Hệ thống giám sát ngôi nhà thông minh

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆNĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP TỰ DO HẠNH PHÚC o0o Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Huỳnh Xuân Dũng MSSV: 14141046 Trần Nhật Minh MSSV: 14141197 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG IoT ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Trần Thu Hà – Trương Thị Bích Ngà – Nguyễn Thị Lưỡng – Bùi Thị Tuyết Đan – Phù Thị Ngọc Hiếu – Dương Thị Cẩm Tú, Giáo trình Điện tử cơ bản, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi điều khiển, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi xử lý nâng cao, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, Giáo trình Kỹ thuật số, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Nguyễn Văn Hiệp – Đinh Quang Hiệp, Giáo trình Lập trình Android cơ bản, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Nguyễn Văn Hiệp, Giáo trình Lập trình Android trong ứng dụng điều khiển, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Nguyễn Văn Hiệp, Giáo trình Công nghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh. 2. Nội dung thực hiện: Tìm hiểu các hoạt động của các mô hình nhà IoT. ii Thu thập dữ liệu quy trình thiết kế một ngôi nhà IoT. Các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình nhà IoT. Lựa chọn các thiết bị trong việc thiết kế mô hình nhà IoT (vi điều khiển STM32F407 VGT6, Arduino Mega, Module wifi esp8266, Module Sim, Module thời gian thực, RFID, relay đóng ngắt, bơm nước, màn hình hiển thị, các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, PIR …) Tìm hiểu các chuẩn truyền thông UART, I2C, SPI. Thiết kế giao điện điều khiển và giám sát: Web server, App android, WPF (Windows Presentation Foundation). Thiết kế, thi công mạch nguồn. Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển. Thiết kế, thi công mô hình ngôi nhà. Viết chương trình cho STM32F407, Arduino Mega và Esp8266. Lắp ráp hệ thống điều khiển vào mô hình và chạy thử nghiệm. Chỉnh sửa các lỗi xuất hiện. Đánh giá kết quả thực hiện. Viết báo cáo luận văn. Báo cáo đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19032018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06072018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Đình Phú CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆNĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP TỰ DO HẠNH PHÚC o0o Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Xuân Dũng Lớp: 14141DT1C MSSV: 14141046 Họ tên sinh viên 2: Trần Nhật Minh Lớp: 14141DT1C MSSV: 14141197 Tên đề tài: HỆ THỐNG IoT ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NGÔI NHÀ Tuầnngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 19032503  Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi về đề tài đồ án tốt nghiệp. Tuần 2 26030104  Viết đề cương chi tiết.  Tìm hiểu các đề tài đã nghiên cứu có liên quan. Tuần 3 02040804  Gặp và báo cáo với GVHD về hướng thực hiện đề tài.  Tìm hiểu các linh kiện sử dụng trong mạch. Tuần 4 09041504  Tìm hiểu về giao tiếp giữa các cảm biến, module và các thiết bị với STM32F407 và Arduino.  Tìm hiểu về module wifi Esp8266. Tuần 5 16042204  Lập trình STM32F407 và Arduino đọc cảm biến, điều khiển các LED đơn và kiểm tra việc thu nhận tín hiệu từ cảm biến. Tuần 6 23042904  Báo cáo tiến độ cho GVHD.  