Báo cáo môn nhập môn kĩ thuật tổng quan về nhà thông minh arduino và các bộ điều khiển thông minh

Bộ điều khiển thiết kế có khả năng bật tắc các thiết bị một cách linh hoạt bằng các thiết bị di động có kết nối mạng wifi hoặc mạng viễn được cập nhật tức thời lên các thiết bị này nhằm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA

···☼···🙜

···

BÁO CÁO Môn: Nhập Môn Kĩ Thuật

Giảng viên hướng dẫn: Lưu Thanh Tùng

Lớp: L08 Nhóm: Legend

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11, năm 2023

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Tóm tắt dự án

Nhiệm vụ thiết kế

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.Giới thiệu về IoT

2.Ứng dụng của IoT

3.Thách thức trong việc nghiên cứu và triển khai IoT

2 Lựa chọn hướng thiết kế

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH

1.Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh

2.Một số lợi ích tuyệt vời của Smarthome

3.Nguyên tắc hoạt động của nhà thông minh:

4.Những xu hướng phát triển của nhà thông minh:

5 Lựa chọn hướng thiết kế:

CHƯƠNG 3: ARDUINO VÀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH

1.Tổng quan về Arduino

2 Arduino Uno

3 Module wifi ESP8266

4.Arduino Mega 2560

5.Arduino Ethernet W5100

6.Một số ứng dụng của Arduino

Kết luận:

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH.

1 Yêu cầu thiết kế

2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động

CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ

THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET

1.Mạng internet

2.Địa chỉ IP

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

1.Thiết kế 2 Mô hình thực tế

3 Kết quả điều khiển một số thiết bị

4 Kết quả đạt được

KẾT LUẬN

1 Kết quả đạt được của dự án

2 Hướng phát triển cho hệ thống

3 Tính đổi mới, tính sáng tạo

4 Hiệu quả

PHỤ LỤC

CODE HOẠT ĐỘNG

MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1 Giản đồ Gantt

Hình 2.1 Mô hình tổng quát nhà thông minh ………

Hình 2.2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome thế giới………… …

Hình 2.3 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome chỉ tính riêng thị trường Bắc Mỹ 23

Hình 2.4 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome Việt Nam………

Hình 2.5 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology.……

Hình 2.6 Mô hình Smart home của công ty IEI Integration ……….……

Hình 2.7 Mô hình Smart home Eco-Future-World ……… ………

Hình 2.8 Mô hình Smart home của BKAV ………

Hình 2.9 Mô hình Smart home của Lumi ……….……

Hình 3.1 Board mạch của Arduino ……… …

Hình 3.2 Cấu trúc phần cứng của Arduino ……… ……

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của ESP8266 V1 ……….…

Hình 3.4 Module Wifi ESP8266 V1 ……… ……

Hình 3.5 Arduino Mega 2560 ……… … …

Hình 3 Arduino Ethernet W5100 ……….…

Hình 3.7 Kết nối chân điều khiển cho board mạch Arduino Ethernet W5100 … …

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống điện tử …

Hình 5.1.Mạng Internet kết nối toàn cầu ……… …

Hình 6.1 Bảng thiết kế mạch điện………

Hình 6.2 Bảng thiết kế mô hình nhà………

Hình 6.3 Mô hình nhà(trái)………

Hình 6.4 Mô hình nhà(sau) ………

Hình 6.5 Mô hình nhà(phải) …

Hình 6.6 Mô hình nhà(trước) ………

Hình 6.6 Mô hình nhà(bên trong) ………

Hình 6.7 Cửa(trước khi mở) ………

Hình 6.8 Cửa(sau khi mở) ………

LỜI NÓI ĐẦU

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 trongthực 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

