(Đồ án hcmute) điều khiển và giám sát ngôi nhà thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH ÐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: ThS NGUYỄN NGÔ LÂM SVTH : NGUYỄN VĂN DANH MSSV: 13119060 SKL 0 5 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2018 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD : ThS NGUYỄN NGÔ LÂM SVTH : NGUYỄN VĂN DANH – 13119060 KHÓA : 2013 NGÀNH : CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Danh MSSV: 13119060 Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm Ngày nhâ ̣n đề tài: 23/09/2017 Lớp: 13119CL2 ĐT: 0908434763 Ngày nộp đề tài: 19/01/2018 Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ THÔNG MINH Các số liệu, tài liệu ban đầu:  Board Intel Galileo Gen2  Các cảm biến Gas, cảm biến mưa  Các thiết bị điện tử: Khóa cửa Solenoid Lock, Động bước, Relay, Module RFID RC522, Module L298N Nội dung thực đề tài:  Tìm hiểu Board Intel Galileo  Tìm hiểu thơng số kỹ thuật, ngun lý hoạt động thiết bị sử dụng hệ thống  Làm mơ hình thực tế từ mica gỗ  Thiết kế Web Server giám sát thông số hệ thống điều khiển hoạt động hệ thống qua mạng Internet Sản phẩm: Mơ hình nhà thơng minh điều khiển bật tắt thiết bị gia đình qua Internet TRƯỞNG NGÀNH GV HƯỚNG DẪN i an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Danh MSSV: 13119060 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ THÔNG MINH Họ tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: ……………… (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 20 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Danh MSSV: 13119060 Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ THÔNG MINH Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: ……………… (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 20… Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đề tài đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình Thầy Cơ, gia đình bạn bè Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh tạo mơi trường làm việc, học tập nghiên cứu điều kiện tốt cho em hồn thành đề tài đồ án tốt nghiệp Khoa Điện-Điện tử, Khoa đào tạo Chất Lượng Cao cung cấp cho em giáo trình, tài liệu tham khảo, sở vật chất thiết bị hỗ trợ liên quan Thầy hướng dẫn ThS Nguyễn Ngô Lâm Thầy Cơ mơn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em suốt trình qua Mặc dù cố gắng trình tìm hiểu kiến thức cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý, nhận xét Thầy Cô bạn để đồ án hồn thiện phát triển Một lần em xin chân thành cảm ơn! TP HCM, ngày…tháng…năm 20 Sinh viên thực Nguyễn Văn Danh iv an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN II PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN III LỜI CẢM ƠN IV MỤC LỤC V DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU IX DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ X CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 NỘI DUNG ĐỒ ÁN CHƯƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 INTERNET OF THINGS 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Mơ hình hệ thống IoTs 2.1.3 Ứng dụng IoTs vào sống 2.2 GIỚI THIỆU VỀ BỘ XỬ LÝ INTEL QUART SOC X1000 VÀ BOARD INTEL GALILEO 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Giới thiệu xử lý Intel Quark SoC x1000 10 2.2.3 Các đặc điểm kỹ thuật xử lý Intel Quark SoC x1000 11 2.2.4 Kiến trúc Board Intel Galileo 15 2.2.5 Các tính hỗ trợ cho Arduino Shield 15 2.2.6 Chi tiết tính hỗ trợ Intel Architecture 17 v an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh 2.2.7 Các ứng dụng Board Intel Galileo 21 2.2.8 Phương thức lập trình 22 2.3 GIỚI THIỆU VỀ LCD 20X4 23 2.3.1 Sơ đồ chân chức chân LCD 20x4 23 2.3.2 Mã lệnh LCD 25 2.4 CẢM BIẾN MƯA 26 2.5 CẢM BIẾN GAS 29 2.6 KHÓA SOLENOID LOCK 30 2.7 ĐỘNG CƠ BƯỚC 31 2.8 MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298 33 2.9 QUẠT 35 2.10 KHỐI THIẾT BỊ CÔNG SUẤT 35 2.11 MODULE I2C 36 2.12 HỆ THỐNG RFID 39 2.13 MODULE RFID RC522 SANG UART 41 2.14 CÔNG CỤ PHẦN MỀM 42 CHƯƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 44 3.1 YÊU CẦU HỆ THỐNG 44 3.2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG MỖI KHỐI 45 3.3 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 46 3.4 THIẾT KẾ, TÍNH TỐN HỆ THỐNG 46 3.4.1 Khối cảm biến 46 3.4.2 Khối hiển thị LCD 48 3.4.3 Khối xử lý trung tâm 49 3.4.4 Khối nguồn 49 3.4.5 Lưu đồ thuật toán 51 3.4.6 Giao tiếp mạng Internet 54 CHƯƠNG : KẾT QUẢ THỰC HIỆN 55 4.1 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG 55 vi an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh 4.