đồ án tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo mô hình giám sát và điều khiển nhà thông minh

Tính năng tự động của nó đemlại, mà hiện nay các ngôi nhà thông minh ngày càng được đưa vào sử dụngrộng rãi trong thực tế, không chỉ đối với các căn biệt thự … mà ý tưởng nàycòn có thể đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ - ĐIỆN - -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ - ĐIỆN - -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quảnghiên cứu được trình bày trong đồ án là trung thực, khách quan và chưa từngdùng để bảo vệ cho bất kỳ đồ án môn học nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án đã đượccảm ơn, các thông tin trích dẫn trong đồ án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2021Tác giả đồ án

Đặng Văn Nam

ii

em trong quá trình hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.

Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo, bạn bè và những ngườithân đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành tốt đợtlàm đồ án này

Do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên đồ án không thể tránh khỏinhững thiếu sót, mong quý thầy cô, và các bạn đóng góp ý kiến để đồ án của

em được hoàn chỉnh tốt hơn

Cuối cùng em xin kính chúc toàn thể các thầy cô giáo trong khoa CơĐiện, các thầy cô trong Học viện Nông nghiệp Việt Nam cùng toàn thể bạn bè,người thân sức khỏe, hạnh phúc và thành đạt

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày….tháng….năm 2021

Sinh viên

Đặng Văn Nam

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

MỞ ĐẦU 10

1 Đặt vấn đề 10

2 Mục đích 10

3 Giới hạn nghiên cứu 11

4 Ý nghĩa khoa học 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 12

1.1 Tổng quan về nhà thông minh 12

1.1.1 Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh 12

1.1.2 Nghiên cứu tổng quan hệ thống nhà thông minh trên thế giới 14

1.1.3 Nhà thông minh ở Việt Nam 17

1.2 Nghiên cứu hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh 18

1.2.1 Hệ thống chiếu sáng thông minh 19

1.2.2 Hệ thống giám sát người ra vào và chống trộm 19

1.2.3 Hệ thống âm thanh trong nhà thông minh 20

1.2.4 Hệ thống điều khiển nhà thông minh 20

1.3 Yêu cầu bài toán thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát ngôi nhà thông minh 21

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

2.1 Nội dung nghiên cứu 23

2.1.1 Tìm hiểu về board lập trình Arduino 23

5

2.1.2 Tìm hiểu về Esp8266 27

2.1.3 Một số cảm biến sử dụng trong đề tài 31

2.1.4 Phần mềm Arduino IDE 39

2.1.5.Phần mềm blynk 39

2.1.6 Phần mềm proteus 42

2.2 Phương pháp nghiên cứu 44

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Sơ đồ tổng quát 45

3.1.1 Sơ đồ khối 45

3.1.2 Sơ đồ bố trí thiết bị 47

3.1.3.Nguyên lý hoạt động: 48

3.2 Thiết kế Hệ thống điều khiển và giám sát ngôi nhà thông minh 49

3.2.1 Lựa chọn thiết bị 49

3.2.2 Thiết kế hệ thống 63

3.2.3 Bảng phân công tín hiệu 68

3.2.4 Lưu đồ thuật toán 70

3.2.5 Giao diện điều khiển 77

3.3 Thiết kế phần cứng 79

3.3.1 Thiết kế khung bao 79

3.1.2 Thiết kế các phòng 80

3.3.3 Lắp đặt hệ thống khóa cửa 82

3.3.4 Lắp đặt các thiết bị trong phòng 83

3.4 Kết quả chế tạo mô hình điều khiển và giám sát ngôi nhà thông minh 84

3.4.1 Mô hình ngôi nhà thông minh 84

3.4.2 Đánh giá thử nghiệm hoạt động các tính năng của ngôi nhà thông minh 85

3.5 Đánh giá và thảo luận 95

3.5.1 Đánh giá 95

3.5.2 Thảo luận 96

6

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97

Kết luận 97

Kiến nghị 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

PHỤ LỤC 1

7

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Mô hình tổng quát nhà thông minh 13

