Đề tài thiết kế mô hình nhà thông minh ứng dụng vi điều khiển

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG LỜI NÓI ĐẦU Trong sống ngày nay, tảng phát triển công nghệ thông tin, điện dân dụng… sản phẩm khoa học công nghệ dần đưa vào ứng dụng đời sống sản xuất đời sống sinh hoạt người Sự kết hợp tính ưu việt Smartphone, máy tính, cảm biến với thiết bị điện dân dụng… đem lại cho người trải nghiệm giới thiết bị tự động Góp phần làm cho điều kiện sống ngày nâng cao, nhu cầu giải trí hưởng thụ cải thiện Một ý tưởng phát triển ứng dụng nhiều người quan đến thời gian gần đây, khái niệm “nhà thơng minh” Tính tự động đem lại, mà nhà thông minh ngày đưa vào sử dụng rộng rãi thực tế, không biệt thự … mà ý tưởng cịn mở rộng ứng dụng cho ngơi nhà dân dụng với mức chi phí bình thường Từ nhu cầu thực tế muốn ước mơ sử dụng thiết bị điện dân dụng tự động đến với người dân, đồ án chúng em đề xuất xây dựng đề tài “Thiết kế mơ hình nhà thông minh ứng dụng vi điều khiển” Với giúp đỡ tận tình thầy giáo TS Đặng Ngọc Trung thầy cô giáo môn Kỹ Thuật Điện với nỗ lực nhóm đồ án chúng em, đến đồ án chúng em hồn thành Do kiến thức chúng em cịn hạn chế nên đề tài chúng em không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong bảo, góp ý thầy giáo bạn sinh viên để nội dung đề tài thực hoàn thiện ứng dụng hiệu đời sống Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Đặng Ngọc Trung, cảm ơn thầy cô giáo môn Kỹ Thuật Điện tận tình giúp đỡ chúng em để đề tài chúng em hoàn thành thời hạn Thái Nguyên, ngày 28 tháng 11 năm 2018 Giáo viên hướng dẫn Nhóm sinh viên thực TS Đặng Ngọc Trung SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG Contents LỜI NÓI ĐẦU .1 PHẦN ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .6 1.1 Giới thiệu hệ thống nhà thông minh 1.2 Đặt toán 1.3 Ý tưởng xây dựng thuật toán điều khiển nhà thông minh PHẦN 11 TÌM HIỂU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 11 PIC 16F877A CÙNG MỘT SỐ THIẾT BỊ NGOẠI VI KHÁC 11 2.1 Hệ điều hành 11 Android 2.1.1 Khái niệm 11 2.1.2 Cấu trúc hệ điều hành Android 11 2.2 16F877A 2.2.1 2.2.2 2.3 2.4 Vi điều khiển PIC 12 PIC 16F877A Sơ đồ chân vật lý 12 PIC 16F877A hoạt động Sơ đồ tối thiểu để 14 vi sử dụng đề tài mềm App Inventor Các thiết bị ngoại 14 Giới thiệu phần 27 PHẦN 35 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO MƠ HÌNH NHÀ Ở 35 DÂN DỤNG THÔNG MINH 35 3.1 Thiết kế phần cứng 35 3.1.1 Thiết kế mạch điều khiển 35 SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG 3.1.2 Hướng dẫn bước thiết kế phần mềm Proteous Altium 38 3.1.3 Hoàn thành mạch in 3.1.4 Mạch điện hoàn thành thực tế 61 62 3.2 Xây dựng phần mềm 65 3.2.