(Tiểu luận) đồ án cơ sở 5 đề tài xây dựng mô hình nhà thông minh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT – HÀN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ ĐIỆN TỬ … … ĐỒÁNCƠSỞ5 Đề tài: XÂY DỰNG MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH Sinh viên thực hiện: Từ Lê Minh Phúc – 19CE033 Nguyễn Tấn Hiếu – 19CE015 Giáo Viên Hướng Dẫn TS Đặng Quang Hiển Đà Nẵng, tháng năm 2022 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… Mục Lục CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.2 HƯỚNG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1.3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN .8 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2.2 TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN VÀ ỨNG DỤNG CHÍNH 2.2.1 ESP8266 2.2.2 CẢM BIẾN ÁNH SÁNG 10 2.2.3 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM 11 2.2.3 CẢM BIẾN KHÍ GAS .12 2.2.3 RELAY KÊNH 5V .13 2.2.4 QUẠT TẢN NHIỆT 3x3x1CM 3010-5V 14 2.2.5 ĐỘNG CƠ SERVO 14 2.2.6 Arduino IDE: 15 2.2.6 IFTTT 16 2.2.4 GOOGLE ASISTANT .17 2.2.5 THIẾT KẾ MẠCH PCB 18 2.2.6 CÁC LOẠI CẢM BIẾN THƯỜNG GẶP TRONG NHÀ THÔNG MINH 19 CHƯƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ HỆ THỐNG 20 MƠ HÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 20 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 22 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 22 4.2 HẠN CHẾ 22 4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 22 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1: ESP8266 Hình 2: CẢM BIẾN ÁNH SÁNG 10 Hình 3: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ ĐỘ ẨM 11 Hình 4: CẢM BIẾN KHÍ GAS 13 Hình 5: MODULE RELAY KÊNH 5V 13 Hình 6: THƠNG SỐ KỸ THUẬT 14 Hình 7: QUẠT TẢN NHIỆT 15 Hình 8: ĐỘNG CƠ SERVO 16 Hình 9: ARDUINO IDE 17 Hình 10:IFTTT 18 Hình 11: MẠCH IN PCB 20 Hình 12: MƠ HÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21 LỜI MỞ ĐẦU Khi sống người nâng cao, nhu cầu sống ngày cao đòi hỏi phải hỗ trợ tốt Và từ nhu cầu thực tế ý tưởng ngơi nhà thơng minh hình thành Một ngơi nhà mà chứa đựng ấm áp yêu thương, tình yêu hạnh phúc, hoạt động người điều hỗ trợ giúp đỡ cách linh hoạt giúp cho công việc quản lý dễ dàng Ngày nay, vớ phát triển cách nhanh chóng ngành điện tử nhiều ngành khác ý tưởng ngơi nhà thơng minh khơng cịn vướng rào cản cơng nghệ Việc điều khiển nhà thông minh thông qua Smartphone tạo nên bước ngoặc lớn việc điều khiển tự động, không dây cách linh hoạt, nói phát triển không ngừng Smartphone làm cho công nghệ thêm bước tiến Từ ý tưởng đó, nhu cầu sống thoải mái nên việc xây dựng “MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH” để đáp ứng phần sống người Do chưa có nhiều kinh nghiệm nghiên cứu, thực hành nên đề tài thực cịn nhiều thiếu sót, chúng em mong nhận đóng góp ý kiến thầy để đề tài hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ngày với phát triển vượt bậc Khoa học kỹ thuật mvi điều kiển AVR PIC ngày thông dụng hơn, nói xuất điều Arduino vào năm 2005 Italia mở hướng cho vi điều khiển Sự xuất Arduino hỗ trợ cho người nhiều lập trình thiết kế, người bắt đầu tìm tịi vi điều khiển mà khơng có nhiều khiến thức lập trình điện tử Phần cứng thiết bị tích hợp nhiều chức mã nguồn mở với ngôn ngữ C thư viên phong phú nên Arduino dần phổ biến giới Đặc