Giới thiệu nhà thông minh Nhà thông minh Smart Home hoặc hệ thống nhà thông minh là một ngôi nhà/căn hộ được trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành để điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt
BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỊA BÌNH HOÀNG VĂN HOÀNH TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH TỪ XA TRÊN CỞ SỞ WEB NHÚNG LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ SỐ: Cán hướng dẫn khoa học: TS Hà Mạnh Đào HÀ NỘI- 2017 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG XÉT DUYỆT Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 201… MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn .2 Tên đề tài Bố cục luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 1.1 Giới thiệu nhà thông minh 1.2 Những ưu điểm hạn chế phát triển hệ thống nhà thông minh .6 1.2.1 Ưu điểm nhà thông minh 1.2.2 Một số yếu tố hạn chế phát triển nhà thông minh .7 1.3 Một số công nghệ ứng dụng nhà thông minh .8 1.3.1 Công nghệ Arduino 1.3.2 Công nghệ Web Server nhúng 11 1.3.3 Phát triển ứng dụng mạng với Socket .13 1.4 Kết luận .14 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SHS2017 15 2.1 Hệ thống SHS2017 15 2.1.1 Cấu trúc hệ thống SHS2017 15 2.1.1.1 Khối trung tâm 16 2.1.1.2 Khối nhận dạng hình ảnh, âm thanh, thói quen chủ nhà thông minh 16 2.1.1.3 Khối bàn phím nhập liệu 16 2.1.1.4 Khối điều khiển thiết bị .17 2.1.1.5 Khối đo lường điện , nước 17 2.1.1.6 Khối điều khiển Relay 17 2.1.1.7 Khối chiếu sáng 17 2.1.1.8 Khối mạng cảm biến vô tuyến 17 2.1.1.9 Khối WiFi .17 2.1.1.10 Máy chủ đám mây .17 2.1.1.11 Khối cảnh báo cháy nổ 17 2.1.2 Cấu trúc phần cấp hệ thống SHS2017 19 2.1.3 Cơ chế hoạt động SHS2017 20 2.2 Thiết kế phần cứng 21 2.2.1 Thiết kế phần cứng khối trung tâm 21 2.2.1.1 Modul xử lý trung tâm Arduino R3 UNO .22 2.2.1.2 Modul Arduino Internet Shield 26 2.2.3 Khối Relay 30 2.3 Thiết kế phần mềm cho hệ thống SHS2017 30 2.3.1 Chương trình 30 2.3.2 Chương trình truyền thơng hệ thống SHS2017 31 2.3.2.1 Q trình truyền thơng W5100 31 2.3.2.2 Chương trình tạo trang Web .41 2.4 Kết luận .43 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG SHS2017 44 3.1 Kịch thử nghiệm 44 3.1.1 Mô tả hệ thống thử nghiệm .44 3.1.2 Tiến hành thử nghiệm .45 3.2 Kết thử nghiệm đánh giá 47 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC 51 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Cac vi điều khiển sử dụng phổ biến Arduino Bảng 1.2 Các thư viện chuẩn Arduino IDE 11 Bảng 2.1 Thông số đặc điểm bo mạch Arduno UNO R3 22 Bảng 2.2 Một số modul cảm biến thông dụng 29 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình nhà thơng minh Hình 1.2 Kiến trúc nhà thông minh .5 Hình 1.3 Mơi trường Arduino IDE .10 Hình 1.4 Truy cập EWS với phương thức GET POST 12 Hình 1.5 Web Server hệ thống nhúng sử dụng hệ điều hành RTOS 12 Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống SHS2017 15 Hình 2.2 Hệ thống cảnh báo cháy 18 Hình 2.3 Hai chế độ hoạt động SHS2017 19 Hình 2.4 Hệ thống phân cấp SHS2017 20 Hình 2.5 Chu trình hoạt động hệ thống SHS2017 20 Hình 2.6 Khối trung tâm SHS2017 đơn giản .21 Hình 2.7 Cái thành phần mạch Arduino Uno R3 .22 Hình 2.8 Vi điều khiển ATmega328 23 Hình 2.9 Các chân cắm ArduinoUno R3 .25 Hình 2.10 Chip W5100 modul Arduino Internet Shield 26 Hình 2.11 Các tín hiệu ghép nối giưa MCU với W5100 27 Hình 2.12 Cấu trúc phân tầng tổ chức nhớ W5100 28 Hình 2.13 Các modul Relay 8, 16 rơ le 30 Hình 2.14 Lưu đồ thuật tốn chương trình SHS2017 31 Hình 2.15 Truyền liệu chế độ Server 34 Hình 2.16 Truyền thống chế độ Client 40 Hình 3.1 Bố trí kịch thử nghiệm 44 Hình 3.2 Hình ảnh hệ thống thử nghiệm thực tế 45 Hình 3.3 Kết thử nghiệm kịch 46 Hình 3.4 Kết thử nghiệm kịch 47 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Công nghệ thông tin phát triển với tốc độ nhanh chóng trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn giới Việt Nam Việc tin học hoá ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ, đời sống, xã hội thực tế mang lại nhiều tiện ích cho người dùng Trong ngơi nhà nay, số lượng trang thiết bị điện, điện tử thông minh không ngừng gia tăng Tuy nhiên, khác kiến trúc, việc điều khiển thiết bị bất cập Việc điều khiển thiết bị cách thủ công với khoảng địa lý lớn chắn điều Với lý đó, nhà thơng minh đời nhằm giải tốn