(Luận văn thạc sĩ) thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị trong nhà thông qua telegram chatbot

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 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ THÔNG QUA TELEGRAM CHATBOT h GVHD: Th.S NGUYỄN NGÔ LÂM SVTH: ĐỒN TẠ MINH TRIẾT ĐỖ CƠNG TIẾN SKL009854 Tp Hồ Chí Minh, Tháng 7/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH h THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ THÔNG QUA TELEGRAM CHATBOT SVTH: ĐỒN TẠ MINH TRIẾT MSSV: 17119050 ĐỖ CƠNG TIẾN MSSV: 17119047 GVHD: THS NGUYỄN NGÔ LÂM TP HỒ CHÍ MINH – 07/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH h THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ THÔNG QUA TELEGRAM CHATBOT SVTH: ĐỒN TẠ MINH TRIẾT MSSV: 17119050 ĐỖ CƠNG TIẾN MSSV: 17119047 GVHD: THS NGUYỄN NGƠ LÂM TP HỒ CHÍ MINH – 07/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 07 năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đồn Tạ Minh Triết MSSV: 17119050 Đỗ Cơng Tiến MSSV: 17119047 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Máy tính Lớp: 17119CL2 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm ĐT: Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị nhà thông qua Telegram Chatbot Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Tìm hiểu hệ thống điều khiển thiết bị, giám sát thị trường - Tìm hiểu cảm biến thích hợp để sử dụng đề tài - Đưa phương án, giải pháp thiết kế hệ thống phù hợp, tối ưu h - Xây dựng mơ hình, bố trí cảm biến hợp lý Nội dung thực hiện: - Thiết kế thi công phần cứng: ● Lập trình module cảm biến, giao tiếp với máy tính nhúng ● Thiết kế, thi cơng khối điều khiển ● Lập trình hệ thống phần cứng - Thiết kế thi công phần mềm: ● Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển thiết bị ● Tích hợp Telegram API vào phần mềm điều khiển - Chạy thử chỉnh sửa, viết báo cáo luận văn - Báo cáo đề tài tốt nghiệp Sản phẩm: Mơ hình nhà thông minh, module kết nối với bảng mạch in phần mềm điều khiển, giám sát TRƯỞNG NGÀNH GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii TÓM TẮT iii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii Chương TỔNG QUAN ĐẶT VẤN ĐỀ .1 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN .2 1.5 BỐ CỤC h 1.1 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG .4 2.2 CHUẨN GIAO TIẾP 2.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM .16 Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 19 3.2 YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG .19 3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG .21 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 32 4.1 GIỚI THIỆU 32 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG .32 4.3 ĐÓNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 36 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 37 4.5 DỰ TỐN MƠ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ THÔNG QUA TELEGRAM CHATBOT 51 Chương KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 53 5.1 KẾT QUẢ THI CÔNG PHẦN CỨNG .53 5.2 KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG 55 5.3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .61 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62 6.2 KẾT LUẬN 62 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62 PHỤ LỤC 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 h LỜI CẢM ƠN Chúng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Ngô Lâm hướng dẫn giúp đỡ tận tình, tạo điều kiện, chia sẻ góp ý nhiều kinh nghiệm để chúng tơi hồn thành đề tài thật tốt Chúng xin chân thành gửi lời cảm ơn thầy cô Khoa Điện-Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật cung cấp kiến thức chuyên môn tảng chuyên sâu cho tạo điều kiện tốt cho chúng tơi hồn thành đề tài Chúng tơi gửi lời đồng cảm ơn đến bạn sinh viên Khoa Điện - Điện Tử trao đổi, chia sẻ kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân động viên, ủng hộ, tạo điều kiện để thực đề tài Xin chân thành cảm ơn! h Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2022 Nhóm sinh viên thực Đồn Tạ Minh Triết – Đỗ Công Tiến i LỜI CAM ĐOAN Tên đề tài: “Thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị nhà thông qua Telegram Chatbot” GVHD: ThS Nguyễn Ngô Lâm Họ tên sinh viên 1: Đoàn Tạ Minh Triết MSSV: 17119050 Lớp: 17119CL2 Số điện thoại liên lạc: 096 147 52 62 Email: 17119050@student.hcmute.edu.vn Họ tên sinh viên 2: Đỗ Công Tiến MSSV: 17119047 Lớp: 17119CL2 Số điện thoại liên lạc: 039 461 21 70 Email: 17119047@student.hcmute.edu.vn “Bài luận văn tốt nghiệp thực nghiên cứu tiến hành h thực Chúng xin đảm bảo cam kết với hội đồng phản biện, quý thầy cô giáo không sử dụng hay thực hành vi gian lận, chép tài liệu văn nào, công bố rộng rãi mà khơng trích dẫn nguồn khơng cho phép Nếu có vi phạm xảy trình thực đề tài này, chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Nhóm thực đề tài Đồn Tạ Minh Triết – Đổ Cơng Tiến ii TĨM TẮT Sự đời thiết bị thông minh đóng góp thành tựu vơ to lớn đặc biệt người sử dụng nhà thông minh Các nhà sản xuất làm thiết bị thông minh cung cấp cho hệ thống nhà thông minh sản phẩm với nhiều tiện ích, tiện lợi nhất, đảm bảo chất lượng cho người sử dụng với mục tiêu đưa sản phẩm nhà thông minh đến gần nhất, nhanh với gia đình giúp sống ngày đại hóa, tự động hóa phổ biến Đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị nhà thông qua Telegram Chatbot” sử dụng máy tính nhúng Orange Pi Lite để làm điều khiển trung tâm Hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị thông qua ứng dụng chat Telegram hay điều khiển trực tiếp hình giám sát Ngồi ta quan sát hình ảnh trực tiếp từ camera giám sát Hệ thống cảm biến mơ hình gồm cảm biến khói để phát khí gas, khói, cảnh báo có hỏa hoạn xảy ra; cảm biến nhiệt độ, độ ẩm cho phịng; bên ngồi có cảm biến nhiệt độ cảm biến ánh sáng Cửa ngơi nhà lắp h đặt thêm công tắt chốt cửa để điều khiển mở cửa từ xa; nhà cửa trước lắp đặt camera để giám sát trực tiếp iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Máy tính nhúng Orange Pi Lite ký hiệu Hình 2 Kit thu phát WiFi ESP8266 NodeMCU ký hiệu Hình Module đọc thẻ RFID MFRC522 ký hiệu Hình Module cảm biến chất lượng khơng khí MQ-135 ký hiệu .5 Hình Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ký hiệu Hình Cảm biến cường độ sáng BH1750 ký hiệu .6 Hình Module relay có opto cách ly ký hiệu Hình Động servo MG996R ký hiệu Hình IC 74HC595 ký hiệu .7 Hình 10 Module hạ áp XL4015 ký hiệu .8 Hình 11 Module hạ áp AMS1117 ký hiệu Hình 12 Tổng quan bus I2C Hình 13 Khung liệu truyền I2C .9 Hình 14 Master gửi điều kiện khởi động đến slave I2C 10 h Hình 15 Master gửi cho slave địa muốn giao tiếp I2C .10 Hình 16 Master gửi nhận khung liệu I2C 11 Hình 17 Slave gửi bit ACK cho master nhận khung thành cơng I2C 11 Hình 18 Master gửi điều kiện dừng đến slave I2C 11 Hình 19 Sơ đồ khối SPI .12 Hình 20 SPI chế độ nhiều slave song song 13 Hình 21 SPI chế độ nhiều slave nối tiếp 13 Hình 22 Sơ đồ khối OneWire 14 Hình 23 Biểu đồ dạng sóng truyền theo thời gian OneWire .14 Hình Sơ đồ khối hệ thống đóng/mở cửa 19 Hình Sơ đồ khối hệ thống 20 Hình 3 Khối xử lý trung tâm Hệ thống đóng/mở cửa 21 Hình Khối tín hiệu vào Hệ thống đóng/mở cửa 22 Hình Khối chấp hành Hệ thống đóng/mở cửa .23 Hình Khối nguồn Hệ thống đóng/mở cửa 23 iv Để quan sát camera từ xa, thực lấy địa IP thơng qua tin nhắn (hình bên trái) nhấn vào địa camera để quan sát trình duyệt web (hình bên phải) Hình 10 Giám sát camera webserver Mở khóa cửa trước thẻ từ thơng qua tin nhắn h Hình 11 Mở khóa cửa trước tin nhắn Trạng thái mở cửa trước cập nhật giao diện Hình 12 Trạng thái mở cửa trước giao diện 58 Đọc thông tin