(Đồ án hcmute) giám sát và điều khiển 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 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TRẦN THU HÀ SVTH: LÊ THANH HUỆ MSSV: 10102256 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2018 an MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng vẽ …………………………………………………………………… xi Tóm tắt xii CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH 2.1.1 Định nghĩa nhà thông minh 2.1.2 Ưu điểm nhà thông minh 2.1.3 Công nghệ sử dụng thiết kế nhà thông minh 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.2.1 Giới thiệu chuẩn truyền thông UART 2.2.2 Giới thiệu SIM900A 11 2.3 BOARD ARDUINO 21 2.3.1 Giới thiệu board arduino: 21 2.3.2 Board Arduino UNO 25 2.4 GIAO TIẾP BLUETOOTH 28 2.4.1 Giới thiệu module HC-05 28 2.4.2 Đặc điểm kỹ thuật 29 2.4.3 Đặc điểm phần cứng 30 2.5 GIỚI THIỆU VỀ DÕNG CHIP WIFI ESP8266 30 2.5.1 Cấu trúc phần cứng dòng chip ESP8266 30 2.5.2 Mạch nguyên lý đầy đủ ESP8266 31 2.5.3 Các chế độ boot up ESP8266 32 2.5.4 Các loại module cho ESP8266 thị trường 32 an CHƢƠNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 35 3.1 GIỚI THIỆU 35 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 36 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 36 3.2.2 Tính tốn thiết kế mạch 40 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 51 CHƢƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 54 4.1 GIỚI THIỆU 54 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 56 4.2.1 Thi công hệ thống điều khiển cho nhà thông minh 56 4.2.2 Kết nối hệ thống kiểm tra 59 4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 65 4.3.1 Lưu đồ giải thuật 65 4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 69 4.3.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại 74 4.4 HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 87 CHƢƠNG KẾT LUẬN 90 5.1 NHỮNG MỤC TIÊU ĐÃ ĐẠT ĐƢỢC 90 5.2 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI 90 5.3 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 92 an LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1 Hình ảnh ngơi nhà thơng minh Hình 2.2 Định dạng ký t truyền theo chu n RS-232 10 Hình 2.3 Hình ảnh SIM 900A 11 Hình 2.4 Sơ đồ khối Module Sim900A 14 Hình 2.5 Sơ đồ ch n Sim900A 14 Hình 2.6 Sử dụng tụ bybass cung cấp cho nguồn 19 Hình 2.7 Sơ đồ mạch nguồn cung cấp cho Module sim900A 19 Hình 2.8 Giao tiếp Simcard ch n chip Sim 900 20 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp m 21 Hình 2.10 Giao diện I E Arduino 24 Hình 2.11 oard Arduino Mega UNO R3 25 Hình 2.12 Hình ảnh vi điều khiển board Arduino UNO 25 Hình 2.13 Hình ảnh ch n ng vào board Arduino UNO 28 Hình 2.14 Module HC-05 29 Hình 2.15 Phần cứng HC -05 30 Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý ESP8266 31 Hình 2.17 Hình ảnh ESP-01 33 Hình 2.18 Hình ảnh ESP-07 33 Hình 2.19 Hình ảnh ESP-12F 34 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 36 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 38 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý nguồn sim900 38 Hình 3.4 Sơ đồ ch n board arduino UNO 39 Hình 3.5 Sơ đồ ch n sim900A 40 Hình 3.6 Hình ảnh cảm biến mưa 41 Hình 3.7 Hình ảnh cảm biến mưa 42 Hình 3.8 Hình ảnh cảm