Thiết kế hệ thống smart home bằng kit raspberry pi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG SMART HOME BẰNG KIT RASPBERRY PI Ngành: KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Giảng viên hướng dẫn : Th.s Phạm Thúy Oanh Sinh viên thực : Phạm Nguyễn Trung Hiếu TP Hồ Chí Minh, 2013 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành cơng mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp ngƣời khác Sau năm học học tập, đồ án tốt nghiệp em đƣợc hoàn thành tốt đẹp theo thời gian quy định Việc đạt đƣợc kết nhƣ không nỗ lực thân mà cịn có quan tâm, động viên, giúp đỡ từ gia đình, bạn bè dạy tận tình giáo viên hƣớng dẫn, quý thầy cô trƣờng Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô Khoa Điện Tử Viễn Thông – Trƣờng Đại Học Giao Thơng Vận Tải TP Hồ Chí Minh với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trƣờng Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn giáo viên hƣớng dẫn cô Phạm Thúy Oanh, ngƣời tận tận tình giúp đỡ em suốt trình học tập làm đồ án để em bổ sung kiến thức cho thân nhằm phục vụ cho việc hoàn thiện đồ án tốt nghiệp Đồ án đƣợc thực khoảng thời gian gần tháng Bƣớc đầu vào thực tế, tìm hiểu lĩnh vực sáng tạo công nghệ nay, kiến thức em hạn chế nhiều bỡ ngỡ Do vậy, khơng tránh khỏi thiếu sót điều chắn, em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q báu q Thầy Cơ Ban Hội đồng để kiến thức em lĩnh vực đƣợc hồn thiện Sau cùng, em xin kính chúc q Thầy Cô Khoa Điện Tử Viễn Thông nhƣ tồn thể thầy trƣờng Đại học Giao Thơng Vận Tải thành Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi phố Hồ Chí Minh thật dồi sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực sứ mệnh cao đẹp truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau Trân trọng Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan : Toàn nội dung đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống Smart Home Kit Raspberry Pi “ tự học tập từ giảng môn học Quý thầy cô, nghiên cứu Internet, sách báo, tài liệu nƣớc có liên quan Khơng chép hay sử dụng làm khác Cũng nhƣ ,các số liệu, trích dẫn kết nêu luận văn tốt nghiệp trung thực Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm lời cam đoan trƣớc Quý thầy nhà trƣờng TP Hồ Chí Minh , ngày 23 tháng năm 2013 Ngƣời Cam đoan Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT V DANH MỤC BẢNG VII DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: HỆ THỐNG SMART HOME 1.1 Giới thiệu hệ thống Smart Home 1.2 Những tính ƣu việt Smart Home 1.3 Giải pháp Smart Home Việt Nam 12 CHƢƠNG 2: KIT RASPBERRY PI VÀ CÁC SENSOR CẦN THIẾT 14 2.1 Giới thiệu Kit Raspberry Pi 14 2.2 Thông số cấu tạo phần cứng 16 2.2.1 Bộ xử lý trung tâm 16 2.2.2 Composite video 18 2.2.3 HDMI 20 2.2.4 Kết nối âm 21 2.2.5 Kết nối bàn phím chuột 22 2.2.6 Wire networking 23 i Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi 2.2.7 Kết nối nguồn 25 2.2.8 Đầu kết nối GPIO 26 2.3 Cấu Hình cho Kit Raspberry Pi 27 2.3.1 Cài đặt qua internet BerryBoot 27 2.3.2 Cài đặt từ file image Linux 28 2.3.3 Cách chạy SSH 34 2.4 Ngơn ngữ lập trình Python 39 2.4.1 Giới thiệu Python 39 2.4.2 Các câu code Python chuyên dùng cho Raspberry – GPIO 41 2.5 Các Sensor cần thiết 44 2.5.1 