Lúc đầu, ý tưởng được thực hiện nhờ vào tia hồng ngoại để điều khiển từ xa, nhưng khoảng cách là hạn chế Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện khoảng cách điều khiển mang lại nhiều thành công và có ý nghĩa thực tiễn như điều khiển thông qua đường dây điện thoại, tuy nhiên đây vẫn chưa phải biện pháp tối ưu Khi công nghệ wireless phát triển, người

ta lại nghĩ đến điều khiển qua mạng không dây, điều khiển từ xa dùng máy tính ra đời Không dừng lại ở đó, khi chiếc điện thoại trở thành vật dùng không thể thiếu với mỗi cá nhân, người

ta lại nghĩ về một chiếc điện thoại tích hợp khả năng điều khiển từ xa với sự phát triển công nghệ và giá thành của Smartphone và 4G hiện nay Đồ án này trình bày một giải phát điều khiển và giám sát ngôi nhà một cách thông minh thông qua internet và Smartphone Giải phápnày được đưa ra rất khả khi với cơ chế hoạt động chính xác và mang tính ổn định để tạo bước phát triển một hệ thống thông minh ứng dụng vào thực tế Dữ liệu và các thông số thiết bị của nhà thông minh được truyền lên website và phần mềm giao diện giúp đảm bảo cơ chế an ninh,

an toàn và tự động

Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao dựa trên nhu cầu công nghệ hiện nay, được nghiên cứu, chế tạo dựa trên những kiến thức chúng em đã học, kế thừa và phát huy những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây

Do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế, đề tài của em sẽ không tránh khỏi những sai sót, em mong thầy cô góp ý, chỉnh sửa để có thể hoàn thiện hơn

TÓM TẮT ĐỰ ÁN

Đồ án này thực hiện ý tưởng thiết kế và chế tạo mô hình nhà thông minh sử dụng Arduino Bộ điều khiển thiết kế có khả năng bật tắc các thiết bị một cách linh hoạt bằng các thiết bị di động có kết nối mạng wifi hoặc mạng viễn được cập nhật tức thời lên các thiết bị này nhằm kiểm soát sự hoạt động của ngôi nhà Ngoài ra, thông qua các cảm biến được bố trí trong ngôi nhà, bộ điều khiển có khả năng tự động điều chỉnh các thiết bị phù hợp với nhu cầu sử dụng Mô hình thiết kế là một giải pháp hoànthiện cho nhà thông minh với khả năng điều khiển mềm dẻo và giá thành thấp so với các sản phẩm khác trên thị trường

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ DỰ ÁN

1 Thông tin nhóm: Legend

Thành viên:

Ma Tuấn Khải 2311550

Nguyễn Văn Chung 2310361

Lai Tuấn Quý 2312896

Nguyễn Phước Dương 2310602

Hoàng Phong 2312614

2 Nhiệm vụ thực hiện:

- Phân tích, lựa chọn thiết kế mô hình nhà thông minh

- Thiết kế hệ thống giao tiếp, quản lý và điểu khiển nhà thông minh qua Internet

- Khả năng mở rộng mô hình với các thiết bị và hệ thống ngoại vi

3 Nội dung yêu cầu:

- Thiết kế mô hình với các thiết bị có khả năng điều khiển tự động, tương tác với nhau và có chức năng giám sát từ xa, đảm bảo an ninh và bảo mật

- Thiết kế hệ thống giao tiếp, quản lý và điểu khiển nhà thông minh qua Arduino

Kế hoạch thực hiện:

Hình 1 Giản đồ Gantt

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trình bày về xu hướng phát triển của Internet vạn vật (IoT) và các ứng dụng phổ biến hiện nay dựa trên nền tảng IoT Ngoài ra, nhà thông minh là một trong những dụng rấtđược quan tâm hiện nay dựa trên nền tảng IoT

1.Giới thiệu về IoT

1.1Một số khái niệm về IoT

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối internet viết tắt là IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh riêng của mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin,

dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần 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 Nó đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với internet và thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó

Hiểu một cách đơn giản nhất IoT là tất cả các thiết bị có khả năng kết nối với nhau Việc kết nối có thể thực hiện qua wifi, kết nối băng rộng(3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại,… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy tính bảng, điều hòa, bóng đèn, máy giặt và nhiều thiết bị khác IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị

1.2Cơ sở kĩ thuật của IoT

Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng Nếu mọi thứ được đánh dấu để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí được nó thông qua máy tính Việc đánh dấu có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn nhứ RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật số Việc kết nối thì có thể thực hiện qua wifi mạng viễn thông băng rộng( 3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại Ngoài những kĩ thuật nói trên nếu nhìn từ thế giới web chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP Mỗi thiết bị sẽ cực kìrộng lướn sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào internet cũng như kết nối với nhau