biến ánh sáng 42 Hình 3.9 Cảm biến HT 11 43 Hình 3.10 Hình ảnh cảm biến lửa 44 Hình 3.11 Cảm biến chuyển động 45 Hình 3.12 Relay kênh 46 Hình 3.13 Còi thạch anh 47 Hình 3.14 Động Cơ RC Micro Servo 9G 47 Hình 3.15 Động C 48 an Hình 3.16 Keypad 4x4 49 Hình 3.17 Màn Hình LCD 50 Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý kết nối arduino với HC-05 điều khiển thiết bị 51 Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý kết nối module Arduino với SIM900A,cảm biến thiết bị 52 Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý kết nối module Arduino với LC , Keypad 52 Hình 3.21 Sơ đồ kết nối Arduino với cảm biến 53 Hình 4.1 Hình ảnh mơ hình nhà thơng minh 54 Hình 4.2 Sơ đồ kết nối giao tiếp gi a Arduino với keypad LC 56 Hình 4.3 Sơ đồ kết nối giao tiếp gi a Arduino với luetooth rơ le 56 Hình 4.4 Sơ đồ kết nối giao tiếp gi a Arduino Wifi với rơ le 57 Hình 4.5 Sơ đồ kết nối giao tiếp gi a Arduino với SIM900A, cảm biến, rơ le thiết bị ng 57 Hình 4.6 Sơ đồ kết nối giao tiếp gi a Arduino với cảm biến,rơ le thiết bị đèn, động 58 Hình 4.7 Sơ đồ kết nối hệ thống cửa t động 59 Hình 4.8 Sơ đồ kết nối hệ thống thiết bị nhà 60 Hình 4.9 Sơ đồ kết nối hệ thống an ninh 61 Hình 4.10 Sơ đồ kết nối hệ thống s n vườn hệ thống tắt đèn t động 61 Hình 4.11 Hình ảnh cửa t động đóng mở 62 Hình 4.12 Hình ảnh thiết bị đóng, tắt đèn 62 Hình 4.13 Hình ảnh thiết bị đóng, tắt đèn máy lạnh 63 Hình 4.14 Hình ảnh hệ thống an ninh 63 Hình 4.15 Hình ảnh rèm đóng mở có mưa 64 Hình 4.16 Hình ảnh thiết bị đóng, tắt đư c tác động bảng điều khiển 64 Hình 4.17 Lưu đồ điều khiển mở cửa b ng mật kh u 65 Hình 4.18 Lưu đồ điều khiển thiết bị b ng luetooth 66 Hình 4.19 Lưu đồ điều khiển thiết bị b ng Wifi 67 Hình 4.20 Lưu đồ hệ thống an ninh 68 Hình 4.21 Lưu đồ hệ thống cảm biến 69 Hình 4.22 Cài đặt JRE 70 Hình 4.23 Hình ảnh cập nhập phần mềm cho Arduino 70 Hình 4.24 ownload Arduino 71 Hình 4.25 Giải n n file 71 Hình 4.26 Hình ảnh sau cài đặt xong 72 Hình 4.27 Hình ảnh sau cài đặt xong 72 Hình 4.28 Tập lệnh phần mềm lập trình 73 an Hình 4.29 Hình ảnh vùng thông báo 73 Hình 4.30 Giao diện phần mềm app inventor2 75 Hình 4.31 X y d ng Project 75 Hình 4.32 X y d ng giao diện điều khiển 76 Hình 4.33 Màn hình thiết kế chương trình điều khiển 76 Hình 4.34 Chương trình điều khiển giao diện 79 Hình 4.35 MIT AI2 Companion 79 Hình 4.36 Giao diện điều khiển nhà thông minh 80 Hình 4.37 Trang google play 81 Hình 4.38 ch n lynk Arduino 82 Hình 4.39 cài đặt phần mềm 82 Hình 4.40 Giao diện mở phần mềm 83 Hình 4.41 Tạo d án 84 Hình 4.42 Giao diện thiết kế 85 Hình 4.43 Giao diện điều khiển 86 an LIỆT KÊ BẢNG B ng Trang ảng 2.1 Sơ đồ ch n c ng com ảng 2.2 Tên chức n ng ch n Module sim900A 15 ảng 2.3 Cấu hình ch n GPIO 32 ảng 4.1 anh sách thiết bị sử dụng mơ hình 58 CÁC TỪ VIẾT TẮT DCD DTR RXD TXD RTS CTS RI DSR ADC CS CSD CTS DTE DTX EFR EGSM ETS FR GPRS GSM HR I/O IC Imax Kbps LED Li-Ion MO MT Data Carry etect Phát mang d liệu Data Terminal Ready Sẵn sàng nhận d liệu Receive Data Truyền d liệu Transmit Data /Nhận d liệu Request To Send Yêu cầu để gửi Clear To Send Xóa để gửi Ring Indicator áo hiệu chuông Date Set Ready liệu sẵn sàng Analog-to-Digital Converter Chuyển tín hiệu analog sang