THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH S K L 0 0 9 9 3 5 HỆ THỐNG SMARTHOME GIÁ RẺ[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH HỆ THỐNG SMARTHOME GIÁ RẺ GVHD: ThS ĐẬU TRỌNG HIỂN SVTH: TRẦN NAM HẢI LÊ HỒI NAM SKL009935 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG SMARTHOME GIÁ RẺ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Sinh viên: TRẦN NAM HẢI MSSV: 11119116 LÊ HỒI NAM MSSV: 11119030 TP HỒ CHÍ MINH – 07/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG SMARTHOME GIÁ RẺ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH Sinh viên: TRẦN NAM HẢI MSSV: 11119116 LÊ HOÀI NAM MSSV: 11119030 Hướng dẫn: THS ĐẬU TRỌNG HIỂN TP HỒ CHÍ MINH – 07/2016 PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên - Họ tên sinh viên (1): Email: MSSV: Điện thoại: - Họ tên sinh viên (2): MSSV: Email: Điện thoại: Thông tin đề tài - Tên đề tài: …………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… - Mục đích đề tài: ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… - Thời gian thực hiện: Từ ngày /03/2016 đến /06 /2016 - Đồ án tốt nghiệp thực tại: Bộ môn Điện Tử Viễn Thông, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Các nhiệm vụ cụ thể đề tài Lời cam đoan sinh viên Chúng tơi – Trần Nam Hải Lê Hồi Nam cam đoan ĐATN cơng trình nghiên cứu hướng dẫn thạc sĩ Đậu Trọng Hiển Kết công bố ĐATN trung thực khơng chép từ cơng trình khác Tp.HCM, ngày tháng 07 năm 2016 SV thực đồ án (Ký ghi rõ họ tên) Trần Nam Hải Lê Hoài Nam Giáo viên hướng dẫn xác nhận báo cáo hoàn thành việc chỉnh sửa theo đề nghị Hội đồng đánh giá đồ án tốt nghiệp: ……………………………………………………………………………………………… Xác nhận Bộ Môn Tp.HCM, ngày tháng 07 năm 2016 Giáo viên hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên học hàm - học vị) LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm thực đề tài nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Nhóm thực đề tài xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt quý thầy cô khoa Điện-Điện tử, người trao dồi vốn kiến thức q báo cho nhóm thực đề tài, giúp cho nhóm có kiến thức sở chuyên môn vững vàng, tạo điều kiện giúp đỡ nhóm q trình học tập Nhóm thực đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đậu Trọng Hiển, người hướng dẫn tận tình, cung cấp tài liệu, giải pháp suốt q trình nhóm thực đề tài Nhóm thực đề tài xin cảm ơn anh chị trước, người bạn, người em, gia đình ủng hộ, giúp đỡ, động viên nhóm thực đề tài Đề tài hồn thành khơng tránh thiếu sót, nhóm thực đề tài mong nhận góp ý, phê bình, dẫn q thầy bạn Nhóm thực đề tài Trần Nam Hải – Lê Hồi Nam iv TĨM TẮT Ngày nay, công nghệ phát triển đem tới nhiều điều mẻ sống người Những thiết bị xung quanh ngày trở nên đại, thông minh SmartPhone, SmartWatch, SmartTV Điều khiến giới tiến dần vào Kỷ nguyên Internet of Things(IoTs), kết nối với qua Internet khiến nhà thông minh trở thành xu hướng công nghệ tất yếu tiêu chuẩn cho nhà đại Có thể hiểu SmartHome ngơi nhà có thiết bị gia dụng có khả tự động hóa kết nối với qua Internet Chủ nhân ngơi nhà điều khiển thiết bị nhà qua điện thoại Internet từ đâu Cữa thơng minh giúp ngơi nhà an tồn hơn, thiết bị tự động giúp tiết kiệm công sức tiền bạc Tuy tiện dụng SmartHome chưa thể phổ biến Một nguyên nhân cản trở giá hệ thống nhà thông