Thiết kế hệ thống điện cho ngôi nhà thông minh

Thiết kế hệ thống điện cho ngôi nhà thông minh Thiết kế hệ thống điện cho ngôi nhà thông minh Thiết kế hệ thống điện cho ngôi nhà thông minh Thiết kế hệ thống điện cho ngôi nhà thông minh Thiết kế hệ thống điện cho ngôi nhà thông minh Thiết kế hệ thống điện cho ngôi nhà thông minh

eer Bene Tee TRUONG DAI HQC VINH wee ng ng eer Eee VIEN KY THUAT VA CONG NGHE Dan ti mm i ñfe lỄe a Đề t THIẾT KÉ HỆ THĨNG ĐIỆN CHO NGƠI NHÀ THƠNG: MINH Giảng viên hướng dẫn Cán phản biện Sinh viên thực MSSV Lớp : : : : : Trần Đình Dũng Tss Nguyễn Tiến Dũng Phạm Văn Anh 135D5103010065 54K1 - CNKT Điện, Điện tử š MUC LUC MO DAU CHƯƠNG TONG QUAN VI È NGÔI NHÀ THONG MINH 1.1 Khái quát nhà thông minh 12 u nhược điểm nhà thông minh 1.3 Nhiệm vụ đỗ án CHƯƠNG GIỚI THIỆU BOARD ĐIÊU KHIỂN VÀ CÁC MODULE: GIAO TIEP CAM BIEN DÙNG TRONG MƠ HÌNH 2.1 Tổng quan board điều khién Arduino 2.2 Module buletooth HC05 2.3 Module wifi esp8266-NodeMCU V2 2.4 Cam bién chuyén dong PIR 2.5 Cảm biến ánh sán, 2.6 Nguồn xung(nguồn tố ong) 2.7 Module giảm áp LM2596 CHUONG THIET KE MO HINH NGÔI NHÀ THÔNG M 3.1 Yêu cầu toán 3.2 Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống 3.4.Thiế 3.5 kế phần cứng Chương trình điều khiểi KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO MO DAU Với phát triển công nghệ nay, việc đáp ứng nhu cầu thực tế sống ngày cao người khơng cịn việc khó khăn Nhà thơng minh sản phẩm có từ kết hợp mềm dẻo thiết bị điện phần mềm chuyên dụng để đem lại cho người sống tiện nghỉ, hoản hảo Xuất phát từ bắt cập đề đáp ứng nhu cầu thực tế sống nên em chọn đề tài tốt nghiệp là: Xáảy dụng mơ hình ngơi nhà thơng minh, với ước mong phần đưa kiến thức học từ ghế nhà trường tìm hiểu qua internet, xây dựng lên mơ hình ngơi nhà thơng minh Từ phát triển thêm để áp dụng vào thực tế sống, biến ngơi bình dân Việt Nam với phương cách điều khiển thủ công trở thành điều khiển từ xa, tiện lợi, thông minh đễ áp dụng giả phải trả có lẽ phù hợp với túi tiền người Nội dung đồ án chia làm phan chinh: ~ Chương 1: Trinh bày khái qt nhà thơng mình, ưu nhược điểm nhà thơng minh thị trường từ đưa nhiệm vụ đỗ án ~ Chương 2: Giới thiệu module cảm biến ứng dụng nhà thông minh ~ Chương 3: Thiết kế mơ hình ngơi nhà thơng minh Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo Trần Đình Dũng tận tình hướng, dẫn, bảo, tạo điều kiện suốt thời gian qua để em hoàn thành đồ án Em mong nhận đóng góp thầy bạn để đỗ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm CHUONG TONG QUAN VE NGOLNHA THONG MINH 1.1 Khái quất nhà thông minh: Theo khái niệm tài liệu Bách khoa toàn thư mở wikipedia: Nhà thong (tiếng Anh: Smart - Home Intelligent - Home) kiều nhà lắp đặt thiết bị điện, điện từ có tác dụng tự động hồn tồn bán tự động thay người thực thao tác quản lý, điều khiển Như vay, theo định nghĩa trên, tir “thong minh” chi có nghĩa đơn giản hóa thao tác người sử dụng, tạo môi trường