tương tác mơi trường thiết bị gia đình cách linh hoạt, dễ dàng Bên cạnh đó, cơng nghệ Internet of Things (IoT) trở lên phổ biến, hàng tỷ thiết bị kết nối chung với Internet Với ưu điểm luận văn lựa chọn đề tài: “Ứng dụng Internet of Things xây dựng hệ thống nhà thông minh” làm đề tài nghiên cứu khoa học với hi vọng bước đầu tạo hệ thống nhà thơng minh SHS2017 (Smart Home System -2017) khả thi thực tế Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu nhằm xây dựng hệ thống nhà thơng minh mà giám sát điều khiển từ xa qua mạng viễn thơng nói chung, mạng Internet nói riêng Cụ thể luận văn sâu vào nội dung sau: - Nghiên cứu khảo sát tình hình phát triển cơng nghệ nhà thông minh giới nước - Đề xuất mơ hình nhà thơng minh, thiết kế phần cứng, phần mềm đưa giải pháp giám sát, điều khiển thiết bị nhà thông minh từ xa qua mạng Internet - Tiến hành kịch thử nghiệm đánh giá hệ thống Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu - Xây dựng mơ hình nhà thơng minh thành phần cấu thành hệ thống nhà thông minh - Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật phần cứng, phần mềm, mạng truyền thông để thiết kế hệ thống nhà thông minh cho phép giám sát, điều khiển từ xa - Đưa qui trình thử nghiệm, đánh giá hệ thống nhà thông minh đề xuất triển khai thực tế b) Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thiết kế, thử nghiệm hệ thống nhà thông minh với thành phần hệ thống Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp tiếp cận thực tế vấn đề liên quan đến mục tiêu đề tài - Phương pháp thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn * Về mặt lý thuyết Hiện vấn đề nhà thông minh phát triển mạnh mẽ hình thành chuẩn nhà thơng minh nước giới Sự phát triển ứng dụng IoT vào xây dựng thành phố thông minh cách mạng công nghiệp 4.0 làm cho vấn đề nghiên cứu ứng dụng công nghệ vào xây dựng mơ hình nhà thơng minh triển khai thực tế diễn nhanh hơn, mạnh hơn, hoàn chỉnh hết Luận văn hy vọng góp phần vào xu phát triển Trong luận văn đề cập đến vấn đề thiết kế, triển khai nhà thơng minh góc độ tổng thể minh chứng khả thực thi thông qua mơ hình thử nghiệm sử dụng cơng nghệ phổ biến Việt Nam * Về mặt thực tiễn Thứ luận văn đưa cách giải tốn nhà thơng minh thu hút quan tâm nhiều doanh nghiệp, người sử dụng định hướng sách phủ nói chung, Hà Nội nói riêng, việc xây dựng thành phố thơng minh Trong nhà thơng minh thành phần thành phố thông minh Thứ hai, vấn đề luận văn thực vấn đề giới quan tâm Nó phù hợp với xu phát triển sống đương đại với chất lượng sống người dân ngày nâng cao cải thiện Tên đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển nhà thông minh từ xa sở Web nhúng” Bố cục luận văn Nội dung luận văn chia thành chương sau: Chương 1: Tổng quan cơng nghệ nhà thơng minh Chương trình bày kiến thức sở nhà thơng cơng nghệ sử dụng nhà thông minh Chương 2: Xây dựng hệ thống SHS2017 Chương tiến hành thiết kế phần cứng, phần mềm hệ thống giám sát điều khiển từ xa nhà thông minh từ xa qua mạng Internet Chương 3: Thử nghiểm đánh giá kết Chương tiến hành xây dựng kịch thử nghiệm, đề xuất kịch triển khai thực tế hệ thống giám sát điều khiển nhà thông minh sử dụng công nghệ Web nhúng Ngồi cịn phần mở đầu, phần kết luận tài liệu tham khảo CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 1.1 Giới thiệu nhà thông minh Nhà thông minh (Smart Home) hệ thống nhà thông minh nhà/căn hộ trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành để điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, rèm cửa, cửa nhiều tính khác nhằm mục đích làm cho sống ngày tiện nghi, an tồn góp phần sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên Một hệ thống nhà thơng hệ thống tích hợp nhiều cơng nghệ tiên tiến khác công nghệ điện tử, công nghệ thông tin, điều khiển truyền thông nhằm tự động hóa mức cao khía cạnh khác ngơi nhà, giúp người có mơi trường sống thuận tiện hơn, chất lượng sống nâng cao an tồn Hình 1.1 Mơ hình nhà thông minh Một nhà thông minh cho phép thiết bị tiêu thụ điện tự động hóa cơng việc, lịch trình điều khiển trực tiếp hình điều khiển thiết bị điều khiển từ xa qua ứng dụng cài đặt thiết bị smartphone, tablet, máy tính cá nhân PC, laptop Cụ thể quản lý hệ thống điện, tiêu thụ điện năng; cảnh báo cháy nổ; cảnh báo xâm nhập trái phép; điều khiển thiết bị đa phương tiện nhà; tự động giám sát môi