Đầu thu khói SD – 412 44 2.5.2 Cảm biến đóng mở cửa 46 2.5.3 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 48 CHƢƠNG 3: TRIỂN KHAI MÔ HÌNH THỰC TẾ 50 3.1 Mơ Hình tổng qt 50 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 51 3.1.2 Lập trình python cho tồn hệ thống 53 3.2 Hệ thống cảnh báo đóng mở cửa 58 3.2.1 Ý tƣởng thực 58 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý 59 3.2.2.1 Mạch cảm biến cửa tạo tín hiệu đầu vào chân Input 59 3.2.2.2 Mạch chuông báo hiệu 60 ii Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi 3.2.3 Lƣu đồ giải thuật hệ thống cảnh báo đóng mở cửa 62 3.3 Hệ thống báo cháy 63 3.3.1 Ý tƣởng thực 63 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống báo cháy 64 3.3.2.1 Mạch cảm biến khói tạo tín hiệu ngõ vào 64 3.3.2.2 Mạch chuông báo động ngõ Output GPIO 65 3.3.3 Lƣu đồ giải thuật hệ thống cảnh báo cháy 66 3.4 Hệ thống đo nhiệt độ 67 3.4.1 Ý tƣởng thực 67 3.4.2 Sơ đồ mạch nguyên lý hoạt động 69 3.4.3 Lập trình Python cho hệ thống cảm biến nhiệt 71 3.5 Điều khiển contactor đèn contactor tổng 75 3.5.1 Ý tƣởng thực 75 3.5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch 76 3.5.2.1 Mạch điều khiển đèn điện 220V 76 3.5.2.2 Mạch điều khiển contactor tổng 220V 77 3.5.3 Cách vận hành điều khiển 77 CHƢƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN BẰNG WEB 79 4.1 Ý tƣởng thực 79 4.2 Giới thiệu Webiopi 80 4.3 Cài đặt cấu Hình cho Webiopi 80 iii Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi CHƢƠNG 5: TỔNG KẾT 85 5.1 Ƣu điểm – khuyết điểm 85 5.2.1 Ƣu điểm 85 5.2.2 Khuyết điểm 85 5.2 Hƣớng phát triển mở rộng đề tài 86 KẾT LUẬN 88 iv Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A ARM Acorn RISC Machine D DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DVI Digital Visual Interface G GND Gemeinsame Normdatei GPIO General-purpose input/output H HDMI High-Definition Multimedia Interface I I2C Inter-Integrated Circuit IP Internet Protocol M MISO Master Out Slave Out MOSI Master Out Slave In R RCA Radio Corporation of America v Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi S SCL Serial Clock SCKL Serial Clock SD Secure Digital SDA Serial Data Line SoC System on a Chip SPI Serial Perippheral Interface SSH Secure Shell U USB Universal Serial Bus V VGA Video Graphics Array vi Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi nhà Việc điều khiển phần mềm website ngƣời có nhu cầu điều khiển giám sát nhà từ xa Với ý tƣởng trên, đề tài em có thiết kế hệ thống điều khiển bật tắt đèn công tắc tổng để mô việc điều khiển tất thiết bị điện khác nhà theo nguyên lý Và việc điều khiển đƣợc thực cách truy cập vào website riêng internet 3G máy tính thiết bị điện thoại thông minh 3.5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch 3.5.2.1 Mạch điều khiển đèn điện 220V Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển đèn 220V SVTH: P N Trung Hiếu Page 76 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi 3.5.2.2 Mạch điều khiển contactor tổng 220V Hình 3.15 Sơ đồ ngun lí mạch điều khiển contactor tổng 3.5.3 Cách vận hành điều khiển Hệ thống điều khiển đèn contactor tổng đƣợc xây dựng nguyên lý sử dụng website để thực việc điều khiển Cụ thể đề tài , em triển khai cài đặt webiopi cho Raspberry Pi Trên web có hỗ trợ hàm để ngƣời dùng kiểm soát đƣợc chân GPIO Sau kết nối chân GPIO Raspberry Pi với board mạch hệ thống nhƣ Hình trên, mạch hoạt động theo nguyên lý sau : ngƣời dùng kết nối với website riêng cho nhà mình, thiết lập chân GPIO theo dạng output nâng mức tín hiệu lên mức cao để kích thích mạch contactor mạch đèn Khi chân GPIO Output cấp mức điện áp 3,3 V làm kích dẫn opto 4N35, chân opto đƣợc tiếp mass, phân cực cho SVTH: P N Trung Hiếu Page 77 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi transistor dẫn làm kích hoạt relay, lúc tiếp điểm relay chạm làm đèn sáng đóng contactor Ngƣợc lại muốn tắt đèn mở contactor, ta cần thao tác website đƣa mức tín hiệu xuống thấp optop se ngƣng dẫn, làm cho transistor ngƣng dẫn, relay không hoạt động, tiếp điểm relay mở làm hở dòng nên đèn tắt contactor ngắt Ngoài đèn contactor tổng, hệ thống điều khiển thiết bị điện khác với nguyên lý khác SVTH: P N Trung Hiếu Page 78 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi CHƢƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN BẰNG WEB 4.1 Ý tƣởng thực Hình 4.1 Điều khiển nhà bắng thiết bị cầm tay Ngày nay, ngƣời dƣờng nhƣ bận rộn với công việc nhiều, phải thƣờng xuyên vắng nhà, chuyến công tác hay đơn giản việc phải làm trễ Và vấn đề mà tất ngƣời muốn biết tình Hình nhà minh nào? Hiện việc hồn tồn khơng khó hệ thống camera giám sát mà họ truy nhập qua internet 3G từ đâu Không giám sát dự án ngơi nhà thơng minh, gia chủ cịn có khả điều khiển ngơi nhà từ đâu Với phát triển hệ thống viễn thơng nhƣ mạng máy tính, gần nhƣ 3G internet có mặt tồn giới Từ ý tƣởng thực trang web riêng gắn liền với hệ thống nhà thông minh đƣợc em thực đề tài Tình giả định sau ngày làm mệt mởi muốn nhà phải thật mát mẻ nhiệt độ 20oC đến nhà.Thật dễ dàng, ta cần truy nhập vào website nhà SVTH: P N Trung Hiếu Page 79 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi bắt đầu thao tác nhƣ đóng cửa sổ lỗ thơng gió bật máy điều hịa Hoặc ta khỏi nhà khơng nhớ tắt dèn, tắt ti vi chƣa, khơng cần lo lắng hay vịng nhà kiểm tra, với vài thao tác website biết đƣợc thực trạng nhà điều chỉnh theo ý muốn Từ thấy đƣợc việc có trang web phần mềm giúp ngƣời dùng giám sát điều khiển nhà từ xa hoàn toàn cần thiết đề tài này, em sử dụng Webiopi để điều khiển nhà thông qua internet 4.2 Giới thiệu Webiopi WebIOPi gói ứng dụng bao gồm web server giao diện web bẳn có tích hơp đầy đủ hàm điều khiển cho phép điều khiển GPIO Raspberry Pi cách dễ dàng Đây gói ứng dụng cộng đồng Raspberry Pi giới xây dựng phát triển Ngƣời dùng cần cài đặt Raspberry Pi sử dụng trình duyệt từ mạng để bắt đầu sử dụng GPIO mà khơng cần viết dịng lệnh Đây điểm khởi đầu tốt cho việc điều khiển từ xa Thậm chí Webiopi cịn hỗ trợ để ngƣời dùng thực việc tùy chỉnh giao diện xây dựng ứng dụng web theo ý thích mục đích sử dụng cá nhân 4.3 Cài đặt cấu Hình cho Webiopi Bƣớc 1: Download , giải nén cài đặt Webiopi ~$ wget http://webiopi.googlecode.com/files/WebIOPi-0.6.0.tar.gz ~$ tar xvzf WebIOPi-0.6.0.tar.gz SVTH: P N Trung Hiếu Page 80 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi ~$ cd WebIOPi-0.6.0 ~$ sudo /setup.sh Bƣớc 2: Khởi động