1.3Xu hướng phát triển của thế giới với IoT

Mặc dù đã có từ lâu nhưng kỷ nguyên Internet of Things chỉ thực sự được chú

ý và bùng nổ trong những năm gần đây, sau sự phát triển của smartphone, tablet và những kết nối không dây,… và ngay sau khi nhận được sự chú ý của cộng đồng, IoT

đã cho thấy tiềm năng của mình với những số liệu đáng kinh ngạc

Là “ một trong những phát kiến quan trọng và quyền lực nhất của loài người”,

để thấy được sự phát triển của lĩnh vực này, Cisco IBSG nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay đã đưa ra số liệu vào năm 1984, khi mà Cisco mới thành lập mới chỉ có khoảng 1000 thiết bị được kết nối mạng toàn cầu, đến năm 2010 con số này đã lên đến mức 10 tỷ, 2020 khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào internet

Intel, đơn vị mới tham gia vào thị trường sản xuất chip cho các thiết bị thông minh phục vụ IoT cũng đã thu về hươn 2 tỷ USD trong năm 2014 từ lĩnh vực này, tăng trưởng 19% so với năm 2013

Những con số khẳng định IoT là xu hướng của tương lai Internet of Things đếnnăm 2020 khoảng 4 tỷ người kết nối với nhau, 4 ngàn tỷ USD doanh thu, hơn 25 triệu ứng dụng, hơn 25 tỷ hệ thống nhúng thông minh và 50 ngàn tỷ Gigabytes dữ liệu

Tác động của IoT rất đa dạng, trên các lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng

và tự động hóa, giao thông

Cụ thể với lĩnh vực sản xuất - chế tạo, hiện theo thống kê của PwC đã có 35% nhà sản xuất sử dụng cảm biến thông minh, 10% dự kiến sẽ sử dụng và 8% có kế hoạch sử dụng các thiết bị thông minh này trong 3 năm tới

Trong lĩnh vực dầu khí, khai thác mỏ, dự kiến sẽ có hơn 5,4 triệu thiết bị IoT được triển khai tại các cơ sở khai thác Chủ yếu sẽ là các bộ cảm biến kết nối Internet giúp cung cấp thông tin về môi trường Dầu khí là một trong những ngành công nghiệpchủ chốt ứng dụng IoT trên diện rộng Trong khi đó, xe hơi kết nối đang là xu hướng nổi bật của thiết bị IoT hiện nay Dự tính tới năm 2020, sẽ có hươn 220 triệu xe kết nốilưu thông trên đường

Về bảo hiểm, 74% lãnh đạo trong ngành bảo hiểm tin rằng IoT sẽ thay đổi cơ bản chính sách bảo hiểm trong 5 năm tới, 74% có kế hoạch đầu tư phát triển và thực hiện các chiến lược về IoT - theo một nghiên cứu của SMA Research

Còn với quốc phòng, chỉ tiêu cho các thiết bị bay không người lái dự kiến sẽ đạtkhoảng 8.7 tỉ USD Ngoài ra theo dự báo của Frost & Sullivan sẽ có khoảng 126000 robot quân sự sẽ được triển khai trong tương lai

Lĩnh vực nông nghiệp cũng không nằm ngoài vòng xoáy IoT Dự kiến sẽ có khoảng 75 triệu thiết bị IoT được triển khai trong lĩnh vực này vào năm 2020, với tỉ lệ tăng hàng năm đạt 20% Chủ yếu đó sẽ là những bộ cảm biến đặt trong lòng đất để theo dõi độ axit, nhiệt độ và các thông số giúp canh tác vụ mùa hiệu quả hơn

Vì thế, Internet of Things đang là chìa khóa của thành công trong tương lai Bêncạnh đó, công nghệ không dây đáp ứng đa tiêu chuẩn đang giúp giảm giá thành các mặt hàng thiết bị kết nối không dây; và những giao thức Internet mới đã giúp hiện thựchóa việc kết nối hàng tỷ thiết bị vào mạng lưới Internet

