Bài tập lớn môn thiết bị điện thiết kế ngôi nhà thông minh

Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA ĐIỆN====o0o==== BÀI TẬP LỚN MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINHTên đề tài : Thiết kế ngôi nhà thông minh Trang 2 LỜI NÓI ĐẦUTrong cuộc sống ngày n

lOMoARcPSD|39211872 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ====o0o==== BÀI TẬP LỚN MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH Tên đề tài : Thiết kế ngôi nhà thông minh Giáo viên hướng dẫn: Đoàn Đức Thắng Nhóm 2 2021606182 2020503410 Sinh viên 2020600724 Bùi Văn Thắng 2020603304 Lỷ Văn Thạo Quách Quang Hiển Đỗ Khắc Nhâm Lớp: 20231EE6050003 Trang 1 Năm 2023 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 LỜI NÓI ĐẦU Trong cuộc sống ngày nay, trên nền tảng của sự phát triển về công nghệ thông tin, điện dân dụng… các sản phẩm khoa học công nghệ dần được đưa vào ứng dụng trong đời sống sản xuất và đời sống sinh hoạt của con người Sự kết hợp các tính năng ưu việt của Smartphone, máy tính, cảm biến với các thiết bị điện dân dụng… đem lại cho con người những trải nghiệm về một thế giới thiết bị tự động Góp phần làm cho điều kiện cuộc sống ngày một được nâng cao, nhu cầu về giải trí hưởng thụ được cải thiện Một trong những ý tưởng đó đã được phát triển ứng dụng và được nhiều người quan tấm đến trong thời gian gần đây, đó là khái niệm về “nhà thông minh” Tính năng tự động của nó đem lại, mà hiện nay các ngôi nhà thông minh ngày càng được đưa vào sử dụng rộng rãi trong thực tế, không chỉ đối với các căn biệt thự … mà ý tưởng này còn có thể được mở rộng ứng dụng cho những ngôi nhà dân dụng với mức chi phí bình thường Từ nhu cầu thực tế muốn ước mơ về sử dụng thiết bị điện dân dụng tự động đến với mọi người dân, đồ án của chúng em đề xuất và xây dựng đề tài “Thiết kế mô hình nhà thông minh ứng dụng vi điều khiển” Với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS Đặng Ngọc Trung cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ Thuật Điện cùng với sự nỗ lực của cả nhóm đồ án chúng em, đến nay đồ án của chúng em đã hoàn thành Do kiến thức của chúng em còn hạn chế nên đề tài của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo cùng các bạn sinh viên để nội dung của đề tài thực sự hoàn thiện và được ứng dụng hiệu quả hơn trong đời sống Giáo viên hướng dẫn Hà Nội, ngày 26 tháng 12 năm 2023 Đoàn Đức Thắng Nhóm sinh viên thực hiện Nhóm 2 Năm 2023 Trang 2 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU .1 Mục lục 4 PHẦN 1 5 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5 1.1 Giới thiệu về hệ thống nhà thông minh .5 1.2 Đặt bài toán 8 1.3 Ý tưởng xây dựng thuật toán điều khiển nhà thông minh 9 PHẦN 2 10 TÌM HIỂU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 10 PIC 16F877A CÙNG MỘT SỐ THIẾT BỊ NGOẠI VI KHÁC 10 2.1 Hệ điều hành Android 10 2.2 .Vi điều khiển PIC 16F877A 12 PHẦN 3 35 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO MÔ HÌNH NHÀ Ở 35 DÂN DỤNG THÔNG MINH .35 3.1 Thiết kế phần cứng 35 3.2 Xây dựng phần mềm 68 3.3 Kết luận và định hướng phát triển .85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 Năm 2023 Trang 4 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 PHẦN 1 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu về hệ thống nhà thông minh Nhà thông minh (tiếng Anh là "Smart Home") hoặc hệ thống nhà thông minh là một ngôi nhà/ căn hộ được trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, cửa tự động và nhiều tính năng khác nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên Theo wiseGeek, một ngôi nhà (hoặc căn hộ) được coi là "thông minh" bởi vì hệ thống máy tính/điện thoại của nó có thể giám sát được nhiều khía cạnh diễn ra xung quanh ngôi nhà của chúng ta thường ngày.Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống kiểm soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối Hệ thống cũng có thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát Năm 2023 Trang 5 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 nhiệt độ, hệ thống báo sự cố khí gas, hệ thống đóng mở cửa tự động, hệ thống phòng ngừa trộm…Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống điều khiển giải trí loa đài với công suất khác nhau, hệ thống tưới nước Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ việc ghép nối các thiết bị điệntrong nhà với bộ điều khiển trung tâm thông qua hệ thống máy tính/điện thoại để có thể theo dõi các trạng thái và ra các quyết định điều khiển phù hợp Nhà thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng từ nhiều năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng rãi của ngành điện điện tử và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin, theo Wikipedia Công nghệ nhà thông minh ngày càng trở nên tinh vi,các tín hiệu điều khiển và giám sát được mã hóa truyền đi thông qua hệ thống dây dẫn hoặc mạng không dây đến các bộ chuyển mạch, ổ điện được lập trình sẵn để vận hành các đồ gia dụng và thiết bị điện tử ở trong ngôi nhà Sự tự động hóa của ngôi nhà đặc biệt có ích cho người lớn tuổi và người tàn tật, những người muốn sống tự lập Việc lắp đặt các sản phẩm thông minh đem lại cho ngôi nhà và chủ nhân của nó rất nhiều lợi ích – tương tự như những lợi ích mà công nghệ và máy tính cá nhân đã đem lại cho chúng ta 30 năm qua, bao gồm: sự tiện nghi, tiết kiệm thời gian, tiền bạc và năng lượng Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm biến nhiệt độ, cảm biến chuyển động, cảm biến ánh sáng, cảm biến âm thanh, cảm biến khí gas…), các bộ điều khiển (PLC, vi điều khiển…), máy tính, khối thu phát tín hiệu (wifi, Bluetooth…)và các thiết bị chấp hành khác (Rơ le trung gian…) Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy tính/điện thoại mà con người có thể theo dõi các trạng thái bên trong ngôi nhà dù chúng ta đang ở bất cứ đâu, để đưa ra các quyết định điều khiển các thiết bị chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo sự an toàn cũng như đem lại cho người sử dụng một môi trường sống tốt nhất Năm 2023 Trang 6 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 Hình1.1 Mô hình hệ thống nhà thông minh Trên thế giới, nhiều kiến trúc sư đang bắt đầu cân nhắc đến nhà thông minh trong khi thiết kế và xây dựng nhà Khi đó, hệ thống được tích hợp ngay trong quá trình xây dựng thì chi phí cho việc lắp đặt, bảo trì sẽ giảm xuống đồng thời toàn bộ hệ thống điện trong tòa nhà cũng sẽ đồng bộ và linh hoạt hơn Tuy nhiên, các ngôi nhà hoặc căn hộ đã xây dựng trước đây cũng vẫn có thể sửa đổi để tích hợp hệ thống thông minh vào, đem lại những cảm giác mới cho ngôi nhà của chúng ta Hiện nay, trong lĩnh vực nhà thông minh, các kỹ sư vẫn đang tiếp tục sáng tạo để tạo ra nhiều tiện ích hơn nữa cho ngôi nhà cũng như tối ưu hóa về triển khai lắp đặt một ngôi nhà thông minh Trong tương lai không xa, ngôi nhà thông minh có thể có khả năng “tư duy” để tự điều chỉnh các thiết bị một cách phù hợp và có khả năng giao tiếp với con người như trong các bộ phim viễn tưởng là có cơ sở trở thành hiện