Mô hình nhà thông minh sử dụng raspberry pi

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA: CƠNG NGHỆ THƠNG TIN NGUYỄN TẤN ĐẠT TRẦN VĂN LẬP MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH SỬ DỤNG RASPBERRY PI Ngành: Công Nghệ Thông Tin Giảng viên hướng dẫn: Th.S Phạm Thái Khanh Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng năm 2021 INDUSTRIAL UNIVERSITY OF HO CHI MINH CITY FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY NGUYEN TAN DAT TRAN VAN LAP SMART HOME MODEL USING RASPBERRY PI Major: Information Technology Instructor: Master Pham Thai Khanh Ho Chi Minh city –January 2021 Project name: SMART HOME MODEL USING RASPBERRY PI Reason for writing Smartphones are becoming more and more popular these days, as well as more robust support for cloud services That makes controlling devices via smartphones easier and more convenient For that reason, our group decided to choose the topic "Model of smart home using Raspberry Pi" There are many problems that need to be solved when implementing topics including: - Make an idea of the desired features in the house - Find out the principle and operation method of the electronic devices used in the model - Researching and perform data upload to cloud services - Research and perform control devices via smart phone - Researching and implementing data synchronization between cloud service and smart phone Methods All the devices are connected to the Raspberry Pi, which acts as the control server Device status information is sent directly by the Raspberry Pi to Google's Firebase cloud service An application showing the state of the house synchronized with realtime data from the cloud service Firebase Another control app sends control commands to the Raspberry Pi to control the device Result We have understood and built a Smart Home model that connects to the application on a smartphone, processing information in real time Conclusion "Smart home" is a topic that requires a lot of research because in a house, there are many control methods to make our house smarter But, a smart home can be single simple or complex depending on the features that the owner wants Tên đề tài: MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH SỬ DỤNG RASPBERRY PI Lý chọn đề tài Ngày điện thoại thông minh ngày trở nên phổ biến, dịch vụ cloud hỗ trợ ngày mạnh mẽ Điều khiến cho việc điều khiển thiết bị qua điện thoại thông minh trở nên dễ dàng tiện lợi Vì lý đó, nhóm chúng em định chọn đề tài “Mơ hình nhà thơng minh sử dụng Raspberry Pi” Có nhiều vấn đề cần giải thực đề tài bao gồm việc: - Lên ý tưởng tính mong muốn có ngơi nhà - Tìm hiểu ngun lý cách thức vận hành thiết bị điện tử sử dụng mơ hình - Nghiên cứu thực việc đưa liệu lên dịch vụ cloud - Nghiên cứu thực việc điều khiển thiết bị qua smart phone - Nghiên cứu thực việc đồng liệu dịch vụ cloud smartphone Phương pháp thực Tất thiết bị kết nối Raspberry Pi, nơi đóng vai trị server điều khiển Các thông tin trạng thái thiết bị Raspberry Pi gửi trực tiếp lên dịch vụ cloud Firebase Google Một ứng dụng hiển thị trạng thái nhà đồng liệu realtime với dịch vụ cloud Firebase Một ứng dụng điều khiển khác gửi lệnh điều khiển đến Raspberry Pi để điều khiển thiết bị Kết Chúng em hiểu xây dựng mơ hình Smarthome kết nối với ứng dụng điện thoại thông minh, xử lý thông tin theo thời gian thực Kết luận "Nhà thơng minh” đề tài địi hỏi nhiều thời gian nghiên cứu nhà có nhiều phương pháp điều khiển để ngơi nhà ngày thông minh Nhưng, ngơi nhà thơng minh đơn giản pức