Hiện thị trường đang ngày càng nhiều thiết bị di động giá rẻ, sự cải thiện về điều kiện kinh tế của nhóm khách hàng Châu Á đã dẫn đến sự gia tăng theo cấp số nhân về sử dụng thiết bị di động ở khu vực này

2.Ứng dụng của IoT

IoT có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tự động hóa ngôinhà, mua sắm thông minh, quản lí các thiết bị cá nhân, đồng hồ đo thông minh, phản hồi trong các tình huống khẩn cấp, quản lí môi trường Hiện nay nhiều hãng, công ty,

tổ chức trên thế giới đang nghiên cứu các nền tảng giúp xây dựng nhanh ứng dụng choIoT Đại học Bristish Columbia ở Canada hiện đang tập trung vào một bộ toolkit cho phép phát triển phần mềm IoT chỉ bằng các công nghệ/ tiêu chuẩn Web cũng như giao thức phổ biến Công ty như ioBridge thì cung cấp giải pháp kết nối và điều khiển hầu như bất kì thiết bị nào có khả năng kết nối Internet, kể cả đèn bàn, quạt máy

3.Thách thức trong việc nghiên cứu và triển khai IoT

IoT vẫn còn một số trở ngại như chưa có một ngôn ngữ chung Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng chung để nối thiết bị này với thiết bị khác Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị biết cách nói chuyện với nhau Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng ta sẽ cần một hoặc nhiều giao thức, có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ nào đó Chắc chắn bạn đã ít như sử dụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế Hypertext Transfer Protocol (HTTP) để tải web

Ngoài ra chúng ta còn có SMTP,POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để traođổi file Những giao thức như hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP thường không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm phiên dịch đơn giản sẽ đứng ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi

dữ liệu

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG

MINH

1.Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh

Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu của con ngườiđòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất Cùng với đó là sự mở rộng không ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnh thổ làm cho việc giám sát

và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tất yếu Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó , ý tưởng về ngôi nhà thông minh được hình thành, nơi mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ và giúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài ra ngôi nhà còn có thể tự động quản lí một cách thông minh nhất

Vậy, như thế nào là nhà thông minh ?

Sự thông minh của một ngôi nhà được thể hiện trên 4 phương diện như sau:

Thứ nhất, là khả năng tự động hóa Căn nhà được trang bị hệ thống các cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến báo cháy, cảm biến vật cản, cảm biến ánh sáng… với khả năng tự động hoạt động theo điều kiện môi trường Nhà thông minh giúp chúng ta giám sát được mức tiêu thụ điện, nước tốt hơn so với thông thường

Thứ hai, là khả năng thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng Chủ nhân ngôi nhà

có thể điều khiển theo ý muốn hoặc theo những kịch bản được lập trình sẵn

Thứ ba, là khả năng bảo mật, giám sát an ninh Hệ thống giám sát an ninh, báo cháy, báo rò rỉ khí gas sẽ tự động báo trạng thái của ngôi nhà qua mạng internet

Thứ tư, là khả năng điều khiển, cảnh báo từ xa thông qua kết nối internet thông qua wifi,3g… Các thiết bị như: bóng đèn, điều hòa, ti vi, tủ lạnh,… cũng đều được kết nối tới mạng internet Người sử dụng chỉ cần có một thiết bị kết nối internet là có thể theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị trong nhà theo ý muốn của bản thân

2.Một số lợi ích tuyệt vời của Smarthome có thể kể đến là:

1 – Khóa và mở cửa tự động:

Ta có thể dễ dàng kiểm soát từ xa xem cửa hiện khóa hay chưa Bạn còn có thể được thông báo khi có ai đó ra vào cửa nhà mình, mọi lúc mọi nơi, dù bạn ở đâu cũng

có thể được cập nhật thông tin

2– Tiết kiệm điện năng:

Nhà thông minh sẽ giúp bạn kiểm soát, điều khiển hệ thống đèn, thiết bị điện, máy lạnh ở khắp mọi nơi, chỉ với vài thao tác đơn giản trên Smartphone, IPad Chỉ cầnkết nối Internet để kiểm soát mọi thiết bị mà bạn cần tắt Ta sẽ hoàn toàn kiểm soát được mọi thứ để chắc chắn chi phí được giảm qua hệ thống báo cáo mà không cần phảidùng thêm các cố gắng khác.