minh đắt Vì lý nhóm định thực đề tài SmartHome giá rẻ để mang lại hệ thống SmartHome với đầy đủ chức với giá thành thấp để phù hợp với khả chi tiêu người Việt Hệ thống xử dụng board Arduino, board mạch có giá thành thấp, phổ biến dễ lập trình làm xử lý trung tâm Kết nối thiết bị sử dụng sóng RF để có tầm truyền tốt giá rẻ Hệ thống điều khiển ứng dụng chạy điện thoại Android điều khiển web server Trạng thái thiết bị nhiệt độ nhà hiển thị hình điện thoại giao diện web Trong hệ thống cịn có thiết bị ngoại vi LCD, chuông để báo trạng thái mở cữa cho người dùng v MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ix CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv Chương GIỚI THIỆU 1.1 Vai trị cơng nghệ đời sống đại .1 1.2 Các hệ thống SmartHome giới 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 phạm vi nghiên cứu .3 1.5 Bố cục đề tài Chương 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 Tổng quan hệ thống nhúng 2.1.1 Giới thiệu KIT Arduino 2.1.2 Phần cứng Arduino 2.1.3 Mơi trường lập trình Arduino 2.2 Tổng quan mạng Ethernet .11 2.2.1 Giới mạng Ethernet 11 2.2.2 Phương thức truy cập Ethernet CSMA/CD 12 2.2.3 Half Full-Duplex Ethernet .13 2.2.4 Module hỗ trợ giao tiếp mạng Ethernet 14 2.2.5 Tổng quan mơ hình OSI 16 2.2.6 Giao thức TCP/IP 20 2.2.7 Giao thức IP(Internet Protocol) 23 2.2.8 Giao thức TCP .27 2.2.9 Giao thức UDP .30 2.3 Router switch 32 vi 2.3.1 Router .32 2.3.2 Switch 34 2.4 Tổng quan Android 35 2.4.1 Giới thiệu Android 35 2.4.2 Kiến trúc Android 36 2.4.3 Vòng đời ứng dụng Android 38 2.5 Giao thức HTTP 41 2.6 Tổng quan sóng RF 48 2.6.1 Giới thiệu sóng RF 48 2.6.2 Sự mã hóa(Coding) điều biến(Modulation) 48 2.6.3 Cách thức điều khiển vô tuyến .49 2.6.4 Ưu nhược điểm sóng RF .50 2.7 Giới thiệu linh kiện phần cứng .50 2.7.1 Giới thiệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 50 2.7.2 Giới thiệu module nRF24L01 51 2.7.3 Giới thiệu LCD 16x2 .52 2.7.4 Giới thiệu cảm biến khí gas MQ-2 .53 2.7.5 Giới thiệu bàn phím 4x4 56 2.7.6 Giới thiệu chuông điện 57 2.7.7 Giới thiệu relay 58 2.7.8 Giới thiệu nút nhấn 58 2.7.9 Giới thiệu Light – Sensor .60 2.7.10 Giới thiệu cảm biến chuyển động PIR 61 2.7.11 Module gửi nhận 900A MINI 64 2.7.12 Module RFID RC522 .69 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG 76 vii 3.1 YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG 76 3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG .76 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống .76 3.2.2 Chức khối 77 3.2.3 Thiết kế khối 78 3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 88 3.3.1 Thiết kế phần mềm điện thoại Android 88 3.3.2 Thiết kế giao diện Web 93 Chương THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 95 4.1 THỰC NGHIỆM 95 4.2 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG .99 4.2.1 Ưu điểm 99 4.2.2 Nhược điểm 99 Chương KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .100 5.1 KẾT QUẢ 100 5.1.1 Những vấn đề nghiên cứu .100 5.1.2 Những vấn đề hoàn thành 100 5.1.3 Hạn chế 101 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .101 PHỤ LỤC A .103 PHỤ LỤC B 104 Chương Tài liệu tham khảo .105 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Hệ thống nhà thông minh BKAV SmartHome Hình 1.2 Hệ thống nhà thơng minh