Hình 1.2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome thế giới [1] 13

Hình 1.3 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology 15

Hình 1.4 Mô hình Smart home của công ty IEI Integration 15

Hình 1.5 Mô hình Smart home Eco-Future-World 16

Hình 1.6 Mô hình Smart home của BKAV 17

Hình 1.7 Mô hình Smart home của Lumi 18

Hình 2.1 Arduino 23

Hình 2.2 Cấu tạo của Arduino 24

Hình 2 3 Chip Esp8266 27

Hình 2.4 Sơ đồ chân Esp8266 29

Hình 2.5 Cảm biến khí Gas 31

Hình 2 6 Cảm biến DHT11 32

Hình 2.7 Sơ đồ chân cảm biến DHT11 33

Hình 2.8 Cảm biến vân tay AS608 34

Hình 2 9 Sơ đồ chân cảm biến vân tay AS608 35

Hình 2 10 Cảm biến mưa 36

Hình 2 11 Cảm biến thu phát hồng ngoại IR01 37

Hình 2 12 Nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại 38

Hình 2 13 Phần mềm Arduino IDE 39

Hình 2 14 Phần mềm Blynk 40

Hình 2 15 Hoạt động của Blynk 41

Hình 2 16 Phần mềm proteus 8.8 42

Hình 2 19 Module thu phát hồng ngoại 56

Hình 2 17 Nguồn Adapter 9VDC 58

Hình 2 18 Nguồn Adapter 12VDC 59

Hình 3.1 Sơ đồ khối 45

Hình 3 2 Sơ đồ bố trí thiết bị 47

8

Hình 3.3 Arduino Nano 49

Hình 3.4 Esp8266 50

Hình 3.5 Cảm biến vân tay AS608 51

Hình 3.6 Bàn phím ma trận 4x4 52

Hình 3.7 Màn hình LCD 1602 52

Hình 3.8 Màn hình LCD 2004 53

Hình 3 9 Cảm biến mưa 54

Hình 3.10 Cảm biến DHT11 55

Hình 3.11 Cảm biến khí gas MQ2 56

Hình 3.12 Động cơ servo sg90 58

Hình 3.13 Led hắt 59

Hình 3.14 Sơ đồ mạch khóa cửa 62

Hình 3.15 Layout mạch khóa cửa 63

Hình 3.16 Sơ đồ mạch điều khiển chính 64

Hình 3.17 Layout mạch điều khiển chính 65

Hình 3.18 Sơ đồ động lực 66

Hình 3.19 Layout mạch động lực 66

Hình 3.20 Lưu đồ thuật toán khóa cửa 70

Hình 3 21 Lưu đồ thuật toán chính của hệ thống điều khiển và giám sát ngôi nhà 74

Hình 3.22 Giao diện điều khiển 76

Hình 3.23 Giao diện phòng khách 77

Hình 3.24 Giao diện phòng ngủ 77

Hình 3.25 Giao diện phòng tắm 77

Hình 3.26 Giao diện phòng bếp 78

Hình 3.27 Khung bao 78

Hình 3.28 Khung các phòng 79

Hình 3 29 Lắp đặt khung các phòng 80

Hình 3 30 Mái che 80

9

Hình 3 31 Lắp đặt mái che lên khung 81

Hình 3.32 Phần khóa cửa 81

Hình 3.33 Hoàn thiện phần cứng 82

Hình 3.34 Tổng quan mô hình 83

Hình 3.35 Nhập vân tay 84

Hình 3.36 Thông tin hiển thị trên màn hình LCD 85

Hình 3.37 Hiển thị màn hình khi nhập mật khẩu bàn phím, 85

Hình 3.38 Cửa mở khi nhập đúng vân tay và mật khẩu 86

Hình 3 39, Công tắc đổi mật khẩu 87

Hình 3 40 Đổi mật khẩu bàn phím 87

Hình 3 41 Đổi vân tay 88

Hình 3.42 Đèn phòng khác được bật 89

Hình 3.43 Giao diện điều khiển phòng khách 90

Hình 3.44 Phòng ngủ 91

Hình 3.45 Giao diện phòng ngủ 91

Hình 3.46 Phòng bếp 92

Hình 3.47 Giao diện phòng bếp 92

Hình 3.48 Phòng tắm 93

Hình 3.49 Giao diện phòng tắm 93

10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3 2 Bảng phân công tín hiệu bộ khóa cửa 67

Bảng 3 3 Bảng phân công tín hiệu bộ điều khiển chính 67

Bảng 3 4 Thử nghiệm hệ thống khóa cửa 88

Bảng 3 5 Thử nghiệm hoạt động của hệ thống các thiết bị 94

11

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề.