tiện ích chưa đạt đến ý nghĩa suy luận, hỗ trợ định người Trong nhà thơng minh, đồ dùng nhà từ phịng ngủ, phịng khách đến toilet gắn điều khiển điện tử thể kết nối với internet điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa lập trình cho thiết bị nhà hoạt động theo lịch Thêm vào đó, đồ gia dụng hiểu ngơn ngữ có khả tương tác với Như vậy, ngơi nhà thơng minh có cắp thơng minh sau: Cấp I: Tạo nên tiện lợi cho chủ nhân nhà: lại tận nơi thiết bị điện để bật tắt mà có thẻ điều khiển quản lý cách tổng thể thông qua giao diện người dùng không bị giới hạn không gian Cấp 2: Các hệ thống tự động hoạt động, phối hợp với hay nhắc nhở cho chủ nhân trạng thái nhà Phát triển nữa, hệ thống huấn luyện qua hoạt động thực tế, qua phát triển tính ưu việt so với việc lập trình, cài đặt ban đầu 1.2 Ưu nhược điễm ngơi nhà thơng 1.2.1.Uu điềm Nhà thơng minh ~ Điểu khiển kiểm sốt - thiết bị điện nhà giao diện người dùng bắt kỳ nơi tắt -_ nhà khó khăn hơn, phải khiển chúng, Việc điều khiển bị giới hạn không gian hoạt động theo lịch: lúc nên bật ệt độ Điều khiển việc kiểm soát thiết tới thiết bị điện nhà để điều Có thể lập trình cho ác thiết bị đèn, bật điều hòa tăng giảm nÌ Nhà bình thường - Cae thiết bị ko thể hoạt động theo lịch đặt trước ~_ Các thiết bị có thê hiểu ngơn ngữ _ - Các thiết bị hoạt động độc lập ko thê tương tác với nhau: tương tác với phát người phòng tự động bậttắt đèn, nấu an nhiệt độ bếp tăng lên quạt tự động bật thông giỏ ~_ - nhớ tự pháp triển tính q Hệ thống có khả tự hiểu, tự phát triển tính qua trình hoạt Các thiết bị khơng có kha nang ghi trình hoạt động động Giải phóng hoạt động người: Với nhà thông minh, hoạt động người giám đáng kể: Quạt thông gió tự động mở nấu ăn, đèn tự động tắt có người khỏi bếp cịi hú hay chng điện thoại reo có nguy xây hỏa hoạn Mọi thứ đơn giản đễ dàng Hệ thông kết nối thiết bị phối hợp hoạt động cách hoàn hảo cho hoàn cánh cụ thể Tăng tiện ich cho sống: Lệ thống chng cửa có hình, hệ thống Camera, tất hệ thống khác giúp người thuận tiện dễ dàng quan sát, điều khiển thiết bị lúc nơi, du lịch Chủ nhân ngơi nhà quản lý khơng gian với phím bắm đặt cảnh sẵn, ví dụ việc đọc sách, điều chỉnh độ sáng nhà, tắt thiết bị điện cần ngồi chỗ bắm nút điều khiễn lo cảm giác thoải mái, tiện nghỉ: Với nhà thông minh việc điều khiển thiết bị điện trở nên để đàng thú vị Chủ nhân mắt ng ghi nhớ vị trí cơng tắc, hay khắp tẳng để bật tắt, điều chỉnh thiết bị hệ thống én thông thường Chỉ nút bấm đưa thiết bị điện trạng thái đặt trước như: Tiếp khách, nghỉ ngơi, giải tri hay ăn tối ‘Tang tính an tồn, an ninh cho tai sản sống: Khi nhà xảy cổ bị đột nhập có nguy cha _ pháp Nhà thơng tự động bật đèn, còi hú đồng thời gọi điện cho chủ nhân hay báo cho công an, cứu hỏa chủ nhân nhà yêu cầu Các phương thức báo động tùy thuộc vào ý tưởng của việc lập trình Với tính an ninh, nhập pháp Nhà thông minh ngăn chặn kẻ đột chủ nhân vắng hay ngủ say Các hệ thống thông