TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN 2 Đề Tài Nhà thông minh sử dụng Aruino Giảng viên hướng dẫn Ts Hoàng Anh Dũng Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Nghĩa MSV 20A17010126 Nguyễn Long Nhật M[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN Đề Tài : Nhà thông minh sử dụng Aruino Giảng viên hướng dẫn : Ts Hoàng Anh Dũng Sinh viên thực : Nguyễn Văn Nghĩa MSV: 20A17010126 Nguyễn Long Nhật MSV: 20A17010071 Bùi Văn Quang MVS: 20A17010115 Lớp: K23D ngày tháng năm 2023 Đồ án NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ★★★ Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan nhà thông minh Tổng quan nhà thông minh Smart home Việt Nam Chương : Giải vấn đề Lựa chọn hướng thiết kế 1.1 Sơ đồ nhà 1.2 Chức 1.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động Các linh kiện cần thiết cho dự án 2.1 Tìm hiểu linh kiện cần thiết 2.2 Tìm hiểu IC ATMEGA328 họ bit 13 2.3 Sơ đồ chân Atmega328p 14 2.4 Module giao tiếp UART ATmega328P 16 2.5 Giao thức SPI ATmega328P 17 2.6 Kênh chuyển đổi tín hiệu analog sang digital 17 Cảm biến vật cản hồng ngoại 18 Relay 5v kênh 20 Module bluetooth HC-05 21 LED 5v 22 Nguồn pin 12v 23 Quạt 23 Bread Board 24 10 Động servo 25 11 Phần mềm thực đồ án 26 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án 11.1 Proteus (Phần mềm mô mạch điện tử) 26 11.2 Arduindo 27 Chương 3: Thiết kế thi công 28 Mô proteus 28 Nguyên Lý Hoạt Động 29 2.1 Nguyên lý 29 2.2 Lưu đồ thuật toán 30 2.3 Thi Công Mạch Thật 32 2.4 Lập trình code 34 Chương 4: Kết luận hướng phát triển đề tài 39 Kết luận 39 Lời cảm ơn 40 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án 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 khơng 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 thơng minh hay smart home, home automation kiểu nhà lắp đặt thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hồn tồn 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 Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô khoa Điện – Điện Tử giảng dạy truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho chúng em thời gian chúng em học trường Đặc biệt nhóm em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Hoàng Anh Dũng trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để nhóm em hồn thành tốt đề tài Sinh viên thực Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan nhà thông minh Tổng quan nhà thông minh Ngày nay, đời sống ngày nâng cao, nhu cầu người đòi hỏi tiện nghi hỗ trợ tốt 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 Nhà thông minh sử dụng bluetooth Hiện nay, nhà thông minh thị trường tiềm với thị trường toàn cầu lên đến số tỉ đô Không vậy, riêng thị trường Bắc Mỹ, theo số thống kê, hoàn toàn có sở để nhận định tương lai nhà mà cần phải có Được gợi ý thầy Hồng Anh Dũng chúng em định chọn đề tài “ Nhà thông minh sử dụng arduino điều khiển thiết bị kết nối bluetooth” Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án 2 Smart home Việt Nam Tại Việt Nam, không đứng ngồi dịng chảy cơng nghệ nhà thơng minh, có nhiều nhà sản xuất cũ tham gia thị trường đầy tiềm này, dẫn đầu BKAV Lumi Smarthome Với đầy đủ chức nhà sản xuất nước ngoài, lại thêm yếu tố phù hợp với riêng thị trường Việt Nam, họ có lợi khơng nhỏ so với nhà sản xuất nước Việt Nam Mơ hình smart home BKAV Mơ hình nhà thơng minh Lumi smarthome Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án Chương : Giải vấn đề Lựa chọn hướng thiết kế Nhà thông minh đề tài rộng có nhiều vấn đề đặt Tùy theo mục đích sử dụng chủ nhân để thiết kế, phần quan trọng hệ thống nhà thông minh hệ thống điều khiển