Tìm hiểu lập trình Web Server, viết App Android và WPF, phương thức gửi dữ liệu thu thập từ bộ điều khiển lên web. Tuần 7 30040605  Lập trình truyền nhận dữ liệu giữa STM32F407 với Arduino, giữa STM32F407 với Esp8266. iv Tuần 8, 9 07052005  Báo cáo tiến độ cho GVHD.  Hoàn thành giao diện Web, App Android, WPF. Tuần 10, 11 21050306  Tổng hợp chương trình đọc tất cả cảm biến, giao tiếp module, truyền nhận dữ liệu và gửi dữ liệu qua internet.  Viết báo cáo. Tuần 12 04061006  Thiết kế, hoàn thành mô hình và tiến hành đi dây vào mô hình.  Kiểm tra hoạt động của hệ thống.  Viết báo cáo. Tuần 13, 14, 15 11060107  Chạy thử hệ thống, kiểm tra lại và sửa lỗi.  Viết và hoàn thiện báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Huỳnh Xuân Dũng Trần Nhật Minh vi LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS. Nguyễn Đình Phú đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 14141DT đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn đến cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất về kinh tế và tinh thần để con hoàn thành tốt đề tài này. Xin chân thành cảm ơn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐƠNG Á KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc -o0o NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Tiến Hưng Lớp: TD15A2.1 GVHD: ThS Đỗ Hoàng Ngân Mi I Đề tài: "HỆ THỐNG GIÁM SÁT NGÔI NHÀ THÔNG MINH" II Các tham số ban đầu: - Nguồn cấp cho mạch động lực: 12V DC 220V AC - Nguồn cấp cho mạch điều khiển: 3.3V DC 5V DC - Để phát đối tượng điều khiển thiết bị sử dụng cảm biến, phần mềm blynk III Nội dung cần khảo sát thiết kế: - Tổng quan hệ thống thơng minh có thực tế - Tìm hiều hệ thống điều khiển thơng minh thực tế, từ tìm hiều quy trình cơng nghệ hệ thống điều khiển đối tượng - Phân tích, đánh giá mơ hình SV làm - Thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống giám sát ngơi nhà thông minh (điều khiển tối thiểu đối tượng khác nhau, theo nhiệt độ, độ ẩm đối tượng phạm vi giám sát) - Phân tích, tính tốn phận khí truyền động - Tính chọn phần tử thiết bị điều khiển, cảm biến … - Lập trình điều khiển hệ thống dùng arduino, esp8266 - Kết luận IV Các phần cần phải làm nộp: - Tập đồ án - Bản vẽ sơ đồ nguyên lý A0 - Đĩa CD gồm file Word đề tài file Powerpoint - Mơ hình chế tạo V Thời gian hoàn thành đồ án: 20 tháng năm 2017 Kiểm tra tiến độ đồ án Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017 (Giáo viên HD ký lần SV đến Giáo viên hướng dẫn gặp thông qua đồ án) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Đồ án tốt nghiệp Trang Hệ Thống Giám Sát Ngơi Nhà Thơng Minh LỜI NĨI ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, cơng nghiệp, cung cấp thơng tin Do sinh viên chuyên ngành Điện tự động phải biết nắm bắt vận dụng cách có hiệu nhằm góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật giới nói chung phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Bên cạnh cịn thúc đẩy phát triển kinh tế nước nhà Như biết,nhu cầu sống ngày nâng cao,nên nhu câu tiện nghi ngơi nhà khơng nằm ngồi xu Ngồi vụ việc đột nhập nhà gây thiệt hại lớn tài sản gia đình mà cịn tạo lo lắng cho nhiều người, ảnh hưởng đến an toàn trật tự tồn xã hội.Theo khảo sát phần lớn vụ trộm cắp tài sản gia đình chủ yếu xảy tất người gia đình làm ngủ say Nên có hệ thống cảnh báo giảm phần lớn thiệt hại Các thiết bị nhà điều khiển cách tự động giám sát từ xa đem lại sống thoải mái cho thành viên gia đình Để giám sát nhà tài sản cách 24/24 cần phải có phương tiện giám