Mô hình hệ thống giám sát nhà thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG MÔ HÌNH GIÁM SÁT NHÀ THƠNG MINH GVHD: NGUYỄN NGƠ LÂM SVTH: PHAN LÂM TRƯỜNG HÀN ANH TUẤN SKL009345 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG o0o ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHÀ THƠNG MINH SVTH: GVHD: Tp Hồ Chí Minh, Tháng 07 Năm 2022 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 07 năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phan Lâm Trường Hàn Anh Tuấn Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện tử - Viễn thông Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm MSSV: 18161172 MSSV: 18161173 I TÊN ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHÀ THƠNG MINH II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: - Tìm hiểu hệ thống giám sát nhà thị trường - Tìm hiểu cảm biến thích hợp để sử dụng đề tài - Đưa phương án, giải pháp thiết kế hệ thống phù hợp, tối ưu Xây dựng mơ hình, bố trí cảm biến hợp lý - Nội dung thực hiện: - Thiết kế thi công phần cứng: ● Lập trình Module cảm biến, giao tiếp với vi điều khiển ● Thiết kế, thi công khối điều khiển ● Lập trình hệ thống phần cứng - Thiết kế thi công phần mềm: ● Thiết kế giao diện điều khiển Web Server Chạy thử chỉnh sửa, viết báo cáo luận văn - Báo cáo đề tài tốt nghiệp Sản phẩm: Mơ hình hệ thống điều khiển giám sát nhà thông minh TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Phan Lâm Trường Hàn Anh Tuấn Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện tử - Viễn thông Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm MSSV: 18161172 MSSV: 18161173 I TÊN ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHÀ THÔNG MINH II NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Phan Lâm Trường MSSV: 18161172 Hàn Anh Tuấn MSSV: 18161173 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện tử - Viễn thông Giảng viên phản biện: I TÊN ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHÀ THÔNG MINH II NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2022 Giáo viên phản biện (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt báo cáo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông trước hết em xin gửi đến quý Thầy/Cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung Khoa Đào tạo Chất lượng cao nói riêng lời cảm ơn chân thành Đặc biệt, thầy ThS Nguyễn Ngô Lâm tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình thực đồ án Em xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành sâu sắc Đồng thời, em xin cảm ơn đến bạn bè hỗ trợ, đóng góp ý kiến chia sẻ kinh nghiệm để em hoàn thành tốt đề tài Mặc dù cố gắng hết sức, lượng kiến thức eo hẹp nên khơng tránh khỏi thiếu sót Do vậy, em mong nhận đóng góp ý kiến q báu Thầy/Cơ để hồn thiện tốt báo cáo tích lũy kinh nghiệm để áp dụng cho công việc ngồi thực tế sau Sau cùng, em kính chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe, tràn đầy nhiệt huyết thành công nghiệp giảng dạy Xin chân thành cảm ơn! i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi TÓM TẮT xii CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT [8] 2.1 MODULE ESP32 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Thông số kỹ thuật Module ESP32 2.1.3 Chế độ hoạt động Module ESP32 [9] 2.2 CẢM BIẾN KHÍ GAS 10 2.2.1 Cảm biến khí Gas 