thiết bị, cảm biến thông qua tin nhắn Khi gửi lệnh xem thông tin, hình chat hiển thị nút nhấn chọn phịng (hình bên trái), người dùng chọn phịng, thơng tin hệ thống hiển thị hình chat (hình bên phải) h Hình 13 Đọc thơng tin hệ thống thông qua tin nhắn Hệ thống báo động còi hiển thị cảnh báo lên giao diện phát khí gas, khói (Phịng bếp) Hình 14 Giao diện hiển thị cảnh báo 59 Người dùng trích xuất liệu từ camera cập nhật phần mềm hệ thống thông qua file server Để làm điều này, thực lấy địa IP thơng qua tin nhắn (hình bên trái) nhấn vào địa file server h Hình 15 Truy cập file server 60 5.3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ Sau nghiên cứu thực đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị nhà thơng qua Telegram Chatbot”, nhóm đạt kết sau Bảng Số liệu thực nghiệm STT Kết thực nghiệm Hoạt động cảm biến Đánh giá Hoạt động ổn định Hoạt động tương đối ổn Hoạt động webcamera định, gây crash chương trình Hoạt động webserver Hoạt động ổn định Hoạt động đăng nhập Hoạt động việc gửi/nhận tin nhắn Hoạt động còi báo cháy Hệ thống thực thi sau khoảng 10 giây Hoạt động ổn định, xử lý lệnh tương đối nhanh Hoạt động ổn định h Nhìn chung, mơ hình hệ thống hoạt động tương đối ổn định, đạt yêu cầu đề Hệ thống hoạt động phụ thuộc vào mạng WiFi để xử lý việc nhận/gửi tin nhắn Bên cạnh đó, hệ thống giải vấn đề đồng điều khiển thiết bị tay thông qua tin nhắn 61 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.2 KẾT LUẬN 6.1.1 Kết đạt Sau q trình nghiên cứu thi cơng tổng hợp lại kết đạt so với mục tiêu đặt Nhóm đạt số yêu cầu sau:  Đăng nhập hệ thống trực tiếp mã OTP giao diện từ xa qua chat  Hiển thị thông tin hệ thống lên hình LCD  Điều khiển bật/tắt thiết bị bàn phím số, thơng qua lệnh chat Telegram thao tác hình giám sát  Giám sát trực tiếp qua camera  Mở khóa cửa lệnh chat Telegram thẻ từ  Báo động còi phát khí gas, khói Vì đề tài có điểm tương đồng so với đề tài trước, nhóm có cải tiến để tạo đề tài hoàn thiện khác biệt so với đề tài có trước Cụ thể, nhóm thêm vào hệ thống chức điều khiển thiết bị h giám sát thông qua Telegram Chatbot Bên cạnh đó, để trì tính liên tục hệ thống đóng/mở cửa nhóm tích hợp thêm nguồn dự phòng cho hệ thống 6.1.2 Những điểm hạn chế  Máy tính nhúng cấu hình chưa mạnh, gây crash chương trình đọc webcamera liên tục  Chất lượng webcamera thấp, bị khung hình gây hiệu ứng giật lag  Webserver chưa bảo mật, cần biết địa IP Public truy cập 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Từ hạn chế trên, nhóm đề hướng phát triển cho đề tài sau:  Sử dụng máy tính nhúng có cấu hình mạnh để xử lý nhanh  Trang bị camera có chất lượng hình ảnh cao  Bảo mật cho webserver, số người dùng đăng ký tài khoản điều khiển nhà phép truy cập 62 PHỤ LỤC HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC HỆ THỐNG Đăng ký tài khoản người dùng Đăng ký tài khoản người dùng để cấp quyền truy cập toàn hệ thống  Nhắn tin lệnh “/admin” để xem hướng dẫn đăng ký tài khoản Hình Hướng dẫn đăng ký tài khoản  Nhắn tin lệnh “/admin dangky ” Hình Đăng ký tài khoản tin nhắn h  Người dùng nhận thông báo đăng ký thành công thất bại Khởi động hệ thống  Cấp nguồn cho hệ thống, sử dụng adapter 12V-5A Cấp nguồn phụ cho hệ thống khóa cửa sử dụng pin 9V  Đợi đến hệ thống hiển thị giao diện đăng nhập  Đăng nhập cách sau: - Cách 1: Nhập mã OTP 30 giây vào khung đăng nhập (1), sau nhấn Enter (2) Hình Đăng nhập trực tiếp giao diện - Cách 2: Nhắn tin lệnh “/admin dangnhap ” Hình Đăng nhập tin nhắn 63  Nếu đăng nhập thành công, hệ thống chuyển sang giao diện điều khiển giám sát, ngược lại cảnh báo lỗi đăng nhập lại Hình Giao diện điều khiển giám sát Điều khiển thiết bị Dưới bảng chức nút nhấn bàn phím số h Bảng Bảng chức bàn phím số Nút nhấn Chức Nút nhấn Chức Đăng xuất hệ Bật/Tắt đèn cầu thống thang Đồng thời gian Thiết lập