minh phối hợp hoạt động như: Camera giám sát, thiết bị hồng ngoại Nâng cao vị cho chủ nhân nhà thông minh Việc sở hữu nhà với tỉnh ưu việt giúp cho chủ nhân ngơi nhà khẳng định vị thể Tiết kiệm điện tiền của: Nhờ khả kiểm soát tất thiết bị điện nhà, điện tiêu thụ tiết kiệm rõ rệt Chẳng hạn với mức độ sáng đèn 50%, 75%, 100% tiết kiệm lượng điện đáng kể đồng thời kéo dài tuổi thọ bóng Ngồi với hệ thống an ninh, an tồn cố cháy nô hay trộm cắp ngăn chặn đảm bảo an tồn cho tải sản gia đình xã hội Dễ dàng lắp đặt sử dụng: Với giải pháp lắp đặt hệ thống điện thông minh, mở rộng, cải tạo chức nhà mà không sợ ảnh hưởng đến việc bố trí nội thất, có thẻ tiết kiệm tối đa 30% lượng dây dẫn, giảm tối đa việc đục tường day.V6i nhiều công nghệ vi gắn thêm thiết bị điện thông minh đến thiết bị điện gia đình khơng có dễ dàng với việc cắm phích điện Việc sử dụng thiết bị điều khiển Panel gắn tường, hay điều khiển từ xa thật đễ dàng chơi Game 1.2.2 Nhược điểm Phụ thuộc vào hiểu biết người dùng: Với việc sử dụng hệ thống cơng nghệ cao địi hỏi chủ nhân ngơi nhà phải thục cách sử dụng Đơi thiếu hiểu biết hay sử dụng sai mục đích hệ thống tạo rắc rối cho người dùng Ngày nhà tích hợp hệ thống cơng nghệ thiết kế ngày gần sống trường hợp xảy Chua thống quy chuẩn thị trường: Ngày có nhiều cơng nghệ nhà cung dụng cấp đưa Mỗi cơng nghệ đưa chuẩn khác nhau, để ứng i hiệu việc cơng ty gia nhập hiệp hội chung cần thiết tiêu chuẩn 1.3 Nhiệm vu dé én Hiện thể giới Việt Nam, xu hướng nhà thông minh dang dan trở thành lĩnh vực hấp dẫn, nhiều hãng lớn giới Việt Nam sản xuất: Các thương hiệu đến từ nước hãng Sehneider Pháp, Smartg4 Mỹ, Gamma Gamma JSC, Arteor hãng Legrand (Pháp), My Home hãng Bticino (Ý) WattStopper (Mỹ), Mhouse, Home access, Came voi đại lý thức NTMC, Hager (Pháp), Crestron (Mỹ) Còn Việt Nam gồm hãng như: Nhà thông minh BKAV sản phẩm tập đồn cơng nghệ BKAV,LUMI,ACIS Tuy nhiên trở ngại lớn để người Việt sở hữu ngơi nhà thơng minh đến từ hãng nước ngồi nước phí Ước tính phí dành cho ngơi nhà thơng minh đến từ nước ngồi có giá thấp 25000 USD ~ hon 500 triệu đồng, hãng Việt Nam thi khoảng 20 ~ 30 triệu đồng cho dự án nhà riêng tằm 100 triệu cho biệt thự Ngồi có trở ngại khơng nhỏ nhà thơng minh thường áp dụng cho bị thự lớn, tòa nhà cao cấp chưa thực phù hợp với ệ thống hạ tầng xây dựng bình dan tai Việt Nam Xi phát từ bất cập, hạn chế em muốn xây dựng mơ hình nhà thông minh nhằm khắc phục c nhược điểm mà hãng nhà thơng minh có thị trường gặp phải qua ưu điểm như: « Chỉ tiêu kinh tế phù hợp: Module điều khiễn, cảm biến Mơ hình em xây dựng ghép nối từ thơng dụng giá thành rẽ có thị trường, dễ thay sửa đối theo nhu cầu chủ nhà Trong thực tế mơ hình ngơi nhà thơng minh áp dụng khoảng đến triệu đồng sở hữu nhà thông minh theo ý riêng « Phù hợp với sở hạ tầng: Mơ hình để áp dụng cho nhà bình dân với nhu cầu địi hỏi người dùng khơng cao thiết bị điện điều khiển bản, đơn giản bóng đèn điều