Bộ môn IOT và ứng dụng đề tài nhà thông minh cảnh báo đột nhập bằng cảm biến hồng ngoại

Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng Khoa cơng nghệ thông tin I - - Báo cáo Bài Tiểu luận cuối kỳ Bộ môn: IOT ứng dụng Giảng Viên: TS Nguyễn Tài Tuyên Sinh viên thực hiện: Phan Thiên Hưng MSV: B19DCCN329 Đề tài: Nhà thông minh: Cảnh báo đột nhập cảm biến hồng ngoại Hà Nội, tháng 12 năm 2022 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I: MỞ ĐẦU Đặt vấn đề lý chọn đề tài .3 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 3 Phương pháp nghiên cứu .3 PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giới thiệu IoT 1.1 Một số khái niệm IoT 1.2 Cơ sở kỹ thuật IoT .4 1.3 Xu hướng phát triển giới với IoT 1.4 Ứng dụng IoT 1.5 Thách thức việc nghiên cứu triển khai IoT .6 Hệ thống cảnh báo đột nhập Phần mềm Adruino IDE Ứng dụng Blynk .8 PHẦN III: CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG Kit Arduino Wemos D1 R2 Cảm biến PIR 10 Relay còi báo 13 3.1 Relay 13 3.2 Còi báo 15 PHẦN IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 16 Sơ đồ khối chức hệ thống 16 Sơ đồ khối hệ thống 17 Nguyên lý hoạt động hệ thống 17 Thiết kế mạch thiết lập hệ thống với Blynk 18 4.1 Thiết kế mạch 18 4.2 Thiết lập hệ thống với Blynk 19 Mã nguồn: file mã nguồn 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 LỜI MỞ ĐẦU Những năm trở lại đây, giới dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things (IoTs), nhà thông minh trở thành xu hướng công nghệ tất yếu tiêu chuẩn nhà đại Mặc dù dựa nên tảng IoT, nhiên có nhiều cách tiếp cận khác việc thiết kế mơ hình nhà thơng minh Một số cách kể đến sử dụng máy tính nhúng Raspberry PI3, Orange Pi One, PIC, Arduino Trong đề tài em nghiên cứu : “Nhà thông minh: cảnh báo chống đột nhập sử dụng Arduino với cảm biến chuyển dựa thân nhiệt” So với cách tiếp cận khác tiếp cận đơn giản, giá thành rẻ hơn, nhiều tài liệu nghiên cứu Ngồi việc hồn thành mơn học với cơng việc cịn có ý nghĩa sâu sắc sinh viên thực Sinh viên thực hành kiến thức học từ ghế nhà trường Từ lần tiến hành thực đề tài giúp cho sinh viên làm quen với thiết bị cảm biến mà trước nằm giấy, từ tăng thêm niềm đam mê, kích thích cho sinh viên nghiên cứu sáng tạo Sau thời gian học tập nghiên cứu thực đề tài, em hoàn thành đề tài giao Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Ban giám hiệu, cán công nhân viên Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thơng giúp đỡ em suốt thời gian học tập trường Ban lãnh đạo viện thầy cô khoa công nghệ thông tin I dạy em kiến thức chuyên ngành Đặc biệt xin cảm ơn đến thầy T.S Nguyễn Tài Tuyên , người trực tiếp hướng dẫn đề tài hỗ trợ cho em nhiều kiến thức, tài liệu sở vật chất để em hồn thành tốt đề tài Thầy nhiệt tình hướng dẫn sinh viên buổi giảng dạy lớp để sinh viên hồn thành tốt tập Thầy tạo chủ để giúp cho sinh viên tiếp cận đề tài sát với thực tế Trong q trình hồn thành sản phẩm, em khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận lời góp ý thầy để rút kinh nghiệm đề tài Cuối cùng, em chúc thầy ngày thành công