tạp tùy theo tính mà chủ nhà mong muốn LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đề tài, người thực giúp đỡ gia đình, q thầy bạn bè nên đề tài hoàn thành Những người thực xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Thầy Phạm Thái Khanh, giảng viên trường Đại Học Công Nghiệp thành phố Hồ Chí Minh trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm hoàn thành tốt đề tài Những người thực đề tài xin chân thành cám ơn đến thầy cô khoa Công nghệ thông tin trường Đại Học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh tận tình dạy dỗ, bảo, cung cấp cho người thực kiến thức nền, chuyên môn làm sở để hoàn thành đề tài Cảm ơn gia đình, bạn bè động viên ln ln bên cạnh lúc khó khăn Xin gửi lời cảm ơn đến người bạn sinh viên khoa Công nghệ thông tin giúp đỡ người thực đề tài để hồn thành tốt đề tài Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1.1 Định nghĩa nhà thông minh 1.2 Các thành phần hệ thống nhà thông minh 1.3 Những lợi ích nhà thơng minh 1.4 Những xu hướng phát triển nhà thông minh Việt Nam 1.5 Kết luận chương CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG, MƠ HÌNH 2.1 Tính tốn thiết kế hệ thống 2.2 Các thiết bị cần thiết để xây dựng mơ hình 2.2.1 Giới thiệu Raspberry Pi 2.2.2 Cảm biến khí gas MQ2 10 2.2.3 Cảm biến chuyển động 12 2.2.4 Những thiết bị kèm khác 13 2.3 Các ứng dụng dịch vụ cần thiết mơ hình 14 2.3.1 Sơ lược Firebase 15 2.3.2 Sơ lược ứng dụng “ MIT App Inventor 2” 17 CHƯƠNG TRIỂN KHAI HỆ THỐNG 19 3.1 Cài đặt hệ điều hành cho Raspberry Pi 19 3.2 Cài đặt dịch vụ Firebase 22 3.3 Lập trình để Raspberry Pi điều khiển thiết bị, gửi liệu lên Firebase 30 3.3.1 Điều khiển bật tắt đèn, quạt cho phòng khách phòng ngủ 30 3.3.2 Cảm biến nhận biết khí gas cảnh báo cho nhà bếp 33 3.3.3 Thu thập liệu nhiệt độ độ ẩm nhà 35 3.3.4 Cảm biến chuyển động cho nhà vệ sinh 36 3.4 Thiết kế ứng dụng điện thoại thông minh 37 3.4.1 Ứng dụng điều khiển đèn, quạt 37 3.4.2 Ứng dụng panel hiển thị trung tâm 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 NHẬT KÝ LÀM VIỆC 48 KẾT LUẬN 49 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2 Bo mạch phát triển lên thành máy tính mini Hình 2.3 Các kết nối Raspberry Pi 10 Hình 2.4 Cảm biến khí gas MQ2 11 Hình 2.5 Cảm biến chuyển động 12 Hình 2.6 Những thiết bị kèm khác 13 Hình 2.7 Dịch vụ Firebase 15 Hình 2.8 Ứng dụng MIT App Inventor 18 Hình 3.1 Trang web tải hệ điều hành Raspbian 19 Hình 3.2 Chọn đến đường dẫn chứa hệ điều hành Raspbian 20 Hình 3.3 Flash thẻ micro SD để cài hệ điều hành 20 Hình 3.4 Q trình flash micro SD hồn thành 21 Hình 3.5 Giao diện hệ điều hành Raspbian sau cài đặt 21 Hình 3.6 Lệnh cài đặt dịch vụ Firebase Raspbian 22 Hình 3.7 Tạo project Firebase 22 Hình 3.8 Đặt tên cho project Firebase 23 Hình 3.9 Tính phân tích liệu cho project Firebase 24 Hình 3.10 Chọn tài khoản phân tích liệu 24 Hình 3.11 Hồn thành q trình tạo project 25 Hình 3.12 Giao diện project vừa tạo 26 Hình 3.13 Tạo Realtime Database 26 Hình 3.14 Tạo data cho project 27 Hình 3.15 Cấp quyền chỉnh sửa liệu cho Raspberry Pi 27 Hình 3.16 Tạo kết nối web 28 Hình 3.17 Firebase SDK snippet 29 Hình 3.18 Database secrets code 29 Hình 3.19 Khởi tạo project App Inventor 38 Hình 3.20 Designer screen 39 Hình 3.21 Blocks screen 39 Hình 3.22 Designer screen 40 Hình 3.23 Blocks screen 41 Hình 3.24 Designer panel trung tâm 42 Hình 3.25 Nhập Firebase Token FirebaseURL 43 Hình 3.26 Blocks panel trung tâm 44 Hình 3.27 Hình ảnh thực tế ứng dụng panel trung tâm 45 Hình 3.28 Hình ảnh thực tế ứng dụng