biệt thập niên gần với phát triển hệ thoongs thơng minh, ngành tự động hóa phát triển tạo bước ngoặt quan trọng lĩnh vực nhà thông minh phục vụ nhu cầu ngày cao người linh vực đời sống Tại Việt Nam bắt đầu có nhiều cơng ty chuyên lắp đặt nhà hệ thống thông minh phải kể đến cơng ty BKAV CEO Nguyễn Tử Quảng ấp ủ dự án nhà thông minh điều khiển điện thoại tảng Android từ năm 2011 đến thi công cho nhiều dự án nước Về mà không cần phải lặp lại ngày: Đun nước, bật đèn Tưới cây… nhóm định thực đề tài 1.2 HƯỚNG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Có nhiều hướng thết kế xử lý trung tâm để điều khiển nhà gồm có: Dùng IC rời Dùng PIC Dùng Arduino Dùng PLC Ở đây, nhóm chọn hướng giải dùng Arduino phù hợp với tiêu chí nhóm muốn tìm hiểu nghiên cứu Arduino quan trọng Arduino có khả kết nối với module Internet, Android với giá thành vừa phải không qá tầm tay PLC, thiết kết thêm mạch chuyển đổi RS232 để giao tiếp với máy tính EPROM Và đề tài lắp đặt mơ hình kích thước nhỏ nên dùng Arduino hợp lý 1.3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Trong phạm vi cho phép nhóm thi cơng ngơi nhà thơng minh mơ hình Trong thời gian thực đề tài có hạn, với lượng kiến thức truyền đạt suốt khóa học khả có hạn, nhóm thực đề tài đưa thứ giải tương lai: Tìm hiểu, thiết kế hệ thống hoạt động mơ hình Smart Home Tìm hiểu sử dụng, đọc, truyền liệu, điều khiển cảm biến Tìm hiểu sử dụng module ESP8266 Smart Home Thiết kế mạch PCB cho hệ thống Tìm hiểu sử dụng Adafruit MQTT ifttt smarthome Tìm hiểu sử dụng Google Assistant điều khiển thiết bị mơ hình Smart Home Lập trình cho hệ thống Smart Home IoT CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đề tài hướng đến phương thức điều khiển tự động có kết hợp từ nhiều lĩnh vực liên quan như: Điện thoại, vi mạch điện tử… Do đó, để tạo sản phẩm hồn thiện theo mục đích đặt đề tài người thực cần phải tập trung nghiên chủ yếu đến đối tượng Vi mạch điện tử: đối tượng giữ vai trò trung tâm việc liên kết xử lý tín hiệu từ đối tượng khác Trong đề tài có board mạch Arduino, board thiết kế thi công từ linh kiện điện tử có sẵn ngồi thị trường như: điện trở, tụ điện, IC số… với điều khiển trung tâm vi điều khiển Board nhận tín hiệu từ cảm biến điều khiển nhiệm vụ lập trình trước Điện thoại giữ vai trị định đường truyền tín hiệu, tín hiệu truyền đường dây điện thoại theo phương thức truyền quy ước 2.2 TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN VÀ ỨNG DỤNG CHÍNH 2.2.1 ESP8266 ESP8266 hệ thống chip (SoC), công ty Espressif Trung Quốc sản xuất Nó bao gồm vi điều khiển Tensilica L106 32-bit (MCU) thu phát Wi-Fi Nó có 11 chân GPIO (Chân đầu vào / đầu đa dụng) đầu vào analog, có nghĩa bạn lập trình giống với Arduino vi điều khiển khác Bản thân chip ESP8266 có 17 chân GPIO, số chân (6-11) sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash bo mạch Ngồi có kết nối Wi-Fi, bạn sử dụng để kết nối với mạng Wi-Fi, kết nối Internet, lưu trữ máy chủ web với trang web thực, để điện thoại thông minh bạn kết nối với nó, Khả vơ tận! Khơng có lạ chip trở thành thiết bị IoT phổ biến có Có nhiều module khác nó, module độc lập dịng ESP - ## AI Thinker phát triển hoàn chỉnh NodeMCU DevKit WeMos D1 Các bo mạch khác có chân cắm khác nhau, có ăng-ten Wi-Fi khác dung lượng nhớ flash khác bo mạch Hình 1: ESP8266 