nghiệp giảng dạy dìu dắt thêm nhiều hệ sinh viên Sinh viên thực Hưng Phan Thiên Hưng PHẦN I: MỞ ĐẦU Đặt vấn đề lý chọn đề tài Ngày nay, xã hội ngày đại, khoa học kỹ thuật phát triển người mong muốn có nhiều thuận tiện sống để phục vụ cho sinh hoạt cơng việc Một hình thức phổ biến người trang bị cho ngơi nhà nhiều thiết bị hỗ trợ tự động phát người lạ xâm nhập; hệ thống theo dõi phát triển để từ tự động tưới nước, chất dinh dưỡng cho cây; hệ thống cảnh báo cháy mối nguy dẫn tới cháy nổ; Các hệ thống có giám sát điều khiển điện tử kết nối với Internet điện thoại di động, cho phép chủ nhân giám sát điều khiển vật dụng từ xa lập trình cho thiết bị nhà hoạt động theo lịch thời gian mong muốn Hiện với khoa học phát triển ngồi việc để điều khiển thiết bị nhà cách dùng tay, remote hồng ngoại, giám sát tình trạng thiết bị qua đèn tín hiệu,… khoảng cách gần (chỉ nơi cố định) ngày thiết bị ngơi nhà giám sát điều khiển qua app điện thoại, web, bật tắt thiết bị nhiệt độ cao (thấp), trời sáng (tối), dù ta nơi đâu Vì vậy, em tìm hiểu, nghiên cứu, chọn đề tài “cảnh báo chống đột nhập sử dụng Arduino với cảm biến chuyển dựa thân nhiệt” Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiểu hệ thống phát chuyển động điều khiển thông minh thiết bị - Tìm hiểu IOT, Kit Arduino Wemos D1 R2, cảm biến PIR (HC-SR501), relay, còi báo - Kiểm tra, đánh giá tính ứng dụng đề tài - Phương pháp nghiên cứu Trong đề tài này, em sử dụng phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp tham khảo tài liệu: cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí điện tử truy cập từ mạng Internet - Phương pháp quan sát: Khảo sát số mạch điện thực tế có thị trường tham khảo thêm số dạng mạch từ mạng Internet - Phương pháp thực nghiệm: từ ý tưởng kiến thức vốn có kết hợp với hướng dẫn từ giảng viên môn, trang điện tử Youtube, Internet, em lắp ráp thử nghiệm nhiều dạng mạch khác để từ có chọn lọc PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giới thiệu IoT 1.1 Một số khái niệm IoT Mạng lưới vạn vật kết nối Internet mạng lưới thiết bị kết nối internet viết tắt IoT kịch giới, mà đồ vật, người cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thông tin, liệu qua mạng mà không cần tương tác trực tiếp người với người, hay người với máy tính IoT phát triển từ hội tụ công nghệ không dây, công nghệ vi điện tử internet Nó đơn giản tập hợp thiết bị có khả kết nối với nhau, với internet với giới bên để thực cơng việc Hiểu cách đơn giản IoT tất thiết bị kết nối với Việc kết nối thực qua wifi, kết nối băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị đện thoại thơng minh, máy máy tính bảng, điều hịa, bóng đèn, máy giặt nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp thiết bị hàng đầu dự báo: Đến năm 2020, có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối internet, chí số cịn gia tăng nhiều IoT mạng khổng lồ kết nối tất thứ bao gồm người tồn mối quan hệ người người, người thiết bị, thiết bị thiết bị 1.2 Cơ sở kỹ thuật IoT Điểm quan trọng IoT đối tượng phải nhận biết định dạng (identifiable) Nếu thứ "đánh