Báo cáo sensor và ứng dụng đề tài hệ thống nhà thông minh

Với khối lượng công việc phải hoàn thành ngoài xã hội ngày một nhiều nên khi về tới nhà người ta sẽ có mong muốn được các thiết bị trong nhà tự động phục vụ, giúp chúng ta nhàn rỗi đôi c

 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VĨNH LONG

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO

SENSOR VÀ ỨNG DỤNG

Đề tài: HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

Giáo viên hướng dẫn: ThS Trần Phan An Trường

Sinh viên thực hiện:

1 Họ tên: Nguyễn Trung SơnMSSV:19004172Lớp:1CTT19A2Khóa:44

2 Họ tên: Nguyễn Minh DuyMSSV:19004044Lớp:1CTT19A1Khóa:44

Vĩnh Long, tháng 6 năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

Ký tên

Em đã cố gắng vận dụng những kiến thức đã học được trong học kỳ qua để hoànthành bài tiểu luận Nhưng do kiến thức hạn chế và không có nhiều kinh nghiệm thựctiễn nên khó tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu và trình bày Rấtkính mong sự góp ý của quý thầy cô để bài tiểu luận của em được hoàn thiện hơn Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô đãgiúp đỡ em trong quá trình thực hiện bài tiểu luận này.

Xin trân trọng cảm ơn!

 Lời Nói Đầu

Internet of things (viết tắt là IoT) là một lĩnh vực từ lâu được rất nhiềungười quan tâm Đặc biệt vào những năm gần đây, lĩnh vực IoT bùng nổ mộtcách mạnh mẽ và có tác động rất lớn đối với cuộc sống, công việc và cả xã hội.Với sự phát triển không ngừng của công nghệ và kỹ thuật, nhu cầu vềnhà ở của con người không chỉ dừng lại ở việc có chỗ sinh hoạt cho gia đình,môi trường sống thoải mái mà còn phải đáp ứng các nhu cầu về tiện ích và đặcbiệt thông minh Với khối lượng công việc phải hoàn thành ngoài xã hội ngàymột nhiều nên khi về tới nhà người ta sẽ có mong muốn được các thiết bị trongnhà tự động phục vụ, giúp chúng ta nhàn rỗi đôi chút, giảm mệt mỏi, có nhiềuthời gian thư giãn hơn và có thể tiết kiệm năng lượng hoang phí khi chúng taquên tắt các thiết bị sử dụng năng lượng,

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT HỆ THỐNG 1

1.1 Cơ sở nghiên cứu và xây dựng hệ thống: 1

1.1.1 Mục đích nghiên cứu: 1

1.1.2 Đối tượng nghiên cứu: 1

1.2 Mô tả bài toán Quản lý công tác tổ chức thi học kỳ của trường VLUTE: 1

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG QUẢN LÝ CÔNG TÁC TỔ CHỨC THI HỌC KỲ CỦA TRƯỜNG VLUTE 4

2.1 Sơ đồ usecase: 4

2.2 Sơ đồ Class: 5

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÝ CÔNG TÁC THI HỌC KỲ CỦA TRƯỜNG VLUTE 6

3.1 Sơ đồ trình tự: 6

3.1.1 Sơ đồ trình tự người dùng đăng nhập: 6

3.1.2 Trình tự người quản trị quản lý tài khoản của người dùng: 6

3.1.3 Sơ đồ trình tự Giảng viên bộ môn 9

3.1.4 Sơ đồ trình tự Cán bộ biên soạn đề: 16

3.1.5 Sơ đồ trình tự Phòng khảo thí: 17

3.1.6 Sơ đồ trình tự Cán bộ coi thi: 19

3.1.6 Sơ đồ trình tự Sinh viên: 22

3.2 Sơ đồ trạng thái: 26

3.2.1 Sơ đồ trạng thái đăng nhập: 26

3.2.2 Sơ đồ trạng thái người quản trị: 26

3.2.3 Sơ đồ trạng thái Giảng viên bộ môn: 30

3.2.4 Sơ đồ trạng thái Cán bộ biên soạn đề: 36

3.2.5 Sơ đồ trạng thái Phòng khảo thí: 37

3.2.6 Sơ đồ trạng thái Cán bộ coi thi: 39

3.2.7 Sơ đồ trạng thái Sinh viên: 40

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

4.1 Kết luận: 64

4.2 Hướng phát triển: 64

Hình 5.2 Cảm biến cháy

Hình 5.3 Cảm biến nhiệt độ (DHT11)