Trong cuộc sống ngày nay, trên nền tảng của sự phát triển về công nghệthông tin, điện dân dụng… các sản phẩm khoa học công nghệ dần được đưavào ứng dụng trong đời sống sản xuất và đời sống sinh hoạt của con người Sựkết hợp các tính năng ưu việt của Smartphone, máy tính, cảm biến với các thiết

bị điện dân dụng… đem lại cho con người những trải nghiệm về một thế giớithiết bị tự động Góp phần làm cho điều kiện cuộc sống ngày một được nângcao, nhu cầu về giải trí hưởng thụ được cải thiện Một trong những ý tưởng đó

đã được phát triển ứng dụng và được nhiều người quan tấm đến trong thời giangần đây, đó là khái niệm về “nhà thông minh” Tính năng tự động của nó đemlại, mà hiện nay các ngôi nhà thông minh ngày càng được đưa vào sử dụngrộng rãi trong thực tế, không chỉ đối với các căn biệt thự … mà ý tưởng nàycòn có thể được mở rộng ứng dụng cho những ngôi nhà dân dụng với mức chiphí bình thường Từ nhu cầu thực tế muốn ước mơ về sử dụng thiết bị điện dândụng tự động đến với mọi người dân, đồ án của chúng em đề xuất và xây dựng

đề tài “Thiết kế mô hình nhà thông minh điều khiển giám sát từ xa qua mạnginternet” Với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Quang Huy cùngcác thầy cô giáo trong bộ cùng với sự nỗ lực của cả nhóm đồ án chúng em, đếnnay đồ án của chúng em đã hoàn thành Do kiến thức của chúng em còn hạnchế nên đề tài của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rấtmong sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo cùng các bạn sinh viên để nộidung của đề tài thực sự hoàn thiện và được ứng dụng hiệu quả hơn trong đờisống

2 Mục đích.

Nghiên cứu tổng quan về nhà thông mình, những ứng dụng của nhàthông minh trong đời sống thực tế, từ đó đưa ra lựa chọn những chức năng vàphương pháp phù hợp cho một dự án về nhà thông mình

12

Chế tạo thành công một mô hình nhà thông mình với các chức năng cầnthiết và hoạt động đầy đủ như trong thực tế.

3 Giới hạn nghiên cứu.

Giới hạn về thời gian :

- Từ tháng 12 năm 2021 đến tháng 5 năm 2022

Giới hạn về không gian :

- Đề tài được nghiên cứu qua các tài liệu, kiến thức trên mạng internet vàcác sách giáo trình

- Đề tại được thực hiện và thử nghiệm tại nhà riêng

Giới hạn về đối tượng nghiên cứu :

- Đề tài chỉ tập chung xây dựng hệ thống dưới dạng mô hình đảm bảohoạt động ổn định và độ thẩm mĩ

4 Ý nghĩa khoa học.

Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo mô hình giám sát và điều khiển nhà thôngminh” giúp sinh viên trau dồi, tổng hợp kiến thức đã học, góp phần và nghiêncứu khoa học trong lĩnh vực nhà thông minh

‘

13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về nhà thông minh

1.1.1 Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh

Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu củacon người đòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất Cùng với đó là sự mởrộng không ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnhthổ làm cho việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thànhtất yếu Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó, ý tưởng về ngôi nhà thôngminh được hình thành, nơi mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ vàgiúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài ra ngôi nhà còn có thể tự động quản lí mộtcách thông minh nhất

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

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

Thứ hai, là khả năng thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng Chủ nhânngôi nhà có thể điều khiển theo ý muốn hoặc theo những kịch bản được lậptrình sẵn

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

Thứ tư, là khả năng điều khiển, cảnh báo từ xa thông qua kết nối internetthông 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

14

kết nối internet là có thể theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển cácthiết bị trong nhà theo ý muốn của bản thân.

Hình 1 1 Mô hình tổng quát nhà thông minh

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

Hình 1.2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome thế giới [1]

15

Hình 1.3 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome chỉ tính riêng thịtrường Bắc Mỹ [2].

1.1.2 Nghiên cứu tổng quan hệ thống 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 xuấttại Mỹ và châu Âu, với tiêu chuẩn từ cơ bản đến cao cấp dành cho một giađình:

16

Hình 1.3 Mô hình Smart home của công ty Compro Technology.

Hình 1.4 Mô hình Smart home của công ty IEI Integration

17

Hình 1.5 Mô hình Smart home Eco-Future-World.

