1. Tên đề tài: Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home2. Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu Chương I:Giới thiệu tổng quan nhà thông minhChương II:Giới thiệu về giao thức zigbee và lựa chọn thiết bị phần cứng Chương III:Phân tích và thiết kế mạng zigbee cho nhà thông minhChương IV:Đánh giá kết quả3. Tài liệu tham khảo dự kiếnSự phát triển của các tiện ích trong nhà thông minh đã là xu hướng phát triển trong nhịp sống của cuộc sống hiện đại nhất là tại các khu đô thị tại các thành phố lớn. Đó là sự phát triển theo nhu cầu của con người khi mà nhịp sống xã hội ngày càng bận rộn, sự quá tải trong các bệnh viện, nhu cầu dành thêm thời gian cho gia đình, người thân, chăm sóc sức khỏe, và đối mặt với áp lực cao trong những ngành công nghiệp đòi hỏi cường độ công việc lao động trí óc lớn, càng làm cho nhu cầu về các tiện ích của các căn nhà tăng lên. Theo VTV24, ngày 16102018, và theo thống kê của Statista,thị trường nhà thông minh của Việt Nam tính đến tháng 42018 đã đạt doanh thu khoảng 45 triệu USD, xếp thứ 45 trong bảng xếp hạng nhà thông minh toàn cầu.
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2022 ĐỀ CƯƠNG ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên : Khóa:2018-2023 Mã sinh viên: Lớp: Ngành: Cơng nghệ kĩ thuật điều khiển tự động hố Chuyên ngành: Tự động hóa điều khiển thiết bị điện công nghiệp Tên đề tài: Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu Chương I:Giới thiệu tổng quan nhà thông minh Chương II:Giới thiệu giao thức zigbee lựa chọn thiết bị phần cứng Chương III:Phân tích thiết kế mạng zigbee cho nhà thông minh Chương IV:Đánh giá kết Tài liệu tham khảo dự kiến [1] https://en.wikipedia.org/wiki/LPWAN [2] CC253x System-on-Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications User’s Guide.pdf Ngày giao đề tài: Ngày 12 tháng 10 năm 2022 Ngày nộp quyển: Ngày 15 tháng 02 năm 2023 Trưởng khoa (Ký ghi rõ họ, tên) Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ, tên) MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN NHÀ THÔNG MINH .2 1.1 Giới thiệt chung mơ hình nhà thơng minh .2 1.2 Các thành phần nhà thông minh .3 1.3 Phương hướng đề xuất thực nhà thông minh CHƯƠNG II:GIỚI THIỆU VỀ GIAO THỨC ZIGBEE VÀ LỰC CHỌN THIẾT BỊ PHẦN CỨNG CHO ZIGBEE 2.1 Tổng quan mạng 2.2 Chuẩn giao thức ZigBee/IEEE 802.15.4 16 2.3 Lựa chọn thiết bị phần cứng cho truyền thông ZigBee 36 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ MẠNG ZIGBEE CHO NHÀ THÔNG MINH 46 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 46 3.2 Thiết kế phần cứng 47 3.3 Thiết kế phần mềm 61 CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 71 4.1 Khó khăn thực 71 4.2 Cách giải 71 4.3 Kết đạt .71 4.4 Hướng phát triển đồ án tương lai 72 KẾT LUẬN .74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 So sánh tính ZigBee với chuẩn không dây khác .11 Bảng 2.2 Zigbee Binding table 22 Bảng 2.3 APS Address map .23 Bảng 2.4 Cskip tính tốn cho stack profile 0x01 33 Bảng 2.5 So sánh phương pháp tìm đường ZigBee 35 Bảng 3.1: Thông số điều khiển Arduino UNO R3 47 Bảng 3.2 Chức chân LCD 53 Bảng 3.3: Các thông số Module RFID RC522 58 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Điều khiển hệ thống đèn smartphone Hình 1.2.Sơ đồ khối mơ hình Smarthome Hình 2.1 Cấu trúc liên kết mạng ZigBee 12 Hình 2.2 Cấu trúc mạng