TỔNG QUAN VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH
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 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 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
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
LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN, CẢM BIẾN, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN
Các khối thiết bị của hệ thống
Hiện nay, có rất nhiều dòng bộ điều khiển khác nhau như: PLC, PIC, AVR, arduino… Mỗi dòng đều có những đặc điểm, tính năng nổi trội khác nhau.
+ Giảm 80% lượng dây tương đối
+ Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa diễn ra nhanh chóng và dễ dàng.
+ Chức năng điều khiển được thay đổi dễ dàng nhờ thiết bị lập trình mà không cần thay đổi phần cứng.
+ Thời gian hoàn thành chu trình điều khiển rất nhanh dẫn đền tăng tốc độ sản xuất
+ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ dễ học + Giao tiếp được với các thiết bị thông minh như: máy tính, nối mạng, module mở rộng…
+ Giá thành cao so với các dòng điều khiển khác + Một số hãng phải mua thêm phần mềm lập trình + Cần có kiến thức chuyên môn để lập trình và sửa chữa thành thạo
+ Có thể sử dụng ngay
+ Các mẫu thư viện có sẵn
+ Khả năng chuyển đổi đơn vị tự động
+ Cộng đồng lớn, có các diễn đàn trên internet nói về arduino
+ Chi phí: Giá của arduino đắt so với mặt bằng chung các vi điều khiển
+ Dễ dàng sử dụng: nếu bắt đầu vi điều khiển với arduino thì sẽ rất khó khi làm mạch thông minh phức tạp trong tương lai Vì phần cứng và phần mềm arduino dễ sử dụng nên sẽ không biết những điều cơ bản như giao tiếp nối tiếp, ADC, I2C, v.v
+ Chi phí thấp + Nhiều chức năng Nhược điểm:
+ Thiết kế mạch phức tạp + Ảnh hưởng nhiều nhiễu từ môi trường + Độ bền không cao so với PC, PLC…
Tóm lại, dựa vào những đặc điểm của các dòng điều khiển nên em lựa chọn dòng vi điều khiển PIC cho đề tài này.
1.1.1 Khái quát về dòng vi điều khiển PIC a, Vi điều khiển PIC
PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectro- nics Division thuộc General Instrusment.
PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer”(Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instrusment đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650 Lúc này, PIC1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP1600 Vì vậy,người ta cũng gọi PIC với cái tên “Peripheral Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CPU1600 PIC sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC chưa được sử dụng như bây giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kì máy (4 chu kỳ của bộ dao động).
Năm 1985, General Instrusment bán bộ phận vi điện tử của hoj, và chủ sở hữu mới hủy bỏ hết các dự án lúc đó đã quá lỗi thời Tuy nhiên, PIC được bổ sung EEPROM để tạo thành một bộ điều khiển vào ra khả trình Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hang loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC), với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32k word. b, Lập trình cho PIC
PIC sử dụng tập lệnh RISC, với dòng PIC low-end (độ dài mã lệnh 12 bit, ví dụ: PIC12Cxxx) và mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit, ví dụ: PIC16Fxxxx), tập lệnh bao gồm các lệnh tính toán trên các thanh ghi, với hằng số, hoặc vị trí bộ nhớ, cũng như có các lệnh điều kiện, lệnh nhảy/gọi hàm, và các lệnh để trở về, nó cũng có các tính năng phần cứng khác như ngắt hoặc sleep (chế độ hoạt động tiết kiệm) Microchip cung cấp môi trường lập trình MPLAP, nó bao gồm phần mềm mô phỏng và trình dịch ASM.
Một số công ty khác xây dựng các trình dịch C, Basic, Pascal cho PIC. Microchip cũng bán trình dịch “C18” (cho dòng PIC high-end) và “C30” (cho dòng dsPIC30Fxxx) Họ cũng cung cấp các bản “student edition/demo” dành cho sinh viên hoặc người dùng thử, những version này không có chức năng tối ưu hóa code và có thời gian sử dụng giới hạn Những trình dịch mã nguồn mở cho C, Pascal, JAL, và Forth, cũng được cung cấp bởi PicForth.
GPUTILS là một kho mã nguồn mở các công cụ, được cung cấp theo công ước và bản quyền của GNU General Public License GPUTILS bao gồm các trình dịch, trình liên kết, chạy trên nên Linux, Mac OS X, OS/2 và MicrosoftWindows GPSIM cũng là một trình mô phỏng dành cho vi điều khiển PIC thiết ứng với từng module phần cứng, cho phép giả lập các thiết bị đặc biệt được kết nối với PIC, ví dụ như LCD, LED… c, Một vài đặc tính
Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưng có thể điểm qua một vài nét như sau:
- 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard có sửa đổi.
- FLASH và ROM có thể tùy chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte
- Các cổng xuất/nhập (I/O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic 0 và logic 1).
- Các chuẩn Giao Tiếp Ngoại Vi Nối Tiếp Đồng bộ/Không đồng bộ USART, AUSART, EUSARTs.
- Bộ chuyển đổi ADC analog-to-digital converters, 10/12 bit.
- Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators).
- Các module Capture/Compare/PWM.
- MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp I2C, SPI, và I2S.
- Bộ nhớ nội EEPROM- có thể ghi/xóa lên tới 1 triệu lần.