Hiện nay sức khỏe của con người luôn được đặt lên hàng đầu Vì vậy cácmẫu nhà thông minh cũng được phát triển để theo dỗi và bảo vệ sức khỏe củacon người Các thiết bị thông minh có trong ngôi nhà trên thế giới đã được pháttriển tạo ra nhằm đáp ứng được các nhu cầu trên :

Gối thông minh (smart pillow) là sản phẩm hỗ trợ giấc ngủ cho ngườidùng, với các tính năng nổi bật như ru ngủ bằng âm thanh, đánh thức bằng tínhnăng hẹn giờ, theo dõi giấc ngủ, giúp cải thiện vấn đề mất ngủ và sức khỏe, cóthể đọc bất kỳ cuốn sách nào bạn chọn cho bạn vào giờ đi ngủ và có thể chơibản nhạc yêu thích của bạn để khi bạn bắt đầu buồn ngủ Một khi cơ thể củabạn đi vào ngủ sâu, nó sẽ tự động kiểm tra tình trạng và chất lượng giấc ngủcủa bạn, giảm dần âm lượng của âm nhạc theo đó và cuối cùng, tắt hoàn toàn.Cũng như sẵn sàng cho bạn khi bạn thức dậy trong buổi sáng, nó cũng kiểm trathông tin cơ bản về cơ thể của người dùng (chẳng hạn như hô hấp, mạch vànhiệt độ cơ thể) và trong trường hợp khẩn cấp hoặc bệnh tật, nó sẽ báo cáongay lập tức qua mạng đến hệ thống khẩn cấp[3]

Nhà kính thông minh là công trình lọc không khí tự nhiên, hệ thống sửdụng thực vật có không khí mạnh mẽ tự nhiên thanh lọc không khí trong mộtnhà kính mini , cung cấp không khí trong lành và hương thơm tự nhiên dễ chịu

18

Các nhà kính tự động kiểm soát khí hậu để điều chỉnh khả năng thanh lọc củathực vật để cung cấp đầy đủ độ tươi theo mức độ ô nhiễm của không khí trongngôi nhà [4].

1.1.3 Nhà thông minh ở Việt Nam

Tại Việt Nam, không đứng ngoài dòng chảy công nghệ về nhà thôngminh, đã có rất nhiều nhà sản xuất cũ và mới tham gia thị trường đầy tiềm năngnày, dẫn đầu là BKAV và Lumi Smarthome Với đầy đủ các chức năng nhưcác nhà sản xuất nước ngoài, lại thêm yếu tố phù hợp với riêng thị trường ViệtNam, hiện nay họ đang có một lợi thế không nhỏ so với các nhà sản xuất nướcngoài tại Việt Nam

Bkav SmartHome là hệ thống nhà thông minh hoàn chỉnh, dễ dàng đểtích hợp với tất cả các thiết bị đầu cuối có sẵn Hệ thống trung tâm là đượctrang bị hệ điều hành Bkav HomeOS cao ổn định và mở rộng, cho phép kết nốitất cả các bảo mật thiết bị, camera, âm thanh thành một hệ thống đồng bộ

Ưu điểm của Bkav Smarthome là hệ thống khép kín, các thiết bị tương thíchvới nhau, hoạt động ổn định cũng như giao diện thân thiện với người dùng, vớihầu hết mọi tính năng nhu cầu nhà Nhược điểm của Bkav Smarthome là giá cả(nó rất đắt), thiết kế phức tạp (gần như được xây dựng lại), khó bảo trì, sửachữa và tùy chỉnh

Hình 1.6 Mô hình Smart home của BKAV

19

Tương tự như các thương hiệu nhà thông minh khác, công nghệ của Cácgiải pháp nhà thông minh Lumi không có nhiều thay đổi Các lợi thế của Lumi

là nhắm mục tiêu đến nhiều loại người dùng hơn bao gồm chung cư, biệt thự,nhà ở với nhiều mức giá khác nhau Tuy nhiên, nhược điểm của Lumi vẫn là sựphức tạp của giải pháp, người dùng cảm thấy khó khăn trong việc tùy chỉnhthiết bị của họ

Hình 1.7 Mô hình Smart home của Lumi

Hệ thống nhà thông minh Lumi không dây truyền tín hiệu điều khiển quamạng không dây, qua sóng ZigBee Ưu điểm của thiết bị không dây sử dụngsóng ZigBee có giá thành rẻ, không cần đục tường đi lại dây nên dễ dàng tháolắp và thay thế nhanh chóng Vì vậy những ngôi nhà đã hoàn thiện, xong nộithất vẫn có thể lắp đặt hệ thống Smarhome Lumi Tuy nhiên do sử dụng hệthống không dây nên tốc độ truyền sẽ bị giảm với những ngôi nhà có khônggian quá lớn Dù vậy đây là hệ thống nhà thông minh được sử dụng ưu chuộngnhất hiện nay[5]