digital Coding Scheme Circuit Switched Data Clear to Send Data Terminal Equipment(typically computer, terminal, printer) Discontinuous Transmission Enhanced Full Rate Enhanced GSM European Telecommunication Standard Full Rate General Packet Radio Service Global Standard for Mobile Communications Half Rate Input/Output Integrated Circuit Maximum Load Current Kilo bits per second Light Emitting Diode Lithium-Ion Mobile Originated Mobile Terminated an TÓM TẮT Trong nh ng n m qua, khoa h c máy tính xử lý thơng tin có nh ng bước tiến vư t bậc ngày có nh ng đóng góp to lớn vào cách mạng khoa h c kỹ thuật đại Đặc biệt s đời phát triển nhanh chóng kỹ thuật số làm cho ngành điện tử trở nên phong phú đa dạng Nó góp phần lớn việc đưa kỹ thuật đại thâm nhập rộng rãi vào m i lĩnh v c hoạt động sản xuất, kinh tế đời sống xã hội Từ nh ng hệ thống máy tính lớn đến nh ng hệ thống máy tính cá nhân, từ nh ng việc điều khiển máy công nghiệp đến thiết bị phục vụ đời sống h ng ngày người Trong hệ thống đó, việc trao đ i thông tin vô quan tr ng Công nghệ truyền tin không dây ngày phát triển, đặc biệt công nghệ luetooth Wifi ph biến hầu hết thiết bị điện tử di động Cùng với s đời công nghệ SIM900A việc điều khiển thiết bị qua SMS dần đư c ph biến ưu điểm vư t trội đặc biệc việc điều khiển thiết bị từ xa qua mạng Đồ án trình bày kết nghiên cứu điều khiển b ng công nghệ không dây Bluetooth Wifi thiết bị điện tử chạy hệ điều hành Android công nghệ SIM900A ứng dụng vào thiết kế nhà thông minh điều khiển từ thiết bị Android qua kết nối không d y luetooth , Wifi SIM900A Từ khóa: Ngơi nhà thơng minh an CHƢƠNG TỔNG QUAN CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngôi nhà thơng minh ngơi nhà có điều kiện kỹ thuật bảo đảm sống tốt cho người, đư c t động bảo đảm tiêu kỹ thuật theo mong muốn người sử dụng Ngôi nhà thơng minh khác ngơi nhà bình thường chỗ, q trình tích h p hệ thống hệ thống điều khiển giám sát môi trường, hệ điều khiển đảm bảo nhiệt độ, hệ thống đảm bảo lư ng gió nhà, đảm bảo ánh sáng, mạch đóng ngắt, điều khiển c ng vào ra, giám sát báo cháy… thành hệ thống Mỗi chức n ng ngơi nhà thơng minh có khả n ng t vận hành s điều khiển người dùng, thông qua điện thoại di động sử dụng mạng 3G hay internet, cung cấp nhiều chế độ sử dụng Người dùng truy cập từ xa vào hệ thống quản lý nhà để xem cửa ng qua video, tắt hệ thống đèn lỡ quên khỏi nhà, tắt bớt hệ thống đèn không cần thiết khu v c nhà để tiết kiệm điện n ng… theo A I Research, chức n ng quan tr ng nhà thông minh đư c sử dụng ph biến cảnh báo an ninh Vì nhà thông minh nh ng đề tài công nghệ ứng dụng tạo nên sốt thị trường địa ốc Các hãng đầu tư công nghệ nước ngồi phát triển ngơi nhà thơng minh với nhiều tính n ng vư t trội ên cạnh hệ thống an ninh giám sát cho ngơi nhà quan tr ng, bao gồm hệ thống cửa t động, camera quan sát, đầu ghi hình, nhớ lưu tr , điều khiển trung t m cho ph p người sử dụng nắm đư c tr c tiếp hay xem lại toàn hoạt động diễn khu v c có thiết bị kiểm sốt Hệ thống an ninh cịn báo động b ng cịi chiếu sáng, g i đến số điện thoại cần thiết có khả n ng phong tỏa khu v c bị đột nhập Hệ thống báo cháy cảm ứng có tư ng cháy thông báo b ng m thanh, đèn chiếu sáng Hệ thống chứa cháy t động phun