3 – Kiểm soát giám sát an ninh:

Smarthome nhà thông minh có thể tích hợp hệ thống Camera tốc độ và độ nét cao, hệ thống cảm biến cửa, cảm biến chuyền động Giúp báo tin đột nhập vào điện thoại của bạn dù bạn ở bất cứ nới đâu và bạn có thể chắc chắn về việc không có vị khách không mời nào đến thăm bạn hay gia đình bạn

4 – Tiết kiệm thời gian:

Ngày nay, sự phát triển của xã hội kéo theo nhịp sống của con người nhanh hơn

và nhất là tại các đô thị khi mà chúng ta trở nên bận rộn hơn, không có đủ thời gian chăm sóc cho ngôi nhà của mình

Với hệ thống nhà thông minh tự động, bạn sẽ dễ dàng tiết kiệm được các

khoảng thời gian quý báu và dành hiệu năng tốt hơn cho công việc

5 – Tạo môi trường sống thoải mái trong sạch - Tận hưởng cuộc sống:

Smartphone, sensor cảm biến, hệ thống nhà thông minh smarthome sẽ lấythông, tính toán và phân tích thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng của môi trường vàđưa ra các ngữ cảnh cho ngôi nhà và gia đình bạn có cuộc sống thoải mái nhất

Hãy tưởng tượng, sau bao nhiêu tháng năm làm việc và cố gắng Chúng ta vềnhà và có sẳn hệ thống máy lạnh mở sẳn, âm nhạc âm trần đang mở bài hát bạn thích,gara xe tự động mở cửa sẽ giúp chúng ta thích và muốn về nhà nhanh hơn Hoặc ba mẹchúng ta đã lớn tuổi đi lại khó khăn, sẽ thật tiện lợi với việc sử dụng smartphone vàchủ động tắt đèn, mở rèm khi cần thiết mà không cần ai giúp

6 – Tương tác với thiết bị:

Smarthome nhà thông minh kết hợp với các trợ lý ảo – giúp bạn điều khiển mọivật trong gia đình, trợ lý ảo sẽ giúp bạn lấy thông tin và lời khuyên khi cần Những giađình sử dụng hệ thống voice- control (điều khiển bằng giọng nói) ngôn ngữ Anh thì sẽtốt hơn cho những đứa trẻ cần luyện tập giao tiếp trong môi trường sống bình thường.Ngoài ra, smarthome còn có thể học theo lịch trình và thói quen của bạn và giúp bạnmột số ngữ cảnh giúp tối ưu cuộc sống của chúng ta

Ngôi nhà thông minh – smarthome được hiểu là hệ thống các thiết bị điện tửgia dụng được kết hợp với nhau thành mạng thiết bị và hoạt động theo kịch bản tùybiến nhằm tạo ra môi trường sống tiện nghi , an toàn, tiết kiệm năng lượng Một hệthống nhà thông minh cơ bản bao gồm một máy tính điều khiển trung tâm, được gọi làmáy chủ, có nhiệm vụ kết nối các thiết bị với nhau và điều khiển toàn bộ hệ thống nhà.

Các thiết bị gia dụng đầu cuối là những vật dụng điện tử trong nhà như các thiết

bị an ninh, hệ thống cửa, điều hòa, rèm mành, hệ thống đèn, quạt gió, tivi, bếp gas,…Các thiết bị này được kết nối với nhau trong hệ thống mạng thiết bị bằng công nghệtruyền dữ liệu, qua đường điện hoặc không dây và được kết nối trực tiếp đến HomeServer

Cuối cùng là hệ thống các phần mềm điều khiển ngôi nhà cài đặt trên HomeServer, trên các thiết bị điều khiển và các thiết bị điện tử gia dụng đầu cuối Chủ nhâncủa Hệ thống nhà thông minh có thể kiểm soát, điều khiển ngôi nhà cũng như các thiết

bị trong nhà bằng nhiều phương tiện như: điện thoại di động, tablet, laptop,… ở bất kìđâu và bất cứ lúc nào

4.Những xu hướng phát triển của nhà thông minh:

Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào kỷ nguyên Internet of

Things, kết nối mọi vật qua Internet, nhà thông minh trở thành một xu hướng công nghệ tất yếu, là tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng này

Hình 2.1 Mô hình tổng quát nhà thông minh.