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển nhà thơng minh 65 3.2.2 Code chương trình điều khiển nhà thơng minh 65 a Code chương trình điều khiển nhà thơng minh thiết bị Androi 66 (sử dụng APP INVENTOR ) b Code chương trình điều khiển nhà thơng minh giọng nói 66 75 3.3 Kết luận định hướng phát triển 81 3.3.1 Kết luận SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân 81 3.3.2 Định hướng phát triển: 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG PHẦN ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu hệ thống nhà thông minh Nhà thông minh (tiếng Anh "Smart Home") hệ thống nhà thông minh nhà/ hộ trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, cửa tự động nhiều tính khác nhằm mục đích làm cho sống ngày tiện nghi, an tồn góp phần sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên Theo wiseGeek, nhà (hoặc hộ) coi "thơng minh" hệ thống máy tính/điện thoại giám sát nhiều khía cạnh diễn xung quanh ngơi nhà thường ngày.Một ví dụ nhà thông minh hệ thống kiểm soát mức độ chiếu sáng hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện phù hợp với khung cảnh, chẳng hạn cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho bữa tiệc tối Hệ thống điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống báo cố khí gas, hệ thống đóng mở cửa tự động, hệ thống phịng ngừa trộm…Nhà thơng minh ngồi cịn có số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống điều khiển giải trí loa đài với công suất khác nhau, hệ thống tưới nước Các chức thực nhờ việc ghép nối thiết bị điệntrong nhà với điều khiển trung tâm thông qua hệ thống máy tính/điện thoại để theo dõi trạng thái định điều khiển phù hợp Nhà thơng minh hình dung tác phẩm khoa học viễn tưởng từ nhiều năm trở thành thực kể từ kỷ 20 sau phát triển rộng rãi ngành điện - điện tử tiến nhanh chóng cơng nghệ thông tin, theo Wikipedia Công nghệ nhà thông minh ngày trở nên tinh vi,các tín hiệu điều khiển giám sát mã hóa truyền thơng qua hệ thống dây dẫn mạng không dây đến chuyển mạch, ổ điện lập trình sẵn để vận hành đồ gia dụng thiết bị SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG điện tử nhà Sự tự động hóa ngơi nhà đặc biệt có ích cho người lớn tuổi người tàn tật, người muốn sống tự lập Việc lắp đặt sản phẩm thông minh đem lại cho nhà chủ nhân nhiều lợi ích – tương tự lợi ích mà cơng nghệ máy tính cá nhân đem lại cho 30 năm qua, bao gồm: tiện nghi, tiết kiệm thời gian, tiền bạc lượng Các thành phần hệ thống nhà thông minh bao gồm cảm biến (như cảm biến nhiệt độ, cảm biến chuyển động, cảm biến ánh sáng, cảm biến âm thanh, cảm biến khí gas…), điều khiển (PLC, vi điều khiển…), máy tính, khối thu phát tín hiệu (wifi, Bluetooth…)và thiết bị chấp hành khác (Rơ le trung gian…) Nhờ hệ thống cảm biến, điều khiển máy tính/điện thoại mà người theo dõi trạng thái bên nhà dù đâu, để đưa định điều khiển thiết bị chấp hành cách phù hợp nhằm đảm bảo an toàn đem lại cho người sử dụng mơi trường sống tốt Hình1.1 Mơ hình hệ thống nhà thơng minh Trên giới, nhiều kiến trúc sư bắt đầu cân nhắc đến nhà thông minh thiết kế xây dựng nhà Khi đó, hệ thống tích hợp q trình xây SVTH: Trần Văn Đơng - Lê Văn Lượng Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG dựng chi phí cho việc lắp đặt, bảo trì giảm xuống đồng thời tồn hệ thống điện tịa nhà đồng linh hoạt Tuy nhiên, nhà hộ xây dựng trước sửa đổi để tích hợp hệ thống thông minh vào, đem lại cảm giác cho nhà Hiện nay, lĩnh vực nhà thông minh, kỹ sư tiếp tục sáng tạo để tạo