LG Hình 1.3 Hệ thống nhà thơng minh SAMSUNG Hình 2.1 Board Arduino UNO R3 .5 Hình 2.2 Board Arduino Mega 2560 Hình 2.3 Arduino IDE Hình 2.4 Arduino Toolbar Hình 2.5 IDE Menu .8 Hình 2.6 File menu Hình 2.7 Click Examples .9 Hình 2.8 Edit menu .9 Hình 2.9 Sketch menu Hình 2.10 Tool menu 10 Hình 2.11 Chọn Board 10 Hình 2.12 Module Ethetnet .14 Hình 2.13 Module Ethernet Shield W5100 .15 Hình 2.14 Mơ hình OSI lớp 16 Hình 2.15 Tương quan hai mơ hình OSI model TCP/IP model 22 Hình 2.16 IP datagram header 24 Hình 2.17 Định dạng gói TCP 28 Hình 2.18 Định dạng Gói tin UDP 30 ix Hình 3.17 Chạy ứng dụng máy ảo android Genymotion Hình 3.18 Giao diện ứng dụng điều khiển máy ảo android 92 3.3.2 Thiết kế giao diện Web 3.3.2.1 Yêu cầu thiết kế - Điều khiển tất thiết bị điện nhà điện thoại android - Có khả cập nhật trạng thái thiết bị tiến hành kết nối thành cơng - Có khả điều khiển song song với ứng dụng android, nút nhấn Mỗi lần nút nhấn hay ứng dụng android thực lệnh điều khiển nhấn vào bút refresh trên web cập nhật trạng thái thiết bị lên giao diện web - Có hiển thị nhiệt độ, độ ẩm 3.3.2.2 Nguyên lý hoạt động Thực kiểm tra kết nối internet - Nếu có kết nối internet tiến hành kiểm tra trạng thái click thiết bị web Mỗi lần click vào nút nhấn gửi tín hiệu điều khiển để xử lý trung tâm Tương ứng với tín hiệu hiển thị trạng thái thông báo ON hay OFF hiển thị nhiệt độ, độ ẩm lên web - Khi khơng có kết nối khơng thực thao tác đồng thời khơng có kết nối với web 3.3.2.3 Lưu đồ giải thuật Bắt đầu Cấu hình mặc định Kiểm tra kết nối Internet Sai Đúng Sai Nhấn Button Đúng Đúng Mode%2 Hiển thị trạng thái ON Sai Hiển thị trạng thái OFF Hiển thị nhiệt độ Refresh Hình 3.19 Giải thuật hoạt động web 93 3.3.2.4 Thiết kế giao diện Web Giao diện web lập trình xử lý trung tâm sử dụng phương thức webserver lập trình arduino Hình 3.20 Giao diện điều khiển môi trường web 94 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 THỰC NGHIỆM Mơ hình thực nghiệm SmartHome giá rẻ Hình 4.1 Mơ hình nhìn từ xuống Hình 4.2 Mơ hình nhìn nhìn từ trước 95 Hình 4.3 Khi tiến hành bật thiết bị Hình 4.4 Giao diện đăng nhập điện thoại android 96 Hình 4.5 Khi có kết nối Internet với SmartHome Hình 4.6 Bật thiết bị ứng dụng Android 97 Hình 4.7 Giao diện web truy cập vào Hình 4.8 Khi tiến hành điều khiển thiết bị 98 4.2 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 4.2.1 Ưu điểm - Hệ thống nhà thơng minh có tính module kế thừa có thể hoạt động độc lập tách rời sử dụng remote để điều khiển - Hệ thống nhà thơng có giá rẻ so với sản phẩm khác thị trường đầy đủ tính thơng minh cần thiết - Có thể kết nối điều khiển từ nhiểu điện thoại có cài ứng dụng android lúc nhiều địa IP khác từ web mà không bị xung đột - Giao diện điều khiển android đẹp mắt, trực quan, có đăng nhập để đảm báo tính bảo mật cho hệ thống 4.2.2 Nhược điểm - Board Ethernet Shield dễ bị nóng nên thời gian sử dụng hạn chế - Module RFID có khả đọc - Sử dụng sóng RF nên truyền nhận liệu chiều 99 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT QUẢ 5.1.1 Những vấn đề nghiên cứu Xây dựng website sử dụng HTML điều khiển thiết bị qua web Tìm hiểu hệ điều hành android xây dựng ứng dụng android Eclipse, Android Studio, xây dựng ứng dụng android môi trường appinventor Kỹ thuật đa luồng