hịa, bình nóng lạnh, tỉ vi, máy giặt không nhằm lẻ phục vụ cho tòa nhà biệt thự sang trọng, tòa nhà cao cấp với thiết bị đại đắt tiền Với thời gian có hạn đổ án tiêu kinh tế không cho phép, mơ hình em xây dựng đồ án nhằm đề khắc phục nhược điểm nêu đáp ứng đủ tiêu co nhà thong minh Cu qua nhiệm vụ sau day: ic thiết bị điện nhà điều khiển chế độ: > Điều khiển từ xa qua blueooth internet > Điều khiển tự động (đèn sáng có người phịng,điều hịa tự động bật có người nhiệt độ vượt đến giá trị đặt, quạt hút mùi bật nấu ăn ) 3> Điều khiển tay qua cơng tắc điện (phịng điều khiến từ xa qua bluetooth internet bị cố) ~ Xây dựng hệ thông an ninh, cảnh bảo còi, nhắn tin, gọi điện cho chủ nhà có người đột nhập vào nhà hay ngơi nhà dễ xảy hỏa hoạn 'CHƯƠNG GIỚI THIỆU BOARD DIEU KHIEN VA CAC MODULE GIAO TIEP CAM BIEN DUNG TRONG MO Hi 2.1 Téng quan vé board diéu khiển Arduino Bi Khái quát chung Khải niệm Arduino n ‘bo mach vi điều khiển nhóm giáo sư sinh viên Ý' th ‘A dua vào năm 2005, Mạch Arduino sử dụng đề cảm nhận điều khiển nhiều đối tượng khác Nó thực nhiều nhiệm vụ từ lấy tin hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác Ngoài mạch cịn có khả liên kết với nhiều module khác module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, để tăng khả ứng dụng mạch Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vỉ xử ly AVR Atmel 8bit, ARM, Atmel 32-bil, Hiện phần cứng Arduino có tất cá phiên bản, 'Tuy nhiên phiên thường sử dụng nhiều Arduino Uno Arduino Mega Arduino Uno sử dụng rộng rãi giới, nhiều ví dụ youtube trang hướng dẫn Arduino sử dụng mạch này, Hiện Việt Nam thể giới có nhiều bo mạch vi điều khiển khác Tuy nhiên Arduino có số ưu điểm mà khiến trở nên nỗi tiếng sử dụng rộng rãi thể giới Những wu điểm là: rẻ, tương thích với nhiều hệ điều hành, chương trình lập trình đơn giản, rồ ràng, dễ sử dụng, sử dụng mã nguồn mở kết hợp với nhiều module khác nhau.Phẳn mềm để lập trình cho mạch Arduino phần mềm IDE Đây phần mềm mã nguồn mở, có thẻ download từ trang web Arduino: arduino.cc Việc hướng dẫn download sử dụng phần mềm đẻ cập đến phần sau Phân loại Hiện thị trường có nhiều loại Arduino khác tùy thuộc vào cấu hình phần cứng loại vi điều khiển dùng Sau em xin giới thiệu sơ lược Arduino bản: ~ Arduino R3 Arduino Uno duge xay dựng với vi điều khién ATmega328P thudc ho vi diéu khiển AVR sử dụng thạch anh có chu kì dao động 16 MHz Với vi điều khiển này, ta có tổng cộng 14 pin (ngõ) / vao đánh số từ tới 13 (trong có pin PWM, đánh dấu ~ trước mã số pin) Song song đó, ta có thêm pin nhận tín hiệu analog đánh kí hiệu từ A0 - A5, pin sử dụng pin ¿ vào bình thường (như pin - 13) Ở pin để cập, pin 13 pin đặc biệt nồi trực tiếp với LED trạng thái board > Cấu trúc phần cứng Arduino UNO R3 Hình 2.1: Hình đáng thwe té ctia Arduino UNO a) USB (1) Arduino sử dụng cáp USB dé giao tiếp với máy tính Thơng qua cap USB chúng Upload chương trình cho Arduino hoạt động ngồi USB nguồn cho Arduino