dấu" để phân biệt thân đối tượng với thứ xung quanh hồn tồn quản lí thơng qua máy tính Việc đánh dấu (tagging) thực thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật số Việc kết nối thực qua wifi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại Ngồi kĩ thuật nói trên, nhìn từ giới web, sử dụng địa độc để xác định vật, chẳng hạn địa IP Mỗi thiết bị có IP riêng biệt khơng nhầm lẫn Sự xuất IPv6 với không gian địa rộng lớn giúp thứ dễ dàng kết nối vào Internet kết nối với 1.3 Xu hướng phát triển giới với IoT Mặc dù có từ lâu kỷ nguyên Internet of Things thực ý bùng nổ năm gần đây, sau phát triển smartphone, tablet kết nối không dây,… Và sau nhận ý cộng đồng, IoT cho thấy tiềm với số liệu đáng kinh ngạc Là “một phát kiến quan trọng quyền lực loài người”, Cisco IBSG, nhà cung cấp giải pháp thiết bị mạng hàng đầu dự báo: Đến năm 2020, có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, bao gồm hàng tỷ thiết bị di động, tivi, máy giặt, … Để thấy phát triển lĩnh vực này, họ đưa số liệu vào năm 1984, mà Cisco thành lập có khoảng 1.000 thiết bị kết nối mạng toàn cầu, đến năm 2010, số lên mức 10 tỷ Intel, đơn vị tham gia vào thị trường sản xuất chip cho thiết bị thông minh phục vụ IoT thu tỷ USD năm 2014 từ lĩnh vực này, tăng trưởng 19% so với năm 2013 Internet of Things đến năm 2020 dự kiến đạt đến: tỷ người kết nối với nhau, ngàn tỷ USD doanh thu, 25 triệu ứng dụng,hơn 25 tỷ hệ thống nhúng thông minh 50 ngàn tỷ Gigabytes liệu Tác động IoT đa dạng, lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng tự động hóa, giao thơng… Cụ thể với lĩnh vực sản xuất - chế tạo, theo thống kê PwC, có 35% nhà sản xuất sử dụng cảm biến thông minh, 10% dự kiến sử dụng 8% có kế hoạch sử dụng thiết bị thông minh năm tới Trong lĩnh vực dầu khí, khai thác mỏ, dự kiến có 5,4 triệu thiết bị IoT triển khai sở khai thác tới năm 2020 Chủ yếu cảm biến kết nối Internet giúp cung cấp thơng tin mơi trường Dầu khí ngành công nghiệp chủ chốt ứng dụng IoT diện rộng tới năm 2020 Trong đó, xe kết nối xu hướng bật thiết bị IoT Dự tính tới năm 2020, có 220 triệu xe kết nối lưu thơng đường Về bảo hiểm, 74% lãnh đạo ngành bảo hiểm tin IoT thay đổi sách bảo hiểm năm tới, 74% có kế hoạch đầu tư phát triển thực chiến lược IoT - theo nghiên cứu SMA Research Còn với quốc phòng, chi tiêu cho thiết bị bay không người lái dự kiến đạt 8,7 tỉ USD vào năm 2020 Ngoài ra, theo dự báo Frost & Sullivan, có khoảng 126.000 robot quân triển khai vào năm 2020 Lĩnh vực nơng nghiệp khơng nằm ngồi vịng xốy IoT Dự kiến có 75 triệu thiết bị IoT triển khai lĩnh vực vào năm 2020, với tỉ lệ tăng hàng năm đạt 20% Chủ yếu cảm biến đặt lòng đất để theo dõõ̃i độ axit, nhiệt độ thông số giúp canh tác vụ mùa hiệu Vì thế, Internet of Thing chìa khóa thành cơng tương lai Bên cạnh đó, cơng nghệ khơng dây đáp ứng đa tiêu chuẩn giúp giảm giá thành mặt hàng thiết bị kết nối không dây giao thức Internet giúp thực hóa việc kết nối hàng tỷ thiết bị vào mạng lưới Internet Hiện thị trường có ngày nhiều thiết bị di động giá rẻ, cải thiện điều kiện kinh tế nhóm khách