Mô hình nhà thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : TS Ngô Hà Quang Thịnh Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Phan Duy Long 1811030052 18DCTB1 Phan Ngân Vạn 1811032782 18DCTB1 TP.HCM, 2022 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG x LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Tổng quan nhà thông minh 1.2 Các mơ hình nhà thơng minh áp dụng 1.2.1 Các giải pháp nhà thông minh giới 1.2.2 Các giải pháp nhà thông minh Việt Nam CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TỔNG QUAN MẠCH NGUỒN VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH 11 2.1 Sơ đồ kết cấu nhà hệ thống điều khiển nhà thông minh 11 2.1.1 2.2 Sơ đồ kết cấu 11 Các thành phần hệ thống 11 2.2.1 Khối cảm biến: 11 2.2.2 Khối xử lý: 12 2.2.3 Khối chấp hành: 12 2.2.4 Chức 12 2.3 Sơ đồ mạch nguồn 13 2.3.1 Sơ đồ khối mạch nguồn 13 2.3.2 Schematic mạch nguồn 14 2.3.3 Sơ đồ PCB mạch nguồn 15 2.4 Các linh kiện có mạch nguồn 16 2.5 Giới thiệu Arduino, Module Esp ứng dụng Blynk 18 v 2.5.1 2.6 Giới thiệu chung Arduino 18 Module thu phát Wifi Esp8266 Node MCU 20 2.6.1 Cấu trúc chung 20 2.6.2 Khối nguồn 21 2.6.3 Bộ nhớ 21 2.6.4 Sơ đồ chân 21 2.6.5 Tính kỹ thuật 24 2.7 Ứng dụng Blynk 25 2.7.1 Giới thiệu ứng dụng Blynk 25 2.7.2 Đặc tính ứng dụng Blynk 26 2.7.3 Cách hoạt động Blynk 26 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO, ĐIỀU KHIỂN CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH 28 3.1 Tổng quan cảm biến, giám sát sử dụng hệ thống giám sát, cảnh báo 28 3.1.1 Cảm biến khí gas MQ2 28 3.1.2 Thông số kỹ thuật: 28 3.1.3 Sơ đồ cấu tạo nguyên lí hoạt động cảm biến MQ2 29 3.1.4 Ứng dụng cảm biến MQ2 30 3.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 31 3.2.1 Thông số kĩ thuật: 31 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động DHT11 32 3.2.3 3.3 Ứng dụng cảm biến DHT11 33 Màn hình LCD 1602 33 3.3.1 Thông số kĩ thuật: 33 3.3.2 Sơ đồ chân LCD 1602 34 3.3.3 Chức chân LCD 1602: 34 3.4 Động servo SG90 35 3.4.1 Sơ đồ chân 35 3.4.2 Các thơng số 35 3.4.3 Nguyên tắc hoạt động 36 3.4.4 Ứng dụng hệ thống: 36 vi 3.5 Nguyên lý hoạt động hệ thống giám sát 36 3.5.1 3.6 Hệ thống báo cháy hoạt động dựa cảm biến nhiệt độ DHT11 36 3.6.1 3.7 Lưu đồ thuật toán 36 Nguyên lí hoạt động 36 Hệ thống báo rò rỉ khí gas 38 3.7.1 Nguyên lí hoạt động: 38 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET 39 4.1 Mạng internet (Ethernet) 39 4.1.1 Tìm hiểu internet 39 4.1.2 Địa IP 40 4.2 Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển qua internet 41 4.2.1 Thành phần hệ thống giám sát điều khiển: 41 4.2.2 Yêu cầu hệ thống giám sát: 42 4.3 Nguyên lý điều khiển truyền nhận liệu : 42 4.3.1 Chuẩn giao tiếp RS232: 42 4.4 Nguyên lý điều khiển - truyền, nhận liệu : 45 4.5 Phân tích nguyên lý điều khiển cấu cụ thể : 45 4.5.1 Phần cứng: 45 4.5.2 Nhiệm vụ: 46 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 47 5.1 Mơ hình thực tế 47 5.2 Giao diện giám sát điều khiển 48 5.3 Kết điều khiển số thiết bị 50 5.3.1 Giám sát nhiệt độ phòng khách phòng ngủ 50 5.3.2 Giám sát khí gas mở cửa tự động 52 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 53 6.1 Kết đạt đồ án 53 6.2 Hướng phát triển cho hệ thống 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC PHẦN MỀM 55 