Đề tài hệ thống nhà thông minh

Mô tả khái niệm IoT và vai trò của nó trong ngữ cảnh ngôi nhà thông minh.Giới thiệu các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thông minh, bao gồm các thiết bị, kết nối, xử lý dữ liệu và gia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

****

Môn Học Cuối Kỳ Môn IoT

Đề Tài: HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

GVHD: ThS Đinh Công Đoan

Sinh viên thực hiện:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

****

Môn Học Cuối Kỳ Môn IoT

Đề Tài: HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

GVHD: ThS Đinh Công Đoan

Sinh viên thực hiện:

1900000 Nguyễn Minh Trí 20110460 Nguyễn Hữu Đức 2011 Văn Nhân

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 11 năm 2023

LỜI CẢM ƠN

Em muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy bộ môn IOT - người đã dành thời gian, tâm huyết và kiến thức để hướng dẫn và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập của mình Nhờ những sự chỉ dẫn và hỗ trợ của thầy, tôi đã có thể hoàn thiện môn học một cách tốt nhất và học hỏi được rất nhiều kiến thức mới mà tôi chưa từng biết đến trước đây.

Thầy là người rất tận tâm và nhiệt tình, luôn sẵn sàng giải đáp mọi thắc mắc của tôi và hướng dẫn tôi cách giải quyết các vấn đề phát sinh trong quá trình học tập Thầy không chỉ truyền đạt kiến thức một cách dễ hiểu mà còn cung cấp cho tôi những tài liệu, tài nguyên hữu ích để giúp tôi tự nghiên cứu và tìm hiểu thêm về các chủ đề liên quan đến môn học.

Bên cạnh đó, thầy còn là người giáo viên có tâm hồn nhân ái, luôn quan tâm đến cuộc sống và sự phát triển của sinh viên Thầy đã truyền động lực cho tôi để tôi luôn có động lực, nỗ lực hết mình trong học tập và cuộc sống Tôi sẽ không bao giờ quên những lời khuyên, lời động viên và sự hỗ trợ của thầy trong suốt quá trình học tập của mình.

Trong quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, vì thời gian và kiến thức của chúng em có giới hạn nên không thể có những thiếu sót Vì vậy, nhóm chúng em mong rằng sẽ nhận những đóng góp quý báu của các Thầy, Cô để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn

2.1 Tóm lược những nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài

2.2 Tính cấp thiết cần nghiên cứu của đề tài

2.3 Một số tài liệu có liên quan

2.4 Lý do chọn đề tài

2.5 Mục tiêu đề tài

2.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.7 Phương pháp nghiên cứu

2.8 Nội dung đề tài

PHẦN 2: NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH YÊU CẦU

2.1 Giới thiệu yêu cầu

2.2 Sơ đồ nguyên Lý

2.3 Nguyên tắc làm việc

2.4 Lựa chọn giải pháp

CHƯƠNG 3:NHỮNG KIẾN THỨC LIÊN QUAN

Giới thiệu kiến thức liên quan tới đề tài và ví dụ………

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG

3.1 Sơ đồ khối ứng dụng

3.2 Các ứng dụng được yêu cầu

Mô tả khái niệm IoT và vai trò của nó trong ngữ cảnh ngôi nhà thông minh.

Giới thiệu các thành phần cơ bản của hệ thống nhà thông minh, bao gồm các thiết bị, kết nối, xử lý dữ liệu và giao diện người dùng.

Công Nghệ và Thiết Bị:

Mô tả các công nghệ kết nối như Wi-Fi, Bluetooth, và các loại cảm biến sử dụng trong ngôi nhà thông minh.

Thảo luận về các thiết bị thông minh như cảm biến nhiệt độ, …

Ứng Dụng Cụ Thể:

Trình bày các ứng dụng cụ thể của ngôi nhà thông minh trong các lĩnh vực như gia đình, y tế, nông nghiệp, và công nghiệp…

Nêu rõ lợi ích mà người dùng có thể đạt được từ việc triển khai hệ thống nhà thông minh.

Bảo Mật:

Đề cập đến quan trọng của việc bảo mật trong ngôi nhà thông minh, bao gồm bảo vệ dữ liệu và an ninh mạng.

Mô tả các biện pháp bảo mật cần được triển khai để ngăn chặn rủi ro an ninh.

Tương Lai và Xu Hướng:

Dự đoán về xu hướng phát triển trong lĩnh vực ngôi nhà thông minh Bàn luận về tiềm năng và thách thức có thể xuất hiện trong tương lai.

2 ĐẶT VẤN ĐỀ

2.1 Tóm lược những nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài.2.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

a Mô hình ngôi nhà thông minh wesmart

Mô hình nhà thông minh wesmart là mô hình nhà có sử dụng và kết hợp nhiều thiết bị điện tử tự động hóa tiện lợi Điều đặc biệt chính là, toàn bộ những thiết bị riêng lẻ này đều được kết nối với nhau và kết nối tới điện thoại di động của chủ nhà.