Hình 5.4 Sơ đồ giao thức I2C

Hình 5.5 Sơ đồ tín hiệu

Hình 5.6 Giao diện Blynk

Hình 5 7 Cách hoạt động của Blynk

Hình 5.8 Hệ thống nhà thông minh

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1 GIỚI THIỆU

1.1 Tóm tắt đề tài

Đồ án thực hiện ý tưởng thiết kế và chế tạo mô hình nhà thông minh sửdụng Arduino Bộ điều khiển có khả năng bật tắt các thiết bị một cách linh hoạtbằng cá thiết bị di động có kết nối mạng Các trạng thái của thiết bị cũng có thểđược cập nhật tức thời nhằm kiểm soát sự hoạt động của ngôi nhà

1.2 Kết quả đạt được

Hoàn thiện mô hình nhà thông minh với khả năng điều khiển mềmdẻo và giá thành thấp so với các sản phẩm khác trên thị trường

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ INTERNET VẠN VẬT2.1 Khái niệm

Internet of Things (viết tắt là IoT) là một kịch bản của thế giới, khi màmỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả cókhả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà khôngcần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính.IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử

và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối vớinhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.Hay biểu một cách đơn giản hơn, IoT là khái niệm kết nối các thiết bị vớinhau và với Internet IoT là một mạng lưới khổng lồ các vật (things) và conngười được kết nối, tất cả đều thu thập và chia sẽ dữ liệu với nhau

Việc kết nối có thể thực hiện qua Wifi, ZigBee, Bluetooth, …

2.2 Lịch sử

Ý tưởng thêm cảm biến và trí thông minh vào các vật bình thường đãđược thảo luận trong suốt những năm 1980 và 1990 Tuy nhiên, tiến độ thựchiện dự án này đã diễn ra rất chậm vì công nghệ lúc đó chưa sẵn sàng Các chipquá lớn và cồng kềnh cũng như không có cách nào để các đối tượng giao tiếphiệu quả

Kevin Ashton đã sử dụng cụm từ "Internet of Things" vào năm 1999 mặc dùphải mất ít nhất một thập kỷ nữa để công nghệ này có quy mô đúng như mong

đợi Tại thời điểm đó, ông coi nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) là điều cầnthiết đối với Internet vạn vật, cho phép máy tính quản lý mọi vật riêng lẻ.

2.3 Cấu trúc của IoT

Với một hệ thống IoT chúng sẽ bao gồm 4 thành phần chính đó là thiết bị hay còn gọi

là (Things), tram kết nối hay cổng kết nối (Gateways), hạ tầng mạng hay các điện toán đám mây (Network and Cloud) và bộ phân tích và xử lý dữ liệu (Services-creation and Solution Layer

Hình 2.1 Cấu trúc của IoT

2.4 Cơ hội và thách thức của IoT

2.4.1 Cơ hội

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ như ngày nay là một tiền

đề cực tốt cho các hệ thống IoT phát triển:

- Công nghệ bán dẫn phát triển mạnh

- Cải thiện việc giao tiếp giữa các thiết bị điện tử được kết nối

- Chuyển dữ liệu qua mạng Internet giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc

- Tự động hóa các nhiệm vụ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ của doanh

nghiệp

- Truy cập thông tin từ mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị

2.4.2 Thách thức

Bên cạnh các cơ hội phát triển thì vẫn tồn tại các thách thức lớn:

- Khi nhiều thiết bị được kết nối và nhiều thông tin được chia sẻ giữa các thiết bị, có thể lấy cắp thông tin bí mật.Chưa có nền tảng và ngôn ngữ chung

- Các doanh nghiệp có thể phải đối phó với số lượng lớn thiết bị IoT và việc thu thập và quản lý dữ liệu từ các thiết bị đó sẽ là một thách thức

- Nếu có lỗi trong hệ thống, có khả năng mọi thiết bị được kết nối

sẽ bị hỏng

- Vì không có tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích cho IoT, rất khó để các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau giao tiếp với nhau

 Hệ thống giải trí gia đình như âm thanh, video, máy chiếu, v.v

 Các hệ thống theo dõi sức khỏe cá nhân như huyết áp, tiểu đường, ECG,v.v

2.5.2 Các thiết bị điện tử tiêu dùng

Thiết bị đeo được như đồng hồ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống

 Hỗ trợ cả 2 dạng tín hiệu ra Analog và TTL Ngõ ra Analog 0 – 5V

tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng, ngõ TTL tích cực mức thấp

 Độ nhạy cao với ánh sáng được tùy chỉnh bằng biến trở

I2C là tên viết tắt của cụm từ tiếng anh “Inter-Integrated Circuit” Nó

là một giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors để truyền dữ liệu giữa một bộ xử lý trung tâm với nhiều IC trên cùng một board mạch chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu

Do tính đơn giản của nó nên loại giao thức này được sử dụng rộng rãi cho giao tiếp giữa vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị hiển thị, thiết bị IoT, EEPROMs, v.v …

Đặc điểm

Sau đây là một số đặc điểm quan trọng của giao thức giao tiếp I2C:

 Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển bất kỳ thiết bị / IC nào trên mạng I2C

 Không cần thỏa thuận trước về tốc độ truyền dữ liệu như trong giao tiếpUART Vì vậy, tốc độ truyền dữ liệu có thể được điều chỉnh bất cứ khi nào cần thiết

 Cơ chế đơn giản để xác thực dữ liệu được truyền

 Sử dụng hệ thống địa chỉ 7 bit để xác định một thiết bị / IC cụ thể trên bus I2C

 Các mạng I2C dễ dàng mở rộng Các thiết bị mới có thể được kết nối đơn giản với hai đường bus chung I2C

Cách hoạt động

Với I2C, dữ liệu được truyền trong các tin nhắn Tin nhắn được chiathành các khung dữ liệu Mỗi tin nhắn có một khung địa chỉ chứa địa chỉ nhịphân của địa chỉ slave và một hoặc nhiều khung dữ liệu chứa dữ liệu đang đượctruyền Thông điệp cũng bao gồm điều kiện khởi động và điều kiện dừng, cácbit đọc / ghi và các bit ACK / NACK giữa mỗi khung dữ liệu

I2C chỉ sử dụng hai dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị:

 SDA (Serial Data) - đường truyền cho master và slave để gửi vànhận dữ liệu

 SCL (Serial Clock) - đường mang tín hiệu xung nhịp

Hình 5.4 Sơ đồ giao thức I2C

 Khối địa chỉ

Nó bao gồm 7 bit và được lấp đầy với địa chỉ của thiết bị Slaveđến / từ đó thiết bị Master cần gửi / nhận dữ liệu Tất cả các thiết bịSlave trên bus I2C so sánh các bit địa chỉ này với địa chỉ của chúng

 Bit Read / Write

Bit này xác định hướng truyền dữ liệu Nếu thiết bị Master / ICcần gửi dữ liệu đến thiết bị Slave, bit này được thiết lập là ‘0’ Nếu ICMaster cần nhận dữ liệu từ thiết bị Slave, bit này được thiết lập là ‘1’

 Bit ACK / NACK

ACK / NACK là viết tắt của Acknowledged/Not-Acknowledged.Nếu địa chỉ vật lý của bất kỳ thiết bị Slave nào trùng với địa chỉ đượcthiết bị Master phát, giá trị của bit này được set là ‘0’ bởi thiết bị Slave.Ngược lại, nó vẫn ở mức logic ‘1’ (mặc định)