điều khiển 45 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh GPIO.output(quat,True) gasfb = {"Gas" : "On"} db.child("").child().update(gasfb) else : GPIO.output(den,False) GPIO.output(coi,False) GPIO.output(quat,False) gasfb = {"Gas" : "Off"} db.child("").child().update(gasfb) 3.3.3 Thu thập liệu nhiệt độ độ ẩm nhà Tạo file python với nội dung sau: import pyrebase import RPi.GPIO as GPIO import Adafruit_DHT config ={ "apiKey":"AIzaSyBtQ5kPObbJLXREUD0YSaEJ3ob7QBb5QmY", "authDomain":"nhietdodoam-95a3b.Firebaseapp.com", "databaseURL":"https://nhietdodoam-95a3b.Firebaseio.com", "storageBucket":"nhietdodoam-95a3b.appspot.com", } Firebase = pyrebase.initialize_app(config) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 35 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh db = Firebase.database() DHT_SENSOR = Adafruit_DHT.DHT11 DHT_PIN = 12 while True: humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(DHT_SENSOR, DHT_PIN) temp = {"Temp" : "{0:0.1f}".format(temperature)} db.child("").child().update(temp) hum = {"Humidity" : "{0:0.1f}".format(humidity)} db.child("").child().update(hum) print("Nhiet do={0:0.1f}*C Do am={1:0.1f}%".format(temperature, humidity)) 3.3.4 Cảm biến chuyển động cho nhà vệ sinh Tạo file python với nội dung sau: import RPi.GPIO as GPIO import pyrebase config ={ "apiKey":"AIzaSyBtQ5kPObbJLXREUD0YSaEJ3ob7QBb5QmY", "authDomain":"nhietdodoam-95a3b.Firebaseapp.com", "databaseURL":"https://nhietdodoam-95a3b.Firebaseio.com", "storageBucket":"nhietdodoam-95a3b.appspot.com", } Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 36 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh Firebase = pyrebase.initialize_app(config) db = Firebase.database() chuyendong=13 dentolet=20 GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(chuyendong, GPIO.IN) GPIO.setup(dentolet, GPIO.OUT) while True: i = GPIO.input(chuyendong) if i == 0: GPIO.output(dentolet,False) tolet = {"Tolet" : "Off"} db.child("").child().update(tolet) else: GPIO.output(dentolet,True) tolet = {"Tolet" : "On"} db.child("").child().update(tolet) 3.4 Thiết kế ứng dụng điện thoại thông minh 3.4.1 Ứng dụng điều khiển đèn, quạt Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 37 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh Truy cập vào địa web: http://ai2.appinventor.mit.edu/ đăng nhập tài khoản Google Sau đăng nhập ta nhấn vào “Start new project”, đặt tên project ấn “OK” Hình 3.19 Khởi tạo project App Inventor Thiết kế screen nhập thông tin địa máy chủ với designer blocks sau: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 38 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh Hình 3.20 Designer screen Hình 3.21 Blocks screen Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 39 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh Thiết kế screen với nút điều khiển bật tắt đèn sau: Hình 3.22 Designer screen Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 40 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh Hình 3.23 Blocks screen Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 41 Mơ Hình Nhà Thông Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh 3.4.2 Ứng dụng panel hiển thị trung tâm Tải extension FirebaseAuth trang web https://community.thunkable.com/t/free-Firebase-authentication-v-3-0-updatelink/8543?fbclid=IwAR0mD9UBWgItUuGS3v5jBHYqzpvtKa1SoK41U4Ka0qsDwY-URyzpUeKCEM Import extension vừa tải vào App inventor Thiết kế giao diện ứng dụng sau: Hình 3.24 Designer panel trung tâm Nhập Firebase Token