Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Hệ Thống Điều Khiển Nhà Thông Minh..docx

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Hà Nội, ngày tháng năm 2022 ĐỀ CƯƠNG ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên: Mã sinh viên: Lớp: Khóa: 2018 – 2023 Ngành: Cơng nghệ kĩ thuật điều khiển tự động hóa Chuyên ngành: Tự động hóa điều khiển thiết bị điện cơng nghiệp Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển nhà thông minh Lý chọn đề tài: Nhà thông minh xu hướng phổ biến giới Việt Nam Em áp dụng kiến thức học vào đề tài Đây hội để em tìm hiểu thêm kiến thức mới, rèn luyện tính tự chủ tinh thần trách nhiệm công việc Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu: Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2: Tổng quan nhà thông minh Chương 3: Tìm hiểu phần cứng, phần mềm hệ thống nhà thông minh Chương 4: Thiết kế thi công điều khiển mơ hình nhà thơng minh Chương 5: Kết quả, phương hướng phát triển Tài liệu tham khảo (dự kiến): [1] TS Nguyễn Tất Bảo Thiện, KS Phạm Quang Huy (2020), Arduino lập trình IoT, Nhà xuất Thanh Niên [2] Phạm Quang Huy, Nguyễn Trọng Hiếu (2016), Vi điều khiển ứng dụng Arduino dành cho người tự học, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội Ngày giao đề tài: Ngày tháng năm 2022 Ngày nộp quyển: Ngày 15 tháng 02 năm 2023 Phụ trách khoa Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH .3 2.1 Giới thiệu nhà thông minh 2.2 Các thành phần hệ thống nhà thông minh .4 2.2.1 Hệ thống kiểm soát vào 2.2.2 Hệ thống chiếu sáng thông minh 2.2.3 Hệ thống cảm biến báo động 2.2.4 Hệ thống công tắc điều khiển trạng thái 2.2.5 Hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển, giám sát từ xa 2.3 Xu hướng nhà thông minh .6 2.4 Phân tích lựa chọn phương án thực 2.4.1 Sơ đồ kết cấu nhà 2.4.2 Chức nhà .8 2.4.3 Sơ đồ hoạt động hệ thống điều khiển giám sát .9 CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ PHẦN CỨNG, PHẦN MỀM TRONG HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 10 3.1 Giới thiệu chung vi xử lý 10 3.1.1 Họ vi xử lý 8051 10 3.1.2 Vi xử lý PIC .12 3.1.3 Giới thiệu Arduino 14 3.1.4 Module ESP 8266 .22 3.2 Tổng quan thiết bị cảm biến sử dụng 23 3.2.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 23 3.2.2 Cảm biến khí gas MQ-2 .24 3.2.3 Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 26 3.2.4 Cảm biến mưa 27 3.2.5 RFID RC522 28 3.3 Tổng quan thiết bị sử dụng 29 3.3.1 LCD 16x2 Module I2C Arduino 29 3.3.2 ESP32 – CAM 31 3.3.3 Động Servo 32 3.3.4 Module Relay .33 3.3.5 Module bluetool HC-05 34 3.3.6 Bàn phím 4x3 .35 3.3.7 Còi Buzzer 36 3.3.8 Khóa chốt điện 37 3.3.9 Đèn led, quạt 37 3.3.10 Mắt thu hồng ngoại 1838T Điều khiển hồng ngoại 38 3.3.11 Khối nguồn 39 3.4 Các phần mềm sử dụng 41 3.4.1 Arduino IDE .41 3.4.2 Proteus 42 3.4.3 Fritzing .42 3.5 Giao thức truyền thông JSON .43 3.6 App Blynk 44 3.6.1 Cách cài đặt Blynk .45 3.6.2 Cách hoạt động Blynk 45 3.6.3 Đặc tính 46 3.6.4 Giao