Theo tạp chí The New York Times, nhà thông minh sẽ là 1 trong 3 xu hướng côngnghệ tạo nên điểm sáng của năm 2022 Không chỉ vậy, đây cũng là ngành được dựđoán là có tiềm năng tăng trưởng rất lớn trong thời gian tới

Trên thế giới:

Nhờ sự phát triển vượt bậc của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và công nghệ IoT,thị trường nhà thông minh smarthome đang là “miếng bánh tỷ đô” hấp dẫn đối vớinhiều ông lớn công nghệ trên thế giới

Theo số liệu từ Statista - Công ty uy tín về nghiên cứu thị trường và dữ liệungười dùng thì thị trường smarthome toàn cầu có thể đạt tới doanh thu 126,1 tỷUSD trong năm 2022

Con số này sẽ tiếp tục tăng lên nhanh chóng và đạt tới 207,8 tỷ USD trong năm 2026

Như vậy, thị trường smarthome đang tăng trưởng nóng Bởi chỉ trong vòng 4năm, doanh thu toàn thị trường có thể tăng lên tới 60%

Xu hướng nhà thông minh cũng được đánh giá là một trong những ứng dụng côngnghệ toàn diện nhất hiện nay mà không chỉ là một thiết bị thông minh đơn thuần

Trong năm 2022, giao thức Matter được coi là giao thức tiêu chuẩn, cho phépcác thiết bị giao tiếp với nhau mà không cần tới sự điều khiển thông qua trợ lý ảo haysmartphone

Đây cũng là xu hướng mà các ông lớn công nghệ như Google, Apple, Amazonđang nhắm tới để tạo nên đột phá, khiến cho ngôi nhà thông minh ngày càng trở nêntiện ích, thiết thực hơn

Hiện nay, nhà thông minh đã và đang là một thị trường tiềm năng với thị trườngtoàn cầu lên đến con số tỉ đô Không những vậy, chỉ riêng thị trường Bắc Mỹ, theo cáccon số thống kê, hoàn toàn là có cơ sở để nhận định rằng đây chính là tương lai củamột ngôi nhà mà chúng ta cần phải có

Hình 2.2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome thế giới

Hình 2.3 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome chỉ tính riêng thị trường Bắc Mỹ

Tại Việt Nam

Hình 2.4 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome Việt Nam

 Giống với xu hướng chung trên thế giới, thị trường nhà thông minh ViệtNam cũng được đánh giá là đang tăng trưởng nóng và nhu cầu nhà thôngminh của người dùng sẽ tiếp tục tăng mạnh trong vài năm tới

 Việt Nam nằm trong top 6 quốc gia có tỷ lệ người dùng internet sở hữu nhàthông minh cao nhất trên thế giới - Theo Global Web Index Tức là Nhu cầunhà thông minh của người dùng Việt Nam đang là rất cao!

 Các mô hình nhà thông minh đang được áp dụng hiện nay

Các giải pháp nhà thông minh trên thế giới

Hiện nay là thị trường Smarthome lớn nhất thế giới là Bắc Mỹ Với quy mô cũng như tính tiện nghi dành cho một ngôi nhà với 4 người, sẽ có thiết kế cơ bản với khả năng như: Cảnh báo đột nhập, cảnh báo khí gas, hệ thống cửa tự động, hệ thống camera an ninh, hệ thống giải trí…

 Dưới đây là ví dụ về một ngôi nhà thông minh của một số nhà sản xuất tại

Mỹ và châu Âu, với tiêu chuẩn từ cơ bản đến cao cấp dành cho một giađình:

Hình 2.5 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology.