ESP8266 dùng để làm ESP8266 dùng làm module Wifi bên ngoài, sử dụng firmware tập lệnh AT tiêu chuẩn cách kết nối với vi điều khiển sử dụng UART nối tiếp trực tiếp làm vi điều khiển hỗ trợ Wifi, cách lập trình chương trình sở sử dụng SDK cung cấp Các chân GPIO cho phép IO Analog Digital, cộng với PWM, SPI, I2C, v.v ESP8266 có nhiều ứng dụng nói đến IoT Đây số chức mà chip sử dụng Kết nối mạng: Ăng-ten Wi-Fi module cho phép thiết bị nhúng kết nối với định tuyến truyền liệu Xử lý liệu: Bao gồm xử lý đầu vào từ cảm biến analog kỹ thuật số để tính tốn phức tạp nhiều với RTOS SDK hệ điều hành Kết nối P2P: Tạo giao tiếp trực tiếp ESP thiết bị khác kết nối IoT P2P Máy chủ Web: Truy cập trang viết HTML ngôn ngữ phát triển Thông số kỹ thuật: -WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n -Điện áp hoạt động: 3.3V -Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB -Số chân I/O: 11 (tất chân I/O có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0) -Số chân Analog Input: (điện áp vào tối đa 3.3V) -Bộ nhớ Flash: 4MB -Giao tiếp: Cable Micro USB ( tương đương cáp sạc điện thoại ) -Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2 -Tích hợp giao thức TCP/IP -Lập trình ngơn ngữ: C/C++, Micropython, … 2.2.2 CẢM BIẾN ÁNH SÁNG Cảm biến ánh sáng biết thiết bị quang điện hay nói cách khác dạng thiết bị cảm biến thơng minh có khả chuyển đổi ánh sáng trở thành tín hiệu điện (gồm ánh sáng nhìn thấy mắt thường ánh sáng dạng tia hồng ngoại) Nhờ thiết kế mắt cảm biến gắn trực tiếp thiết bị nên nhận biết biến đổi mơi trường Qua đó, thiết bị điều ánh sáng phù hợp Cảm biến nhận thấy điều chỉnh ánh sáng phát dựa điốt quang học Một vài người ngành họ gọi cảm biến ánh sáng “cảm biến ảnh” lượng chuyển đổi từ photon (ánh sáng) thành electron (điện) Hình 2: C ẢM BIẾẾN ÁNH SÁNG Ưu Điểm: Thiết kế thông minh, nhỏ gọn đại Có chức bật, tắt đèn tự động nhờ vào khả nhận biết tín hiệu mơi trường Tiết kiệm điện cách tối ưu Tiện nghi cho gia đình, cơng ty… Đặc biệt tạo nên không gian sang trọng theo lối sống đại Ứng dụng nơi mà không cần phải lo lắng việc phải bật/tắt công tắc 10 Nhược Điểm: Thiết bị cảm biến ánh sáng tiện dụng cho đời sống người dân có nhược điểm nhỏ khơng đáng kể Thiết bị thiết kế với độ cảm ứng nhạy nhược điểm kén nơi có nhiều nguồn sáng nơi có vật thể chuyển động liên tục 2.2.3 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM Cảm biến độ ẩm nhiệt độ DHT11 Temperature Humidity Sensor cảm biến thông dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu thông qua giao tiếp wire (giao tiếp digital dây truyền liệu nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp cảm biến giúp bạn có liệu xác mà khơng phải qua tính tốn So với cảm biến đời DHT22 DHT11 cho khoảng đo độ xác nhiều Hình 3: C ẢM BIẾẾN NHIỆT ĐỘ ĐỘ ẨM Thông tin kỹ thuật: Nguồn: -> VDC Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền liệu) Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH) Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C) Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây / lần) Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm 2.2.3 CẢM BIẾN KHÍ GAS Cảm biến khí gas MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp khơng khí sạch, khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy cao độ dẫn điện SnO2 cao tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện Cảm biến khí gas MQ-2 cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane Hydrogen, mê-tan (CH4) dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp phù hợp cho ứng dụng khác Cảm biến xuất hai dạng tín hiệu Analog Digital, tín hiệu Digital điều chỉnh mức báo biến trở Thông Số: Nguồn hoạt động: 5V Loại liệu: Analog Phạm vi phát rộng Tốc độ phản hồi nhanh độ nhạy cao Mạch đơn giản Ổn định sử dụng thời gian dài Hình 4: C ẢM BIẾẾN KHÍ GAS 12 2.2.3 RELAY KÊNH 5V Hình 5: MODULE RELAY KẾNH 5V Module sử dụng Relay tốt, đảm bảo hoạt động ổn định, lâu dài Trên module có opto để cách ly dịng ngược về, hiệu suất ổn định Có thể set mức cao thấp cách thiết lập jumper module Có Led báo nguồn màu xanh, Led báo trạng thái Relay màu đỏ Kết nối module với mạch điều khiển đơn giản Hình 6: THÔNG SÔẾ KYỸ THUTẬ 2.2.4 QUẠT TẢN NHIỆT 3x3x1CM 3010-5V - Quạt tản nhiệt tạo gió làm mát cho thiết bị điện tử - Nguồn DC5V - Dòng định mức : 0.1A - Công suất : 0.5W - Số vòng quay : 7000 ± 10% (vòng/phút) - Tiếng ồn : 20DBA - Tốc độ gió : 1.5M/S - Tuổi thọ : 30.000 - Kích thước : 3x3x1CM Hình 7: QUẠT TẢN NHIỆT 2.2.5 ĐỘNG CƠ SERVO Động servo motor loại động thông dụng, dùng nhiều lĩnh vực gia cơng khí động bước trước Đặc biệt, servo dùng nhiều việc gia công sản phẩm cơng nghiệp u cầu phải có độ xác cao, chẳng hạn máy cắt laser 14 Hình 8: ĐỘNG CƠ SERVO Thơng Số: Loại: SG90 – 360 Kích thước: 23mmX12.5mmX29.5mm Trọng lượng: gram Tốc độ không tải: 0,12 giây / 60 độ (4,8V) Mô-men xoắn chặn: 1,2-1,4 kg / cm (4,8V) Nhiệt độ hoạt động: -30 độ C ~ + 60 độ C Cài đặt vùng chết: micro giây Điện áp làm việc: 4,8V-6V Màu nâu: GND Màu đỏ: VCC 4,8-6V Màu cam: Đầu vào xung 2.2.6 Arduino IDE: Arduino IDE phần mềm mã nguồn mở chủ yếu sử dụng để viết biên dịch mã vào module Arduino Đây phần mềm Arduino thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng mà người bình thường khơng có kiến thức kỹ thuật làm Nó có phiên cho hệ điều hành MAC, Windows, Linux chạy tảng Java kèm với chức lệnh có sẵn đóng vai trị quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa biên dịch mã mơi trường Có nhiều module Arduino Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro nhiều module khác Mỗi module chứa vi điều khiển bo mạch lập trình chấp nhận thơng tin dạng mã Mã chính, cịn gọi sketch, tạo tảng IDE tạo file Hex, sau chuyển tải lên điều khiển bo Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần bản: Trình chỉnh sửa Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã yêu cầu phần sau sử dụng để biên dịch tải mã lên module Arduino Môi trường hỗ trợ ngơn ngữ C C ++ Hình 9: ARDUINO IDE 2.2.6 IFTTT IFTTT (được viết tắt từ tiếng Anh If This Then That) dịch vụ web trung gian đứng hai dịch vụ để thực tác vụ có điều kiện xảy Trong đó, If This (nếu việc xảy ra) dẫn đến Then That (thì làm việc kia), xem nguyên lý hoạt động câu lệnh Tức có thay đổi ứng dụng này, thơng qua IFTTT ứng dụng hoạt động thay đổi tương tự Ngồi ra, IFTTT cịn cho phép người dùng lập trình phản hồi cho kiện giới IFTTT có quan hệ đối tác với nhà cung cấp dịch vụ khác cung cấp thông báo kiện cho IFTTT thực thi lệnh triển khai phản hồi 16 Hình 10:IFTTT IFTTT dịch vụ web trung gian nhằm nâng cao tính tự động hóa cho thứ Linden Tibbets, Giám đốc điều