Thiết kế hệ thống điều khiển các thiết bị sử dụng trong ngôi nhà thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ, ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN NHANH Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Trần Minh Thức 1311030214 13DCT02 Lê Minh Thành 1311030198 13DCT02 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2021 ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH PHIẾU ĐĂNG KÝ ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN/KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Hệ: Đại Học (CQ, LT, B2, VLVH) Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên đăng ký đề tài (sĩ số nhóm: 02): Trần Minh Thức Điện thoại : MSSV: 1311030214 0342 542 339 Email: minhthuc.bigedu@gmail.com Lê Minh Thành Điện thoại: Ngành Lớp: 13DCT02 MSSV: 1311030198 Lớp: 13DCT02 0335857527 Email: dantebo30@gmail.com : Cơ điện tử Chuyên ngành : Cơ – Điện Điện Tử Tên đề tài đăng ký : Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị sử dụng nhà thông minh Sinh viên hiểu rõ yêu cầu đề tài cam kết thực đề tài theo tiến độ hoàn thành thời hạn TP HCM, ngày … tháng … năm 2021 Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đăng ký (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH LỜI CAM ĐOAN Chúng cam đoan cơng trình nghiên cứu chúng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2021 (Ký tên ghi rõ họ tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô giáo hướng dẫn bảo tận tình thời gian em làm Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp vừa qua, đặc biệt Viện Kỹ Thuật HUTECH tạo điều kiện thuận lợi cho em hồn thành báo cáo Em vơ biết ơn thầy TS Nguyễn Văn Nhanh người trực tiếp hướng đẫn bảo tận tình cho em hoàn thành Báo Cáo Qua đây, em xin cảm ơn bạn bè nhiệt tình giúp đỡ em suốt trình học tập suốt thời gian thực báo cáo Cuối cùng, cám ơn đến cha mẹ tạo điều kiện tốt kinh tế tinh thần để hoàn thành tốt đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2021 (SV ký ghi rõ họ tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC HÌNH .8 Lời Mở Đầu 10 KẾT CẤU ĐỀ TÀI .13 Chương 1: Giới Thiệu 14 Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP .17 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT .19 Chương 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ 20 Chương 5: THI CÔNG 62 Chương 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN .69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật ESP32 22 Bảng 4.2: Sơ đồ nối chân DHT11 ESP32 25 Bảng 4.3: Sơ đồ nối chân MQ-02 ESP32 26 Bảng 4.4: Sơ đồ nối chân I2C ESP32 27 Bảng 4.4: Nối chân I2C ESP32 33 Bảng 5.1: Bảng số liệu thực nghiệm 67 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Giới thiệu hệ thống điều khiển nhà thông minh 14 Hình 1.2: Điều khiển thiết bị sử dụng ngơi nhà thơng minh 15 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống 20 Hình 4.2: Sơ đồ chân ESP32 22 Hình 4.3: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 24 Hình 4.4: Cảm biến khí gas MQ2 25 Hình 4.5: Cảm biến hồng ngoại SR602 26 Hình 4.6: Cảm biến vân tay AS608 28 Hình 4.7: Sơ đồ kết nối AS608 29 Hình 4.8: Động Servo SG90 29 Hình 4.9: Relay tiếp điểm khí 30 Hình 4.10: Các loại LED 31 Hình 4.11: Quạt tản nhiệt 31 Hình 4.12: Cịi hú buzzer 32 Hình 4.13: LCD 16x2 32 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Hình 4.14: Module IC2 33 Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 35 Hình 4.16: Lưu đồ hệ thống 36 Hình 4.17: Biểu tượng Arduino IDE 38 Hình 4.18: Chương trình Arduino 39 Hình 4.19: Biểu tượng app Blynk 59 Hình 4.20: Giao diện đăng nhập Blynk 60 Hình 4.21: Giao diện điều khiển Blynk 61 Hình 5.1: Phần thơ mơ hình 63 Hình 5.2: Bắt đầu trình lắp linh kiện 64 Hình 5.3: Mạch điều khiển sau thi cơng 65 Hình 5.4: Mơ hình hồn thiện 66 Hình 5.5: Lưu đồ quy trình thao tác 68   ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH default: Serial.println("Unknown error"); return p; } // OK converted! Serial.print("Creating model for #"); Serial.println(id); p = finger.createModel(); if (p == FINGERPRINT_OK) { Serial.println("Prints