nhiều tiện ích cho nhà tối ưu hóa triển khai lắp đặt ngơi nhà thơng minh Trong tương lai không xa, nhà thông minh có khả “tư duy” để tự điều chỉnh thiết bị cách phù hợp có khả giao tiếp với người phim viễn tưởng có sở trở thành thực Cuối năm 1990, nhà thông minh xem thứ xa xỉ nhà giàu Tuy nhiên, với đời phổ biến cơng nghệ vi điện tử chi phí ngày giảm chúng cơng nghệ điều khiển thơng minh ứng dụng rỗng rãi đem lại cho người dân có mức sống trung bình làm chủ ngơi nhà thơng minh tầm tay Với phát triển vũ bão cơng nghệ thơng tin, internet chi phí cho hệ thống nhà thông minh giảm xuống thời gian gần Nhu cầu người sử dụng tăng cao đáng kể Theo hãng ABI Research, năm 2012 có 1,5 triệu hệ thống nhà thông minh lắp đặt Mỹ dự kiến số tăng đến triệu vào năm 2017 Trong tương lai khơng xa, hi vọng nhà thơng minh xu hướng cho sống người đại 1.2 Đặt toán Xuất phát từ nhu cầu mở rộng quy mô ứng dụng hệ thống nhà thông minh không tập trung cho nhà biệt thự, khách sạn… phục vụ cho tầng lớp giàu có thượng lưu, mà cịn đem lại cho người có mức thu nhập trung bình có hội sở hữu ngơi nhà thơng minh với số tính tự động định riêng khả kinh tế có hạn Vì phạm vi đề tài đề xuất xây dựng mơ hình nhà dân dụng nhà thông minh, đảm bảo cho nhà có số tính tự động sau: SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG Đóng mở cửa bật tắt hệ thống chiếu sáng từ xa thông qua điện thoại/máy tính, modul Bluetooth HC06 kết nối với vi điều khiển trung tâm  Bật tắt thiết bị giọng nói thơng qua điện thoại gửi đến modul Bluetooth HC06 kết nối với vi điểu khiển trung tâm  Đóng mở cửa bật tắt hệ thống chiếu sáng từ xa việc giải mã tín hiệu DTMF điện thoại  Hiển thị nhiệt độ phòng, nồng độ khí gas LCD máy tính/điện thoại giám sát  Tự động phát báo cố khí gas q nồng độ cho phép thơng qua còi báo động, đồng thời ngắt Rơ le trung gian cấp điện xoay chiều cho toàn hệ thống điện nhà, đến cố giải trừ tự động đóng Rơ le trung gian trở lại để cấp điện cho ngơi nhà hoạt động bình thường 1.3 Ý tưởng xây dựng thuật toán điều khiển nhà thơng minh Về chất mơ hình nhà thơng minh đề xuất đề tài vận hành: Đóng cắt từ xa thiết bị điện chiếu sáng đóng mở cửa qua điều khiển trung tâm Việc đóng mở cửa đóng cắt thiết bị chiếu sáng thơng qua điều khiển trung tâm giúp cho người sử dụng vận hành thiết bị vị trí ba cách: Cách 1: Điều khiển khoảng cách gần thông qua modul blutooth HC06 lúc tất hiệu lệnh đóng cắt thiết bị người sử dụng thông qua nút ấn bàn phím máy tính hay điện thoại, mã hóa thành tín hiệu nhờ phần mềm ứng dụng hệ điều hành Android gửi tín hiệu vi điều khiển thông qua kênh Bluetooth modul Bluetooth HC06, tín hiệu xử lý thơng qua mã chương trình lập trình sẵn vi điều khiển, từ phát tín hiệu điều khiển tới Rơ le trung gian để cấp điện cho động cửa tự động hay thiết bị chiếu sáng Cách 2: Điều khiển khoảng cách gần giọng nói thơng qua modul blutooth HC06 lúc tất hiệu lệnh đóng cắt thiết bị người sử dụng thông qua lệnh giọng nói ta truyền đến, mã hóa thành tín hiệu nhờ phần mềm ứng dụng SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân Trang