hàng Châu Á dẫn đến gia tăng theo cấp số nhân sử dụng thiết bị di động khu vực 1.4 Ứng dụng IoT IoT có nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực khác tự động hóa ngơi nhà, mua sắm thơng minh, quản lí thiết bị cá nhân, đồng hồ đo thông minh, phản hồi tình khẩn cấp, quản lí môi trường Hiện nhiều hãng, công ty, tổ chức giới nghiên cứu tảng giúp xây dựng nhanh ứng dụng dành cho IoT Đại học British Columbia Canada tập trung vào toolkit cho phép phát triển phần mềm IoT công nghệ/tiêu chuẩn Web giao thức phổ biến Cơng ty ioBridge cung cấp giải pháp kết nối điều khiển thiết bị có khả kết nối Internet, kể đèn bàn, quạt máy 1.5 Thách thức việc nghiên cứu triển khai IoT IoT số trở ngại chưa có ngơn ngữ chung Ở mức nhất, Internet mạng dùng để nối thiết bị với thiết bị khác Nếu riêng có kết nối khơng thơi khơng có đảm bảo thiết bị biết cách nói chuyện nói Để thiết bị giao tiếpvới nhau, chúng cần nhiều giao thức (protocols), xem thứ ngơn ngữ chuyên biệt để giải tác vụ Chắc chắn bạn nhiều sử dụng giao thức phổ biến giới, HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web Ngoài cịn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file Những giao thức hoạt động ổn máy chủ web, mail FTP thường khơng phải nói với nhiều, cần, phần mềm phiên dịch đơn giản đứng làm trung gian để hai bên hiểu Còn với thiết bị IoT, chúng phải đảm đương nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác Đáng tiếc người ta chưa có nhiều đồng thuận giao thức để IoT trao đổi liệu Hệ thống cảnh báo đột nhập Trước đây, nói đến cơng tác bảo vệ an ninh chống đột nhập liên tưởng đến điều thuê người làm bảo vệ nhờ đến vật nuôi để bảo vệ, Ngày với phát triển công nghiệp kỹ thuật điện tử, tự động hóa, nhấ kỹ thuật điện tử số, người tạo đượng phát minh lĩnh vực chống đột nhập Về nguyên tắc chống trộm gồm ba phần : Các sensor, sử lý trung tâm thiết bị cảnh báo Các sensor cảm biến thu thập tín hiệu sau đưa xử lý trung tâm (có nhiều loại sensor như: sensor khói, sensor từ, sensor nhiệt, sensor hồng ngoại, sensor quang, sensor học, sensor áp suất, sensor âm thanh, sensor điện ) Ở hệ thống sử dụng cảm biến hồng ngoại để phát chuyển động Bộ xử lý trung tâm phận thông tin từ sensor gửi sau xử lý, tùy theo người lập trình mà đưa phản ứng khác nhận tín hiệu Hầu hết phản ứng điều khiển trung tâm đưa thiết bị thơng báo để thơng báo tình cho người sử dụng Ở xử lý trung tâm sử dụng module ESP8266Wifi Thiết bị thông báo loa, còi, điện thoại, đèn báo Hiện chống trộm đại tích hợp nhiều chức phụ nguồn dự phòng, mật điều khiển, tắt bật từ xa qua điện thoại, tắt bật hệ thống điện kết nối tới hệ thống thông minh khác Phần mềm Adruino IDE Môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE ứng dụng đa tảng viết Java, dẫn xuất từ IDE cho ngơn ngữ lập trình xử lý dự án lắp ráp Nó bao gồm trình soạn thảo mã với tính làm bật cú pháp, khớp dấu ngoặc khối chương trình, thụt đầu dịng tự động có khả biên dịch tải lên chương trình vào board mạch với nhấp chuột Một chương trình mã viết cho Arduino gọi là"sketch" Chương trình Arduino viết C C++ Arduino IDE kèm với thư viện phần mềm gọi "Wiring" từ dự án lắp ráp ban đầu, cho hoạt động đầu vào/đầu phổ biến trở nên dễ dàng nhiều Người sử dụng cần định nghĩa hai hàm để thực chương trình điều hành theo chu kỳ Khi bật điện bảng mạch Arduino, reset hay nạp chương trình mới, hàm setup() gọi đến Sau xử lý xong hàm setup(), Arduino nhảy đến hàm loop() lặp vô hạn hàm tắt điện board mạch Arduino Dưới giao diện Adruino IDE Giao diện phần mềm Adruino IDE Ứng dụng Blynk Blynk tảng có ứng dụng iOS, Android cho phép điều khiển Arduino, Raspberry Pi, ESP8266 Bạn xây dựng ứng dụng điều khiển cách kéo, thả Widget Blynk thiết kế cho IoT, điều khiển phần cứng từ xa, hiển thị liệu cảm biến, lưu trữ liệu làm vài điều khác thú vị Có ba thành phần tảng: + Ứng dụng Blynk - cho phép tạo giao diện cho dự án cách sử dụng widget khác + Blynk Server - chịu trách nhiệm tất giao tiếp điện thoại thông minh phần cứng Chúng ta sử dụng Blynk Cloud chạy cục máy chủ Blynk riêng Nó mã nguồn mở, dễ dàng xử lý hàng nghìn thiết bị chí khởi chạy Raspberry Pi + Thư viện Blynk - dành cho tất tảng phần cứng phổ biến - cho phép giao tiếp với máy chủ xử lý tất lệnh đến lệnh Mỗi nhấn nút ứng dụng Blynk, thông điệp truyền đến không gian Blynk Cloud, tìm đường đến phần cứng hệ thống để thực thao tác yêu cầu PHẦN III: CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG Kit Arduino Wemos D1 R2 Kit Arduino Wemos D1 R2 board dùng để phát triển ứng dụng IoT thông qua mạng WiFi phổ biến Đây phiên thiết kế lại Wemos theo kích thước hình dáng board Arduino Uno, nhiên chip xử lý board chip ESP8266 nạp sẵn firmware NodeMCU để dùng với trình soạn thảo biên dịch Arduino IDE [1] Board cịn tích hợp IC CP2102, giúp dễ dàng giao tiếp với máy tính thơng qua Micro USB để thao tác với board Và có sẵn nút nhấn, led để tiện qua trình học, nghiên cứu Với kích thước nhỏ gọn, linh hoạt board dễ dàng liên kết với thiết bị ngoại vi để tạo thành project, sản phẩm mẫu cách nhanh chóng Thơng số kỹ thuật: + Nguồn: 5VDC qua cổng micro USB, ~ 12VDC qua giắc cấp nguồn DC tròn chân Vin + Chip xử lý: ESP8266 + Tích hợp mạch nạp giao tiếp UART CH340 + Tương thích với Arduino IDE + Kích thước: 66 x 53.3 x 13.5 mm Board Arduino Wemos D1 R2 thực tế Sơ đồ chân board Arduino Wemos D1 R2 Cảm biến PIR PIR sensor chữ viết tắt Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) tia nhiệt phát từ vật thể nóng Trong thể sống, ln có thân nhiệt (thông thường 37 độ C), từ thể phát tia nhiệt, hay gọi tia hồng ngoại, người ta dùng tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt dạng tín hiệu điện nhờ mà làm cảm biến phát vật thể nóng chuyển động Cảm biến gọi thụ động khơng dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà phụ thuộc vào nguồn nhiệt, thân nhiệt thực thể khác, người vật… [2] Trên mạch có cảm biến nhiệt điện tích hợp, mạch điều hịa thấu kính Fresnel hình vịm Nó có biến trở điều chỉnh thời gian trễ biến trở điều chỉnh độ nhạy Tương thích với ARDUINO, RASPBERRY PI, AVR, PIC, 8051, Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động: 4.5 ~ 20 VDC Dòng