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM 55 4.2.1 Giao diện web 55 4.2.2 Kết đạt 59 CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60 5.1 KẾT LUẬN 60 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 vii an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT IoT Internet of Things Internet với vạn vật PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SPI Serial Peripheral Bus Giao diện Ngoại vi Nối tiếp UART Universal Asynchronous Receiver Truyền liệu nối tiếp bất đồng – Transmitter IDE Integrated Development Environment USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối SD Secure Digital Thẻ nhớ I2C Inter-Integrated Circuit Vi mạch tích hợp truyền thông nối tiếp ADC Analog-to-Digital Converter Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số LCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏng GPIO General Purpose Input Output Các cổng vào/ra LED Light Emitting Diode Điốt phát quang CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm IDLE Integrated DeveLopment Mơi trường phát triển tích hợp Environment PIC Programmable Intelligent Thiết bị thơng minh lập Computer trình CNTT Cơng Nghệ Thơng Tin SMM System Management Mode Quản lý hệ thống OS Operating System Hệ điều hành I/O Input/Output Ngõ vào/ngõ RFID Radio Frequency Identification SRAM Static Random Access Memory DRAM Dynamic Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh viii an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh 3.4.3 Khối xử lý trung tâm - Yêu cầu thiết kế: Nhận tín hiệu ngõ vào từ cảm biến, xử lý tính tốn, xuất liệu đo hình LCD, truyền nhận liệu từ web - Phương án thiết kế: Ta sử dụng Kit Rraspberry Pi, PIC16F887, Board Intel Galileo 1, 2, Arduino, Kit Arm… để làm khối xử lý trung tâm - Lựa chọn: Board Intel Galileo với Bộ xử lý Intel Quart Soc X1000 đem lại cho ta trải nghiệm công nghệ Lựa chọn Board Galileo Board mạch mới, có nhiều tính năng, cài hệ điều hành Linux, Window Hình 3.4: Khối xử lý trung tâm 3.4.4 Khối nguồn - Yêu cầu thiết kế: Khối có nhiệm vụ tạo nguồn điện khối khác hoạt động, có chuyển mạch hệ thống hoạt động bình thường 49 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh - Phương án: Điện áp dòng điện cung cấp cho linh kiện hoạt động bình thường liệt kê theo danh sách bảng 3.1: Bảng 3.1: Dòng điện điện áp hoạt động thiết bị STT Tên thiết bị Số lượng Điện áp (V) Dòng điện (A) Intel Galileo 7-15 1.25 Khóa Solenoid Lock 12 0,8 Động bước 12 0.9 Đèn 12 0.2 Quạt 12 0.1 Tổng dòng điện với mức điện áp 1.25 Tổng dòng điện với mức điện áp 12V - Phương hướng: Để Galileo hoạt động, kết nối trực tiếp với nguồn Adapter mà nhà sản xuất cấp sẵn kèm theo Các thiết bị lại mức điện áp 12V có tổng dịng dùng nguồn Adapter 12V 2A 50 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh 3.4.5 Lưu đồ thuật toán Hình 3.5: Lưu đồ giải thuật chương trình Hình 3.6: Chương trình đọc trạng thái điều khiển thiết bị 51 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh Hình 3.7: Chương trình đọc trạng thái cảm biến Hình 3.8: Chương trình đọc thẻ RFID 52 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh Hình 3.9: Chương trình hiển thị LCD 53 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh Hình 3.10: Chương trình nút nhấn chọn chế độ 3.4.6 Giao tiếp mạng Internet Để kết nối hệ thống mạng Internet cần phải kết nối board Intel Galileo với Router thông qua kết nối tới mạng Internet Nhưng em dùng điện thoại phát mạng cho laptop Trên board Intel Galileo có hỗ trợ hai cách để kết nối tới mạng Internet là: sử dụng card Wifi thông qua cổng PCI Express 2.0 sử dụng cáp RJ45 để kết nối với cổng Ethernet board Em định chọn cáp RJ45 để kết nối mạng Internet chi phí thấp, dễ dàng lắp đặt 54 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh CHƯƠNG : KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG Hình 4.1: Mơ hình hệ thống nhà thông minh 4.