PHỤ LỤC BẢN VẼ 61 vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Arduino IDE: Arduino Integrated Development Environment-Trình biên soạn code IOT: Internet of thing-Internet vạn vật ESP: Espressif- Hệ thống vi điều khiển CPU: Central Processing Unit- Bộ xử lý trung tâm PWM: Pulse Width Modulation- Điều chế độ rộng xung GPIO: General Purpose Input Output- Ngõ giao tiếp vào/ra ADC: Analog/Digital Conveter- Bộ chuyển đổi Analog sang kỹ thuật số DAC: Digital Analog Converter- Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang Analog SPI: System Peripheral Interface- Chuẩn giao tiếp RFID: Radio Frequency Identification- Nhận dạng tần số vơ tuyến GND: Ground-điểm trung tính nguồn MCU: Multipoint Control Unit –thiết bị điều khiển đa điểm PCB: Printed Circuit Board – Bảng mạch in SCH: Schematic- sơ đồ nguyên lý ĐATN: Đồ án tốt nghiệp viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Mơ hình nhà thơng minh Hình Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome giới Hình Mơ hình Smart home cơng ty Samsung Hình Mơ hình Smart home KonnectED Home Hình Mơ hình Smart home FPT Hình Mơ hình Smart home Lumi Hình Xu hướng phát triển smarthome 10 Hình Sơ đồ kết cấu nhà thông minh 11 Hình 2 Sơ đồ khối mạch nguồn điều khiển hệ thống điện tử 13 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn điều khiển hệ thống điện tử 14 Hình Sơ đồ mạch điện hệ thống 2D 15 Hình Sơ đồ mạch điện hệ thống 3D 15 Hình Hình ảnh Arduino 18 Hình Cấu trúc phần cứng Esp8266 20 Hình Cách hoạt động ứng dụng Blynk 27 Hình Module cảm biến khí gas MQ2 28 Hình Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2 29 Hình 3 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 31 Hình Nguyên lý hoạt động cảm biến DHT11 32 Hình Màn hình LCD 1602 33 Hình Chân hình LCD 1602 34 Hình Sơ đồ chân động servo SG90 35 Hình Lưu đồ thuật tốn hệ thống giám sát 36 Hình Sơ đồ đấu nối hệ thống cảm biến nhiệt độ 37 Hình 10 Sơ đồ đấu nối cảm biến khí gas MQ2 38 Hình Mạng internet kết nối toàn cầu 39 Hình Sơ đồ khối hệ thống giám sát điều khiển 41 ix DANH MỤC BẢNG Bảng Linh kiện mạch nguồn 18 Bảng Đặc tính kỹ thuật chuẩn RS-232 43 x LỜI NÓI ĐẦU Xã hội kỷ 21 chứng kiến phát triển vượt bậc công nghệ đánh dấu mở đầu thiết bị thông minh Smart phone, Smart Tivi thiết bị ngày phổ biến, thông dụng đời sống ngày người Đúng tên gọi, thiết bị có khả đáp ứng yêu cầu người, mà thế, thiết bị smart đời thay người việc kiểm soát điều khiển chức khác cách chuyên nghiệp, dễ dàng hiệu Tiếp nối thành công thiết bị thông minh ấy, Smart home đời khởi đầu táo bạo tư làm chủ công nghệ sống người Một nhà thông minh với khả thấu hiểu tư điều khiển người nhanh chóng trở thành đề tài cơng nghệ có sức hấp dẫn Nhà thông minh hay smart home, home automation kiểu nhà lắp đặt thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hồn toàn bán tự động, thay người thực thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử giáo tiếp với chủ nhân nhà thông qua bẳng điện tử đặt sẵn nhà, phần mềm điện thoại di động, máy tính bảng giao diện web Lúc đầu, ý tưởng thực nhờ vào tia hồng ngoại để điều khiển từ xa, khoảng cách hạn chế Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện khoảng cách điều khiển mang lại nhiều thành cơng có ý nghĩa thực tiễn điều khiển thông qua