hình 13 Hình 2.3 Cấu trúc mạng hình 13 Hình 2.4 Cấu trúc mạng Mesh 14 Hình 2.5 Một ví dụ mở rộng mạng Mesh 14 Hình 2.6 Kết nối mạng Mesh ZigBee .16 Hình 2.7 Mơ hình giao thức Zigbee 17 Hình 2.8 Sơ đồ Stack lớp ứng dụng 19 Hình 2.9 Cơ chế tự động gửi lại lớp APS 21 Hình 2.10 Mã hóa dùng khóa đối xứng mạng ZigBee 24 Hình 2.11 Vị trí ZDO 25 Hình 2.12 Quá trình ZigBee tạo mạng .28 Hình 2.13 Quá trình ZigBee tham gia mạng 30 Hình 2.14 Gán địa Cskip đối xứng 34 Hình 2.15 Module Zigbee XCore2530 37 Hình 2.16 CC253x Block Diagram 38 Hình 2.17 Mạch đế ZB502 41 Hình 2.18 Kết nối CC Debugger với ZB502 XCore2530 41 Hình 2.19 Phần mềm Flash Programmer nạp chương trình qua CC Debugger .42 Hình 2.20 Kết nối ZB502 với XCore2530 máy tính 42 Hình 2.21 Phần mềm SerialBootTool để nạp chương trình cấu hình cho XCore2530 43 Hình 2.22 Cấu trúc mạng ZigBee đơn giản dùng đồ án nhà thơng minh 45 Hình 3.1.Sơ đồ khối hệ thống 46 Hình 3.2 Arduino UNO R3(nguồn:Internet) 47 Hình 3.3 Các cổng ra/vào chân digital Arduino UNO(nguồn:Internet) .49 Hình 3.4 Arduino Mega2560 50 Hình 3.5.Sơ đồ chân Adruino Mega2560 51 Hình 3.6 Sơ đồ chân LCD1602 .52 Hình 3.7 Hình ảnh thục tế hàn I2C LCD1602 .54 Hình 3.8 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 55 Hình 3.9 Sơ đồ đấu dây Arduino Mega 2560 DHT11 .55 Hình 3.10.Cảm biến PIR 56 Hình 3.11.Module cảm biến khí ga MQ-2 .57 Hình 3.12.Module hạ áp 12V DC 57 Hình 3.13.Module RFID RC522 (nguồn:Internet) 58 Hình 3.14.thiết kế phần cứng cửa vào 59 Hình 3.15.thiết kế phần cứng phòng khách .59 Hình 3.16.thiết kế phần cứng phịng bếp 60 Hình 3.17.thiết kế phần cứng phòng ngủ 60 Hình 3.18 Mở cơng cụ Qt Designer 63 Hình 3.19 Giao diện thiết kế Qt Designer 64 Hình 3.20 Cấu trúc chương trình Python cho giao diện PyQt 65 Hình 3.21 Lưu đồ thuật toán cửa ra/vào 66 Hình 3.22 Lưu đồ thuật toán ON/OFF đèn , quạt 76 Hình 3.23 Lưu đồ thuật toán hiển thị giá trị nhiệt độ ,độ ẩm 69 Hình 3.24 Lưu đồ thuật cảm biến PIR 69 Hình 3.25 Lưu đồ thuật tốn báo cháy 70 Hình 4.1.Giao diên trung tâm 72 Hình 4.2.Mơ hình Smarthome 72 ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển tiện ích nhà thơng minh xu hướng phát triển nhịp sống sống đại khu đô thị thành phố lớn Đó phát triển theo nhu cầu người mà nhịp sống xã hội ngày bận rộn, tải bệnh viện, nhu cầu dành thêm thời gian cho gia đình, người thân, chăm sóc sức khỏe, đối mặt với áp lực cao ngành công nghiệp địi hỏi cường độ cơng việc lao động trí óc lớn, làm cho nhu cầu tiện ích nhà tăng lên Theo VTV24, ngày 16/10/2018, theo thống kê Statista,thị trường nhà thông minh Việt Nam tính đến tháng 4/2018 đạt doanh thu khoảng 45 triệu USD, xếp thứ 45 bảng xếp hạng nhà thơng minh tồn cầu Sự phát triển IoT công nghệ 4.0 giúp kéo giảm chi phí lắp đặt nhà thơng minh từ đối tượng khách hàng mở rộng Hãng tư vấn quản lý toàn cầu AT dự báo, với tốc độ tăng trưởng nay, doanh thu từ cung cấp kết nối cho thị trường smarthome đạt 115 tỷ USD vào năm 2030 Tại Việt Nam xuất nhiều khu biệt thự, khu chung cư cao cấp trang bị tiện ích Smart Home như: VinHome, biệt thự Ngọc Thụy – Long Biên, chung cư Green Park, Sunshine Villas Sunshine Group, Saigon Riverside Complex, Times City, Royal City, VinHomes Ocean Park, … Các nhà cung cấp Smart-Home uy tín Việt Nam như: BKAV, Lumi, ACIS Với tiện ích cơng nghệ Smart-Home như: + Kết nối thiết bị điện