nước nơi cần chứa cháy Quan tr ng nhà thông minh việc thiết kế mạch điều khiển, để điều khiển thiết bị cách t động, thơng minh an tồn nhiệm vụ hàng đầu NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP –CLC an CHƢƠNG TỔNG QUAN Trên thị trường Việt Nam có nhiều sản ph m điều khiển thiết bị cho nhà thông minh n i bật Nhà thông minh KAV SMARTHOME, giải pháp nhà thông minh LUMI … nhà thông minh kav SmartHome kết nối tất thiết bị điện nhà bạn thành hệ thống mạng, để có tất thiết bị nhà bạn thành hệ thống mạng, để điều khiển chúng theo kịch thông minh, bao gồm : hệ thống đèn chiếu sáng, rèm cửa, điều hòa nhiệt độ, ti vi, m thanh, khóa cửa, bình nóng lạnh, quạt thơng gió, camera an ninh, chng cửa có hình, hệ thống bơm nước tưới nước tiểu cảnh, bể cá ạn điều khiển tr c tiếp thông qua thiết bị gắn tường dùng smartphone, máy tính bảng Tuy nhiên giá thành ngơi nhà thơng minh cịn cao so với thu nhập người d n có nguồn thu nhập trung bình, việc nghiên cứu thiết kế sản ph m điều khiển thiết bị cho nhà với giá thành phù h p cho đại đa số gia đình có thu nhập trung bình có ý nghĩa lớn, giúp t ng thêm s l a ch n cho người sử dụng, đồng thời góp phần phát triển hệ thống điều khiển thơng minh Do đó, chúng em định th c đề tài: “ Giám sát điều khiển nhà thông minh” Đề tài ứng dụng công nghệ Bluetooth, SIM900A, ESP8266 ph biến nhiều thiết bị, đặc biệt điểm đề tài so với sản ph m có điều khiển thông qua hệ điều hành Android giúp tận dụng nh ng thiết bị sử dụng hệ điều hành Android có sẵn người dùng giúp giảm giá thành sản ph m, ngồi với hình hiển thị lớn điện thoại cho phép hiển thị nhiều thông tin hơn, với việc điều khiển thông qua board Ardiuno đem lại nhiều cảm hứng th c d án theo ý muốn cách dễ dàng Với đề tài, việc sử dụng điều khiển thiết bị đư c ph biến, phù h p với nhà Việt nam 1.2 MỤC TIÊU Đề tài có nh ng mục tiêu sau :  Điều khiển thiết bị nhà thông qua công nghệ luetooth  Điều khiển thiết bị cảnh báo thông qua công nghệ sim900A  Điều khiển thiết bị qua module wifi ESP8266 NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP –CLC an PHỤ LỤC } if(chuoi == "12") { digitalWrite(6, HIGH); Serial.println(chuoi); delay(15); } if(chuoi == "13") { digitalWrite(7, LOW); Serial.println(chuoi); delay(15); } if(chuoi == "14") { digitalWrite(7, HIGH); Serial.println(chuoi); delay(15); } if(chuoi == "15") { digitalWrite(8, LOW); Serial.println(chuoi); delay(15); } if(chuoi == "16") { digitalWrite(8, HIGH); NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP –CLC an 95 PHỤ LỤC Serial.println(chuoi); delay(15); } if(chuoi == "17") { digitalWrite(9, LOW); digitalWrite(12, LOW); Serial.println(chuoi); delay(15); } if(chuoi == "18") { digitalWrite(9, HIGH); digitalWrite(12, HIGH); Serial.println(chuoi); delay(15); } if(chuoi == "3") { for (pos = 0; pos = 0; pos -= 1) { myservogara.write(pos); NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP –CLC an 96 PHỤ LỤC delay(15); } } if(chuoi == "1") { for (pos = 0; pos = 0; pos -= 1) { myservocc.write(pos); delay(15); } } chuoi = ""; } } Code điều khiển sim900A #include "SoftwareSerial.h" #include "ktphuhung.h" #define C CHÂN ÙNG C CHUYỂN ĐỘNG #define LUA CHÂN ÙNG CẢM IẾN LỬA NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP –CLC an 97 PHỤ LỤC #define led 13 int trang_thai_LUA; int trang_thai_CD; ktphuhung sim900a; void setup() { Serial.begin(9600); sim900a.pin13("13bat","13tat","13kt"); pinMode(3,OUTPUT);//COI pinMode(5,OUTPUT);//DONG CO pinMode(LUA,INPUT); pinMode(CD,INPUT); sim900a.init(); khởi tạo sim 900a } void loop() { sim900a.start(); trang_thai_LUA= digitalRead(LUA); trang_thai_CD= digitalRead(CD); Serial.print("trang thai LUA:"); Serial.println(trang_thai_LUA); Serial.print("trang thai CD:"); Serial.println(trang_thai_CD); delay(500); if(digitalRead(LUA) == LOW) { delay(20); NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP –CLC an 98 PHỤ LỤC digitalWrite(5,HIGH);//DONGCO sim900a.smsbegin("01264849409"); //Noi dung tin nhan sim900a.smscontent("BAO DONG NHA CHAY"); sim900a.smssend(); delay(3000); // goi dien thoai sim900a.call("01264849409"); delay(1000); } if(digitalRead(CD) == HIGH) { delay(20); digitalWrite(3,HIGH);//COI sim900a.smsbegin("01264849409"); //Noi dung tin nhan sim900a.smscontent("CO KE TROM DOT NHAP "); sim900a.smssend(); delay(3000); // goi dien thoai sim900a.call("01264849409"); delay(1000); } if((digitalRead(LUA) == HIGH)&&(trang_thai_CD==LOW)) { digitalWrite(3,LOW); digitalWrite(5,LOW); NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP –CLC an 99 PHỤ LỤC } } Code điều khiển nút nhấn LCD #include #include #include #include LiquidCrystal liquid_crystal_display(9,8,7,6,5,4); Servo myservo; int khoa; char password[4]; char initial_password[4],new_password[4]; int i=0; int relay_pin = 11; char key_pressed=0; const byte rows = 4; const byte columns = 4; char hexaKeys[rows][columns] = { {'1','2','3','A'}, {'4','5','6','B'}, {'7','8','9','C'}, {'*','0','#','D'} }; byte row_pins[rows] = {A0,A1,A2,A3}; byte column_pins[columns] = {A4,A5,3,11}; NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP –CLC an 100 PHỤ LỤC Keypad keypad_key = Keypad( makeKeymap(hexaKeys), row_pins, column_pins, rows, columns); void mocua(){ myservo.write(0); delay(15); } void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(12,OUTPUT); pinMode(2,OUTPUT); digitalWrite(12,LOW); pinMode(2, OUTPUT); digitalWrite(2,LOW); myservo.attach(10); myservo.write(110); khoa =0; pinMode(relay_pin, OUTPUT); liquid_crystal_display.begin(16,2); liquid_crystal_display.print("He Thong"); liquid_crystal_display.setCursor(0,1); liquid_crystal_display.print("Nha Thong Minh "); delay(2000); liquid_crystal_display.clear(); liquid_crystal_display.print("Nhap Mat Khau"); liquid_crystal_display.setCursor(0,1); initialpassword(); } NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP –CLC an 101 PHỤ LỤC void loop() { digitalWrite(relay_pin, HIGH); key_pressed = keypad_key.getKey(); if( key_pressed =='#'){ change(); } if (key_pressed) { if((key_pressed != 'A') && (key_pressed != 'B') && (key_pressed != 'C') ){ password[i++]=key_pressed; liquid_crystal_display.print(key_pressed);} if(key_pressed == 'A'){ digitalWrite(12,HIGH); } else if (key_pressed =='B')digitalWrite(12,LOW); if(key_pressed == 'C'){ myservo.write(110); } if(i==4) { delay(200); for(int j=0;j=3){ liquid_crystal_display.clear(); liquid_crystal_display.print("SAI MAT KHAU"); for(int k =1; k