diện hệ thống nhà thông minh Blynk 46 3.7 Tổng quan hệ thống nhận diện khuôn mặt .49 3.7.1 Xác thực sinh trắc học 49 3.7.2 Một số khái niện xử lý ảnh 49 3.7.3 Các bước xử lý ảnh 51 3.7.4 Hệ thống nhận diện khuôn mặt 52 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH 55 4.1 Sơ đồ mạch hệ thống 55 4.2 Hệ thống cửa: .57 4.2.1 Sơ đồ hệ thống 57 4.2.2 Giải thuật điều khiển 59 4.2.3 Chức phương pháp 61 4.3 Hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm .62 4.3.1 Giải thuật điều khiển 63 4.3.2 Chức 63 4.4 Hệ thống chiếu sáng, quạt .64 4.4.1 Sơ đồ hệ thống 64 4.4.2 Giải thuật điều khiển 65 4.4.3 Chức 67 4.5 Hệ thống báo cháy rị rỉ khí gas .67 4.6 Hệ thống mái che tự động .69 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71 5.1 Kết 71 5.2 Phương hướng phát triển 72 KẾT LUẬN .73 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH V Hình Mơ hình tổng quan nhà thơng minh Hình 2 Hệ thống cửa thông minh Hình Điều khiển hệ thống đèn Smartphone Hình Giám sát điều kiện môi trường thông qua thiết bị thơng minh từ xa .5 Hình Bật đèn, quạt thông qua remote Hình Kết cấu nhà Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển, giám sát Y Hình Sơ đồ khối vi điều khiển 8051 .10 Hình Sơ đồ chân họ 8051 11 Hình 3 Cấu trúc bên PIC .12 Hình Sơ đồ chân PIC16F877A 13 Hình Arduino Uno R3 15 Hình Sơ đồ chân Arduino Uno 16 Hình Arduino Mega2560 17 Hình Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 rev3 19 Hình Ứng dụng Arduino Mega 2560 21 Hình 10 Molule ESP8266 NodeMCU 22 Hình 11 Sơ đồ chân ESP8266 NodeMCU 23 Hình 12 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 23 Hình 13 Sơ đồ chân DHT11 24 Hình 14 Cảm biến khí gas MQ-2 25 Hình 15 Sơ đồ mạch MQ-2 25 Hình 16 Cảm biến HC-SR501 26 Hình 17 Sơ đồ mạch Cảm biến HC-SR501 26 Hình 18 Cảm biến mưa 27 Hình 19 RFID RC5222 28 Hình 20 Sơ đồ chân RFID RC522 28 Hình 21 Màn hình LCD 16x2 .29 Hình 22 Module giao tiếp I2C 30 Hình 23 Ví dụ cách đấu nối giao tiếp I2C với LCD 16x2 Arduino 31 Hình 24 ESP32 – CAM AI Thinker 31 Hình 25 Sơ đồ chân ESP32-CAM 32 Hình 26 Động Servo SG90 32 Hình 27 Tín hiệu điều khiển động Servo 33 Hình 28 Module Relay 33 Hình 29 Module Bluetooh HC-05 34 Hình 30 Sơ đồ chân module Bluetooh HC-05 .34 Hình 31 Keypad 4x3 .35 Hình 32 Ma trận phím 4x3 35 Hình 33 Còi Buzzer 36 Hình 34 Khóa điện DC 12V 37 Hình 35 Đèn hắt sáng trắng ba bóng .37 Hình 36 Quạt tản nhiệt 4x4x1cm 37 Hình 37 Mắt thu hồng ngoại 1838T 38 Hình 38 Remote hồng ngoại 21 phím 38 Hình 39 Bộ nguồn 5V – 5A 40 Hình 40 Bộ nguồn 12V – 5A 40 Hình 41 Phần mềm Arduino IDE 41 Hình 42 Giao diện sử dụng Arduino IDE .41 Hình 43 Phần mềm Proteus 42 Hình 44 Phần mềm Fritzing 42 Hình 45 Giao thức truyền thông JSON 43 Hình 46 Dữ liệu ESP8266 gửi nhận JSON .43 Hình 47 Dữ liệu Mega2560 gửi nhận JSON .43 Hình 48 App Blynk .44 Hình 49 Blynk v0.4.10 on ESP8266 .45 Hình 50 Datastreams hệ thống cửa .46 Hình 51 Event hệ thống cửa 46 Hình 52 Giao diện Blynk hệ thống cửa Web 47 Hình 