nhà thành hệ thống mạng điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng, điều hòa nhiệt độ, tivi, âm thanh, khóa cửa, bình nóng lạnh, hệ thống an ninh Chủ nhân ngơi nhà điều khiển qua máy tính bảng điện thoại thông minh + Áp dụng công nghệ nhận dạng điều khiển thiết bị qua giọng nói, để giúp người sử dụng giọng nói điều khiển thiết bị nhà, mở cửa hộ giọng nói + Cơng nghệ nhận diện khn mặt để mở cửa, … Trên sở kiến thức học kiến thức thực tiễn em định thực đề tài:’’ Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home” với mục đích nghiên cứu mạng ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home zigbee giám sát điều khiển thiết bị mơ hình nhà thơnh minh.Từ nắm vững làm chủ mạng zigbee áp dụng vào thực tế mang đến tiện ích thiết thực ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN NHÀ THÔNG MINH 1.1 Giới thiệt chung mơ hình nhà thơng minh 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 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 Các thiết bị tự đưa cách xử lý tình lập trình trước, điều khiển giám sát từ xa.Việc lắp đặt sản phẩm thông minh đem lại cho ngơi nhà chủ nhân nhiều lợi ích Lợi ích 1: Tăng thêm an toàn qua việc điều khiển chiếu sáng thiết bị điện (Appliance and Lighting Control) hình 1 điều khiển hệ thống đèn smartphone Một lợi ích home automation tăng thêm an tồn cho gia đình ngơi nhà Bạn kiểm soát thiết bị điện dù nhỏ việc chiếu sáng, chạm nhẹ đầu ngón tay vào thiết bị cơng nghệ u thích bạn Khơng tiết kiệm tiền điện cho bạn thông qua việc tự động tắt khơng có người, lighting control cịn tự động bắt tắt đèn theo chu kỳ để đánh lừa kẻ xấu tưởng bạn có nhà Điều làm tăng thêm độ an toàn an ninh cho nhà bạn Hình 1.1 Điều khiển hệ thống đèn smartphone Lợi ích 2: Gia tăng quan sát thơng qua camera an ninh:Chúng ta khơng thể có mặt nơi lúc Điều khiến thường bỏ lỡ nhiều việc diễn ra, có lẽ với nhà hay sân vườn Với hệ thống tự động hóa nhà thơng minh, có ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home thể dễ dàng quan sát thấy việc diễn Các camera an ninh gia tăng độ an tồn cho gia đình cách ghi nhận lại hình ảnh phát có chuyển động tự động ghi hình thời điểm định ngày Lợi ích 3: Gia tăng tiện nghi thông qua việc hiệu chỉnh nhiệt độ điều hịa Thường rời nhà sớm làm vào buổi sáng quên chỉnh lại nhiệt độ điều chỉnh nhiệt (thermostat) Kết nhà thấy nóng q lạnh Với hệ thống nhà thơng minh, cần đơn giản điều chỉnh nhiệt độ sẵn từ xa vài trước đến nhà Điều giúp tiết kiệm tiền, tiết kiệm lượng Lợi ích 4: Tiết kiệm thời gian Dễ dàng tiết kiệm khoảng thời gian quý báu dành hiệu tốt cho cơng việc Lợi ích 5: Tiết kiệm tiền gia tăng tiện nghi vừa đề cập trên, hệ thống home automation giúp bạn tiết kiệm tiền 1.2 Các thành phần nhà thơng minh 1.2.1 Hệ thống quản lí chiếu sáng Các thiết bị chiếu sáng bóng đèn sợi đốt, đèn neon, đèn ngủ, trang trí…được sử dụng nhiều Vì phối hợp chiếu sáng không hợp lý dẫn tới bị “ơ nhiễm” ánh sáng Ngồi ra, việc chiếu sáng cịn gây lãng phí điện, giảm tuổi thọ thiết bị Bên cạnh số lượng đèn dùng để chiếu sáng lớn, gia chủ gặp bất tiện việc bật tắt, điều chỉnh độ sáng cho phù hợp Hệ thống chiếu sáng tích hợp chung với hệ thống khác tách riêng để điều khiển độc lập Các giải pháp nhằm tối ưu hóa hệ thống giúp gia chủ điều khiển dễ dàng Các giải pháp kết hợp tính đến để tự động hóa tới mức tối