10 2.2.2 Module cảm biến khí Gas MQ-2 10 [12] 2.3 MODULE SIM 800L 12 2.3.1 Giới thiệu Module SIM 800L 12 2.3.2 Đặc điểm kỹ thuật Module SIM 800L 13 2.3.3 Khảo sát tập lệnh AT Module SIM 800L 13 2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ DỘ ẨM 15 2.4.1 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm 15 [10] 2.4.2 Module cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 15 2.5 CẢM BIẾN CƯỜNG ĐỘ SÁNG 17 2.5.1 Khái niệm cường độ sáng cảm biến cường độ sáng 17 ii 2.5.2 Module cảm biến cường độ sáng BH1750 [11] 18 [15] 2.6 LCD 19 2.6.1 Giới thiệu LCD 19 2.6.2 Màn hình LCD1602 19 2.6.3 Địa ba vùng nhớ 21 2.7 MODULE CHUYỂN ĐỔI GIAO TIẾP I2C CHO LCD 2.8 MODULE THỜI GIAN THỰC DS1307 [15] .21 [13] 23 [14] 2.9 MODULE RELAY 27 2.10 NHẬN DẠNG VÂN TAY VÀ MODULE CẢM BIẾN VÂN TAY AS60829 2.10.1 Giới thiệu sơ lược vân tay nhận dạng vân tay 29 2.10.2 Các bước xử lý nhận dạng vân tay 29 2.10.3 Module cảm biến vân tay AS608 [16] 31 [17] 2.11 BÀN PHÍM MA TRẬN 4X4 33 2.11.1 Giới thiệu 33 2.11.2 Nguyên lý hoạt động 33 2.11.3 Thông số kỹ thuật 34 2.12 NÚT NHẤN 35 2.13 MODULE CHUYỂN NGUỒN DỰ PHÒNG YX850 36 2.14 MODULE CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI LM393 [19] 37 [18] 2.15 MODULE GIẢM ÁP DC LM2596 38 2.16 CHỐT ĐIỆN 39 2.17 ĐÈN LED BULB 39 2.18 QUẠT 40 2.19 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP SỬ DỤNG 40 2.19.1 UART 40 2.19.2 I2C 41 2.20 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 42 2.20.1 Web Server 42 2.20.2 Các ngôn ngữ lập trình Web 42 2.20.2.1 Html 42 2.20.2.2 JavaScript 43 iii 2.20.2.3 CSS 43 2.20.3 Cơ sở liệu 43 2.20.3.1 Firebase Realtime Database 44 2.20.3.2 Firebase Authentication 44 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 45 3.1 YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 45 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 45 3.1.2 Sơ đồ khối chức khối 46 3.1.3 Hoạt động hệ thống 47 3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG 47 3.2.1 Khối cảm biến khí gas 47 3.2.2 Khối cảm biến nhiệt độ 48 3.2.3 Khối cảm biến cường độ sáng 48 3.2.4 Khối nút nhấn 49 3.2.5 Khối quạt 50 3.2.6 Khối đèn 50 3.2.7 Khối Module SIM800L 51 3.2.8 Khối hiển thị 51 3.2.9 Khối Module bàn phím ma trận 4x4 52 3.2.10 Khối Module cảm biến vân tay 52 3.2.11 Khối thời gian thực 53 3.2.12 Khối xử lý trung tâm 53 3.2.13 Khối nguồn 55 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 57 4.1 GIỚI THIỆU 57 4.2 THI CÔNG PHẦN CỨNG 57 4.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 60 4.3.1 Công cụ lập trình 60 4.3.2 Thiết kế giao diện Web 62 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 65 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 65 iv 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THAO TÁC 75 4.6 DỰ TỐN MƠ HÌNH HỆ THỐNG 76 CHƯƠNG KẾT QUẢ - NHẬN XÉT 78 5.1 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 78 5.1.1 Kết hoạt động phần cứng 78 5.1.2 Kết hoạt động phần mềm 82 5.1.3 Nhận xét kết 86 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 88 6.1 KẾT LUẬN 88 6.1.1 Kết đạt 88 6.1.2 Những mặt hạn chế 88 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 v Mơ hình nhà hoạt động yêu cầu đề ra, cảm biến hoạt động ổn định, LCD hiển thị giá trị cảm biến, nút nhấn điều khiển đèn chiếu sáng Hình 5.2 Màn hình