53 Giao diện Blynk hệ thống cửa Smartphone .47 Hình 54 Datastreams hệ thống chiếu sáng, quạt, nhiệt độ, độ ẩm 48 Hình 55 Event hệ thống chiếu sáng, quạt, nhiệt độ, độ ẩm 48 Hình 56 Giao diện Blynk hệ thống chiếu sáng, quạt, nhiệt độ, độ ẩm Web 48 Hình 57 Giao diện Blynk hệ thống chiếu sáng, quạt, nhiệt độ, độ ẩm Smartphone 49 Hình 58 Điểm ảnh ảnh trắng đen 50 Hình 59 Điểm ảnh ảnh màu 50 Hình 60 Ví dụ độ phân phải ảnh .50 Hình 61 Hệ màu RGB 51 Hình 62 Các bước xử lý ảnh .51 Hình 63 Các điểm khuôn mặt 53 Hình 64 Mơ tả hoạt động nhận diện khuôn mặt 53 Hình 65 Hình ảnh thực tế thành viên nhóm 54 Hình Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 55 Hình Sơ đồ mạch tồn hệ thống 56 Hình Sơ đồ hệ thống cửa 57 Hình 4 Sơ đồ khối hệ thống cửa 59 Hình Lưu đồ thuật toán điều khiển đèn cửa .59 Hình Lưu đồ thuật tốn đóng mở cửa RFID RC522 60 Hình Lưu đồ thuật tốn đóng mở cửa camera 60 Hình Lưu đồ thuật tốn đóng mở cửa Web, App .60 Hình Lưu đồ thuật tốn đóng mở cửa nút nhấn 61 Hình 10 Lưu đồ thuật tốn đóng mở cửa bàn phím 61 Hình 11 Sơ đồ mạch Hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm .62 Hình 12 Lưu đồ thuật toán đo nhiệt độ, độ ẩm 63 Hình 13 Sơ đồ mạch hệ thống chiếu sáng, quạt 64 Hình 14 Lưu đồ thuật tốn đèn nhà vệ sinh 65 Hình 15 Lưu đồ thuật tốn hệ thống chiếu sáng, quạt dùng nút nhấn 66 Hình 16 Lưu đồ thuật toán hệ thống chiếu sáng, quạt qua giọng nói 66 Hình 17 Lưu đồ thuật toán hệ thống chiếu sáng, quạt dùng remote 66 Hình 18 Lưu đồ thuật toán hệ thống chiếu sáng, quạt qua Web, app Blynk 66 Hình 19 Sơ đồ hệ thống báo cháy rị rỉ khí gas 67 Hình 20 Lưu đồ thuật tốn báo cháy rị rỉ khí gas 68 Hình 21 Sơ đồ hệ thống mái che tự động 69 Hình 22 Lưu đồ thuật tốn mái che tự động 70 Hình Hình ảnh mơ hình 71 Hình Hình ảnh mơ hình 72 DANH MỤC BẢN Bảng Kích thước phịng Y Bảng Chức riêng cổng .11 Bảng Thông số kĩ thuật Arduino Uno R3 15 Bảng 3 Tính nâng cao Arduino Mega 17 Bảng Thông số kĩ thuật Arduino Mega2560 18 Bảng Chân nguồn Arduino Mega2560 .18 Bảng Bảng chân DHT11 24 Bảng Các chân LCD 16x2 29 Bảng Kết nối với Arduino 36 Bảng Bảng thơng số kỹ thuật cịi buzzer 36 Bảng 10 Thông số kỹ thuật khóa điện DC 12V 37 Bảng 11 Dòng điện sử dụng xử lý trung tâm 39 Bảng 12 Dòng điện sử dụng thiết bị nguồn 3.3V .39 Bảng 13 Dòng điện sử dụng thiết bị nguồn 5V 39 Bảng 14 Dòng điện sử dụng thiết bị nguồn 12V 40 Bảng Chân arduino sử dụng hệ thống cửa 58 Bảng Chân Arduino sử dụng Hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm .62 Bảng Các chân Arduino sử dụng chiếu sáng, quạt 65 Bảng 4 Chân Arduino sử dụng hệ thống báo cháy rị rỉ khí gas 68 Bảng Chân Arduino sử dụng hệ thống mái che tự động 69 Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển nhà thông minh LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, trước phát triển vũ bão khoa học kỹ thuật việc áp dụng khoa học công nghệ cao vào thực tế sản xuất đời sống sinh hoạt người ngày rộng rãi mặt quy mô lẫn chất lượng Trên tảng