sát hiệu hơn, thơng minh Do đó, tơi chọn để tài “ Hệ thống giám sát nhà thông minh” làm đề tài tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Tiến Hưng GVHD: Đỗ Hoàng Ngân Mi Đồ án tốt nghiệp Trang Hệ Thống Giám Sát Ngôi Nhà Thông Minh MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .6 1.1 VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG CỦA ARDUINO HIỆN NAY 1.1.1 Giới thiệu arduino 1.1.2 Ứng dụng arduino thực tế 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1.4 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .9 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WIFI, GIỚI THIỆU CHIP ESP8622 VÀ BOARD ARDUINO UNO .10 2.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIFI .10 2.1.1 Nguyên tắc hoạt động .10 2.1.2 Các chuẩn kết nối .11 2.2 GIỚI THIỆU VỀ MODULE ESP8622 .14 2.2.1 Tổng quan module esp8622 14 2.2.2 Tính chip esp8622 .14 2.2.3 Sơ đồ chân 15 2.2.4 Tập lệnh AT giao tiếp với Module ESP8266 15 2.2.5 Các phương pháp kết nối thiết bị với esp8266 .17 2.3 GIỚI THIỆU VỀ BOARD ARDUINO 22 2.3.1 Cấu tạo phần cứng 22 2.3.2 Mơi trường lập trình board mạch Arduino .23 2.3.3 Các loại Board mạch Arduino 23 2.3.5 Sơ đồ chân board arduino uno 26 2.3.6 Các thông số board arduino uno .27 2.4 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM BLYNK 47 2.4.1 Giới thiệu phần mềm blynk 47 2.4.2 Thao tác phần mềm blynk 48 SVTH: Nguyễn Tiến Hưng GVHD: Đỗ Hoàng Ngân Mi Đồ án tốt nghiệp Trang Hệ Thống Giám Sát Ngôi Nhà Thông Minh CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MƠ HÌNH NGƠI NHÀ THƠNG MINH 51 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG .51 3.2 KHỐI GIAO TIẾP MẠNG WIFI 52 3.3 KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM .53 3.4 KHỐI CẢM BIẾN 54 3.4.2 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT22 56 3.5 KHỐI CƠ CẤU CHẤP HÀNH 57 3.5.1 Rơ le 57 3.5.2 Động servo 58 3.5.3 Còi báo động 60 3.5.4 Động chiều 61 3.6 KHỐI HIỂN THỊ LCD .62 3.6.1Chức 62 3.6.2 Thiết kế: 63 3.7 KHỐI NGUỒN 65 CHƯƠNG LẬP TRÌNH TRƯỜNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 67 4.1 TRƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ARDUINO 67 4.1.1 lưu đồ thuật toán ardiuno 67 4.1.2 Chi tiết trương trình điều khiển arduino 68 4.2 TRƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ESP8266 .71 4.2.1 Lưu đồ thuật toán esp8266 .71 4.2.2 Chi tiết trương trình điều khiển esp8266 72 CHƯƠNG KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76 5.1 KIỂM TRA HỆ THỐNG 76 5.2 KẾT QUẢ 76 5.3 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 SVTH: Nguyễn Tiến Hưng GVHD: Đỗ Hoàng Ngân Mi Đồ án tốt nghiệp Trang Hệ Thống Giám Sát Ngôi Nhà Thông Minh DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Máy in 3D Makerbot điều khiển Arduino Mega2560 1.2 Thiết bị UAV 1.3 Arduino Điều khiển nhà thơng minh với Máy tính bảng smartphone 2.1 Nguyên tắc hoạt động wifi 10 2.2 Các chuẩn kết nối wifi 11 2.3 Sơ đồ chân esp8622 15 2.4 Hình ảnh thực tế module esp8622 15 2.5 Kết nối Arduino Due ESP-01 17 2.6 Kết nối với smartphone 18 2.7 Kết nối hai module esp8266 20 2.8 Lệnh AT kết nối hai esp8266 21 2.9 Sơ chân board Arduino Uno R3 26 2.10 Hình dạng thực tế board Arduino Uno R3 27 2.11 Sơ đồ chân Atmega328 28 2.12 Arduino 31 2.13 Driver Software Installation 31 2.14 Device Manager 32 2.15 Right click chọn ”Update Driver Software” 32 2.16 Click chọn “Browse my computer for driver software” 32 2.17 Driver 