LCD hiển thị giá trị cảm biến Có thể sử dụng tin nhắn để thực điều khiển giám sát : - - “kt sdt” : Kiểm tra số điện thoại có quyền điều khiển hay khơng Nếu tin nhắn trả “You can control” có quyền điều khiển Ngược lại nhận “You can’t control” khơng có quyền điều khiển “Change32” : Dùng để thay đổi số điện thoại cho quản trị viên “Den(Quat)1/2 on/off” : Dùng để bật/tắt đèn quạt “kt Den(Quat)1/2” : Dùng để giám sát trạng thái hoạt động thiết bị Hình 5.3 Điều khiển thiết bị tin nhắn SMS 79 Khi nồng độ khí gas vượt ngưỡng cài đặt, hệ thống gửi tin nhắn cảnh báo đến số điện thoại cài đặt kèm nồng độ khí gas Hình 5.4 Tin nhắn cảnh báo trả điện thoại khí gas vượt ngưỡng Hệ thống cửa vào hoạt động kết yêu cầu Màn hình LCD hiển thị thời gian thực Cảm biến vân tay hoạt động đầy đủ chức Chức nhận dạng vân tay để mở chốt khóa điện Nếu vân tay, chốt điện mở, ngược lại chốt điện không mở Màn hình LCD thơng báo cho người dùng Hình 5.5 Kết hoạt động hệ thống cửa vào 80 Hình 5.6 Kết chức nhận dạng Hình 5.7 Kết chức nhận dạng vâ n ta y đú ng vân tay sai Chức thêm vân tay hoạt động cho kết Hình 5.8 Hệ thống cho phép thêm lên đến 120 vân tay Đặc biệt, ID thêm nhiều vân tay khác Hình 5.8 Nhập ID để thêm vân tay Chứ c xóa vân tay hoạt độn g cho kết Hìn h 5.9 81 Hình 5.9 Kết hoạt động chức xóa ID Hình 5.10 Kết hình nhập password 5.1.2 Kết hoạt động phần mềm Hệ thống hoạt động, WebServer tiếp nhận liệu từ phần cứng ổn định liên tục Giao diện web hiển thị đầy đủ thông số, trạng thái hoạt động giá trị cảm biến 82 Hình 5.11 Kết hiển thị trang chủ Kết hoạt động chức khác cho yêu cầu Bao gồm: - Chức Thêm/Xóa vân tay - Chức tra cứu ID - Chức kiểm tra lịch sử vào - Chức thay đổi số điện thoại quản trị viên - Chức đăng ký quản trị Chức Thêm Xóa vân tay hoạt động tương tự kết Hình bên Hình 5.12 Nhập thơng tin để thêm người dùng 83 Hình 5.13 Kết nhập ID trùng liệu Hình 5.14 Kết thêm thành cơng 84 Hình 5.15 Kết Firebase Realtime Database thêm thành cơng Hình 5.16 Kết hoạt động thực xóa ID thành cơng Chức kiểm tra lịch sử vào hoạt động Hình 5.17 Sau nhập ID, thông tin cá nhân thời gian checkin cửa vào ID hiển thị bảng giao diện Web Hình 5.17 Kết hoạt động chức kiểm tra lịch sử vào Chức tra cứu thông tin người dùng dựa vào ID nhập 85 Hình 5.18 Kết hoạt động chức tra cứu thông tin người dùng 5.1.3 Nhận xét kết Qua q trình thực hiện, nhóm đạt kết sau: Bảng 5.1 Kết thực nghiệm STT Kết thực nghiệm Các cảm biến Hệ thống quạt thông gió Thực nhắn tin cảnh Các chức cửa v Tổng quan mơ hình hệ thống hoạt động tương đối ổn định, đạt 80% yêu cầu đề ban đầu Tuy nhiên, hệ thống hoạt động phụ thuộc vào mạng di động mạng Internet nên đơi lúc bị chậm Vùng phủ sóng mạnh thiết bị hoạt động ổn định đáp ứng nhanh 86 Link video mô tả mơ hình hệ thống: https://www.youtube.com/watch?v=jIQQ9_1kJWI 87 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN 6.1.1 Kết đạt Sau hoàn thành đề tài tổng hợp lại kết đạt so sánh với yêu cầu mục tiêu đề ban đầu Nhóm đạt số mục tiêu sau: - Hồn thành mơ hình hệ thống, chức hệ thống hoạt động ổn định Giao tiếp truyền liệu thành công Module ESP32 với Module DHT11, MQ-2, BH1750, DS1307, AS608, SIM800L, KeyPad 4x4, LCD Relay - - Hiển thị thơng số hệ thống lên hình LCD - Khi có rị rỉ khí gas xảy ra, thực cảnh báo qua tin nhắn SMS - Tích hợp