 Khối dữ liệu

Nó bao gồm 8 bit và chúng được thiết lập bởi bên gửi, với các bit

dữ liệu cần truyền tới bên nhận Khối này được theo sau bởi một bitACK / NACK và được set thành ‘0’ bởi bên nhận nếu nó nhận thành

công dữ liệu Ngược lại, nó vẫn ở mức logic ‘1’ Sự kết hợp của khối dữliệu theo sau bởi bit ACK / NACK được lặp lại cho đến quá trình truyền

dữ liệu được hoàn tất

 Điều kiện kết thúc (Stop condition)

Sau khi các khung dữ liệu cần thiết được truyền qua đường SDA,thiết bị Master chuyển đường SDA từ mức điện áp thấp sang mức điện

áp cao trước khi đường SCL chuyển từ cao xuống thấp

5.3 Tín hiệu Analog

Tín hiệu Analog là tín hiệu liên tục, đồ thị biểu diễn tín hiệu analog làmột đường liên tục (ví dụ sin, cos hoặc đường cong lên xuống bấtkỳ) Analog có nghĩa là tương tự, tức là tín hiệu sẽ tương tự về bản chất, nhưng

sẽ khác nhau về cường độ tín hiệu lúc sau so với lúc trước

Hình 5.5 Sơ đồ tín hiệu

Ứng dụng tín hiệu Analog là gì, trong công nghiệp là không thể thiếuđược Vì tín hiệu dùng để truyền thông tin từ các cảm biến về vi điều khiển,PLC, Scada,…các tín hiệu này phải được truyền liên tục không gián đoạn Mụcđích để giám sát quá trình vận hành của máy móc, qui trình sản xuất hệ thống tựđộng hóa,…

Việc thiết lập mọi thứ rất đơn giản và bạn sẽ bắt đầu sau chưa đầy 5 phút.Blynk không bị ràng buộc với một số bo hoặc defend cụ thể Thay vào

đó, nó hỗ trợ phần cứng mà bạn lựa chọn Cho dù Arduino hoặc Raspberry Picủa bạn được liên kết với Web qua Wi-Fi, Ethernet hoặc chip ESP8266, Blynk

sẽ giúp bạn on-line và sẵn sàng cho IoT

Hình 5.6 Giao diện Blynk

 Blynk Server có thể setup và thực hiện tức thì trong vòng vài phút

Có thể cai quản, tinh chỉnh và điều khiển hàng tỷ đề nghị từ cácsản phẩm của khách hàng

Cách hoạt động của Blynk

Blynk được thiết kế cho IoT Nó có thể điều khiển phần cứng từ

xa, nó có thể hiển thị dữ liệu cảm biến, nó có thể lưu trữ dữ liệu, trực quan hóa và làm nhiều thứ hay ho khác

Có ba thành phần chính trong nền tảng:

 Ứng dụng Blynk – cho phép bạn tạo giao diện cho các dự

án của mình bằng cách sử dụng các widget khác nhau

 Blynk Server – chịu trách nhiệm về tất cả các giao tiếp giữađiện thoại thông minh và phần cứng Bạn có thể sử dụngBlynk Cloud hoặc chạy cục bộ máy chủ Blynk riêng củamình Nó là mã nguồn mở, có thể dễ dàng xử lý hàng nghìnthiết bị và thậm chí có thể được khởi chạy trên RaspberryPi

 Thư viện Blynk – dành cho tất cả các nền tảng phần cứngphổ biến – cho phép giao tiếp với máy chủ và xử lý tất cảcác lệnh đến và lệnh đi Mỗi khi bạn nhấn một nút trongứng dụng Blynk, thông điệp sẽ truyền đến không gian củađám mây Blynk, và tìm đường đến phần cứng của bạn

Hình 5 7 Cách hoạt động của Blynk

5.5 ESP8266

ESP8266 là một hệ thống trên chip (SoC), do công ty Espressif củaTrung Quốc sản xuất Nó bao gồm bộ vi điều khiển Tensilica L106 32-bit