Module HC-05 ESP8266 hai loại module khác với tính ứng dụng khác nhau, lựa chọn hai loại module phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng bạn Module HC-05 module Bluetooth với khả kết nối không dây đơn giản thuận tiện với thiết bị khác Nó sử dụng để thiết kế ứng dụng điều khiển từ xa, thu thập liệu từ cảm biến kết nối thiết bị không dây khác Trong đó, ESP8266 module Wi-Fi với khả kết nối internet cung cấp mơi trường lập trình đầy đủ cho ứng dụng IoT Nó sử dụng để thiết kế ứng dụng cảm biến thơng minh, hệ thống kiểm sốt nhà thơng minh, ứng dụng IoT khác Vì vậy, đồ án cần kết nối không dây đơn giản thiết bị, module HC-05 lựa chọn tốt Tuy nhiên, cần thiết kế ứng dụng IoT phức tạp cần kết nối với internet, ESP8266 lựa chọn tốt 1.1 Sơ đồ nhà Từ nhà thông thường, chúng em lựa chọn thiết kế mơ hình dành cho gia đình, với thiết kế gồm: Phòng khách Phòng ngủ Nhà bếp Phịng giải trí Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án 1.2 Chức Với tiêu chí ngơi nhà thông minh Việt Nam, chúng em lựa chọn chức tạo nên nhà thông minh với tiện ích đơn giản như: Mở cửa tự động Bật tắt thiết bị điện Tự động bật tắt đèn cầu thang 1.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động a) Khối cảm biến: Cảm biến hồng ngoại: tín hiệu đầu tín hiệu tương tự b) Khối xử lý: Arduino Uno R3 c) Module bluetooth kết nối với khối xử lý thông qua chân số 10 11 d) Khối chấp hành: Cửa vào Đèn quạt Khối cảm biến Khối xử lý (Arduino) Khối chấp hành Module bluetooth Sơ đồ nguyên lý hoạt động Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án 2 Các linh kiện cần thiết cho dự án TÊN LINH KIỆN SỐ LƯỢNG Arduino Uno R3 Atmega 328p Cảm biến vật cản hồng ngoại Relay 5v kênh Quạt Module thu phát bluetooth HC-05 LED Bread Board (Bo Test) Động servo 180 pin 2.1 Tìm hiểu linh kiện cần thiết Arduino UNO Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án b) Các thơng số Momen xoắn: 1.8kg/cm Tốc độ hoạt động: 60 độ 0.1 giây Điện áp hoạt động: 4.8V(~5V) Nhiệt độ hoạt động: ºC – 55 ºC c) Nguyên tắc hoạt động Khi ta cấp xung từ 1ms-2ms ta điều khiển động quay góc theo ý muốn d) Ứng dụng hệ thống • Rèm cửa tự động • Dây phơi tự động • Đóng mở cửa • Đóng mở gara để xe 11 Phần mềm thực đồ án 11.1 Proteus (Phần mềm mơ mạch điện tử) • Phần mềm proteus gì: Phần mềm Proteus cho phép mơ hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MCS-51, PIC, AVR, … Proteus phần mềm mô mạch điện tử LABCENTER 26 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án ELECTRONICS, mô cho hầu hết linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho MCU PIC, 8051, AVR, Motorola • Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS (Intelligent Schematic Input System) cho phép mô mạch ARES (Advanced Routing and Editing Software) dùng để vẽ mạch in 11.2 Arduindo • Arduino tảng mã nguồn mở giúp người xây dựng ứng dụng điện tử có khả liên kết, tương tác với tốt Arduino xem máy tính thu nhỏ giúp người dùng lập trình, thực dự án điện tử không cần tới công cụ chuyên biệt phục cho trình nạp code 27 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án Chương 3: Thiết kế thi công Mô proteus Sơ đồ Proteus 28 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án 2 Nguyên Lý Hoạt Động 2.1 Nguyên lý Chương trình sử dụng thành phần phần cứng bao gồm relay để điều khiển thiết bị điện nhà, servo để điều khiển cửa, cảm biến hồng ngoại vật cản để phát chuyển động đối tượng, đèn LED để hiển thị trạng thái cảm biến Khi chương trình bắt đầu chạy, relay servo cấu hình để điều khiển thiết bị điện nhà cửa Cảm biến hồng ngoại vật cản cấu hình để đọc giá trị tín hiệu đầu