lại kết với internet nối WiFi Phát/Dừng nhạc Giảm độ sáng đèn phòng ngủ Chuyển tab Tổng Tăng độ sáng đèn quan phòng ngủ Chuyển tab Giám Giảm độ sáng đèn sát phòng ngủ Tạm dừng nhạc Tăng độ sáng đèn phòng ngủ Bật/Tắt đèn phòng Tắt tạm thời hệ khách thống 64 Bật/Tắt đèn phòng Khởi động lại hệ bếp thống Bật/Tắt đèn phòng Tắt hệ thống tắm Bật/Tắt đèn phòng Hiển thị/Ẩn mã ngủ OTP Public IP Bật/Tắt đèn phòng ngủ Thứ tự nút nhấn bàn phím số tương ứng với chức giao diện Khi Num Lock tắt, phím 8, 6, 2, phím di chuyển h Hình Bàn phím số chức tương ứng 65 Điều khiển hệ thống tin nhắn cách gửi lệnh “/control” Hình Menu điều khiển hệ thống tin nhắn Xem thông số hệ thống h Xem thông số hệ thống tin nhắn cách gửi lệnh “/info” Hình Menu xem thơng số hệ thống Chọn phịng để xem thơng số phịng Hình Xem thơng số phòng chọn 66 Quản lý hệ thống Gửi lệnh “/admin” để xem hướng dẫn lệnh quản lý hệ thống h Hình Các lệnh quản lý hệ thống 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO Các viết tham khảo 1-Wire 2020 Arduino 2022 Bots: An introduction for developers 2022 [4] Debian 2022 [5] Geany 2022 [6] Orange Pi Lite 2022 [7] Python (programming language) 2020 [8] Scott Campbell Basics of the I2C communication protocol 2016 [9] Scott Campbell Basics of the SPI communication protocol 2016 [10] Time-based one-time password 2020 [1] [2] [3] h Datasheet tham khảo [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] Espressif Systems ESP8266EX 2022 Handson Technology MG996R Metal Gear Servo Motor 2018 Mouser Electronics DHT11 Humidity & Temperature Sensor 2010 NXP MFRC522 2016 ROHM BH1750FVI 2011 Shikues AMS1117 2001 Songle Relay SRD 2015 Texas Instruments CD74HC595 2022 Winsen Air Quality Gas Sensor MQ135 2015 XLSEMI XL4015 2019 68 ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự Do – Hạnh phúc KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO Tp HCM, ngày 15 tháng 08 năm 2022 BẢN GIẢI TRÌNH CHỈNH SỬA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CNKT MÁY TÍNH Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị nhà thơng qua Telegram Chatbot Tên sinh viên: Đồn Tạ Minh Triết MSSV: 17119050 Tên sinh viên: Đỗ Công Tiến MSSV: 17119047 GVHD: ThS Nguyễn Ngô Lâm Hội đồng bảo vệ: HĐ 3, phòng A4-403, ngày 06 tháng 08 năm 2022 Giải trình chỉnh sửa báo cáo đồ án tốt nghiệp: TT Nội dung góp ý Hội đồng hệ thống thành đoạn văn h Lược bỏ thông số kỹ thuật Đã lược bỏ thông số kỹ thuật linh kiện Ghi Chỉnh sửa mục tiêu thiết kế hệ Đã chỉnh sửa mục tiêu thiết kế thống thành đoạn văn Kết chỉnh sửa, bổ sung linh kiện Đưa hướng dẫn sử dụng hệ Đã đưa hướng dẫn sử dụng thống vào phần Phụ lục hệ thống vào phần Phụ lục Chỉnh sửa lưu đồ giải thuật Đã chỉnh sửa lưu đồ giải thuật Chỉnh sửa danh mục tài liệu Đã chỉnh sửa danh mục tài liệu tham khảo trích dẫn tham khảo trích dẫn Xác nhận trưởng Xác nhận GVHD Nhóm thực báo cáo ngành (Ký họ tên) (Ký họ tên) (Ký họ tên) Số hiệu: BM16/QT-PKHCN-QHQT-NCKH/02 Lần soát xét: 02 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: 69/85 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 08 năm 2022 BIÊN BẢN HỘI ĐỒNG BẢO VỆ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT MÁY TÍNH HỘI ĐỒNG Địa điểm: Phịng A4-403 Thành viên hội đồng: TS Phạm Ngọc Sơn ThS Nguyễn Ngô Lâm ThS Phan Vân Hoàn ThS Huỳnh Thị Thu Hiền ThS Huỳnh Hoàng Hà - Chủ Tịch Uỷ Viên Uỷ Viên Uỷ Viên Thư ký Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị nhà thông qua Telegram Chatbot h Sinh viên thực hiện: Đoàn Tạ Minh Triết MSSV 17119050 Đỗ Công Tiến MSSV 17119047 Nhận xét, đánh giá II Kiến nghị (Các yêu cầu chỉnh sửa) III Kết luận hội đồng I Thư Ký Hội đồng Chủ Tịch Hội đồng (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) Số hiệu: BM16/QT-PKHCN-QHQT-NCKH/02 Lần soát xét: 02 Ngày hiệu lực: 01/4/2020 Trang: 70/85 h h S K L 0