đường dây điện thoại, nhiên chưa phải biện pháp tối ưu Khi công nghệ wireless phát triển, người ta lại nghĩ đến điều khiển qua mạng không dây, điều khiển từ xa dùng máy tính đời Đồ án trình bày giải pháp điều khiển giám sát nhà cách thông minh thông qua Internet Giải pháp đưa khả với chế hoạt động xác mang tính ổn định để tạo bước phát triển hệ thống thông minh ứng dụng vào thực tế Dữ liệu thông số thiết bị nhà thông minh truyền lên website phần mềm giao diện giúp đảm bảo chế an ninh, an toàn tự động Đề tài sản phẩm có tính thực tế cao dựa nhu cầu công nghệ nay, nghiên cứu, chế tạo dựa kiến thức chúng em học, kế thừa phát huy kết cơng trình nghiên cứu trước Em xin cảm ơn gia đình, bạn bè tạo điều kiện, giúp đỡ cho thân em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, đặc biệt nhóm Smart Home Em xin chân thành cảm ơn thầy cô mơn Cơ Điện Tử tận tình bảo để nhóm em hồn thành đề tài nghiên cứu Bên cạnh hướng dẫn, góp ý giáo viên hướng dẫn giúp đỡ giáo viên phản biện Do thời gian kiến thức nhiều hạn chế, đề tài em khơng tránh khỏi sai sót, em mong thầy góp ý, chỉnh sửa để hồn thiện CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Tổng quan nhà thông minh 1.1.1 Bối cảnh nhu cầu sử dụng nhà thông minh Ngày nay, đời sống ngày nâng cao, nhu cầu người đòi hỏi tiện nghi hỗ trợ tốt Cùng với mở rộng không ngừng mạng lưới internet khắp vùng quốc gia lãnh thổ làm cho việc giám sát điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tất yếu Từ yêu cầu điều kiện thực tế , ý tưởng ngơi nhà thơng minh hình thành, nơi mà hoạt động người hỗ trợ giúp đỡ cách linh hoạt, ngồi ngơi nhà cịn tự động quản lí cách thơng minh Vậy, nhà thông minh ? Sự thông minh nhà thể phương diện sau: Thứ nhất, khả tự động hóa Căn nhà trang bị hệ thống cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến báo cháy, cảm biến vật cản, cảm biến ánh sáng… với khả tự động hoạt động theo điều kiện môi trường Nhà thông minh giúp giám sát mức tiêu thụ điện, nước tốt so với thông thường Thứ hai, khả thỏa mãn nhu cầu người sử dụng Chủ nhân ngơi nhà điều khiển theo ý muốn theo kịch lập trình sẵn Thứ ba, khả bảo mật, giám sát an ninh Hệ thống giám sát an ninh, báo cháy, báo rị rỉ khí gas tự động báo trạng thái nhà qua mạng internet Thứ tư, khả điều khiển, cảnh báo từ xa thông qua kết nối internet thông qua wifi,3g… Các thiết bị như: bóng đèn, điều hịa, ti vi, tủ lạnh,… kết nối tới mạng internet Người sử dụng cần có thiết bị kết nối internet theo dõi liệu từ cảm biến điều khiển thiết bị nhà theo ý muốn thân TÀI LIỆU THAM KHẢO Cộng đồng Arduino Việt Nam | Tôi yêu Việt Nam ESP8266 Pinout Reference: Which GPIO pins should you use? | Random Nerd Tutorials Báo Dân Trí, Khoa học cơng nghệ Ngơ Diên Tập, Lập trình C cho vi điều khiển NXB KHKT, 2003 ESP8266 – Wikipedia tiếng Việt 54 PHỤ LỤC PHẦN MỀM  Code Arduino cho hệ thông chạy: #define BLYNK_TEMPLATE_ID "TMPLuWqb0OuL" #define BLYNK_DEVICE_NAME "Home of LONG" #define BLYNK_AUTH_TOKEN "NOVE3NEIdx-SUkzCWyEY0C5e0LcEhOIE" #define BLYNK_PRINT Serial #include #include char auth[] = BLYNK_AUTH_TOKEN; char ssid[] = "iPhone"; char pass[] = "123456789"; #include "DHTesp.h" #include #include #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); Servo myservo; #define led1 D7 #define led2 D3 #define