1.2 Nghiên cứu hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh.

20

1.2.1 Hệ thống chiếu sáng thông minh.

Các thiết bị chiếu sáng như: bóng đèn sợi đốt, đèn neon, đèn led, đènngủ, đèn trang trí,… được sử dụng rất nhiều Vì vậy nếu phối hợp chiếu sángkhông hợp lý sẽ dẫn tới ô nhiễm ánh sáng Ngoài ra, việc chiếu sáng như vậycòn gây lãng phí điện, giảm tuổi thọ thiết bị Bên cạnh đó số lượng đèn dùng

để chiếu sáng là khá lớn, gia chủ sẽ gặp những bất tiện nhỏ trong việc bật tắt,điều chỉnh độ sáng cho phù hợp

Hệ thống chiếu sáng sẽ được tích hợp chung với các hệ thống khác hoặc

sẽ được tách riêng biệt để đều khiển độc lập Các giải pháp đều nhằm tối ưuhóa hệ thống và giúp người dùng điều khiển dễ dàng hơn Các giải pháp kếthợp sẽ được tính đến tự động hóa tới mức tối đa

1.2.2 Hệ thống giám sát người ra vào và chống trộm

Khi gia chủ vắng nhà, việc kiểm soát các hệ thống vào ra trong ngôi nhà

là rất quan trọng, giúp đề phòng trộm, tiết kiệm năng lượng … Ngôi nhà thôngminh cung cấp hệ thống kiểm soát vào ra cho phép chủ nhà quản lý và cấpquyền “ đăng nhập” cho các thành viên trong gia đình

Hệ thống ra vào ở các phòng sẽ được lắp đặt các khóa vân tay hoặc khóaphím,… nhằm nhận dạng người trong nhà

Ngoài ra, còn có thể dùng hệ thống nhận diện khuôn mặt hay giọng nóitùy vào phòng riêng của mỗi người

Các bộ cảm biến chuyển động của hệ thống chiếu sáng khi được kíchhoạt sẽ tự động trở thành hệ thống chống trộm Khi có nguy cơ bị đột nhập, cácthiết bị này sẽ lập tức cảnh báo tại chỗ bằng chuông báo động hoặc thông báo

Hình 1.8 Hệ thống chống trộm

1.2.3 Hệ thống âm thanh trong nhà thông minh

Hệ thống âm thanh SmartHome giúp cho gia chủ trải nghiệm cảm giáctuyệt vời nhất khi sở hữu cho mình các tính năng đặc biệt như: phát được nhiềubản nhạc khác nhau ở từng vị trí bạn muốn cài đặt Mỗi khi bạn đi làm trở vềnhà, ngôi nhà thông minh tự động phát ra bản nhạc du dương mà bạn yêu thíchnhất, giải tỏa mọi căng thẳng sau một ngày làm việc vất vả Hoặc mỗi sángsớm thức dậy, thay bằng tiếng kêu khó chịu của đồng hồ báo thức, thiết bị điệnthông minh sẽ phát ra bản nhạc êm dịu giúp bạn từ từ thức dậy với tinh thần tốtnhất

Bên cạnh đó, hệ thống âm thanh thông minh còn là người bạn đáng tincậy luôn nhắc nhở các công việc hàng ngày của bạn Mọi công việc như cáccuộc họp trong tuần, giờ đón con, giờ uống thuốc, sẽ được hệ thống lên lịchmột cách cẩn thận, mọi sự “đãng trí” của bạn sẽ bị giải quyết triệt để nhờ thiết

bị điện thông minh này

1.2.4 Hệ thống điều khiển nhà thông minh

Đầu tiên cần được đề cập sẽ là khả năng thu thập một hệ thống như mộtnhà thiết kế Nó đại diện cho sự hiện diện của một phần tử trung tâm trên nềntảng Arduino, được đại diện bởi một bộ điều khiển trung tâm, nơi tất cả thông

22

tin từ các hệ thống khác nhau được cài đặt trong dòng chảy nhà Và càng nhiềucàng tốt, nó được cho phép thêm các thành phần mới vào hệ thống - để điềukhiển ánh sáng trong các phòng khác nhau, thông báo cho chủ sở hữu về sựxuất hiện của các tình huống không lường trước được khác nhau, theo dõi điềukiện khí hậu, cơ chế giám sát kỹ thuật.