matched!"); } else if (p == FINGERPRINT_PACKETRECIEVEERR) { Serial.println("Communication error"); return p; } else if (p == FINGERPRINT_ENROLLMISMATCH) { Serial.println("Fingerprints did not match"); return p; } else { Serial.println("Unknown error"); return p; } ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Serial.print("ID "); Serial.println(id); p = finger.storeModel(id); if (p == FINGERPRINT_OK) { Serial.println("Stored!"); } else if (p == FINGERPRINT_PACKETRECIEVEERR) { Serial.println("Communication error"); return p; } else if (p == FINGERPRINT_BADLOCATION) { Serial.println("Could not store in that location"); return p; } else if (p == FINGERPRINT_FLASHERR) { Serial.println("Error writing to flash"); return p; } else { Serial.println("Unknown error"); return p; } } 4.3.2.2 Phần mềm Blynk: a Giới thiệu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Hình 4.19: Biểu tượng app Blynk Blynk thiết kế cho internet of things Nó điều khiển thiết bị phần cứng từ xa, hiển thị liệu cảm biến, lưu trữ liệu nhiều điều thú vị khác Có ba thành phần tảng: Blynk app: cho phép tạo giao diện cho sản phẩm bạn cách kéo thả widget khác mà nhà cung cấp thiết kế sẵn Blynk server: chịu trách nhiệm xử lí liệu trung tâm diện thoại, máy tính phần cứng Bạn sử dụng Blynk cloud blynk cung cấp tự tạo máy chủ blynk riêng bạn Vì mã nguồn mở nên bạn dễ dàng intergrate vào thiết bị chí sử dụng Raspberry Pi làm server bạn Library Blynk: support cho hầu hết tất tảng phần cứng phổ biến - cho phép giao tiếp với máy chủ xử lý tất lệnh đến Bây tưởng tượng: bạn nhấn nút ứng dụng Blynk, yêu cầu chuyển đến server Blynk, server kết nối đến phần cứng bạn thông qua library Tương tự thiết bị phần cứng truyền liệu ngược lại đến server b App Blynk Ứng dụng blynk có giao diện điều khiển sau: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Hình 4.20 Giao diện đăng nhập Blynk - Có thể tạo tài khoản dùng tài khoản google, facebook - Tạo project, hiểu giống ứng dụng - Điền tên project chọn board phần cứng ESP32 - Mỗi project, Blynk gửi cho bạn mã Auth Token để nhập vào code Board mạch điều khiển NodeMCU, Các bạn lựa chọn nhiều chức nút bấm, hẹn giờ, LCD… để đưa vào project - Mỗi đối tượng bạn chọn tốn energy (1 đơn vị giới hạn bạn dùng server miễn phí) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Hình 4.21: giao diện điều khiển Blynk Sau chọn xong đối tượng, bạn nhấp vào để cấu hình chân, mức logic… Các cấu hình tác động đến board phần cứng Ví dụ nút chân gp27 chuyển từ trạng thái logic sang logic ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Chương 5: THI CƠNG 5.1 Thi cơng, lắp ráp mơ hình: Chuẩn bị vật liệu: Một thước, kéo, dao cắt mạch, bình keo silicon, máy khoan mini Mơ hình làm chất liệu mica trắng dạng mica thường sử dụng để làm mơ hình ngành kiến trúc Loại nguyên liệu dễ mua, thể tìm thấy cửa hàng bán vật liệu quảng cáo… Tùy theo nhu cầu sử dụng mà mua loại cứng hay mềm, khổ to hay nhỏ Đặc điểm mica nhẹ, chắn Để cắt foam ta dùng dao rọc giấy Cách khó muốn cắt thành phần cần độ xác thẩm mỹ cao, cần đo đạc, thao tác xác khéo léo để đạt yêu cầu thẩm mĩ Để dán mảnh ghép sau cắt, ta sử dụng ốc keo silicon để liên kết keo chuyên dụng để dán mica ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGƠI NHÀ THƠNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Hình 5.1: Phần thơ mơ hình ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Hình 5.2 Bắt đầu trình lắp linh kiện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Hình 5.3 Mạch điều khiển sau thi công ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGƠI NHÀ THƠNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Hình 5.4 Mơ hình hồn chỉnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH 5.2 Kết kiểm tra, chạy thử mơ hình Sau q trình vận hành thử hệ thống, nhóm thực thu số liệu bảng 5.1: Bảng 5.1 Số liệu thực nghiệm App Blynk Đánh giá Ghi Điều khiển 26 lần thành công Đạt giám sát thiết bị (30 lần) Giám sát Hoạt động ổn định Đạt cảm biến (2 tiếng) Quét thẻ 28 lần thành công Đạt RFID (30 lần) Đánh giá chung Đạt 5.3 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác: Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống sử dụng nguồn 19VDC để cấp cho ngõ công suất, mạch điều khiển cung cấp 5VDC qua sạc dự phòng cho mạch Bước 2: Chờ cho ESP32 kết nối WIFI bắt đầu tiến hành đăng nhập vào app Blynk Thực đăng nhập để điều khiển giám sát cảm biến, thiết bị, cửa mở hay đóng Nhận diện dấu vân tay, nhận diện mở cửa cách quay servo, sai không mở kêu buzzer ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH Quy trình thao tác Cấp nguồn Kiểm tra kết nối WIFI Xác nhận vân tay để đóng, mở cửa Truy cập app Blynk Đăng nhập vào tài khoản Tiến hành điều khiển thiết bị Hình 5.13: Lưu đồ quy trình thao tác Chương Đánh Giá Kết Quả, Kết Luận ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH 6.1 Đánh giá kết tổng thể: 6.1.1 Nhận xét Sau thời gian tháng nghiêm cứu thực đề tài, mạch đáp ứng yêu cầu thiết kế ban đầu Dưới số nhận xét nhóm:  Ưu điểm - Hệ thống có hồi tiếp trạng thái thiết bị - Hệ thống theo dõi điều khiển nơi đâu có internet - Mở cửa cơng nghệ cảm ứng vân tay - Khi khí gas rị rỉ cảnh báo tự động bật quạt, mở cửa - Giao diện thiết kế dễ sử dụng, đẹp mắt  Hạn chế - Hệ thống phụ thuộc vào tốc độ WIFI 4G - Chưa có hệ thống dập lửa có cháy - Chưa có lắp đặt camera an ninh 6.1.2 Đánh giá Qua số liệu bảng trên, nhóm đánh giá hệ thống đạt yêu cầu với mục tiêu đề Mơ hình có tính thẩm mỹ, an toàn, bảo mật dễ sử dụng Sau thời gian test thử, mạch cho thấy ổn định Tuy nhiên số hạn chế cần khắc phục muốn đưa vào thực tế đời sống như: tốc độ điều khiển phản hồi chậm, chưa hệ thống dập lửa, tượng nhiễu sai sót q trình thi cơng mạch in hàn linh kiện 6.2 Kết luận: Cuối cùng, Sau khoảng thời gian tháng nghiên cứu tìm hiểu, nhờ trợ giúp nhiệt tình thầy hướng dẫn, nhóm hồn thành đồ án thi cơng mơ hình theo yêu cầu đặt ban đầu Trong trình thực hiện, nhóm gặp khơng khó khăn từ phần cứng đến phần mềm Mặc dù gặp khơng khó khăn nhóm cố gắng nghiên cứu vượt qua tích lũy cho số kinh nghiệm mới, kiến thức ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH 6.3 Hướng phát triển: - Mở rộng số thiết bị cần điều khiển với công suất lớn - Mở rộng thêm nhiều cửa đóng mở tự động cách nhận dạng giọng nói khn mặt - Tự động ngắt thiết bị chủ nhà quên tắt - Phát triển thêm hệ thống dập lửa phát có cháy xảy - Thêm camera giám sát nhà thông qua web android - Phát triển thêm hệ thống đọc điện tiêu thụ thiết bị ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐATN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐK CÁC THIẾT BỊ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH GVHD: TS NGUYỄN VĂN NHANH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “TÌM HIỂU VỀ WIFI CÁCH HOẠT ĐỘNG CỦA WIFI,” [Online] Available: https://internetviettel.vn/tim-hieu-ve-wifi-cach-hoat-dong-cua-wifi.html [2] "CHUẨN GIAO TIẾP 1-WIRE (CHUẨN BUS ONE WIRE)," [Online] Available: https://snt.com.vn/blog/chuan-giao-tiep-1-wire-chuan-bus-one-wire/ [3] "Giới thiệu module ESP32 hướng dẫn cài trình biên dịch Arduino Ide.," [Online] Available: http://arduino.vn/tutorial/1570-gioi-thieu-module-esp32-vahuong-dan-cai-trinh-bien-dich-tren-arduino-ide [4] "Cảm biến độ ẩm DHT11," [Online] Available: https://icdayroi.com/cam-bien-doam-dht11 [5] "MQ-2 Mạch Cảm biến khí Gas LPG Propane Hydrogen," [Online] Available: https://www.thegioiic.com/products/mq-2-mach-cam-bien-khi-gas-lpg-propanehydrogen [6] "Cảm biến chuyển động hồng ngoại SR602," [Online] Available: https://icdayroi.com/cam-bien-chuyen-dong-hong-ngoai-sr602 [7] "SG90 Động Cơ Servo 360 Độ, 1.8 Kg.cm, 4.8 → V," [Online] Available: https://www.thegioiic.com/products/sg90-dong-co-servo-360-do-1-8-kg-cm-4-8-6v [8] "Tổng quan LCD 16×2 giao tiếp I2C LCD sử dụng Arduino," [Online] Available: https://arduinokit.vn/giao-tiep-i2c-lcd-arduino/ [9] "Module I2C giao tiếp LCD1602, LCD1604, LCD2004," [Online] Available: https://icdayroi.com/mach-chuyen-giao-tiep-lcd1602-lcd1604-lcd2004-sang-i2c ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP