Đồ án tốt nghiệp đề tài nghiên cứu, thiết kế giải pháp điều khiển nhà thông minh qua smartphone

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ Giải pháp điều khiển nhà thông minh qua smartphone Sinh viên thực hiện: Đỗ Tiến Quang Người hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Lương Miên Hà Nội – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN HỌC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ Giải pháp điều khiển nhà thông minh qua smartphone Sinh viên thực hiện: Đỗ Tiến Quang Lớp: Tự Động Hóa: K24 Người hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Lương Miên Hà Nội – 2022 LỜI CẢM ƠN Trong thực tế, không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Bốn năm học của đời sinh viên cũng dần khép lại bằng những ngày tháng cuối cùng của quá trình hoàn thiện đồ án tốt nghiệp Trong suốt thời gian từ khi bước chân vào giảng đường đến nay, em đã nhận được sự chỉ dạy tận tình, sự quan tâm, chia sẻ của các quý Thầy, Cô, gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi tới quý Thầy, Cô khoa điện – điện tử - Trường Đại học giao thông vận tải đã cùng với các tri thức và tâm huyết truyền đạt cho chúng em vốn kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập vừa qua Những tri thức và những bài học về cuộc sống mà Thầy, Cô truyền dạy hôm nay mãi là hành trang vững chắc cho chúng em sau khi ra trường Em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ em rất nhiều trong bài báo cáo tốt nghiệp này Trong suốt quá trình học tập cũng như làm đồ án, em luôn nhận được sự chỉ bảo tận tình, tâm huyết từ cô, không chỉ là những bài học, những kỹ năng và kinh nghiệm trong công việc mà cô dạy cho em rất nhiều bài học từ cuộc sống Bài báo cáo này của em với kiến thức hạn chế, do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy, Cô để kiến thức của em được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn! Cuối cùng, em xin chúc bộ môn Điều khiển học ngày càng phát triển, chúc quý Thầy, Cô luôn mạnh khỏe và thành công trong sự nghiệp trồng người 1 Mục lục LỜI CẢM ƠN 1 LỜI NÓI ĐẦU 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH 5 1 Tổng quan về ngôi nhà thông minh 5 1.1 Khái niệm về hệ thống ngôi nhà thông minh .5 1.2 Các nền tảng của ngôi nhà thông minh 5 1.3 Tính năng của hệ thống điều khiển giám sát trong ngôi nhà thông minh 6 1.4 Xu hướng công nghệ nhà thông minh trên thế giới và Việt Nam 7 1.4.1 Xu hướng công nghệ nhà thông smarthome trên thế giới 7 1.4.2 Xu hướng phát triển công nghệ nhà thông minh ở Việt Nam 8 1.5 Các công nghệ nhà thông minh trên thế giới sử dụng hiện nay 9 1.5.1 Công nghệ X10 .9 1.5.2 Công nghệ UPB 11 1.5.3 Công nghệ insteon .13 1.5.4 Công nghệ zigbee .13 1.5.5 Công nghệ z-waze 18 1.5.6 Công nghệ wifi 19 1.5.7 Công nghệ bluetooth 20 1.6 Mục đích và lý do lựa chọn đề tài .20 1.7 Xây dựng quy trình công nghệ cho giải pháp nhà thông minh của đề tài 21 Kết luận chương 1 23 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN, CẢM BIẾN, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 24 1 Các khối thiết bị của hệ thống 24 1.1 Khối điều khiển .24 1.1.1 Khái quát về dòng vi điều khiển PIC .25 1.1.2 Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877a 28 1.3 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển PIC16F877a .31 1.1.4 Phần mềm nạp chương trình và mạch nạp cho vi điều khiển .32 2 1.1.5 Arduino Uno .33 1.1.6 Module RFID RC522 .34 2.2 Khối thiết bị điện 36 2.2.1 Quạt thông gió 36 2.2.2 Đèn chiếu sáng 36 2.3 Thiết bị truyền thông 37 2.3.1 Module wifi Esp8266 37 2.3.2 Phần mềm lập trình và nạp chương trình cho thiết bị truyền thông .39 2.4 Phần mềm điều khiển từ xa Blynk .39 2.5 Khối cảm biến 43 2.5.1 Thiết kế hệ thống cảnh báo cháy, nổ và điều khiển thiết bị điện 43 2.5.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm .45 2.5.3 Hệ thống giàn phơi 47 2.6 Mạch điều khiển 49 Kết luận chương 2 50 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 51 3 Thuật toán điều khiển 51 Kết luận chương 3 52 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM 53 4 Mô hình thực nghiệm 53 Kết luận chương 4 57 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 58 Tài liệu tham khảo 59 PHỤ LỤC 60 Phụ lục 1 60 Phụ lục 2 64 3 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển của khoa học và công nghệ, đất nước hội nhập ngày càng sâu rộng thì tự động hóa là một lĩnh vực rất quan trọng và không thể thiếu trong đời sống của con ngừời, Sự phát triển của lĩnh vực điện – điện tử nói chung và ngành tự động hóa nói riêng đã tạo ra hang loạt các thiết bị điện tử với nhiều chủng loại với các tính năng sử dụng ngày càng tinh vi, với những đặc điểm nổi bật như độ chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ Đó là những yếu tố góp phần cho các hoạt động của con người đạt hiệu quả cao hơn và nó là bước đệm của sự phát triển trong xu hướng công nghệ 4.0 Khi thế giới dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things (IoT) – Kết nối vạn vật qua Internet, sử dụng các thiết bị thông minh như smartphone, tablet để kết nối, điều khiển mọi vật dụng thì mô hình nhà thông minh sẽ là xu hướng nhà ở mà tất cả mọi người đều muốn sở hữu Sự phát triển về kinh tế, làm cho con người có nhu cầu cao hơn về một cuộc sống hiện đại, tiện nghi Khái niệm “Nhà thông minh” dần trở nên phổ biến khi nhu cầu sở hữu những ngôi nhà hiện đại, thông minh dần trở thành một tiêu chuẩn đối với nhiều gia đình Vậy nên nhà thông minh đang và sẽ là một xu hướng công nghệ tất yếu trên thế giới, trở thành tiêu chuẩn của nhà hiện đại trong kỷ nguyên Internet of Things Bên cạnh đó, sự tiện nghi và tiết kiệm năng lượng cũng dần trở thành một tiêu chuẩn cần thiết nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống Trên phạm vi toàn cầu, nhà thông minh được xem là một lĩnh vực có dư địa phát triển lớn nhất Tại Việt Nam, một vài năm trở lại đây, xu hướng nhà thông minh cũng đang dần trở nên gần gũi với người dân Với mong muốn đem công nghệ vào phục vụ cuộc sống và tới đại đa số ngôi nhà Việt, em đã nghiên cứu và xây dựng giải pháp tự động hóa cho đề tài “Giải pháp điều khiển nhà thông minh qua smartphone” phổ biến trong tương lai gần và từng bước hoàn thành theo từng mảng như hệ thống ánh sáng, hệ thống an ninh, hệ thống báo cháy, hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị qua mạng internet… 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH 1 Tổng quan về ngôi nhà thông minh 1.1 Khái niệm về hệ thống ngôi nhà thông minh Ngôi nhà thông minh là ngôi nhà có các điều kiện kỹ thuật đảm bảo cuộc sống tốt nhất của con người, được tự động bảo đảm các chỉ tiêu kỹ thuật theo mong muốn của người sử dụng Ngôi nhà thông minh khác với ngô nhà bình thường ở chỗ nó là một quá trình tích hợp của các hệ thống như hệ thống điều khiển và giám sát môi trường: hệ thống điều khiển đảm bảo nhiệt độ, hệ thống đảm bảo ánh sáng, mạch đóng ngắt, điều khiển cửa ra vào, giám sát cảnh báo cháy thành một hệ thống mạng thống nhất Albert Einstein chỉ dùng 1 tủ quần áo rất bé để bớt phí thời gian nghĩ về việc mình phải mặc gì Đơn giản hóa cuộc sống giúp ông có thêm thời gian và năng lượng để tập trung cho công việc của mình Tự động hóa nhà cửa cũng đi theo hướng đó Nó đơn giản hóa cuộc sống cho bạn bằng cách chuyển những việc nhàm chán, lặp lại từ tay bạn sang cho hệ thống điều khiển của chính ngôi nhà ấy Với một ngôi nhà “thông minh” hơn, bạn có thể tập trung sức lực và thời gian cho những người, những việc có ý nghĩa với mình hơn 1.2 Các nền tảng của ngôi nhà thông minh - Khả năng liên kết giữa các thiết bị sinh hoạt bố trí trong nhà: Cùng với trình độ khoa học công nghệ phát triển như ngày nay, các thiết bị điện ngày càng tinh vi hơn, thông minh hơn Trong ngôi nhà thông minh, các thiết bị này không chỉ đảm nhận tốt chức năng thiết kế cho nó, chúng còn được nối với nhau thông qua mạng truyền thông hạ tầng của ngôi nhà Sự liên kết này mở ra những tính năng sử dụng mới cho căn nhà như việc chủ nhà đang ngồi trong phòng khác có thể chuyển chế độ làm khô quần áo của chiếc máy giặt bằng một chiếc điều khiển từ xa - Khả năng giám sát mọi hoạt động của ngôi nhà: Khi các thiết bị được nối mạng, có thêm nhiều hệ thống giám sát được tích hợp vào trong ngôi nhà: Hệ 5 thống giám sát an ninh (kiểm soát hoạt động đi lại trong nhà), hệ thống giám sát an toàn (kiểm tra các thông số kĩ thuật trong ngôi nhà: khí gas, cháy, khói… hoạt động của các thiết bị điện khác như máy giặt, lò vi sóng, đèn chiếu sáng…) - Khả năng quan sát, bảo vệ: Trong nhà thông minh, hệ thống chuông cửa màn hình, camera quan sát, cho phép người trong nhà có thể giao tiếp, quan sát bên ngoài mà không cần phải bước qua cửa chính Người sử dụng có thể biết được khách thăm mình là ai, có thể thích hợp để đón tiếp hoặc đưa ra lời từ chối khéo léo thông qua hệ thống loa ngoài cổng chính Còn với camera quan sát toàn diện hơn sẽ giúp người trong gia đình theo dõi được hoạt động của trẻ ở phòng ngủ, ở phòng khách vui chơi ngay cả khi không có ở nhà nhờ vào hệ thống kết nối điều khiển từ xa qua mạng - Khả năng kiểm soát toàn diện: Trong nhà thông minh, hệ thống điều khiển nối liên thông từ mọi thiết bị kỹ thuật số như điện thoạt, máy tính kết nối qua mạng internet để người sử dụng dù ở bất kì nơi đâu cũng có thể theo dõi được mọi hoạt động trong nhà Hệ thống là sự kết hợp của công nghệ điều khiển và tự động hóa với các kỹ năng kiểm soát đặc biệt trong quản lý an ninh và năng lượng nhằm duy trì sự thuận tiện và làm chủ thông tin cho người sử dụng 1.3 Tính năng của hệ thống điều khiển giám sát trong ngôi nhà thông minh - Tính bền vững: Khi có một thiết bị gặp sự cố, hoạt động của các thiết bị còn lại trong ngôi nhà không bị ảnh hưởng, sinh hoạt của chủ nhà không bị ảnh hưởng, không gây nguy hiểm đến tính mạng con người - Độ tin cậy: Khi bị mất nguồn điện chung, hệ thống sẽ bị ngắt điện, tuy nhiên các thiết bị trong nhà phải chuyển sang chế độ hoạt động bằng tay, cửa vẫn có thể đóng mở được, rèm có thể kéo được… - Tính linh hoạt: Việc lựa chọn tính các tính năng tích hợp trong ngôi nhà thông minh được thực hiện căn cứ theo hiện trạng của ngôi nhà và căn cứ theo nhu cầu thực tế của chủ nhà Bên cạnh đó, hệ thống còn hỗ trợ khả năng lập 6 trình lại các lệnh điều khiển Tính linh hoạt của hệ thống cho phép khả năng mở rộng thêm các tính năng mới được tiến hành dễ dàng - Tính thân thiện: Dễ dàng cho người sử dụng, do hệ thống được lắp đặt phục vụ nhiều đối tượng người dùng khác nhau, với những trình độ khác nhau, năng lực khác nhau - Tiết kiệm năng lượng: Do mọi hoạt động của thiết bị trong tòa nhà đều được kiểm soát 24/24 giờ, cho phép loại trừ những hoạt động tiêu tốn điện năng một cách vô ích trong ngôi nhà 1.4 Xu hướng công nghệ nhà thông minh trên thế giới và Việt Nam 1.4.1 Xu hướng công nghệ nhà thông smarthome trên thế giới Chúng ta đang sống trong thời kỳ công nghệ 4.0, vì vậy việc chứng kiến những thiết bị, sản phẩm công nghệ của “tương lai” cũng không còn quá ngạc nhiên Trong cuộc cách mạng công nghệ này thì công nghệ IoT được thế giới xem như là cơ đội tỷ đô chiếm thị trường cực kỳ tiềm năng Theo thống kê của một công ty nghiên cứu thị trường nổi tiếng của Mỹ thì đến năm 2020 giá trị thị trường của nhà thông minh smarthome sẽ đạt tới 43 tỷ USD Đây là một con số cực lớn và tăng gấp 3 lần so với năm 2014 Xu hướng sử dụng nhà thông minh còn được dự báo là một trong những công nghệ toàn diện tốt nhất được ứng dụng cho cuộc sống con người Không chỉ nằm ở mức độ thông minh mà nó còn đảm bảo sự tiện nghi, hiện đại và sang chảnh bậc nhất 1.4.2 Xu hướng phát triển công nghệ nhà thông minh ở Việt Nam 7 Cập nhật xu hướng của thế giới thì vài năm trở lại đây công nghệ nhà thông minh ở Việt Nam cũng có những chuyển biến tích cực Có rất nhiều đơn vị nhà thông minh đã và đang xâm nhập vào thị trường Việt Nam các nhà đầu tư từ nước ngoài Khi trên thế giới đang tiến dần đến kỷ nguyên công nghệ IoT (Internet of Things) nghĩa là mọi vật dụng có thể được kết nối qua internet thì các thiết bị nhà thông minh tại Việt Nam cũng nhanh chóng cập nhật được xu hướng đó Đây không chỉ là công nghệ tiên tiến mà nó là một xu hướng tất yếu của cuộc sống hiện đại, là tiêu chuẩn của mọi căn nhà thông minh hiện nay 8