thực Cuối những năm 1990, nhà thông minh vẫn được xem là một thứ xa xỉ của nhà giàu Tuy nhiên, với sự ra đời và phổ biến của công nghệ vi điện tử và chi phí ngày càng giảm của chúng thì các công nghệ điều khiển thông minh có thể được ứng dụng Năm 2023 Trang 7 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 rỗng rãi hơn và đem lại cho mọi người dân có mức sống trung bình có thể làm chủ được ngôi nhà thông minh trong tầm tay Với sự phát triển vũ bão của công nghệ thông tin, internet và chi phí cho hệ thống nhà thông minh đã giảm xuống trong thời gian gần đây Nhu cầu người sử dụng đã tăng cao đáng kể Theo hãng ABI Research, năm 2012 đã có hơn 1,5 triệu hệ thống nhà thông minh được lắp đặt ở Mỹ và dự kiến con số này sẽ tăng đến 8 triệu vào năm 2017 Trong tương lai không xa, có thể hi vọng nhà thông minh sẽ là một xu hướng mới cho cuộc sống của con người hiện đại 1.2 Đặt bài toán Xuất phát từ nhu cầu mở rộng quy mô ứng dụng hệ thống nhà thông minh không chỉ tập trung cho các nhà biệt thự, khách sạn… phục vụ cho các tầng lớp giàu có thượng lưu, mà còn đem lại cho người có mức thu nhập trung bình có được cơ hội sở hữu ngôi nhà thông minh với một số tính năng tự động nhất định của riêng mình trong khả năng kinh tế có hạn Vì vậy trong phạm vi của đề tài đề xuất xây dựng mô hình nhà ở dân dụng nhà thông minh, đảm bảo cho ngôi nhà có được một số tính năng tự động như sau: ➢ Đóng mở cửa và bật tắt hệ thống chiếu sáng từ xa thông qua điện thoại/máy tính, modul Bluetooth HC06 kết nối với vi điều khiển trung tâm ➢ Bật tắt các thiết bị bằng giọng nói thông qua điện thoại gửi đến modul Bluetooth HC06 kết nối với vi điểu khiển trung tâm ➢ Đóng mở cửa và bật tắt hệ thống chiếu sáng từ xa bằng việc giải mã tín hiệu DTMF của điện thoại ➢ Hiển thị nhiệt độ phòng, nồng độ khí gas trên LCD hoặc máy tính/điện thoại giám sát Năm 2023 Trang 8 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 ➢ Tự động phát hiện và báo sự cố khí gas khi quá nồng độ cho phép thông qua còi báo động, đồng thời ngắt Rơ le trung gian cấp điện xoay chiều cho toàn hệ thống điện của ngôi nhà, đến khi sự cố được giải trừ thì tự động đóng Rơ le trung gian trở lại để cấp điện cho ngôi nhà hoạt động bình thường 1.3 Ý tưởng xây dựng thuật toán điều khiển nhà thông minh Về bản chất mô hình nhà thông minh đề xuất trong đề tài được vận hành: Đóng cắt từ xa thiết bị điện chiếu sáng và đóng mở cửa qua bộ điều khiển trung tâm Việc đóng mở cửa và đóng cắt thiết bị chiếu sáng thông qua bộ điều khiển trung tâm giúp cho người sử dụng có thể vận hành các thiết bị ở bất cứ vị trí nào bằng ba cách: Cách 1: Điều khiển ở khoảng cách gần thông qua modul blutooth HC06 lúc này tất cả các hiệu lệnh đóng cắt thiết bị của người sử dụng thông qua các nút ấn trên bàn phím của máy tính hay điện thoại, được mã hóa thành tín hiệu nhờ phần mềm ứng dụng trên hệ điều hành Android và gửi tín hiệu về vi điều khiển thông qua kênh Bluetooth của modul Bluetooth HC06, tín hiệu sẽ được xử lý thông qua mã chương trình đã được lập trình sẵn trong vi điều khiển, từ đó phát tín hiệu điều khiển tới Rơ le trung gian để cấp điện cho động cơ cửa tự động hay thiết bị chiếu sáng Cách 2: Điều khiển ở khoảng cách gần bằng giọng nói thông qua modul blutooth HC06 lúc này tất cả các hiệu lệnh đóng cắt thiết bị của người sử dụng thông qua các khẩu lệnh giọng nói của ta truyền đến, được mã hóa thành tín hiệu nhờ phần mềm ứng dụng trên hệ điều hành Android và gửi tín hiệu về vi điều khiển thông qua kênh