ấy, thiết bị thông minh Smartphone, Smart Tivi, …đã xuất trở nên thông dụng, phổ biến đời sống hàng ngày Sự kết hợp tính ưu việt thiết bị thơng minh với thiết bị điện dân dụng đem lại cho người trải nghiệm giới thiết bị tự động, góp phần nâng cao chất lượng sống, nhu cầu giải trí hưởng thụ cải thiện 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 Những khả tuyệt vời mà nhà thông minh mang lại đưa vào sử dụng ngày rộng rãi thực tế không biệt thự mà cịn cho ngơi nhà dân dụng với mức chi phí phải Từ thực tế ý nghĩa mà nhà thông minh đem lại, xuất phát từ mong muốn đem hệ thống nhà thông minh đến người dân, em chọn đề tài: ‘‘Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển nhà thông minh” Qua em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Giảng viên hướng dẫn TS Đoàn Thị Hương Giang hướng dẫn tận tình, giúp em hoàn thiện đồ án Tuy nhiên, thời gian kiến thức nhiều hạn chế, đồ án em khơng tránh khỏi sai sót, em mong nhận góp ý, chỉnh sửa thầy để hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện: Tạ Đình Bắc Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển nhà thông minh CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài Em chọn “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển nhà thông minh” làm đề tài đồ án tốt nghiệp lý sau đây:  Thứ nhất, nhà thông minh xu hướng phổ biến giới hỗ trợ tiết kiệm thời gian công sức nhờ áp dụng công nghệ đại Tại Việt Nam, công nghệ ngày nhiều người dùng trở thành lựa chọn ưu tiên  Thứ hai, em áp dụng nhiều kiến thức học vào đề tài kiến thức lập trình vi xử lý, kiến thức cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,…hoặc kiến thức giao tiếp hai vi điều khiển,…Đây hội để em tìm hiểu thêm kiến thức mới, rèn luyện tính tự chủ tinh thần trách nhiệm công việc  Thứ ba, phổ biến cơng nghệ nhà thơng minh nay, nhu cầu tìm hiểu phát triển trở nên cấp thiết  Cuối cùng, với mục đích tạo điều khiển với tính bản, áp dụng cho ngơi nhà tạo thêm động lực thúc đẩy cho em thực đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài Hiểu rõ đặc điểm, tính cấu trúc ngơi nhà thơng minh Nắm vững tính hệ thống cửa thông minh, hệ thống chiếu sáng, hệ thống báo cháy nhà thông minh Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều khiển ngơi nhà với tính sau: - Hệ thống bảo mật, điều khiển cửa - Hệ thống hiển thị giám sát nhiệt độ, độ ẩm - Hệ thống báo cháy rị rỉ khí gas - Hệ thống đèn, quạt thơng minh - Hệ thống mái che tự động Xây dựng mơ hình ngơi nhà để vận hành thử nghiệm điều khiển 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phạm vi nhà thông minh rộng, từ sở hạ tầng chức năng, chế độ hoạt động Trong đồ án tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống cửa thông minh; hệ thống bật tắt thiết bị nhà theo phương pháp khác nhau; hệ thống hiển thị giám sát nhiệt độ, độ ẩm; hệ thống báo cháy rị khí gas; hệ thống mái che tự động Điều khiển, giám sát từ xa thông qua Internet Sinh viên thực hiện: Tạ Đình Bắc