FirebaseURL có lúc tạo bước mục 3.2: Firebase Token: HVdGY74AMtWtZhHN6o2gOP2AtPD5Z6UpDpeAyWGq FirebaseURL: “https://nhietdodoam-95a3b.Firebaseio.com” Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 42 Mơ Hình Nhà Thông Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh Hình 3.25 Nhập Firebase Token FirebaseURL Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 43 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh Hình 3.26 Blocks panel trung tâm Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 44 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh Sau hoàn thành việc tạo ứng dụng, ta chọn “Build” “App(save apk to my computer)” để tạo ứng dụng chạy điện thoại thông minh hệ điều hành android Một số hình ảnh ứng dụng sau hồn thành Hình 3.27 Hình ảnh thực tế ứng dụng panel trung tâm Hình 3.28 Hình ảnh thực tế ứng dụng điều khiển Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 45 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh Trang 46 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bách khoa toàn thư mở https://vi.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi [2] Trang diễn đàn công nghệ tinh tế https://tinhte.vn/thread/co-ban-cach-cai-datraspbian-cho-anh-em-moi-bat-dau-dung-raspberry-pi.3004307/ [3] Trang Mắt Bão https://wiki.matbao.net/Firebase-la-gi-giai-phap-lap-trinh-khongcan-backend-tu-google/ [4] Trang thông tin Trải Nghiệm Số https://trainghiemso.vn/app-inventor-la-gi/ [5] https://vngiotlab.github.io/vbluno/vi/mydoc_mobile_tut3_vi.html [6] https://www.youtube.com/watch?v=Lg9fFpvXLDY&list=LL&index=1&t [7] https://www.youtube.com/watch?v=s39zxcfQug4&list=LL&index=2&t [8] https://www.youtube.com/watch?v=x10ndPdM6Vc&list=LL&index=3 [9] https://docs.particle.io/assets/datasheets/electronsensorkit/MQ-2.pdf Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 47 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh NHẬT KÝ LÀM VIỆC Tuần Từ ngày Đến ngày 05/10/2020 11/10/2020 Nội dung Tìm hiểu đề tài nhà thông minh mua thiết bị cần thiết 12/10/2020 18/10/2020 Tìm hiểu chức năng, cách thức hoạt động thiết bị sử dụng 19/10/2020 25/10/2020 Thực đoạn code bản, vận hành thiết bị 26/10/2020 08/11/2020 Tìm hiểu sở liệu Firebase Cách thức truyền liệu từ Raspberry Pi lên Firebase Chỉnh sửa code vận hành thiết bị truyền liệu lên Firebase 09/11/2020 15/11/2020 Tìm hiểu MIT App Inventor Viết ứng dụng điều khiển đèn, quạt 16/11/2020 29/11/2020 Tìm hiểu cách truyền liệu theo thời gian thực từ Firebase MIT App Inventor Viết ứng dụng panel trung tâm 30/11/2020 06/12/2020 Hồn thiện, lắp ráp mơ hình 07/12/2020 13/12/2020 Báo cáo trước giáo viên hướng dẫn, chuẩn bị file báo cáo Sinh viên thực hiện: 14/12/2020 20/12/2020 Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Hoàn thiện file báo cáo Trang 48 Mơ Hình Nhà Thơng Minh Sử Dụng Raspberry Pi GVHD: Th.S Phạm Thái Khanh KẾT LUẬN 1.Kết đạt Sau tìm hiểu, phân tích, thiết kế xây dựng mơ hình, chúng em hiểu xây dựng mơ hình Smarthome kết nối với ứng dụng điện thoại thông minh, xử lý thông tin theo thời gian thực Tuy nhiên, kiến thức lực hạn hẹp, ứng dụng chúng em nhiều thiếu sót hạn chế Các chức chưa hồn thiện tốt cịn thiếu, hoạt động ứng dụng chưa tối ưu server chưa kết nối mạng internet Hướng phát triển Trong tương lai, ứng dụng phát triển hồn thiện tối ưu cho người dùng tự tuỳ chỉnh thiết bị nhà, phân cấp người dùng phổ thông người dùng quản trị, tinh chỉnh giao diện thân thiện với người dùng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt Trần Văn Lập Trang 49