Ngày nay, một số lượng lớn các sửa đổi và bộ hoàn chỉnh dựa trênArduino, nơi mà hệ thống được đề cập có thể được thực hiện Một số lượng lớncác công ty sản xuất các cơ chế như vậy làm cho bộ điều khiển đã có tích hợpWi-Fi và hệ thống Bluetooth, mà làm cho nó có thể kiểm soát hệ thống trongcác cơ sở thông qua một điện thoại di động Ngoài ra còn có các giải pháp quản

lý được thực hiện trên một giao diện loại Ethernet, nó là một phương pháp códây sử dụng cáp quang thông qua một mạng nội bộ kiểu địa phương Thiết bịchuyển mạch thường được thêm vào các giải pháp như vậy, cũng như bộ địnhtuyến Wi-Fi, cho phép kết nối không dây, trừ khi được cung cấp bởi chính bộđiều khiển

1.3 Yêu cầu bài toán thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát ngôi nhà thông minh.

Xuất phát từ nhu cầu mở rộng quy mô ứng dụng hệ thống nhà thôngminh không chỉ tập trung cho các nhà biệt thự, khách sạn… phục vụ cho cáctầng lớp giàu có thượng lưu, mà còn đem lại cho người có mức thu nhập trungbình có được cơ hội sở hữu ngôi nhà thông minh với một số tính năng tự độngnhất định của riêng mình trong khả năng kinh tế có hạn Vì vậy trong phạm vicủa đề tài đề xuất xây dựng mô hình nhà ở dân dụng nhà thông minh, đảm bảocho ngôi nhà có được một số tính năng tự động như sau:

+) Điều khiển, giám sát hệ thống từ xa thông qua mạng internet sử dụngphần mềm Blynk trên điện thoại smartphone và đồng thời trên web Blynk Cácthiết bị điều khiển bao gồm: đèn các phòng, điều hòa, bình nóng lạnh, còi báođộng, mái che

23

+) Mô hình bao gồm 4 phòng: phòng khách, phòng ngủ, phòng tắm,phòng bếp.

+) Có hệ thống bảo mật tại cửa chính với khóa vân tay và mật khẩu số,

có khả năng thêm hoặc thay đổi vân tay và thay đổi mật khẩu linh hoạt đảmbảo bảo mật

+) Phòng khách: tự động bật đèn khi mở cửa vào nhà, giám sát nhiệt độ

và độ ẩm trong phòng hiển thị trên màn hình LCD, tự động điều khiển bật tắtđiều hòa làm mát theo nhiệt độ phòng với mức nhiệt cài đặt có thể thay đổi quacài đặt trên Blynk, điều khiển bật tắt đèn, bình nóng lạnh từ xa qua internet.+) Phòng ngủ: Tự động bật đèn khi vào phòng, điều khiển bật tắt đèn,bình nóng lạnh từ xa qua internet

+) Phòng bếp: Tự động bật/ tắt đèn khi có người trong phòng, có cảmbiến khí gas cảnh báo cháy nổ bằng còi Điều khiển bật tắt đèn từ xa qua mạnginternet

+) Phòng vệ sinh: Tự động bật/tắt đèn khi vào/ra khỏi phòng, điều khiểnbật tắt đèn, bình nóng lạnh từ xa qua internet

+) Ban công: Điều khiển mái che theo thời tiết bằng cảm biến mưa, nếutrời mưa thì đóng mái che, nếu trời tạnh thì mở mái che

24

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu.

2.1.1 Tìm hiểu về board lập trình Arduino

Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino là phần mềm IDE

25

b) Cấu tạo của Arduino.

Hình 2.2 Cấu tạo của Arduino

Cổng USB: là chân cắm để tải mã lập trình từ PC lên chip điều khiển.Đồng thời đây cũng là cổng giao tiếp serial giúp truyền dữ liệu từ chip điềukhiển vào máy tính

Jack nguồn: để chạy Arduino, bạn hoàn toàn có thể nạp nguồn từ cổngUSB ở trên Tuy nhiên không phải lúc nào cũng kết nối với máy tính được Cónhững dự án cần thực hiện ngoài trời sẽ cần một nguồn điện khác với mức điện

áp từ 9V -12V

Hàng Header: những chân đánh số từ 0 – 12 là hàng digital pin Đây lànơi truyền – nhận các tín hiệu số Bên cạnh đó sẽ có một pin đất (GND) và pinđiện áp tham chiếu (AREF)

Hàng header thứ 2: chủ yếu liên quan tới điện áp đất, nguồn

Hàng header thứ 3: đây là các chân để nhập – xuất các tín hiệu analog

26

(đọc thông tin của các thiết bị cảm biến)