hành IFTTT lấy tên cho dịch vụ từ câu lệnh lập trình có điều kiện “if this, then that” Ý tưởng Linden cung cấp tảng phần mềm kết nối ứng dụng, thiết bị dịch vụ từ nhà phát triển khác để kích hoạt nhiều q trình tự động hóa liên quan đến ứng dụng, thiết bị dịch vụ Hiện tại, có 90 triệu kết nối Applet (cơng thức IFTTT Recipes) kích hoạt, theo IFTTT Bạn chắn nghe nói thuật ngữ phần mềm dạng dịch vụ (SsaS) Đối với người am hiểu sâu CNTT (cơng nghệ thơng tin), họ cịn biết tới nhiều danh pháp khác IaaS (cơ sở hạ tầng dịch vụ) PaaS (nền tảng dịch vụ) Nhưng danh pháp "*saS" khác mà bạn chưa nghe tới - EaaS (mọi thứ dịch vụ) Đó mà IFTTT cung cấp 2.2.4 GOOGLE ASISTANT Google Assistant trợ lý cá nhân ảo, chủ yếu tương tác giọng nói Google phát triển giới thiệu lần đầu vào tháng năm 2016 Sau thời gian hỗ trợ số thiết bị hãng, đầu năm 2017 Google bắt đầu triển khai Google Assistant thiết bị Android khác phát hành iOS nhanh chóng sau Và đặc biệt, tháng vừa qua Google thức cơng bố phiên tiếng Việt cho Google Assistant Đây bước tiến lớn giúp trợ lý ảo nhanh chóng “phủ sóng” Việt Nam trợ lý ảo hỗ trợ giao tiếp tiếng Việt Ngoài Google Assistant hỗ trợ đa dạng thiết bị điện thoại, xe hơi, thiết bị thông minh, - Cách thức hoạt động: Sau thiết lập, bạn cần nói "Ok Google" "Hey Google" nói câu lệnh Google Assistant tự động hiểu đưa gợi ý, kết cho bạn nhanh chóng Có điều tuyệt tính bạn dùng Google Assistant nhiều, thơng minh để tốt ngày, Google Assistant học theo thói quen, sở thích người dùng Ngồi ra, Google Assistant có cách hoạt động khác nhấn phím chức 2.2.5 THIẾT KẾ MẠCH PCB PCB viết tắt (Printed Circuit Board) hay gọi bảng mạch in PCB có nhiều lớp, thân khơng có khả dẫn điện mà phải dựa vào đường dẫn điểm pad bề mặt Các đường dẫn đóng vài trị kết nối truyền tín hiệu điện điểm nằm vị trí khác PCB lại với Như vậy, dựa vào đường dẫn PCB cho phép truyền tín hiệu nguồn điện thiết bị vật lý gắn bề mặt chúng (như ic, điện trở, cuộn cảm…) Để truyền tín hiệu PCB, bạn phải thực trình hàn để tạo kết nối điện PCB linh kiện điện tử Ngoài nhiệm vụ dấn điện, chất hàn đóng vai trị chất kết dính giúp linh kiện khơng bị rơi khỏi mạch Tóm lại, PCB ngun có hình ảnh bên dưới, đường mạch không cố định người dùng tự thiết kế theo nhu cầu sử dụng PCB bảng đơn khơng chưa linh kiện 18 Hình 11: MẠCH IN PCB 2.2.6 CÁC LOẠI CẢM BIẾN THƯỜNG GẶP TRONG NHÀ THÔNG MINH Cảm biến nhiệt độ độ ẩm Với thay đổi đột ngột thể người khơng thể thích ứng kịp Cảm biến khói Cảm biến khói thiết kế với nhiều lỗ nhỏ li ti giúp cảm biến dễ dàng nhận biết khói dù với lượng nhỏ Cảm biến chuyển động Hệ thống Cảm Biến Cửa CHƯƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ HỆ THỐNG MƠ HÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 12: MƠ HÌNH THIẾẾT KẾẾ H ỆTHƠẾNG Hệ thống bao gồm phần chính: Khối hệ thống cảm biến: Bao gồm cảm biến nhiệt độ ,độ ẩm,khí gas, ánh sáng… Khối xử lý mạng: Tạo giao diện kết nối, chuyển đổi gói liệu đến hệ thống Khối vi điều khiển: Đóng vai trò máy chủ, nhận liệu hệ thống mạng Google assistant: Truyền tín hiệu điều khiển qua câu lệnh, chương trình Xử lý tín hiệu, điều khiển hệ thống Lựa chọn thiết bị: Khối hệ thống cảm biến: module cảm biến nhiệt độ độ ẩm, cảm biến ánh sáng, chuyển động, Khối vi điều khiển: Sử dụng mạch Arduino 8266 Hoạt động hệ thống: 20