(MCU) và bộ thu phát Wi-Fi Nó có 11 chân GPIO (Chân đầu vào / đầu ra đadụng) và một đầu vào analog, có nghĩa là bạn có thể lập trình nó giống như vớiArduino hoặc vi điều khiển khác Bản thân chip ESP8266 có 17 chân GPIO,nhưng 6 trong số các chân này (6-11) được sử dụng để giao tiếp với chip nhớflash trên bo mạch Ngoài ra nó có kết nối Wi-Fi, vì vậy có thể sử dụng nó đểkết nối với mạng Wi-Fi, kết nối Internet, lưu trữ máy chủ web với các trang webthực, để điện thoại thông minh của bạn kết nối với nó.

Có nhiều module khác nhau của nó, các module độc lập như dòng ESP

-## của AI Thinker hoặc các bộ phát triển hoàn chỉnh như NodeMCU DevKithoặc WeMos D1 Các bo mạch khác nhau có thể có các chân cắm khác nhau, cóăng-ten Wi-Fi khác nhau hoặc dung lượng bộ nhớ flash khác nhau trên bo mạch.ESP8266 có thể được dùng làm module Wifi bên ngoài, sử dụngfirmware tập lệnh AT tiêu chuẩn bằng cách kết nối nó với bất kỳ bộ vi điềukhiển nào sử dụng UART nối tiếp hoặc trực tiếp làm bộ vi điều khiển hỗ trợWifi, bằng cách lập trình một chương trình cơ sở mới sử dụng SDK được cungcấp Các chân GPIO cho phép IO Analog và Digital, cộng với PWM, SPI, I2C,v.v

Hình 5.8 Sơ đồ chân ESP8266

5.5.1 Đặc tính nổi bật Module thu phát Wifi ESP8266

 Tích hợp 2 nút nhấn

 Tích hợp chip chuyển usb – uart CH340

 Full IO : 10 GPIO, 1 Analog, 1SPI , 2 UART, 1 I2C/I2S, PWM,v.v…

 Được hỗ trợ bởi cộng đồng lớn mạnh Nodemcu

5.5.2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT

 Tương thích các chuẩn wifi : 802.11 b/g/n

 Hỗ trợ: Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP

 Tích hợp TCP/IP protocol stack

 Tích hợp TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching network

 Tích hợp bộ nhân tần số, ổn áp, DCXO and power management units

 +25.dBm output power in 802.11b mode

 Power down leakage current of <10uA

 Integrated low power 32-bit CPU could be used as application processor

 SDIO 1.1/2.0, SPI, UART

A-MPDU & A-MSDU aggregation & 0.4ms guard interval

 Wake up and transmit packets in < 2ms

 Dòng tiêu thụ ở Standby Mode < 1.0mW (DTIM3)

Các chẩn giao tiếp và các thông tin khác :

 SDIO 2.0, SPI, UART

 Integrated RF switch, balun, 24dBm PA, DCXO, and PMU

 Integrated RISC processor, on-chip memory and external memoryinterfaces

 Integrated MAC/baseband processors

 Quality of Service management

 I2S interface for high fidelity audio applications

 On-chip low-dropout linear regulators for all internal supplies

 Proprietary spurious-free clock generation architecture

 Integrated WEP, TKIP, AES, and WAPI engines

Hình 5.9 ESP8266

5.6 Điều khiển thiết bị bằng giọng nói thông qua Google Assitant

Việc kết nối và điều khiển các thiết bị từ ESP8266 với Blynk thật sự dễ dàng Nhưngcâu hỏi đặt ra ở đây làm sao để Blynk hiểu được những câu lệnh như bật đèn, tắtđèn… để truyền đến NodeMCU ESP8266 và thực thi hành động Vì thế để giảiquyêt vấn đề này chúng ta cần có một trang Web làm trung gian và IFTTT là một lựachọn tốt cho dự án này