thống Hệ thống thiết kế với chức sau:  Sử dụng SmartPhone điều khiển thiết bị gia đình lúc nơi có kết nối Internet  Có thể điều khiển thiết bị giọng nói thơng qua trợ lý ảo Alexa Ngồi hệ thống cịn tích hợp công tắc truyền thống cho thiết bị có Internet  Giám sát chất lượng khơng khí(Các khí độc Gas, Co2, bụi mịn Pm2.5, ), nhiệt độ độ ẩm gia đình  Hẹn bật tắt thiết bị Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh 2.2.2 Hệ điều hành Ubuntu Hình 2.2.2: Biểu tượng Ubuntu Ubuntu hệ điều hành máy tính dựa Debian GNU/Linux, phân phối Linux thơng dụng Mục đích Ubuntu cung cấp hệ điều hành ổn định, cập nhật cho người dùng thường, tập trung vào tiện dụng dễ dàng cài đặt Ubuntu phần mềm mã nguồn mở tự do, người dùng tự chạy, chép, phân phối, nghiên cứu, thay đổi cải tiến phần mềm  Ưu điểm:  Ubuntu hồn tồn miễn phí  Hệ điều hành hồn tồn khơng có virus  Mọi phần mềm auto update 100%  Ubuntu bảo vệ liệu quý giá bạn  Forget about drivers  Có thể sử dụng build file APK  Nhược điểm:  Khó làm quen sử dụng nhiều thời gian để làm quen  Không phổ biến  Một số phần mềm không hỗ trợ Microsoft office, skype, phần mềm quay hình,…  Khó khăn việc cài đặt, nâng cấp quản lí ứng dụng Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh 2.2.3 Sinric Hình 2.2.3: Biểu tượng Sinric Sinric trang web cho phép liên kết vi điều khiển phát triển bạn Raspberry Pi, ESP8226, ESP32 cho Arduino với Amazon Alexa  Ưu điểm:  Có hỗ trợ sử dụng với ESP8266 Wemos D1 mini  Dễ dàng kết nối với Alexa  Cài đặt sử dụng đơn giản  Có thư viện hỗ trợ Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thông minh 2.2.4 Trợ lý ảo Alexa Hình 2.2.4: Biểu tượng Alexa Amazon Alexa, hay gọi tắt Alexa, trợ lý ảo phát triển Amazon Khi bạn hỏi Alexa câu hỏi, bạn giao tiếp với dịch vụ dựa đám mây Amazon thiết kế Dịch vụ thoại Alexa (AVS) để bắt chước hội thoại thực, bạn thực sử dụng lệnh thoại trực quan để dịch vụ thực tác vụ cụ thể “Alexa” đơn giản “đánh thức” cảnh báo dịch vụ bắt đầu lắng nghe giọng nói bạn Đối với hầu hết đơn vị, bạn cần nói để có câu trả lời  So sánh trợ lý ảo Amazon Alexa Google Assistant: Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thông minh 2.2.5 Ngôn ngữ dùng để xây dựng phần mềm Hình 2.2.5: Biểu tượng ngơn ngữ Kivy Kivy ngôn ngữ phát triển GUI đa tảng nguồn mở cho Python chạy IOS, Android, Windows, OS X GNU / Linux Nó giúp phát triển ứng dụng sử dụng giao diện người dùng đa chạm, sáng tạo Ý tưởng đằng sau Kivy cho phép nhà phát triển xây dựng ứng dụng lần sử dụng tất thiết bị, làm cho mã tái sử dụng triển khai, cho phép thiết kế tương tác nhanh chóng dễ dàng tạo mẫu nhanh chóng  Ưu điểm:  Kết hợp với ngôn ngữ Python, Python ngôn ngữ mạnh mẽ thư viện phong phú  Có thể hoạt động trơn tru với nhiều tảng khác Windows, Android, Linux, IOS, MacOS Raspberry Pi  Hoạt động tốt HTML  Các widget dễ sử dụng xây dựng với hỗ trợ cảm ứng đa điểm  Nhược điểm:  Kích thước phần mềm build lớn (vì bao gồm Python)  Tài liệu ví dụ cịn hạn chế Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh  Thiếu hỗ trợ cộng đồng framework cịn mới, người sử dụng Hình 2.2.6: Biểu tượng ngơn ngữ Python Python ngơn ngữ lập trình thông dịch (interpreted), hướng đối tượng (object-oriented), ngôn ngữ bậc cao (high-level) ngữ nghĩa động (dynamic semantics) Python hỗ trợ module gói (packages), khuyến khích chương trình module hóa tái sử dụng mã Trình thơng dịch Python thư viện chuẩn mở rộng có sẵn dạng mã nguồn dạng nhị phân miễn phí cho tất tảng phân phối tự  Ưu điểm:  Ngơn ngữ đơn giản, dễ học có hiệu cao  Có thư viện chuẩn module ngoài, đáp ứng tất nhu cầu lập trình  Có khả tương tác với module khác viết C/C++ (Kivy cho Python)  Nhiều tài liệu kèm với ví dụ cụ thể  Có nhiều trang web lớn sử dụng ngơn ngữ lập trình như: Google, Facebook, Youtube,…  Nhược điểm:  Python có tốc độ xử lý nhanh chưa Java, C/C++  Ở python khuyết thuộc tính vịng lặp white hay switch case Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh  Python có hạn chế với quyền truy cập sở liệu  Thường có lỗi thực thi gây khó khăn việc tìm sửa lỗi 2.3 Các chuẩn giao tiếp: 2.3.1 Giao thức HTTP HTTP - HyperText Transfer Protocol (giao thức truyển tải siêu văn bản) giao thức truyền liệu (có