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM 4.2.1 Giao diện web Người dùng sử dụng điện thoại laptop có kết nối mạng LAN để truy cập vào hệ thống Web Server điều khiển giám sát Viết chương trình cho hệ thống hoạt động với yêu cầu như:  Bật/ tắt thiết bị qua giao diện Web thông qua Internet  Mở cửa thẻ nhựa NFC RFID  Cảm biến phát mưa, rò rĩ Gas  Hệ thống giàn phơi đồ 55 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh Hình 4.2: Mơ hình hệ thống nhà thơng minh sau hồn thành Giao diện đăng nhập web server truy cập thông qua laptop Hình 4.3: Giao diện đăng nhập Web server 56 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh Hình 4.4: Giao diện đăng nhập điện thoại Hình 4.5: Giao diện web 57 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh Hình 4.6: Giao diện web điều khiển hệ thống Hình 4.7: Hệ thống cảnh báo điều khiển giàn phơi đồ 58 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh 4.2.2 Kết đạt Khi đăng nhập thành cơng vào Web ta điều bật tắt mở đèn từ giao diện, sau hệ thống mở hai đèn: Hình 4.8 Hệ thống sáng đèn sân đèn nhà Hệ thống bên tắt hai đèn Hình 4.9 Hệ thống tắt hai đèn 59 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN Sau hoàn thành đề tài giúp cho em nắm thêm nhiều kiến thức bổ ích như:  Về mặt lý thuyết: - Board Intel Galileo 2, việc tìm hiểu làm việc với Board thành công lớn em - Tổng quan khái niệm nhà thơng minh Internet of Things - Tìm hiểu dòng Intel Quark Soc x1000 - Hiểu nguyên lý hoạt động thiết bị liên quan - Xây dựng hệ thống hoàn chỉnh với chức  Về mặt thực tế: - Thiết kế thi cơng hệ thống mơ hình nhà thơng minh - Cảm biến gas phát rò rỉ Gas hiển thị Web Server, LCD - Mở/ Đóng cửa thẻ nhựa NFC RFID - Cảm biến mưa phát trời mưa mơ hình giàn phơi đồ tự động - Điều khiển thiết bị Web Server  Ưu điểm: - Chi phí thấp - Điều khiển vị trí giàn phơi (kéo ra/kéo vào) - Giao diện Web đơn giản, thân thiện, dể sử dụng  Nhược điểm: - Khó khăn việc truy cập vào Board muốn kết nối vào Website - Hệ thống lắp ráp chưa nhỏ gọn - Việc điểu khiển thiết bị mức độ đơn giản đóng tắt 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Mặc dù để tài mang tên “Điều khiển giám sát nhà thông minh” dừng lại số ứng dụng, kỷ ngun IoT nên có nhiều hướng để phát triển Ta kết hợp thêm Camera để quan sát, hay làm Gara, hệ thống an ninh bảo mật Sử dụng cảm biến vân tay, hay dùng Keypad 4x4 cho ứng 60 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh dụng khóa cửa, … Xây dựng Website với tốc độ tương tác nhanh hơn, mơ hình hệ thống nhà thơng minh với nhiều ứng dụng Hoặc xa thiết kế giao diện mơ hình nhà dạng 3D sử dụng thiết bị cầm tay 61 an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] “Internet of Things gì? http://iot.dtt.vn/InternetofThings.html ” [2] “Ứng dụng Internet of Things http://iot.dtt.vn/InternetofThings.html ” [3] “Internet of Things hữu dụng đời sống thường ngày” [4] https://kienltb.wordpress.com/2015/03/22/giao-tiep-i2c/ [5] http://luanvan.net.vn/luan-van/do-an-nghien-cuu-xay-dung-bo-dieu-khiencac-thiet-bi-dien-bang-song-radio-va-thiet-bi-di-donggsm-67393/ [6] Nguyễn Đình Phú (08/2016), “Vi điều khiển PIC”, Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, Tp HCM, Viê ̣t Nam [7] https://truonganhhoang.gitbooks.io/mot-so-van-de-hien-dai2015/content/trien_khai_ung_dung_bat_tat_bong_den_qua_internet_.html [8] “Giám sát điều khiển mơ hình nhà thơng minh” Nguyễn Văn Cường, Hà Mạnh Duy [9] https://xivila.com/profile/dotrunghieu@cyberlab.com.vn/blog/232/iot-chonha-dau-tu-phan-1-he-sinh-thai/ Tiếng Anh [1] https://www.intel.com/content/www/us/en/support/articles/000005702/board s-and-kits/intel-galileo-boards.html [2] https://software.intel.com/en-us/xdk/docs/lp-xdk-iot [3] http://akizukidenshi.com/download/ds/intel/Galileo_GettingStarted_329685_ 007.pdf [4] http://akizukidenshi.com/download/ds/intel/GalileoShieldTestReport_33093 7_001.pdf [5] https://www.element14.com/community/docs/DOC-78883/l/intel-galileogen-2-development-board#downloads [6] http://fritzing.org/projects/working-with-l298n-dc-motor-driver [7] https://www.seeedstudio.com/Intel-Galileo-Gen-2-p-2014.html 62 an S an K L 0 ...Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD... thường sử dụng nhà thông minh: Điều khiển chiếu sáng Điều khiển mành, rèm, cửa cổng an Đồ Án Tốt Nghiệp Nguyễn Văn Danh Hệ thống an ninh, bảo mật, báo động, báo cháy Điều khiển điều hòa, máy lạnh... thống giàn phơi đồ thông minh 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Thực thi hệ thống nhà thông minh điều khiển thiết qua Internet áp dụng cho ngơi nhà hồn chỉnh nói phức tạp tốn Để đáp ứng việc điều khiển toàn thiết