33 2.18 Arduino IDE 33 2.19 Arduino Toolbar 34 2.20 IDE Menu 34 2.21 File menu 34 2.22 Click Examples 35 2.23 Edit menu 35 2.24 Sketch menu 36 2.25 Tool menu 36 SVTH: Nguyễn Tiến Hưng GVHD: Đỗ Hoàng Ngân Mi Đồ án tốt nghiệp Trang Số hiệu hình Hệ Thống Giám Sát Ngơi Nhà Thơng Minh Tên hình Trang 2.26 Chọn Board 37 2.27 Sơ đồ mạch ví dụ 38 2.28 Sơ đồ ví dụ 40 2.29 Led sáng dần từ led đến led 10 ngược lại 42 2.30 Điều khiển tốc độ động 44 2.31 PWM 50% 45 2.32 PWM 25% 46 2.33 PWM 90% 46 2.34 Giao diện điều khiển blynk 48 3.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống 51 3.2 Hình ảnh thực tế esp8266 v12 52 3.3 Sơ đồ nối chân esp8266 52 3.4 Sơ đồ nối chân arduino 53 3.5 Cảm biến hồng ngoại 54 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối thu phát hồng ngoại 56 3.7 Cảm biến DHT22 56 3.8 Module relay thực tế 57 3.9 Động servo thực tế 59 3.10 Cấu tạo động Servo 59 3.11 Cấu tạo chân vào động servo 60 3.12 Đèn còi báo động 60 3.13 Động chiều 61 3.14 Cấu tạo động chiều 61 3.14 Nguyên lý hoạt động động DC 62 3.16 Khối hiển thị LCD 63 3.17 Sơ đồ mạch ngun lý khối nguồn 65 5.1 Mơ hình phần cứng 76 SVTH: Nguyễn Tiến Hưng GVHD: Đỗ Hoàng Ngân Mi Đồ án tốt nghiệp Trang Hệ Thống Giám Sát Ngôi Nhà Thông Minh CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 VAI TRÒ VÀ ỨNG DỤNG CỦA ARDUINO HIỆN NAY 1.1.1 Giới thiệu arduino Arduino: tảng mã nguồn mở sử dụng để xây dựng ứng dụng điện tử Arduino gồm có board mạch lập trình ( thường gọi vi điều khiển phần mềm hỗi trợ IDE (Integrated Development Environment) dùng để soạn thảo, biên dịch code nạp chương cho board Arduino ngày phổ biến cho người bắt đầu tìm hiểu điện tử đơn giản, hiệu dễ tiếp cận Không giống loại vi điều khiển khác, Arduino khơng cần phải có cơng cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code, ví dụ để nạp code cho PIC cần phải có Pic Kit Đối với Arduino đơn giản, ta kết nối với máy tính cáp USB Arduino thực gây sóng gió thị trường người dùng DIY (là người tự chế sản phẩm mình) toàn giới vài năm gần đây, gần giống với Apple làm thị trường thiết bị di động Số lượng người dùng cực lớn đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học làm cho người tạo chúng phải ngạc nhiên m Arduino đời thị trấn Ivrea thuộc nước Ý đặt theo tên vị vua vào kỷ thứ King Arduin Arduino thức đưa giới thiệu vào năm 2005 công cụ khiêm tốn dành cho sinh viên giáo sư Massimo Banzi, người phát triển Arduino, trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII) Mặc dù khơng tiếp thị cả, tin tức Arduino lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ lời truyền miệng tốt đẹp người dùng Hiện Arduino tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea để tham quan nơi sản sinh Arduino 1.1.2 Ứng dụng arduino thực tế Máy in 3d Một cách mạng khác âm thầm định hình nhờ vào Arduino, phát triển máy in 3D nguồn mở Reprap Máy in 3D công cụ giúp tạo vật thể thực trực tiếp từ file CAD 3D Công nghệ hứa hẹn nhiều ứng dụng thú vị có cách mạng hóa việc sản xuất cá nhân SVTH: Nguyễn Tiến Hưng GVHD: Đỗ Hoàng Ngân Mi Đồ án tốt nghiệp Trang Hệ Thống Giám Sát Ngôi Nhà Thông Minh Hình 1.1 Máy in 3D Makerbot điều khiển Arduino Mega2560 Thiết bị bay không người lái (UAV) UAV ứng dụng đặc biệt thíchhợp với Arduino chúng có khả xử lý nhiều loại cảm biến Gyro, accelerometer, GPS…; điều khiển động servo khả truyền tín hiệu từ xa Hình 1.2 thiết bị UAV SVTH: Nguyễn Tiến Hưng GVHD: Đỗ Hoàng Ngân Mi