Webiopi ~$ sudo /etc/init.d/webiopi start Bƣớc 3: Ở máy tính khác mạng với Raspberry ta mở web browser ví dụ Internet Explorer, address ta gõ http://192.168.1.104:8000 192.168.1.104 địa IP tĩnh mà ta cài đặt trƣớc cho Raspberry 8000 địa port mặc định Webiopi Sau xuất bảng: Hình 4.2 Đăng nhập Webiopi SVTH: P N Trung Hiếu Page 81 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi User mặc định webiopi password mặc định raspberry Sau nhấp vào “OK” Web browser hiển thị: Hình 4.3 Giao diện Webiopi Tại giao diện ta chủ yếu quan tâm đến mục GPIO Header, nơi giúp co thể điều khiển chân GPIO theo ý muốn SVTH: P N Trung Hiếu Page 82 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi Hình 4.4 Giao diện GPIO Header Trong giao diện GPIO Header thể đầy đủ 26 chân GPIO, với nút IN/OUT để ngƣời dùng tùy chỉnh trạng thái cho chân GPIO ngõ vào (Input GPIO) hay ngõ (Output GPIO) Đồng thời ô đƣợc đánh số từ đến 26 để ngƣời dùng trực tiếp tùy chỉnh mức logic cao thấp Tƣơng tác webiopi Kit Raspberry Pi tƣơng tác qua lại hai chiều Chúng ta tùy chỉnh web để tác động đến hoạt động trạng thái chân GPIO, đồng thời ta lập trình cho chân GPIO chạy theo chƣơng trình định sẵn, trạng thái nhƣ tình Hình hoạt động chân GPIO đƣợc cập nhật thể website Đây sở để ta thiết kế trang web nhằm mục đích giám sát điều khiển nhà thơng minh SVTH: P N Trung Hiếu Page 83 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi Hình 4.5 Giao diện web đƣợc thiết kế lại SVTH: P N Trung Hiếu Page 84 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi CHƢƠNG 5: TỔNG KẾT 5.1 Ƣu điểm – khuyết điểm 5.2.1 Ưu điểm Đề tài có tính ứng dụng thực tế cao đáp ứng đầy đủ tiện ích quan trọng thiếu nhà thông minh Việt Nam Hệ thống sử dụng xử lý trung tâm Kit Raspberry Pi nên đáp ứng đƣợc yêu cầu tiết kiệm lƣợng toàn Kit vận hành với điện áp 1.5V dòng 700 mA tƣơng đƣơng với pin tiểu Hệ thống chạy ổn định thử nghiệp thực tế thời gian dài Sử dụng xủa lý trung tâm Raspberry Pi có cấu Hình tƣơng đối cao nhiều port giao tiếp hỗ trợ, giúp hệ thống dễ dàng mở rộng, nâng cấp xử lí cố module gặp trục trặc 5.2.2 Khuyết điểm Do thời gian không cho phép nên đề tài chƣa thể chỉnh chu phần thiết kế web nhằm hƣớng tới giao diện thân thiện cho ngƣời dùng Tính thẩm mĩ mơ Hình cịn chƣa cao Hầu hết ngun vật liệu mơ Hình sử dụng đồ cũ nên chƣa thể hết tính ƣu việt đề tài SVTH: P N Trung Hiếu Page 85 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi 5.2 Hƣớng phát triển mở rộng đề tài Với module báo cháy mở rộng trực tiếp kích hoạt hệ thống thủy lợi gia nhƣ phun nƣớc để chữa cháy, kết nối đến quan phòng cháy chữa cháy lớn gần để hỗ trợ, đồng thời gửi tin nhắn đến điện thoại gia chủ thông qua module GSM có cố cháy nổ nhà Với module đóng mở cửa mở rộng trực tiếp kết nối đến lực lƣợng an ninh gần để báo động qua internet gửi tin nhắn đến điện thoại di động gia chủ qua module GSM có bát kì xâm phạm ý muốn chủ nhà Với module đo nhiệt độ có thêm thời gian, đề tài mở rộng để kết nối với hệ thống báo cháy, nhiệt độ nhà lên đến 50oC tạo tín hiệu cảnh báo cho hệ thống báo cháy Khơng thế, module đo nhiệt độ cịn kết nối tới hệ thống điều hịa để ngƣời dùng giám sát điều chỉnh môi trƣờng sống nhà Với module điều