nguồn dự phòng, giúp hệ thống hoạt động liên tục Hiểu biết ngôn ngữ Web HTML, CSS qua xây dựng giao diện điều khiển qua Web Server - Đề tài vài hạn chế Tuy nhiên nhóm có số thay đổi để tạo đề tài hồn thiện so với đề tài có trước Cụ thể, nhóm thêm vào hệ thống linh kiện để xác định xác trạng thái hoạt động thiết bị cảm biến cường độ sáng BH1750 Cuối để trì mức độ ổn định hệ thống nhóm tích hợp thêm chuyển nguồn dự phịng cho hệ thống 6.1.2 Những mặt hạn chế - Hệ thống hay cảnh báo rị rỉ khí gas sai mơi trường không ổn định - Chỉ nhận gửi tin nhắn đến người dùng thiết lập trước Chất lượng linh kiện thấp nên hệ thống hoạt động đôi lúc gặp tượng nghẽn liệu, bị chậm - - Giao diện điều khiển qua WebServer đơn giản, chưa tối ưu cho người sử dụng 88 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Từ hạn chế trên, nhóm đề xuất vài hướng phát triển cho đề tài sau: Sử dụng loại vi điều khiển cao cấp sử dụng máy tính nhúng có cấu hình cao để việc xử lý liệu điều khiển ổn định nhanh - - Trang bị linh kiện có chất lượng cao - Cho phép người dùng nhận cảnh báo gọi email - Thiết kế giao diện điều khiển web trực quan tối ưu với người dùng - Lắp đặt hệ thống camera để giám sát tình trạng ngơi nhà tốt 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo [1] Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình Vi Điều Khiển PIC16F887”, 08/2016, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh [2] Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình thực hành Vi Điều Khiển PIC16F887”, 08/2017, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Các viết tham khảo [3] “Cảm biến khí MQ2 hoạt động ứng dụng nó”, < https://vi.jf- parede.pt/mq2-gas-sensor-working> [4] “ Cảm biến cường độ ánh sáng gì? ”, < https://denphaledcaocap.com/tu- van/cam-bien-cuong-do-anh-sang.html>, 17/06/2021 [5] “ Cảm biến nhiệt độ gì? Chi tiết nguyên lý hoạt động hướng dẫn cách ứng dụng loại cảm biến nhiệt ”, < https://vnautomate.net/cam-biennhiet-do-la-gi-chi-tiet-ve-nguyen-ly-hoat-dong-va-huong-dan-cach-ung-dung-cuatung-loai-cam-bien-nhiet.html>, 14/05/2020 [6] “Cảm biến vân tay gì? Có loại? nguyên lý hoạt động”, [7] Thủy Nguyễn, “ Web server gì? Chức cách hoạt động nào? ”, < https://bizfly.vn/techblog/web-server-la-gi.html>, 14/05/2020 Datasheet tham khảo [8] Datasheet ESP32 [9] Datasheet Module MQ-2 [10] Datasheet Module DHT11 https://www.mouser.com/datasheet/2/758/DHT11-Technical-Data-SheetTranslated-Version-1143054.pdf> < [11] Datasheet Module Light Sensor 90 < https://www.mouser.com/datasheet/2/348/bh1750fvi-e-186247.pdf> [12] Datasheet Module SIM800L < https://www.filipeflop.com/img/files/download/Datasheet_SIM800L.pdf> [13] Datasheet Module RTC DS1307 < https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS1307.pdf> [14] Datasheet Module Relay 5V < https://curtocircuito.com.br/datasheet/modulo/rele-1canal.pdf> [15] Datasheet Module I2C_LCD < http://www.handsontec.com/dataspecs/module/I2C_1602_LCD.pdf> [16] Datasheet Module Fingerprint AS608 [17] Datasheet Keypad 4x4 < https://cdn.sparkfun.com/assets/f/f/a/5/0/DS-16038.pdf> [18] Datasheet Module Buck Converter LM2596 < http://tpelectronic.ir/datasheets/20150123144301750.pdf> [19] Datasheet Module LM393 < https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/lm393-d.pdf > 91