đa Các thiết kế đèn thiết kế cho phù hợp với kết cấu, thẩm mỹ ngơi nhà Với nhiều loại bóng đèn chất lượng cao, nhà bạn khác biệt từ ngồi Hệ thống chiếu sáng thơng minh đem đến đẳng cấp mới, sang trọng cho nhà Hệ thống chiếu sáng thông minh nghiên cứu lắp đặt thành hệ thống, nên chúng đảm bảo an tồn, khơng gây cháy nổ Việc sử dụng đơn giản, khơng làm xấu tường, kết hợp với cấu trúc nhà tạo nên vẻ đẹp hồn mỹ, sang trọng Bạn dễ dàng điều khiển bật tắt đèn hệ thống dù không nhà, việc sử dụng remote thiết bị kết nối điện thoại, máy tính, máy tính bảng để điều khiển từ xa Và thứ hồn tồn dễ dàng để sử dụng điều khiển ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home 1.2.2 Hệ thống an ninh cảnh báo Hệ thống an ninh nhà sản xuất thiết kế thành nhiều vòng bảo mật An ninh vịng ngồi: Các khu vực cổng, tường rào lắp đặt thiết bị cảnh báo chuyên dụng, phát đột nhập trái phép, đèn sân vườn bật sáng, đèn chớp nháy liên hội để đánh động đối tượng phát âm cảnh báo mức hệ thống âm nhà, đồng thời gửi cảnh báo tin nhắn cho chủ nhà An ninh vòng trong: Khi đối tượng tiếp tục đột nhập vào vòng cửa, cửa sổ, ban cơng… cịi hú kích hoạt, báo động cho người xung quanh, đèn toàn nhà bật sáng, hệ thống gửi tin nhắn báo động cho chủ nhà Cảnh báo cháy, khí gas: Cảm biến lắp đặt garage, phòng bếp… xảy cháy, chuông báo cháy kêu liên tục phút, hệ thống nhắn tin cho chủ nhà, sau phút khơng có người ngắt báo cháy hệ thống tự động ngắt điện toàn nhà nhằm tránh chập cháy lan truyền Hệ thống camera quan sát lắp đặt toàn khu vực trọng điểm như: tường rào, cổng, tiền sảnh… Sử dụng công nghệ camera giám sát độ phân giải cao, full HD cho chất lượng hình ảnh rõ nét cao Ứng dụng giải pháp truyền dẫn phân phối tín hiệu HD, đảm bảo hình ảnh từ camera HD đưa tới tồn tivi nhà với chất lượng không đổi ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ Thiết kế – tích hợp chuyên nghiệp Hệ thống đảm bảo hoạt động 24/24 kể điện Kích hoạt an ninh điều khiển từ xa tin nhắn SMS Cảnh báo chi tiết tin nhắn SMS Giám sát nhà từ xa qua mạng internet 1.2.3 Hệ thống rèm cửa tự động thơng minh Sự tiện nghi hữu ích hệ thống rèm điện khiến có mặt hầu hết thiết kế điện nhà Với điều khiển từ xa từ iPhone, iPad bạn đóng mở rèm tồn rèm phịng Việc lập trình tự động hệ thống rèm tạo bối cảnh thú vị, chẳng hạn bối cảnh báo thức: Đúng 7h sáng rèm cửa tự động kéo đón ánh nắng ngày, nhạc nhẹ nhàng du dương bật lên đánh thức bạn dậy Sự kết hợp trạm thời tiết với hệ thống rèm thông minh tạo nên tính tự động hữu ích như: Nắng chiếu hướng nào, rèm đóng hướng Mùa đơng rèm kéo lên để đón nắng ấm ánh sáng Mùa hè rèm đóng che hướng nắng, tránh nóng cho nhà tiết kiệm điện cho hệ thống điều hòa ... vào cảm biến PIR + Quan sát nhiệt độ ẩm phòng + Cảm biến gas báo cháy ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home Hình 1.2.Sơ đồ khối mơ hình Smarthome ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee. .. thực tiễn em định thực đề tài:’’ Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home? ?? với mục đích nghiên cứu mạng ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home zigbee giám sát điều khiển thiết... Network): đại diện cho mạng cá nhân không dây công nghệ Bluetooth, hồng ngoại, ZigBee ĐỒ ÁN : Ứng dụng mạng cảm biến Zigbee cho Smart Home ‒ WLAN (Wireless Local Area Network): đại diện cho mạng cục không