thể dạng text, ảnh, âm video World Wide Web) Hình 2.3.1: Giao thức HTTP HTTP hoạt động dựa mơ hình Client-Server Nó vận hành theo chế yêu cầu-trả lời(request-response), client kết nối với server gửi yêu cầu đến server bao gồm thông tin header, server dựa vào header để xác định gửi data cho client Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh Hình 2.16 Cách hoạt động giao thức HTTP Khi trình duyệt web truy cập vào địa server gửi cho server chuỗi http request sau: GET/HTTP/1.1 Sau nhận chuỗi request server (ESP8266) gửi cho trình duyệt nội dung giao diện điều khiển html (giao diện nhúng trực tiếp nhớ flash ESP) Khi bạn truy cập trình duyệt web phương thức GET xảy đồng thời client(trình duyệt web) gửi request cho server(ESP8266) kèm theo giá trị cảm biến , server nhận chuỗi request kiểm tra data chuỗi request để thực hiển thị giá trị lên web sau gửi response cho client để xác nhận server nhận thành công hay chưa Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh 2.4 Các sơ đồ liên quan hệ thống: 2.4.1 Sơ đồ mạch phịng khách Hình 2.4.1 Sơ đồ mạch phịng khách 2.4.2 Sơ đồ mạch phịng ngủ Hình 2.4.2 Sơ đồ mạch phịng ngủ Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh 2.4.3 Lưu đồ giải thuật Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI  Kết luận: Sau khoảng thời gian gần nửa nằm kể từ chúng em bắt đầu thực đồ án này, thời gian dài chúng em học lượng kiến thức lớn Trong tuần đầu tiên, chúng em dẫn hướng quy trình để thực đồ án từ Thầy Trí – giảng viên hướng dẫn chúng em Sau đó, chúng em nghiên cứu đặc điểm linh kiện bao gồm cảm biến, MCU tìm hiểu làm để tất chúng giao tiếp với liên kết qua Wifi Bên cạnh đó, em cịn học thêm ngơn ngữ Python Kivy để thực viết phần mềm sử dụng cho hệ thống Cài đặt sử dụng môi trường hệ điều hành Ubuntu để build App đồng thời Debug lỗi Ngoài ra, chúng em học cách làm việc nhóm tìm cách giải dự án phân chia cơng việc Nhóm chúng em thảo luận cẩn thận xây dựng kế hoạch chi tiết nhiệm vụ, khoảng thời gian trình xử lý thực Tất nhiệm vụ phân chia tùy thuộc vào điểm mạnh điểm yếu thành viên để đảm bảo hầu hết nhiệm vụ xử lý tốt Đây số ưu điểm khuyết điểm mà chúng em thu thập sau khoảng thời gian thực hiện:  Ưu điểm:  Kích thước thiết bị nhỏ gọn, dễ dàng thiết lập sử dụng  Hệ thống hoạt động cách trơn tru  Đáp ứng đầy đủ yêu cầu đưa  Tự xây dựng hệ thống riêng khơng phụ thuộc vào phần mềm ứng dụng có sẵn  Có thể mở rộng hệ thống cho nhiều nhà  Khuyết điểm:  Hiện chưa build lên IOS  Vi điều khiển hạn chế khả xử lý đa tác vụ  Chương trình cịn dài khó quản lý chưa tối ưu tốt  Chưa thể gởi thông báo điện thoại ứng dụng Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thông minh  Hướng phát triển đề tài: Chúng em tiếp tục phát triển hệ thống, hồn thiện tất phịng nhà Sử dụng vi điều khiển hiệu cao để thực tác vụ xử lý cách nhanh Tối ưu chương trình cách sử dụng hướng đối tượng Python Bổ sung thêm số tính nhận diện khn mặt để mở App (đã có Demo), nhiều hoạt cảnh cho nhà hơn,… Cải thiện chất lượng sản phầm từ thiết kế mạch đến làm mơ hình Hướng đến sản phẩm thân thiện với nhà dễ dàng sử dụng Đây nhiệm vụ em dự định thực tương lai để nâng cao sản phẩm:  Thay Vi xử lý ESP8266 (1 nhân) thành Vi xử lý ESP32 (2 nhân)  Thay đổi lại hồn tồn chương trình cho Vi điều khiển cho phần App  Tạo thông báo gởi điện thoại App  Bảo mật App nhận diện khuôn mặt  Thiết kế mạch điện tử  Build App lên IOS  Xây dựng Website quản lý hệ thống  Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thông minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www.youtube.com/ [2] http://arduino.cc/ [3] https://stackoverflow.com/ [4] https://www.geeksforgeeks.org/ [5] https://buildmedia.readthedocs.org/ Hoàng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí ... Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh 2.4.3 Lưu đồ giải. .. biến chất lượng khơng khí MQ135 Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh Cảm biến chất lượng khơng khí MQ-135 sử dụng để kiểm tra chất lượng. .. Nguyễn Văn Hoàng Việt – 17DTCLC  Lê Thị Bích Ngọc – 17DTCLC  Phạm Minh Đức – 17DTCLC Hồng Việt, Bích Ngọc, Minh Đức - 17DTCLC GVHD: TS.Ngơ Minh Trí SmatHome – Giải pháp nhà thơng minh LỜI CAM ĐOAN