Hình 2.6 Mô hình Smart home của công ty IEI Integration

Hình 2.7 Mô hình Smart home Eco-Future-World

Các giải pháp nhà thông minh ở Việt Nam

 Tại Việt Nam, không đứng ngoài dòng chảy công nghệ về nhà thông minh,

đã có rất nhiều nhà sản xuất cũ và mới tham gia thị trường đầy tiềm năng này, dẫn đầu là BKAV và Lumi Smarthome Với đầy đủ các chức năng như các nhà sản xuất nước ngoài, lại thêm yếu tố phù hợp với riêng thị trường Việt Nam, hiện nay họ đang có một lợi thế không nhỏ so với các nhà sản xuất nước ngoài tại Việt Nam

Hình 2.8 Mô hình Smart home của BKAV

Hình 2.9 Mô hình Smart home của Lumi

5 Lựa chọn hướng thiết kế:

Nhà thông minh là một đề tài rộng và có nhiều vấn đề đặt ra Tùy theo mục đích sử dụng của chủ nhân để thiết kế, một phần quan trọng trong hệ thống nhà thông minh là hệ thống điều khiển và giám sát

Trước đây, nhà thông minh chỉ hoàn toàn nằm trong trí tưởng tượng cũng như trên phim ảnh Nhờ sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, các giải pháp nhà thông minh ngày càng phong phú và thuận tiện hơn cho người sử dụng

Từ ban đầu, nhà thông minh chỉ có các thiết bị điều khiển từ xa ở trong phạm vingôi nhà phục vụ cho một số nhu cầu của con người Tiếp theo là sự tự động hóa các thiết bị trong ngôi nhà với khả năng tự động điều chỉnh theo môi trường cũng như người sử dụng

Sau đó, với sự phát triển và lan rộng của mạng internet, người ta đưa ra giải pháp kết nối và điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua mạng internet và thêm vào các tiện ích như hệ thống đảm bảo an toàn, tính toán năng lượng sử dụng,… giúp chủ nhân có thể điều khiển thiết bị ở khoảng cách xa chứ không bó hẹp trong khuôn viên ngôi nhà nữa

Khả năng bảo mật an ninh cũng được đặt lên hàng đầu, vì đi cùng với kết nối internet là khả năng bị hack vào hệ thống nhằm chiếm quyền điều khiển cũng vì thế

mà gia tăng Chủ nhân có thể sử dụng mật khẩu riêng để đăng nhập vào hệ thống cũng như ngôi nhà qua các hình thức như Passcode, bảo mật vân tay, bảo mật mống mắt…

Đi kèm đó là khả năng cảnh báo đột nhập giúp gia chủ có thể phát hiện ra tại bất kì nơiđâu với kết nối Wifi/GPRS

Và gần đây, xu thế điều khiển thiết bị bằng giọng nói cũng được thêm vào giải pháp xây dựng nhà thông minh, giúp cho việc sử dụng trở nên dễ dàng hơn mọi người trong nhà Trong tương lai, nhờ các thiết bị công nghệ mới kết hợp trí tuệ nhân tạo, ngôi nhà có thể phân biệt giọng nói từng thành viên và ghi nhớ thói quen của mỗi người trong gia đình

Hiện nay, ở Việt Nam, giải pháp xây dựng nhà thông minh với hệ thống điều khiển và giám sát thông qua internet vẫn phổ biến và phát triển hơn cả vì nó phù hợp với khả năng công nghệ và điều kiện kinh tế hiện có

Nhóm em cảm thấy đề tài này là phù hợp với nhóm, vậy nên ở đề tài này, nhóm

em xin chọn thiết kế ngôi nhà thông minh theo giải pháp sử dụng hệ thống điều khiển

và giám sát các thiết bị trong ngôi nhà thông qua Araduino trên một mô hình nhà thông minh với các chức năng cơ bản như: cửa đóng/mở tự động, cảnh báo cháy, bật tắt đèn từ xa

CHƯƠNG 3: ARDUINO VÀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH

Trong chương 3 của dự án sẽ trình bày về các thành phần phần cứng của hệ thống nhà thông minh, từ đó phân tích và lựa giải pháp thiết kế mô phục vụ nhu cầu cơbản với giá thành thấp

1.Tổng quan về Arduino

Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng

tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source) Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn còn chưa được biết đến nhiều