Chip điều khiển AVR: bộ phận xử lý trung tâm của toàn bo mạch Vớimỗi mẫu Arduino khác nhau, con chip này sẽ khác nhau Ví dụ trên ArduinoUno thì sẽ sử dụng ATMega328

c) Các loại Arduino phổ biến

Không giống như hầu hết các board mạch lập trình trước đó, Arduinokhông yêu cầu một phần cứng riêng để lập trình mã mới lên board mà bạn chỉcần sử dụng cáp USB Đồng thời, phần mềm Arduino IDE sử dụng phiên bản

cơ bản của C ++, giúp việc học chương trình trở nên đơn giản hơn Chúng ta cóthể tổng hợp một số loại Arduino phổ biến như sau:

1 Arduino Uno

Đây chính là loại board đơn giản nhất nên rất phù hợp với những ngườimới bắt đầu tìm hiểu về lĩnh vực này Dữ liệu số bao gồm 14 chân, đầu vàogồm 6 chân 5V, khả năng phân giải là 1024 mức, tốc độ 16MHz, điện áp từ 7Vđến 12V Kích thước của Board này là 5,5x7cm

5 Arduino Mega

27

Chân số lên đến 64, 14 chân có thể phát PWM, 4 cổng truyền tiếp cùngkích thước khá lớn 5x10cm.

6 Arduino Leonardo

Là board không có cổng nối USB dùng lập trình Được thiết kế tại mộtchip nhỏ điều khiển Kết nối qua COM ảo và có thể kết nối với chuột và bànphím

7 Arduino LilyPad

Board mạch Lily Pad Arduino là một công nghệ dệt điện tử có thể đeođược mở rộng bởi Leah Sang Buechley, và được thiết kế một cách cẩn thận bởidòng Lea Leah và SparkFun Mỗi board được thiết kế một cách tưởng tượngvới các miếng kết nối khổng lồ & một mặt sau mịn màng để cho chúng đượckhâu vào quần áo bằng chỉ Arduino này cũng bao gồm I / O, nguồn và cảboard cảm biến được chế tạo đặc biệt cho hàng dệt may điện tử

8 Arduino RedBoard

Board mạch RedBoard Arduino có thể được lập trình bằng cáp USBMini-B bằng Arduino IDE Nó sẽ hoạt động trên Windows 8 mà không phảisửa đổi cài đặt bảo mật của bạn Nó không đổi do chip USB hoặc FTDI chúngtôi sử dụng và nó hoàn toàn phẳng ở mặt sau Tạo nó rất đơn giản để sử dụngtrong thiết kế dự án Chỉ cần cắm board, chọn tùy chọn menu để chọn ArduinoUNO và bạn đã sẵn sàng để tải lên chương trình Bạn có thể điều khiểnRedBoard qua cáp USB bằng rắc cắm thùng

Ngoài ra, còn có thể kể đến: Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove,Arduino Due, v.v

d) Ứng dụng của Arduino

Arduino có nhiều ứng dụng trong đời sống, trong việc chế tạo các thiết

bị điện tử chất lượng cao Một số ứng dụng có thể kể đến như:

Lập trình robot: Arduino chính là một phần quan trọng trong trung tâm

28

xử lí giúp điều khiển được hoạt động của robot.

Lập trình máy bay không người lái Có thể nói đây là ứng dụng có nhiều

kì vọng trong tương lai

Game tương tác: chúng ta có thể dùng Arduino để tương tác vớiJoystick, màn hình,… để chơi các trò như Tetrix, phá gạch, Mario… và nhiềugame rất sáng tạo nữa

Arduino điều khiển thiết bị ánh sáng cảm biến tốt Là một trong những

bộ phận quan trọng trong cây đèn giao thông, các hiệu ứng đèn nháy được càiđặt làm nổi bật các biển quảng cáo

Arduino cũng được ứng dụng trong máy in 3D và nhiều ứng dụng kháctùy thuộc vào khả năng sáng tạo của người sử dụng

2.1.2 Tìm hiểu về Esp8266

a Tổng quan về Esp8266

Hình 2 3 Chip Esp8266

29

ESP8266 là dòng chip tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được, rẻtiền được sản xuất bởi một công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems.Được phát hành đầu tiên vào tháng 8 năm 2014, đóng gói đưa ra thị trườngdạng Module ESP-01, được sản xuất bởi bên thứ 3: AI-Thinker Có khả năngkết nối Internet qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linhkiện đi kèm Với giá cả có thể nói là rất rẻ so với tính năng và khả năngESP8266 có thể làm được ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trênthế giới rất lớn, cung cấp nhiều Module lập trình mã mở giúp nhiều người cóthể tiếp cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh [7].