Bluetooth của modul Bluetooth HC06, tín hiệu sẽ được xử lý thông qua mã chương trình đã được lập trình sẵn trong vi điều khiển, từ đó phát tín hiệu điều khiển tới Rơ le trung gian để cấp điện cho các thiết bị Cách 3: Điều khiển ở khoảng cách xa bằng việc giải mã âm bàn phím nhờ modul DTMF sẽ chuyển từ tín hiệu âm thanh sang tín hiệu dạng số và được đưa tới bộ xủ lý trung tâm thông qua modul DTMF từ đó sẽ được xử lý và đưa ra lệnh điều khiển Năm 2023 Trang 9 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 đóng mở các thiết bị Bên cạnh đó trong mô hình nhà ở dân dụng thông minh còn bố trí các công tắc ở mỗi phòng để bật tắt thiết bị chiếu sáng bằng tay Ngoài ra nhờ các cảm biến nhiệt độ và cảm biến khí gas MQ2 và thông qua vi điều khiển và modul Bluetooth sẽ hiển thị các thông số nhiệt độ phòng cũng như nồng khí gas trên LCD, máy tính và điện thoại, để người sử dụng có thể giám sát được đảm bảo sự an toàn trong ngôi nhà tốt nhất Một điều đáng chú ý đó là chế độ cảnh báo sự cố rò rỉ khí gas trong ngôi nhà thông qua chương trình cài đặt sẵn trong vi điều khiển đưa tín hiệu báo động ra còi báo động khi khí gas vượt quá ngưỡng cho phép, đồng thời giải trừ sự nguy hiểm cho toàn bộ hệ thống điện trong ngôi nhà nhờ tín hiệu từ vi điều khiển đưa đến Rơ le trung gian tổng, ngắt điện lưới toàn hệ thống của ngôi nhà, đảm bảo hạn chế sự cháy nổ do điện gây ra Khi sự cố khí gas đã được giải trừ thì hệ thống lại tự động đóng tiếp điểm của Rơ le trung gian tổng cấp điện lại cho toàn hệ thống trong ngôi nhà PHẦN 2 TÌM HIỂU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID VÀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A CÙNG MỘT SỐ THIẾT BỊ NGOẠI VI KHÁC 2.1 Hệ điều hành Android 2.1.1 Khái niệm Android là một hệ điều hành mã nguồn mở dành cho thiết bị di động như Smartphone, Tablet hay Netbook (thường gọi chung là thiết bị cầm tay thông minh) Android do Google phát triển dựa trên nền tảng Linux kernel phiên bản 2.6 và các phần Năm 2023 Trang 10 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com) lOMoARcPSD|39211872 mềm mã nguồn mở Bất kỳ một hãng sản xuất phần cứng nào cũng đều có thể tự do sử dụng hệ điều hành Android cho thiết bị của mình, miễn là các thiết bị ấy đáp ứng được các tiêu chuẩn cơ bản do Google đặt ra (như có cảm ứng chạm đa điểm, GPS, 3G,…) Nhờ tính mở miễn phí và những ưu điểm của hệ điều hành này, ngày nay các thiết bị cầm tay sử dụng hệ điều hành này càng nhiều và phổ biến Và một ưu điểm nữa là hầu như các thiết bị Android là đều được tích hợp công nghệ Bluetooth, vì thế người dùng có thể dễ dàng kết nối được với mạch để điều khiển Việc điều khiển trở lên thuận tiện và tiết kiệm chi phí Nhờ vào tính mở của hệ điều hành Android chúng ta có thể phát triển ứng dụng một cách tối ưu, phù hợp cho bộ điều khiển Từ những thuận lợi đó, việc tạo một ứng dụng trên chiếc Mobile Android thật sự dễ dàng, ứng dụng này sẽ có chức năng chính là truyền, nhận dữ liệu qua Bluetooth để điều khiển bảng thiết bị Và việc này được thực hiện trên những chiếc điện thoại sử dụng hệ điều hành Android mà mọi người thường dùng hằng ngày 2.1.2 Cấu trúc hệ điều hành Android Kiến trúc hệ điều hành Android gồm 4 tầng, từ dưới lên trên là tầng hạt nhân Linux (v2.6), tầng Libraries & Android Runtime, tầng Application Framework và trên cùng là tầng Application Mô hình tổng thể của các thành phần bên trong hệ thống sử dụng Android được mình họa trong (Hình 2.1) Năm 2023 Trang 11 Downloaded by mon hon (monmon1@gmail.com)