buzzer 14 #define servopin 15 int ledMode = 12; unsigned long times=millis(); int timerID1,timerID2; int mq2_value; int mucCanhbao=500; boolean runMode=1;//Bật/tắt chế độ cảnh báo boolean canhbaoState=0; boolean cuaState=0; #define KHIGAS V8 #define MUCCANHBAO V9 55 #define RUNMODE V10 #define TRANGTHAICB V11 #define SERVO V3 DHTesp dht; float t_canhbao; float h_canhbao; float t,h; byte degree[8] = {0B01110,0B01010,0B01110,0B00000,0B00000,0B00000,0B00000,0B00000}; BlynkTimer timer; WidgetLED led(V0); boolean blynkState=0; void setup(){ Serial.begin(115200); delay(100); myservo.attach(servopin); Wire.begin(4,5); //Khởi tạo chân kết nối I2C lcd.init(); //Khởi tạo LCD lcd.clear(); //Xóa hình lcd.backlight(); //Bật đèn cho LCD lcd.createChar(0, degree); //Tạo ký tự lưu vào byte thứ lcd.setCursor(4,0); //Cột 2, dòng lcd.print("He thong"); //Ghi chữ cột thứ dòng lcd.setCursor(0,1); //Cột 0, dòng thứ lcd.print("canh bao nhiet!"); delay(2000); lcd.clear(); lcd.setCursor(1,0); //Cột 2, dòng lcd.print("Dang thiet lap"); //Ghi chữ cột thứ dòng lcd.setCursor(2,1); //Cột 0, dòng thứ lcd.print("cau hinh !"); Blynk.begin(auth, ssid, pass); dht.setup(12, DHTesp::DHT11); timerID1 = timer.setInterval(1000L,handleTimerID1); timer.setInterval(1000,readSensor); timer.setInterval(1000,updateBlynk); delay(100); pinMode(led1, OUTPUT); pinMode(led2, OUTPUT); 56 pinMode(buzzer, OUTPUT); } void loop(){ Blynk.run(); timer.run(); if(Blynk.connected()){ if(blynkState==0){ blynkState=1; lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Nhiet do: "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Do am : "); } } } void readSensor(){ // float h_temp = dht.readHumidity(); // float t_temp = dht.readTemperature(); float h_temp = dht.getHumidity(); float t_temp = dht.getTemperature(); Serial.print(dht.getStatusString()); if (isnan(h_temp) || isnan(t_temp)) { Serial.println("Failed to read from DHT sensor!"); //return; }else{ h = h_temp; t = t_temp; if(blynkState==1){ lcd.setCursor(10,0); lcd.print(t,1); lcd.write(0); lcd.print("C "); lcd.setCursor(10,1); lcd.print(h,0); lcd.print("%"); 57 } Serial.print("Nhiệt độ: "); Serial.println(t); Serial.print("Độ ẩm: "); Serial.println(h); } } void updateBlynk(){ if (led.getValue()) { led.off(); } else { led.on(); } Blynk.virtualWrite(V6,t); Blynk.virtualWrite(V7,h); } BLYNK_WRITE(V1){ int p = param.asInt(); digitalWrite(led1, p); } BLYNK_WRITE(V2){ int p = param.asInt(); digitalWrite(led2, p); } void handleTimerID1(){ mq2_value = analogRead(A0); Blynk.virtualWrite(KHIGAS,mq2_value); if(led.getValue()) { led.off(); } else { led.on(); } if(runMode==1){ if(mq2_value>mucCanhbao){ if(canhbaoState==0){ canhbaoState=1; Blynk.logEvent("canhbao", String("Cảnh báo! Khí gas=" + String(mq2_value)+" vượt mức cho phép!")); digitalWrite(buzzer,HIGH); Blynk.virtualWrite(TRANGTHAICB,HIGH); 58 Serial.println("Đã bật cảnh báo!"); timerID2 = timer.setTimeout(60000L,handleTimerID2); } if(cuaState==0){ for (int pos = 180; pos >= 0; pos -= 5) { myservo.write(pos); delay(0); } cuaState=1; } Blynk.virtualWrite(SERVO,cuaState); } }else{ digitalWrite(buzzer,LOW); Blynk.virtualWrite(TRANGTHAICB,LOW); Serial.println("Đã tắt cảnh báo!"); canhbaoState=0; } } void handleTimerID2(){ canhbaoState=0; if(mq2_value