Hiện nay tất cả các dòng chip ESP8266 trên thị trường đều mang nhãnESP8266EX, là phiên bản nâng cấp của ESP8266

30

b Sơ đồ chân Esp8266.

Hình 2.4 Sơ đồ chân Esp8266

31

Thông số phần cứng:

 32-bit RISC CPU : Tensilica Xtensa LX106 running at 80 MHz

 Hổ trợ Flash ngoài từ 512KiB đến 4MiB

 64KBytes RAM thực thi lệnh

 96KBytes RAM dữ liệu

 64KBytes boot ROM

Chuẩn wifi EEE 802.11 b/g/n, Wi-Fi 2.4 GHz tích hợp TR switch, balun,LNA, khuếch đại công suất và matching network hỗ trợ WEP, WPA/WPA2,Open network

32

2.1.3 Một số cảm biến sử dụng trong đề tài.

a Cảm biến khí Gas

Hình 2.5 Cảm biến khí Gas

Để đo nồng độ khí gas (trường hợp rò rỉ khí gas trong ngôi nhà) và hiểnthị lên LCD hay máy tính/điện thoại, trong đề tài sử dụng cảm biến khí gasMQ2 với các thông số vật lý như sau:

Điện áp sử dụng : +5V

Aout: điện áp ra tương tự Nó có giá trị từ 0.3V đến 4.5V, phụ thuộc vàonồng độ khí xung quang MQ2 Dout: điện áp ra số, giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng

độ khí mà MQ2 đo được Các loại khí:

không cần đến vi điều khiển Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trịnồng độ ta muốn cảnh báo Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phépthì Dout = 1, đèn Led tắt Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng khí cho phép,Dout =0, đèn Led sáng.

b Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11

Hình 2 6 Cảm biến DHT11

DHT11 Là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm rất thông dụng hiện nay vì chi phí

rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire ( giao tiếp digital 1-wiretruyền dữ liệu duy nhất) Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữliệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào.Đặc điểm:

 Điện áp hoạt động : 3V - 5V (DC)

 Dải độ ẩm hoạt động : 20% - 90% RH, sai số ±5%RH

 Dải nhiệt độ hoạt động : 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C

 Tần số lấy mẫu tối đa: 1 Hz

 Khoảng cách chuyển tối đa: 20m

34

Hình 2.7 Sơ đồ chân cảm biến DHT11.

Sơ đồ chân cảm biến DHT11 gồm 2 chân cấp nguồn, và 1 chân tín hiệu.Hiện nay, thông dụng ngoài thị trường có hai loại đóng gói cho DHT11: 3 chân

và 4 chân

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 với giá thành rẻ, dễ sử dụng, thích hợp

sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác không cao, môi trườngkhông khắc nghiệt

c Cảm biến vân tay AS608

Hình 2.8 Cảm biến vân tay AS608

35

Cảm biến nhận dạng vân tay AS608 Fingerprint Sensor sử dụng giao tiếpUART TTL hoặc USB để giao tiếp với vi điều khiển hoặc kết nối trực tiếp vớimáy tính (thông qua mạch chuyển USB-UART hoặc giao tiếp USB).

Cảm biến nhận dạng vân tay AS608 Fingerprint Sensor được tích hợpnhân xử lý nhận dạng vân tay phía trong, tự động gán vân tay với 1 chuỗi data

và truyền qua giao tiếp UART ra ngoài nên hoàn toàn không cần các thao tác

xử lý hình ảnh, đơn giản chỉ là phát lệnh đọc/ghi và so sánh chuỗi UART nênrất dễ sử dụng và lập trình

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp sử dụng: 3.0~3.6VDC (thường cấp 3.3VDC, lưu ý quan trọng nếucấp lớn hơn 3.3VDC cảm biến sẽ cháy ngay lập tức)

 Dòng tiêu thụ: 30~60mA, trung bình 40mA

 Communication Interface: USB /UART

 Tốc độ Baudrate UART: 9600 x N (N từ 1~12), mặc định N=6 baudrate =57600,8,1

 USB communication: 2.0 full speed

 Sensor image size (pixel): 256 x 288 pixels

 Image processing time (s): <0.4s

 Power-on delay (s): <0.1s (the module needs about 0.1S to initialize afterpower on)

 Job search time (s): <0.3s

 FRR (rejection rate) <1%

 FAR (recognition rate) <0.001%

 Fingerprint storage capacity 300 (ID: 0 ~ 299)

Sơ đồ chân:

36