Hình 3.1 Board mạch của Arduino

Arduino cơ bản là một nền tảng tạo mẫu mở về điện tử (open-source electronicsprototyping platform) được tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm Về mặt kĩ thuật có thể coi Arduino là 1 bộ điều khiển logic có thể lập trình được Đơn giản hơn, Arduino

là một thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thông qua các cảm biến và hành vi đượclập trình sẵn Với thiết bị này, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử sẽ dễ dànghơn bao giờ hết Một điều không hề dễ dàng cho những ai đam mê công nghệ và điều khiển học nhưng là người ngoại đạo và không có nhiều thời gian để tìm hiểu sâu hơn

về về kĩ thuật lập trình và cơ điện tử

Hiện tại có rất nhiều loại vi điều khiển và đa số được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ hoặc Assembly nên rất khó khăn cho những người có ít kiến thức sâu về điện

tử và lập trình Nó là trở ngại cho mọi người muốn tạo riêng cho mình một món đồ

mang tính công nghệ Do vậy đó là lí do Arduino được phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng như lập trình trên vi xử lí và mọi người có thể tiếp cận dễ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 27 dàng hơn với thiết bị điện tử mà không cần nhiều về kiến thức điện tử và thời gian Sau đây là nhưng thế mạnh của Arduino so vớicác nền tảng vi điều khiển khác:

Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thể thực hiện trên các hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac Os, Linux trên Desktop, Android trên di động

Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu

2 Arduino Uno

a) Cấu trúc chung

Hình 3.2 Cấu trúc phần cứng của Arduino

Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega328 Nó co 14 chân vào ra bằng tín hiệu số, trong đó có 6 chân có thể sử dụng để điều chế đô rộng xung Có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép chúng ta kết nối với các bộ cảm biến bên ngoài để thu thập số liệu, sứ dụng một dao động thạch anh tần số dao động 16MHz, có một cổng kết nối bằng chuẩn USB để chúng ta nạp chương trình vào bo mạch và một chân cấp nguồn cho mạch, một ICSP header, một nút reset Nó chứa tất

cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, nguồn cung cấp cho Arduino có thể là

từ máy tính thông qua cổng USB hoặc là từ bộ nguồn chuyên dụng được biến đổi từ xoay chiều sang một chiều hoặc là nguồn lấy từ pin

b) Khối nguồn

Arduino có thể được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc với một nguồn cung cấp điện bên ngoài Các nguồn năng lượng được lựa chọn tự động Hệ thống vi điều khiển có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên ngoài từ 6V đến 20V Tuy nhiên, nếu cung cấp với ít hơn 7V, chân 5V có thể cung cấp ít hơn 5V và hệ thống vi điều khiển có thể không ổn định Nếu cấp nhiều hơn 12V, bộ điều chỉnh điện áp có thểquá nóng và gây nguy hiểm cho bo mạch Phạm vi khuyến nghị là 7V đến 12V

Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài (khác với nguồn 5V lấy từ USB hoặc nguồn thông qua jack cắm nguồn riêng) Chúng

ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này

Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển và các bộ phận khác trên bo mạch và cung cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi khi kết nối tới bo mạch

Chân 3,3V: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến

Chân GND: Chân nối đất

Chân Aref: Tham chiếu điện áp đầu vào analog

Chân IOREF: Cung cấp điện áp cho các vi điều khiển hoạt động Một shield được cấu hình đúng có thể đọc điện áp chân IOREF và lựa chọn nguồn thích hợp hoặc kích hoạt bộ chuyển đổi điện áp để là việc ở mức 5V hoặc 3,3V

Chân 0 (Rx): Chân được dùng để nhận dữ liệu nối tiếp

Chân 1 (Tx): Chân được dùng để truyền dữ liệu nối tiếp

Chân 2 và 3: Chân ngắt ngoài

Chân 3, 5, 6, 9, 10 và 11: Chân vào/ra số hoặc để điều chế độ rộng xung (chân

13 được nối với một LED đơn, sáng tắt tương ứng với mức logic của chân này)

Chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): Chuẩn giao tiếp SPI

Các chân analog có độ phân giải 10 bit (tương ứng với 1024 mức giá trị khác nhau) ứng với mức từ 0 – 5V Ngoài ra một số chân có các chức năng đặc biệt:

Chân A4 (SDA) và A5 (SCL): Hỗ trợ truyền thông TWI

3 Module wifi ESP8266