khiển từ xa thơng qua website cần mở rộng thêm cách thiết kế giao diện thân thiện cho ngƣời dùng Đồng thời xây dựng thêm ứng dụng web để tiện cho việc giám sát điều khiển nhà thơng minh Ngồi việc chun sâu với module có, đề tài cịn mở rộng theo hƣớng tích hợp thêm module khác nhằm hƣớng đến mục tiêu tăng tính ứng dụng thực tế đề tài phát triển thành sản phẩm thị trƣờng Cụ thể tích hợp camera ip nhằm giúp cho việc giám sát SVTH: P N Trung Hiếu Page 86 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi đƣợc hiệu hơn, tăng cƣờng cảm biển rị rỉ gá kiểm sốt hệ thống thủy lợi SVTH: P N Trung Hiếu Page 87 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu thi công, đề tài “Thiết kế hệ thống Smart Home Kit Raspberry Pi” đƣợc hoàn thành thời điểm quy định nhà trƣờng Nhƣng kiến thức thân cịn nhiều thiếu sót, nhƣ tình Hình tài có hạn, nên đề tài khơng thể tránh đƣợc thiếu sót Tuy nhiên yêu cầu cần thiết đƣợc em thực đầy đủ Em cho đƣợc thành phẩm mô Hình mơ ngơi nhà thơng minh với đầy đủ module báo cháy, báo trộm, điều khiển thiết bị điện từ xa qua internet, đo nhiệt độ Toàn hệ thống hoạt động mục tiêu yêu cầu đề chạy cách ổn định Đối với module cảnh báo đóng mở cửa:  Khi đóng cửa : đèn led hệ thống cảnh báo đóng mở cửa tắt, đồng thời chuông không kêu  Khi mở cửa: đèn led hệ thống cảnh báo đóng mở cửa sáng, đồng thời chuông báo động kêu chng đƣợc tắt cách điều khiển web qua máy tính điện thoại có kết nối internet 3G Đối với module cảnh báo cháy:  Khi khơng có khói cháy : đèn led hệ thống cảnh báo cháy cửa tăt, đồng thời chuông khơng kêu nhƣ Hình  Khi có khói cháy : đèn led hệ thống cảnh báo cháy sáng, đồng thời chng báo động kêu chng đƣợc tắt cách SVTH: P N Trung Hiếu Page 88 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi điều khiển web qua máy tính điện thoại có kết nối internet 3G Đối với module đo nhiệt độ :  Nhiệt độ đƣợc đo hiển thị qua led đoạn dƣới dạng chữ số nguyên theo độ C, đồng thời có hiển thị web Đối với module điều khiển đèn contactor tổng từ xa:  Đèn contactor tổng đƣợc điều khiển contactor chấu mô Hình Đồng thời hai thiết bị đƣợc bật/tắt web qua điện thoại Riêng contactor tổng tắt ngắt nguồn lƣới điện 220 VAC nên đèn hoạt động SVTH: P N Trung Hiếu Page 89 MSSV: 0951040029 Thiết kế hệ thống Smarthome Kit Raspberry Pi TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh: https://code.google.com/p/raspberry-gpio-python/ https://code.google.com/p/webiopi/ Eben Upton, Gareth Halfacree Raspberry Pi User Guide, 06/2013, http://www.myraspberry-pi.org/wpcontent/uploads/2013/02/Raspberry.Pi_.User_.Guide_.pdf Jennifer Robbins (2012) Learning Web Design: A Beginner’s Guide to HTML, CSS, JavaScript, and Web Graphics O'Reilly Media Simon Monk Adafruit's Raspberry Pi Lesson GPIO Setup, 06/2013, http://learn.adafruit.com/downloads/pdf/adafruits-raspberry-pi-lesson-11ds18b20-temperature-sensing.pdf Tài liệu tiếng Việt: http://www.dientuvietnam.net/forums/forum.php http://www.smarthome.com.vn Nguyễn Thành Nam, Lê Hồng Việt, Lƣơng Trọng Đức Bài dẫn Python 09/2006, http://vithon.org/tutorial/2.5/tut.html PGS TS Đặng Văn Chuyết (2009) Giáo trình kỹ thuật mạch điện tử Giáo dục SVTH: P N Trung Hiếu Page 90 MSSV: 0951040029