b) Nguồn (2 và3 ) Khi khơng sử dụng USB làm nguồn sử dụng nguồn ngồi thơng qua jack cắm 2.1mm ( cực dương ) có thé str dung chan Vin GND để cấp nguồn cho Arduino Bo mạch hoạt động với ngn ngồi điện áp từ ~ 20 volt Chúng ta cấp áp lớn nhiên chân 5V có mực điện áp lớn volt Và sử dụng nguồn lớn 12 volt có tượng nóng làm hỏng bo mạch Khuyết cáo bạn nên dùng nguồn ổn định đến 12 volt, 10 điều khiển thiết bị thông qua module wifi bắt nơi nào,nhưng có cố mắt mạng thi người đùng chuyển sang chế độ điều khiển bluetooth Khi có lệnh từ người dùng module wifĩ bluetooth nhận lệnh thơng qua mơi trường internet bluetooth, sau sửi lệnh cho board Arduino xử lý từ board đưa lệnh bật tắt thiết bị điện nhà người dùng mong muốn, Thiết kế mạch bật tắt tự động Mạch điều khiển tự động bật tắt đèn vệ sinh PIR Sensor Hình 3.10: Sơ đỗ nguyên lý mạch mạch điều khiển tự động bật tắt đèn vệ sinh: a) Lyra chon kết nối thiết bị mạch Để thuận tiện việc bật tắt đèn vệ sinh mạch bồ trí cảm biển chuyển động để phát người,chân out cảm biến nỗi với chân số 58 10 board arduino Sử dụng chân arduino dùng đề điều khiển bật tắt đèn vệ sinh b) Nguyên lý làm việc Bình thường khơng có người chân out cảm biến có mức 0V Nhưng, có người vào phòng toilet cảm biến phát lật trạng thái thành mức cao $V Arduino đọc hiểu có người vào phịng nên tự động điều khiển bật đèn vệ sinh Sau thời gian trì khơng có người phịng đèn tự động tắt 3.4.2, Thiết kế mạch động lực Thiết kế mạch động lực cho đèn phòng khách,phòng ngủ phòng bép,phong vệ sinh ban công J|#+ AC 220V - SW1 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực bật tắt đèn phòng khách G day em đưa mạch động lực điển hình mạch đèn phịng khách để phân tích chức linh kiện ngun lý hoạt động mạch Cịn íc mạch đèn phòng ngủ, phòng bếp, phòng vệ sinh ban cơng tương tự > Chức linh kiện: bóng dèn sợi đốt loại cà na(Ớt).Điện áp hoạt động 220V ~Q1,Q2: tranziro ngược NPN C1815 mắt c theo kiểu Darlingtơr để tăng hệ số khuếch đại, nhờ mở chắn tiếp điểm relay ~ D2: Led có chức bảo hiệu Điện áp dòng hoạt động 5V ,10mA 59 -RLI: la Relay đèn nhờ cuôn hút Ở dùng thường hở ~ DI: điode có chức đóng cắt tiếp điểm để loại relay SV.2 tiếp điểm ng báo vệ thường bật tắt bóng kín linh kiện dẫn mạch khỏi xung điện áp ngược từ cuộn relay phóng đóng cắt Chọn diode IN4007 Điện áp chịu đựng lên tới 1000V, ~ R1: điện trở Ikom có nhiệm vụ hạn chế dịng ~ SW: cơng tắc cực dùng đề bật tắt bóng đèn thủ cơng vào cho Q1 ~ LÀN: nguồn điện AC 220V dùng để cung cấp lượng cho bóng đẻn > Nguyên lý hoạt động: Khi có tín hiệu từ mạch điều khiển đưa tới (trên sơ đồ định đị ©UT DEN PK) với điện áp 5V thông qua R1 làm cho Q1 mở dẫn tới Q2 mở Khi Q2 mở có dịng chạy qua led làm cho led sáng, bảo hiệu cho người dùng Đơng thời có dịng chảy qua cuộn dây, sinh lực điện từ hút tiếp điểm chúng từ thường hở thành thường kin ngược lại Như điện áp AC cung cấp cho bóng đèn làm bóng đén sáng Thiết kế mạch động lực cho