vào, đèn LED sử dụng để hiển thị trạng thái cảm biến Khi người dùng kết nối với hệ thống thông qua Bluetooth gửi lệnh điều khiển, chương trình đọc lệnh thực hành động tương ứng, bật tắt thiết bị điện mở đóng cửa Ngoài ra, cảm biến hồng ngoại vật cản sử dụng để phát chuyển động đối tượng nhà, đèn LED hiển thị trạng thái cảm biến Nếu cảm biến phát chuyển động, đèn LED bật để cảnh báo cho người dùng Tóm lại, chương trình sử dụng thành phần phần cứng phép đo để tự động điều khiển thiết bị điện nhà cửa chính, với cảm biến hồng ngoại vật cản để phát chuyển động đèn LED để hiển thị trạng thái cảm biến 29 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án 2.2 Lưu đồ thuật toán Bắt đầu Đọc liệu Sai Đúng Xử lý liệu Gửi liệu thiết bị điều khiển từ xa Kết thúc Điều khiển thiết bị qua ứng dụng điện thoại 30 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án Nguyên lý hoạt động lưu đồ thuật tốn Khởi động: Bắt đầu chạy chương trình Khởi tạo cổng kết nối với cảm biến thiết bị điều khiển Khởi tạo kết nối Bluetooth với thiết bị điều khiển từ xa Đọc liệu: Đọc liệu từ cảm biến cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng cảm biến chuyển động Lưu liệu vào nhớ để sử dụng cho việc kiểm soát thiết bị điều khiển sau Xử lý liệu: Phân tích liệu từ cảm biến để xác định trạng thái nhà mơi trường xung quanh Tính tốn hoạt động cần thiết để đáp ứng nhu cầu người sử dụng điều chỉnh thiết bị điều khiển Gửi liệu thiết bị điều khiển từ xa: Nếu có yêu cầu từ thiết bị điều khiển từ xa thông qua kết nối Bluetooth, gửi liệu cập nhật trạng thái nhà môi trường xung quanh thiết bị điều khiển từ xa Kết thúc: Kết thúc chương trình giải phóng tất tài nguyên sử dụng 31 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án 2.3 Thi Công Mạch Thật Trạng thái tắt 32 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án Trạng thái bật 33 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án 2.4 Lập trình code #include #include SoftwareSerial BTSerial(10, 11); const int relay1 = 2; const int relay2 = 3; const int relay3 = 4; const int relay4 = 5; const int relay5 = 6; const int servoPin = 9; int sensorPin = 7; // Chân kết nối cảm biến hồng ngoại vật cản int ledPin = 13; // Chân kết nối đèn LED Servo servo; bool servoOpen = false; unsigned long servoCloseTime = 0; const unsigned long servoCloseDelay = 5000; void setup() { Serial.begin(9600); BTSerial.begin(9600); pinMode(relay1, OUTPUT); pinMode(relay2, OUTPUT); pinMode(relay3, OUTPUT); pinMode(relay4, OUTPUT); pinMode(relay5, OUTPUT); servo.attach(servoPin); pinMode(sensorPin, INPUT); // Thiết lập chân kết nối cảm biến hồng ngoại vật cản đầu vào 34 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án pinMode(ledPin, OUTPUT); // Thiết lập chân kết nối đèn LED đầu } void loop() { if (BTSerial.available()) { char command = BTSerial.read(); Serial.println(command); switch (command) { case '1': digitalWrite(relay1, HIGH); break; case '2': digitalWrite(relay1, LOW); break; case '3': digitalWrite(relay2, HIGH); break; case '4': digitalWrite(relay2, LOW); break; case '5': digitalWrite(relay3, HIGH); break; case '6': digitalWrite(relay3, LOW); break; case '7': 35 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án digitalWrite(relay4, HIGH); break; case '8': digitalWrite(relay4, LOW); break; case '9': if (!servoOpen && millis() > servoCloseTime + servoCloseDelay) { servo.write(180); servoOpen = true; } break; case '0': if (servoOpen) { servo.write(0); servoOpen = false; servoCloseTime = millis(); } break; case 'A': digitalWrite(relay5, HIGH); break; case 'B': digitalWrite(relay5, LOW); break; default: break; 36 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án } } int sensorValue = digitalRead(sensorPin); // Đọc giá trị cảm biến hồng ngoại vật cản if (sensorValue == HIGH) { // Nếu cảm biến phát vật cản digitalWrite(ledPin, HIGH); // Bật đèn LED } else { // Nếu cảm biến không phát vật cản digitalWrite(ledPin, LOW); // Tắt đèn LED } } Nguyên lý hoạt động code - Code chương trình điều khiển nhà tự động thơng qua module Bluetooth Chương trình viết cho Arduino sử dụng thư viện SoftwareSerial Servo - Trong hàm setup(), chương trình khởi tạo chân GPIO Arduino sử dụng để điều khiển thiết bị nhà bao gồm relay, servo motor cảm biến hồng ngoại vật cản Các chân GPIO cấu đầu vào đầu thông qua hàm pinMode() - Trong hàm loop(), chương trình đọc tín hiệu từ module Bluetooth thông qua hàm BTSerial.available() BTSerial.read() Nếu nhận lệnh '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', '0', 'A', 'B' từ module Bluetooth, chương trình thực hành động tương ứng bật tắt relay mở đóng servo motor 37 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án - Ngoài ra, chương trình cịn sử dụng cảm biến hồng ngoại vật cản để phát có mặt vật cản nhà Nếu cảm biến phát vật cản, đèn LED kết nối với chân GPIO tương ứng bật ngược lại 38 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án Chương 4: Kết luận hướng phát triển đề tài Kết luận Qua trình chạy thực nghiệm có số kết quả: - Sử dụng điện thoại điều khiển thiết bị đèn, quạt, cửa đạt - Hệ thống chạy tương đối ổn định, số lỗi ứng dụng điện thoại Nguyên nhân là app tự thiết kế nên có quảng cáo bị ngắt kết nối phải kết nối lại Vì thời gian khơng có đủ để thực ứng dụng riêng cho chương trình thơng qua mit app inventor chúng em sử dụng ứng dụng có sẵn Khảo sát phần lý thuyết - Bluetooth module HC-05: HC-05 module Bluetooth thông dụng để truyền nhận liệu từ thiết bị Bluetooth khác smartphone, máy tính bảng Module cho phép kết nối không dây thiết bị sử dụng rộng rãi ứng dụng nhà thông minh - Relay module: Relay module module điều khiển tín hiệu đầu vào để kích hoạt thiết bị đầu Thường sử dụng để điều khiển thiết bị điện đèn, quạt, máy bơm nước, thiết bị khác nhà thông minh - Servo motor: Servo motor loại động đặc biệt, sử dụng nhiều ứng dụng nhà thông minh Servo motor có khả xoay với góc cụ thể độ xác cao - Cảm biến hồng ngoại vật cản: Cảm biến hồng ngoại vật cản sử dụng để phát diện vật cản truyền tín hiệu cho hệ thống điều khiển nhà thông minh 39 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội Đồ án - Đèn LED: Đèn LED thiết bị sáng sử dụng ứng dụng nhà thông minh để cung cấp ánh sáng cho không gian nhà - Các thành phần kết nối điều khiển vi xử lý Khi nhận tín hiệu từ smartphone thơng qua Bluetooth module HC-05, vi xử lý tiến hành xử lý tín hiệu điều khiển thiết bị đầu relay module servo motor để thực chức bật tắt đèn, bật tắt quạt, mở cửa tự động, v.v Cảm biến hồng ngoại vật cản sử dụng để phát diện vật cản điều khiển đèn LED để cung cấp ánh sáng nhà Nội Dung • Viết chương trình điều khiển cho Arduino • Mơ dự án lên Proteus • Thi cơng mơ hình thực tế Lời cảm ơn Thầy dành thời gian công sức để giúp đỡ chúng em vượt qua khó khăn trình nghiên cứu thực đề tài Những kiến thức kinh nghiệm mà thầy truyền đạt cho chúng em tảng quan trọng giúp tiếp tục phát triển thành công tương lai Mặc dù cố gắng hoàn thiện đồ án sớm nhất, kiến thức, thời gian trải nghiệm cịn hạn chế nên nhóm có phần thiếu sót, nhầm lẫn khác, kính mong thầy đóng góp ý kiến để chúng em hồn thành đồ án tốt Chúng em cảm ơn thầy! 40 Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại học Mở Hà Nội