- FLASH (dùng cho bộ nhớ chương trình) có thể ghi/xóa 10.000 lần
- Module điều khiển động cơ, đọc encoder.
- Hỗ trợ giao tiếp USB.
- Hỗ trợ điều khiển Ethernet.
- Hỗ trợ giao tiếp CAN.
- Hỗ trợ giao tiếp LIN.
- Hỗ trợ giao tiếp IrDA.
- Một số dòng có tích hợp bộ RF (PIC16F639, và rfPIC).
- DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC)
1.1.2 Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877a a, Sơ đồ chân và hình dạng thực tế
Hình 4: Hình dạng thực tế của vi điều khiển PIC16F877a b, Một vài thông tin về vi điều khiển PIC16F877a Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16xxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock Tốc độ tối đa cho phép là 20MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ FLASH chương trình là 8192 word và bộ nhớ dữ liệu là 368 bytes SRAM +256 bytes EEPROM.
Số PORT I/O là 5 với 33 chân I/O.
Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:
- Timer 0: bộ nhớ 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.
- Timer 1: bộ dếm 16 bit với bộ chia tần số có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep.
- Timer 2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaleer.
- Hai bộ capture/ so sánh/ PWM.
- Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), ISP và I2C.
- Chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển
RD, WR, CS ở bên ngoài.
- Các đặc tính Analog: 11/14 kênh chuyển đổi ADC 10 bit, 2 bộ so sánh.
- Bên cạnh đó là một vài đặc tính của vi điều khiển như:
- Bộ nhớ flash có khả năng ghi/xóa được 100.000 lần.
- Bộ nhớ EEPROM có khả năng ghi/xóa được 1.000.000.000 lần.
- Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm.
- Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.
- Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP.
- Watchdog Timer với bộ dao động trong.
- Chức năng bảo mật mã chương trình.
- Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau. c, Tổ chức bộ nhớ
Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877 bao gồm bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu,
Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877 là bộ nhớ flash, dung lượng là 8k word Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chưa được 8x1024
= 8192 lệnh (vì mỗi lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 14 bit = 1word). Để mã hóa được địa chỉ của 8k word chương trình, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000H (Reset vector) Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến đia chỉ 0004H (Interruput vector).
Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa bởi bộ đếm chương trình Bộ nhớ stack sẽ được đề cập cu thể trong phần sau.
Bộ nhớ dữ liệu của PIC và bộ nhớ EEPROM được chia thành nhiều bank. Đối với vi điều khiển PIC16F877 thì bộ nhớ dữ liệu được chia làm 4 bank Bank được chọn phụ thuộc vào bit RP1 và RP0 (bit thứ 6 và bit thứ 5) của thanh ghi trạng thái status.
Mỗi bank có dung lượng 128 bytes, bao gồm các thanh ghi cố chức năng đặc biệt SFR nằm ở 32 vị trí đầu tiên của mỗi bank và các thanh ghi mục đích chung GPR (General Purpose Register) nằm ở 96 vị trí cuối cùng của mỗi bank, đóng vai trò như static RAM.
Các thanh ghi SFR thường xuyên được sử dụng (ví dụ như thanh ghi status) sẽ được đặt ở tất cả các bank của bộ nhớ dữ liệu, giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh chương trình. d, Các cổng vào ra của PIC16F877a
PORT B: Rộng 8 bit (tương ứng với chân RB0- RB7) là một cổng vào ra
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
Thuật toán điều khiển
START Đọc các giá trị cảm biến nhiệt độ,độ ẩm khí gas điều kiển quạt
Nhận giá trị gửi từ Module esp8266
FALSE Đọc các giá trị thay đổi nút bấm điều kiển led
Xuất tín hiệu từ các dữ liệu nhận được ra led và quạt
Gửi các tín hiệu đọc được từ các cảm biến qua module Esp8266
Module Esp8266 nhận được dữ liệu gửi lên Server Blynk
SERVER nhận dữ liệu update trang thái , gửi dữ liệu thay đổi trang thái xuống module Esp8266
Chương 3 đã xây dựng được thuật toán điều khiển dựa trên các yêu cầu của đề tài.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM
Mô hình thực nghiệm
Hình 25: Hình ảnh mô hình thử nghiệm
Hình 26: Giao diện ứng dụng blynk
Chương 4 đã xây dựng mô hình thử nghiệm điều khiển các thiết bị điện qua smartphone, kết quả thử nghiệm cho thấy thuật toán điều khiển đã được thiết kế là hoàn toàn phù hợp với yêu cầu của đề tài.
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Đề tài đã giải quyết được các vấn đề như:
- Có khả năng nhận dữ liệu và thực hiện điều khiển thiết bị thông qua smartphone
- Kết nối cảm biến, đo lường và gửi dữ liệu tới smartphone thông qua server Blynk
- Có thể tự động điều khiển dựa trên dữ liệu từ cảm biến gửi tới Đề tài còn một số hạn chế và phương hướng phát triển:
- Còn điều khiển được ít thiết bị
- Kết hợp thời gian thực để điều khiển đèn
- Có thể kết hợp giám sát qua camera
- Xây dựng một app riêng để điều khiển và giám sát
- Sử dụng module sim kết hợp với wifi để có thể hoạt động mọi tính năng khi bị mất kết nối wifi