Hình 1.1 Mô hình ngôi nhà thông minh wesmart

Nguyên lý hoạt động của mô hình ngôi nhà thông minh wesmart

Đây là mô hình nhà ở kết hợp công nghệ hiện đại giúp cải thiện cuộc sống của con người Chính vì thế toàn bộ các thiết bị trong nhà đều thuộc tự động hóa hoặc bán tự động hóa Ngoài ra, bạn cũng hoàn toàn có thể điều khiển giám sát các thiết bị này thông qua bộ điều khiển như máy tính hoặc điện thoại thông minh tùy theo nhu cầu sử dụng của mình Đặc biệt, các thiết bị được lắp đặt trong các căn nhà kiểu này thường có khả năng cảm biến nhiệt, khí gas, và ánh sáng Từ đó đưa ra những lời khuyên, cảnh báo và biện pháp khắc phục nhanh chóng, hiệu quả.

- Không giám sát qua wed

b Mô hình nhà thông minh Trường ĐH GTVT TP.HCM

Nhà thông minh hiện tại đang được rất nhiều các bạn học sinh sinh viên chú ý và thiết kế rất nhiều nổi bật nhất là Mô hình nhà thông minh do sinh viên trường Đại học Giao Thông Vận Tải TP.HCM thiết kế.

Hình 1.2 Mô hình nhà thông minh do sinh viên ĐHGVT thiết kế

Nguyên lí hoạt động: các tín hiệu từ cảm biến sẽ được truyền lên vi sử lí trung tâm và thông báo tình trạng hiện tại lên wed Ta có thể đăng nhập và giám sát các hoạt động của nhà thông minh.

Ưu điểm:

- Dễ dàng sử dụng

Nhược điểm:

- Giá thành mô hình cao

- Chưa tích hợp chức năng giám sát nhiệt độ

2.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nướca Mô hình nhà thông minh của xiaomi (Mi Home)

Trung Quốc đang tiến vào kỷ nguyên nhà thông minh sớm hơn phần lớn các quốc gia còn lại trên thế giới, và phần lớn là nhờ Xiaomi Và mô hình nhà thông minh của xiaomi giúp giám sát hoạt động tất cả hoạt động của các thiệt bị điện trong gia đình.

Hình 1.3 Mô hình nhà thông minh của xiaomi (Mi Home)

Nguyên lí hoạt động: các thiết bị điện được chính công ty xiaomi sản xuất được kết nối với nguồn điện trong gia đình Được điều khiển và giám sát thông qua wifi và trực tiếp trên điện thoại Các thông tin và tình trạng sử dụng của các thiết bị sẽ được thông báo trực tiếp đến người dùng.

Ưu điểm:

- Dễ dàng sử dụng

- Nhiều tính năng nổi bật độ trễ thấp.

Nhược điểm:

- Phụ thuộc lớn vào nhà phát hành khó chuyển đổi - Giá thành cao

b Nhà thông minh KEYESTUDIO ESP32 dành cho Arduino

Công nghệ nhà thông minh đang được nghiên cứu và phát triển đặc biệt là mô hình nhà thông minh keyestudio eps 32

Hình 1.4: Mô hình nhà thông minh KEYESTUDIO ESP 32

Nguyên lí hoạt động: bằng cách sử dụng ESP 32 để nhận tín hiệu từ các cảm biến và hiển thị các thông số ra led LCD nhà thông minh sẽ được điều khiển thông qua điện thoại di động.

Ưu điểm:

Mẫu mã đẹp mắt Độ trễ thấp

Nhược điểm: giá thành cao

Kết luận: Như trên có thấy các ưu điểm nổi bật của các mô hình nhà thông minh trong và ngoài nước thì cũng có những hạn chế về mặt giá thành cao khó tiếp cận, kết cấu mô hình phức tạp dẫn đến khó khăn cho việc bảo dưỡng các thiết bị, các linh kiện

dùng để thay thế khi hư hỏng giá thành khá cao.

2.2Tính cấp thiết cần nghiêng cứu đề tài

Xã hội thế kỷ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ và đánh dấu sự mở đầu của những thiết bị thông minh Smart phone, Smart Tivi đều là những thiết bị ngày càng phổ biến, thông dụng trong đời sống hằng ngày của con người Đúng như tên gọi, những thiết bị này không những có khả năng đáp ứng những yêu cầu cơ bản của con người, mà còn hơn thế, các thiết bị smart ra đời đã thay thế con người trong việc kiểm soát và điều khiển các chức năng khác 1 cách chuyên nghiệp, dễ dàng và hiệu quả.

Tiếp nối thành công của những thiết bị thông minh ấy, Smart home ra đời như một sự khởi đầu táo bạo về tư duy làm chủ công nghệ ngay trong cuộc sống của con người Một ngôi nhà thông minh với khả năng thấu hiểu tư duy điều khiển của con người nhanh chóng trở thành đề tài công nghệ có sức hấp dẫn.

Nhà thông minh hay smart home, home automation là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử này giáo tiếp với chủ nhân nhà thông qua bẳng điện tử được đặt sẵn trong nhà, phần mềm điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web Ngày nay, công nghệ kết nối đầu tiên cần nhắc đến hiển nhiên là Wifi – công nghệ kết nối không dây phổ biến nhất hiện nay Lí do mà kết nối Wifi được ưa chuộng như vậy đơn giản là vì khả năng hoạt động hiệu quả trong phạm vi vài chục đến vài trăm mét của các mạng WLAN Và trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay, việc phát minh và chế tạo ra các thiết bị thông minh có khả năng điều khiển từ xa đang và sẽ rất được quan tâm và rất hữu ích cho cuộc sống hàng ngày Vì mục tiêu công nghệ hiện đại hóa ngày càng phát triển, em đã quyết định làm đề tài “Xâydựng hệ thống giám sát dữ liệu nhà thông minh ” Đề tài của em ngoài việc điều khiển thiết bị độc lập thì còn giám sát nhiệt độ trong ngôi nhà Khi dự án hoàn thành chúng ta có thể điều khiển các thiết bị điện trong nhà… bằng cách tương tác qua các nút nhấn để hiển thị trạng thái hoạt động trên điện thoại và máy tính Như vậy, dù chúng ta ở bất cứ nơi nào có internet đều có thể giám sát và điều khiển được các thiết bị đã kết nối với module điều khiển.

Khi dự án thành công và được áp dụng rộng rãi thì sẽ rất tiện lợi cho cuộc sống thường ngày, giúp cho đất nước ngày càng phát triển.

Khi người dùng muốn điều khiển thiết bị nhà thông minh, họ sẽ mở wedsever nhà thông minh trên điện thoại, chọn thiết bị cần điều khiển và thực hiện các tác vụ điều khiển tương ứng như bật/tắt, điều chỉnh nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, vv.

Ưu điểm

-Tiện lợi và linh hoạt: Với việc sử dụng smartphone, người dùng có thể điều khiển và giám sát nhà thông minh mọi lúc, mọi nơi chỉ cần có kết nối Internet Điều này mang lại sự tiện lợi và linh hoạt cho người dùng.

-Khả năng tùy chỉnh: Phần mềm ứng dụng nhà thông minh trên smartphone có thể được tùy chỉnh để phù hợp với nhu cầu của từng người dùng, cho phép người dùng thực hiện các tác vụ điều khiển và giám sát một cách dễ dàng và thuận tiện.

-Dễ dàng cập nhật: wedsever nhà thông minh trên smartphone có thể được cập nhật dễ dàng để bổ sung các tính năng mới hoặc sửa lỗi Người dùng có thể cập nhật phần mềm ngay khi có phiên bản mới nhất để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho hệ thống nhà thông minh của mình.

-Giá thành rẽ

Nhược điểm:

-Phụ thuộc vào kết nối Internet: Để sử dụng điều khiển nhà thông minh thông qua smartphone, người dùng phải có kết nối Internet và đôi khi kết nối này có thể không ổn định hoặc bị gián đoạn, khiến cho việc điều khiển nhà thông minh trở nên khó khăn hoặc không thực hiện được.

-Có thể gây phụ thuộc vào smartphone: Nếu người dùng chỉ sử dụng smartphone để điều khiển nhà thông minh, họ có thể trở nên phụ thuộc vào smartphone và không thể thực hiện điều khiển nhà thông minh nếu thiết bị này bị hỏng hoặc mất mát.

2.3.4 Khối truyền nhận tín hiệu

Phương án truyền nhận tín hiệu qua Bảng mạch phát triểnWIFI không dây ESP8266

Giới thiệu: Bảng mạch phát triển WIFI không dây ESP8266 là một bảng mạch

phát triển có khả năng kết nối với mạng Internet thông qua Wifi Nó được tích hợp sẵn với vi xử lý ESP8266, một vi xử lý mạnh mẽ được thiết kế để thực hiện các chức năng truyền thông không dây với tốc độ cao.

Nguyên lí hoạt động: Nguyên lý hoạt động của bảng mạch phát triển này là kết nối với mạng Wifi bằng cách sử dụng giao thức Wifi 802.11 b/g/n và kết nối với Internet thông qua Wifi Router hoặc Access Point Bảng mạch phát triển có thể gửi và nhận dữ liệu thông qua giao thức TCP/IP và UDP.