điều hòa phòng khách, điều hịa phịng ngủ bình nóng lạnh Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực bật tắt điều hịa phịng khách Để thuận tiện, đơn giản cho mơ hình em thay thiết bị điều hịa, bình nóng lạnh bóng đèn LED với điện áp hoạt động 5V dòng điện tiêu thụ vào khoảng, 10mA 60 Chức linh kiện nguyên lý hoạt động mạch tương, tự mạch động lực bóng đèn chi khác việc thay bóng đèn sợi đốt(D) thành bóng đèn LED(L) Thiết kế mạch động lực cho quạt phịng khách phịng ngủ Tình 3.13: Sơ đỗ nguyên lý mạch động lực bật tắt quạt phịng khách Để thuận tiện, đơn giản cho mơ hình em sử dụng loại quạt mini với điện áp hoạt động SV dòng điện tiêu thụ vào khoảng 500mA Chức linh kiện nguyên lý hoạt động mạch tương tự mạch động lực bóng đènchi khác việc thay bóng đèn sợi đốt(DÐ) thành quạt mini(Q) 61 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý tổng quát mạch động lực 62 Mạch gồm có nguồn ni: ~ Nguồn ni AC 220V dùng cho bóng đèn sợi đốt lấy trực tiếp từ nguồn điện lưới ~ Nguồn nuôi DC 5V lấy từ nguồn nuôi mạch điều khiển Mach ding: ~ 10 relay để dong ~ 20 Tranzitor C1815 dùng để khuếch đại ~ bóng đèn sợi đốt ~ 11 điện trở Ikom ~ 14 bóng đèn led ~ 11điodelN4007 ~ quạt mini ~ côi buzzer bao higu Tình đáng thực 1) Relay 2)LED túa thiết bị mạch động lực Hình 3.15: Hình dáng thực té ctia Relay Ti Tình 3.16: Hình dàng thực tế đèn led' 63 3)Diode 1N4007 4) Tranzitor C1815 THình 3.21: Hình dáng thực tế diode 1N4007 2SC1815 5) Quạt Hình 3.18: Hình dáng thực tễ quạt mini 64 3.5 Chương trình điều khiển 5.1.Xây dụng thuật tốn điều khiển ~ Thuật tốn tơng qt chương trình điều khiển Đây thuật tốn tổng qt tồn chương trình dùng đề điều khiên board Arduino, Dau tiên Arduino phải làm công việc khai báo thư viện hỗ trợ, hằng, biến Cấu hình, thiết lập tốc độ baud cho module giao tiếp, định nghĩa chân vào ra(I/O) Các công việc nảy chạy lần chương trình Khi hồn thành cơng việc Arduino thực việc đọc giá trị cảm biến nhiệt độ, cảm biến PIR (cảm biển đặt phòng khách dùng để phát người phòng khách) Sở đĩ phải làm cơng việc trước hai đại lượng dùng chương trình Sau thực chương trình con: điều khiển qua wiñ, điều khiển qua bluetooth, cảnh báo an nỉnh, bật tắt tự động Các công việc lặp lặp lại arduino mat nguồn ta bấm vào nút reset board Giải thuật chương trình đề cập kí phần 65 ————> Khai bảo thơ Tập tốc dễ tiếp ‡+——— Tục giá “Chương trình cu khiển qua, win ==T—— Chương bình cơm điều khiển qua: bluetooi “Chương son canh bảo trình an nìny Ỷ Chương tình điều trdơng khiến bat a Đăng, Sai Ỷ Kết thúc Hình 3.19: Sơ đồ thuật tốn tổng qt chương trình điều khiến 66 & Thuật tốn chương trinh diéu khién qua internet Bắt đầu Đọc liệu Ỷ ‘De ig bat thiết bị Ỷ Bật thiết bị Ỷ “Tất thiết bị ———— Ỷ Gửi nhiệt độ cho modile ESPR266 | Ỷ “Thốt khơi chương trình -Hình 3.20: Sơ thuật tốn điều khiển qua internet 67 & Thuật tốn chương trình điều khiển qua bluetooth Bắt đầu Ỷ sai 'Đữ liệu từ module ` HC05 Đọc liệu Ỷ b