android Tìm hiểu điều khiển thiết bị qua android sử dụng Bluetooth, Internet Tìm hiểu cơng nghệ RFID Truyền nhận liệu qua sóng RF, kết nối khơng dây dùng sóng RF Tìm hiểu cảm biến Truyền liệu qua Bluetooth Giao tiếp android thiết bị qua bluetooth Tìm hiểu GMS Tìm hiểu cá hệ thống SmartHome SamSung, LG, BKAV hãng khác Tìm hiểu hệ thống cảnh báo báo cháy, báo trộm Nghiên cứu sở liệu android, web Truyền nhận liệu qua sóng wifi sử dụng EPS8266 5.1.2 Những vấn đề hoàn thành Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị qua web Xây dựng hệ thống SmartHome có đầy đủ tính cần thiết với mức giá rẻ Điều khiển thiết bị android sử dụng kỹ thuật đa luồng Truyền nhận liệu qua sóng RF 100 5.1.3 Hạn chế Giao diện điều khiển web chưa đẹp mắt trực quan, chưa đăng nhập tên đăng nhập password, chưa kết nối với sở liệu cho phép đăng ký tài khoản đăng nhập Hệ thống cửa chưa hỗ trợ người dùng thay đổi mật Chưa có hệ thống camera để giám sát trực tiếp ngơi nhà qua mạng Sử dụng giao thức HTTP liệu không mã hóa truyền nên tính bảo mật khơng cao Chưa NAT IP hệ thống để mạng Internet Cảm biến ánh sáng khí gas chưa hoạt động tối ưu 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Cải thiện tính cịn hạn chế hệ thống là: người dùng tự động thay đổi mật xử dụng Xây dựng hệ thống camera giám sát trực tiếp ngơi nhà qua ứng dụng android Xây dựng giao diện web điều khiển hoàn thiện sử dụng PHP Msql để đăng nhập Xây dựng ứng dụng android có nhiều tác vụ điều khiển độc lập để điều khiển cụm thiết bị riêng rẽ tùy theo nhu cầu người dùng Các module điều khiển có tính kế thừa, ghép nhiều module nhỏ để thành hệ thống lớn để phù hợp với túi tiền người Việt Xây dựng hệ thống remote độc lập để điều khiển thiết bị phòng riêng Xây dựng hệ thống đèn báo trạng thái Sử dụng cảm biến tốt để vận hành ổn định, độ bền tốt Ứng dụng công nghệ nhận diện sinh trắc học để mở cửa 101 Thiết lập thời gian bật tắt thiết bị Sử dụng truyền liệu qua wifi hệ thống hệ thống trung tâm Xử dụng giao thức HTTPS để tăng tính bảo mật hệ thống Viết ứng dụng tảng iOS Sử dụng công nghệ ZigBee để tối ưu hiệu 102 PHỤ LỤC A Mã nguồn chương trình Vui lịng xem CD 103 PHỤ LỤC B Bảng 1: Một số loại cảm biến họ MQ Mã hiệu Loại khí báo động MQ-2 Các loại khí dễ cháy MQ-3 Alcohol MQ-5 Khí gas tự nhiên, khí gas hóa lỏng MQ-6 Khí gas hóa lỏng, Propane MQ-7 Carbon Monoxide MQ-9 CO, khí dễ cháy Bảng 2: Thơng số kỹ thuật MQ-2 [8] Thông số MQ - VC 5V VH 5V RH 33Ω Rs 3kΩ - 30kΩ 200ppm-5000ppmLPG and propane 300ppm-5000ppm butane Khả phát 5000ppm-20000ppmm Ethane 300ppm-5000ppm H2 100ppm-2000ppmAlcohol 104 CHƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rui Santos 18+ Random Nerd Tutorials Projects [2] Cuno Pfister Getting Started with the Internet of Things [3] SUNROM TECHNOLOGIES DHT11-Humidity and Temperature Sensor, 2012 [4] Don Wilcher Arduino Electronics Blueprints [5] Adafruit Learning System PIR Motion Sensor, 2016 [6] Nguyễn Văn Hiệp Công nghệ nhận dạng vô tuyến RFID Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh [7] Giáo trình Kỹ thuật truyền số liệu Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, 2011 [8] HANWEI, Technical Data MQ-2 Gas Sensor, HANWEI ELETRONICS [9] Trung tâm tin học ĐHKHTN TP.HCM, Giáo trình lập trình android 105 S K L 0