Bảng mạch phát triển này được cung cấp với giao diện chương trình ứng dụng (API) đơn giản, giúp cho các nhà phát triển có thể dễ dàng phát triển các ứng dụng IoT (Internet of Things) với khả năng kết nối Wifi Bảng mạch phát triển cũng có thể được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử thông qua Internet, như là một trung tâm điều khiển nhà thông minh.

Hình 2.14 phần cứng Bảng mạch phát triển WIFI không dây ESP8266 kết nối với Arduino

Ưu điểm:

-Tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn: WIFI có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn so với Bluetooth, đặc biệt là trong việc truyền tải các tập tin lớn.

-Phạm vi truyền tải xa hơn: Với WIFI, phạm vi truyền tải dữ liệu có thể lên đến hàng chục mét, trong khi Bluetooth chỉ có thể truyền tải dữ liệu trong khoảng cách ngắn hơn.

-Kết nối với nhiều thiết bị hơn: Một điểm đáng chú ý của WIFI là nó có thể kết nối với nhiều thiết bị hơn so với Bluetooth Với Bluetooth, số lượng thiết bị kết nối được với nhau có hạn, trong khi đó với WIFI, số lượng thiết bị có thể kết nối là rất lớn.

Nhược điểm:

-Tiêu tốn năng lượng nhiều hơn: WIFI tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với Bluetooth, điều này có thể gây ra tình trạng sạc pin thường xuyên hơn cho các thiết bị sử dụng WIFI.

-Chi phí cao hơn: So với Bluetooth, các thiết bị sử dụng WIFI thường có giá thành cao hơn, do đó khi sử dụng WIFI cần phải đầu tư chi phí cho các thiết bị phát và thu tín hiệu.

Kết luận: với yêu cầu kết nối với khoảng cách xa hơn và tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn thì wifi là sự lựa chọn tốt hơn Ngoài ra, wifi có khả năng kết nối với nhiều thiết bị

cùng lúc và có thể được kết nối với internet để điều khiển từ xa vì thế em chọn Phươngán truyền nhạn tín hiệu qua Bảng mạch phát triển WIFI không dây ESP8266.2.4 Phương án cảm biến cho nhà thông minh

2.4.1 Phương án sử dụng cảm biến khí gas

Giới thiệu: Cảm biến khí gas MQ-2 được sử dụng để phát hiện các loại khí trong không khí như khí CO (carbon monoxide), khí LPG (Liquified Petroleum Gas), khí propane, butane và các hợp chất hữu cơ khác Cảm biến này hoạt động dựa trên hiệu ứng khí hóa và điện hóa.

Nguyên lí hoạt động : Cảm biến MQ-2 có một cặp đầu cảm biến được làm bằng vật liệu bán dẫn, trong đó một đầu làm việc như điện cực và đầu kia làm việc như đầu dò Khi khí tiếp xúc với bề mặt của đầu dò, các phân tử khí sẽ tương tác với bề mặt này và tạo ra các electron tự do trong đầu dò, dẫn đến sự thay đổi điện trở Điện trở của đầu dò thay đổi tùy thuộc vào loại khí mà nó tiếp xúc, do đó, các tín hiệu điện trở này được sử dụng để xác định loại khí và mức độ nồng độ của chúng.

Cảm biến MQ-2 có thể được sử dụng để giám sát mức độ khí CO trong không khí của một căn nhà thông minh Nếu mức độ khí CO cao hơn ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ tự động kích hoạt bộ lọc khí hoặc bật máy quạt để đẩy khí CO ra khỏi nhà.

Hình 2.16: Sơ đồ đấu nối hệ thống cảm biến khí gas

Ưu điểm của cảm biến khí gas MQ-2:

-Độ nhạy cao: MQ-2 có độ nhạy cao đối với nhiều loại khí như khói, gas tự nhiên, khí độc hại, vv.

-Giá thành rẻ: Với giá thành rẻ và dễ dàng sử dụng, MQ-2 là một giải pháp hiệu quả cho hầu hết các ứng dụng nhà thông minh.

-Kích thước nhỏ gọn: MQ-2 có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và sử dụng trong các không gian nhỏ.

-Độ tin cậy cao: MQ-2 có độ tin cậy cao và độ ổn định trong suốt thời gian sử dụng.

Nhược điểm của cảm biến khí gas MQ-2:

-Độ chính xác không cao: MQ-2 không có độ chính xác cao trong việc phát hiện nồng độ khí, vì vậy nó chỉ có thể được sử dụng như một cảnh báo khí thô.

-Phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm: MQ-2 có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường xung quanh, vì vậy độ chính xác sẽ giảm khi ở môi trường có nhiệt độ và độ ẩm biến đổi.