Một nơi ở bao gồm nhiều loại cảm biến ểthu thập dữ liệu về môi trường nhà ở và khả năng iều khiển các thiết bị gia dụng.. Việc xây dựng một mô hình hệ thống nhà thông minh cần thực hiện
Giới thiệu
Với sự phỏt triển về cỏc cụng nghệ thụng minh và truyền thụng trong trong thế kò
21 này, việc xây dựng một môi trường sống thông minh và tiện lợi cho không gian sống ang trở thành một xu hướng tất yếu, không thể phủ nhận trong xã hội hiện ại ngày nay. ề tài "Thiết kế và thi công mô hình hệ thống giám sát và iều khiển trong nhà thông minh" hướng ến mục tiêu phát triển mô hình hệ thống tiên tiến, linh hoạt và a năng, trong không gian sống thông minh Công nghệ LoRa (Long Range) ược lựa chọn làm chuẩn truyền thông nền tảng truyền thông chính giữa các nút mạng, tượng trưng cho các phòng trong nhà.
LoRa là công nghệ truyền thông không dây nổi bật với khả năng truyền dẫn dữ liệu tầm xa hiệu quả mà vẫn tiết kiệm năng lượng Với các ưu iểm này khiến LoRa trở thành lựa chọn phù hợp lý tưởng cho việc kết nối các thiết bị trong mạng lưới nhà thông minh, ặc biệt khi cần xuyên qua các rào cản vật lý như tường hoặc nhà rộng lớn, nhiều phòng.
Hệ thống bao gồm các node ại diện cho từng phòng hoặc xa hơn là khu vực trong nhà thông minh Mỗi node ược trang bị các cảm biến thu thập dữ liệu trong các khu vực, các phòng như nhiệt ộ, ộ ẩm, chất lượng không khí, mức tiêu thụ iện năng và ược hiển thị tại các node thông qua màn hình LCD Ngoài ra, các Slave cũng ược trang bị các thiết bị kiểm soát như công tắc và thiết bị ể thực hiện các hành ộng iều khiển tương ứng.
Thông qua kết nối LoRa, các node truyền dữ liệu ến trạm trung tâm (gateway) là nơi ể xử lý và iều khiển toàn bộ hệ thống Theo ó, người dùng có thể dễ dàng quản lý và kiểm soát mọi hoạt ộng trong nhà từ xa thông qua vị trí trạm trung tâm hoặc riêng tại vị trí các node hoặc thông qua website của hệ thống Kiến tạo môi trường IOTs (Internet Of Things) phù hợp cho một mạng lưới nhà thông minh rộng lớn hiện ại.
Mục tiêu ề tài
Với cỏc ịnh hướng, tiờu chò ược ề ra là phỏt triển một hệ thống thụng minh, a năng và linh hoạt, sử dụng công nghệ LoRa ể kết nối và iều khiển các node trong nhà thông minh rộng lớn Với việc mỗi node tượng trưng cho một phòng hoặc khu vực trong ngôi nhà hướng tới việc tạo ra một môi trường sống thông minh hiệu quả, và thuận tiện đồ án cho người sử dụng với mạng lưới rộng lớn Vậy nờn ề tài chỳ ý vào cỏc chò tiờu chớnh dưới ây. ầu tiên là mô hình hệ thống sử dụng 1 master (trạm trung tâm) tại khu vườn và 2 slaves (2 node) cho mỗi khu vực trong nhà, ở ây là phòng bếp và phòng khách, với việc sử dụng giao thức truyền thông LoRa ể truyền dữ liệu từ các Slaves ến trạm trung tâm (gateway, Master) Tại Master có chức năng kiểm soát các thiết bị tại các Slaves và tại chính Master thông qua khả năng truyền gói tin, có thể theo dõi ược các thông số nhiệt ộ, ộ ẩm ất, mức khí gas, chất lượng không khí, và trạng thái bật tắt của các thiết bị tại Slave thông qua màn hình LCD của Master bằng khả năng nhận gói tin.
Tại Slave có chức năng nhận gói tin iều khiển thiết bị từ Master, và cũng có thể tự iều khiển thông qua nút bấm vật lý Có thể theo dõi các thông số môi trường mức khí gas hoặc chất lượng không khi tại riêng mỗi Slave và theo dõi năng lượng tiêu thụ iện năng thông qua LCD, sau ấy Slave sẽ gửi gói tin chứa các thông số cảm biến và trạng thái thiết bị của Slave tới cho Master.
Master và Slave có khả năng cảnh báo khi các mức ộ như mức khí gas, chất lượng không khí, ộ ẩm ất không ạt mức cho phép qua các buzzer.
Thứ hai là người dùng có thể quan sát và kiểm soát trên web nhờ vào kết nối Wifi ể giúp người dùng ược quản lý một cách ầy ủ, trực quan hơn với khả năng iều khiển các thiết bị và theo dõi các thông số môi trường của Master và Slaves từ xa cách thuận tiện hơn Người dùng cũng có thể theo dõi tiền iện theo mức năng lượng tiêu thụ iện tại các khu vực của slave ể tính tổng tiền iện trên web.
Giới hạn ề tài
ề tài còn nhiều hạn chế về thời gian và các kiến thức chuyên ngành nên mô hình hệ thống vẫn còn nhiều giới hạn như:
• Cần xem xét lại và phát triển, xây dựng một mô hình với mức chi phí thấp hơn, cần tăng thêm sự an toàn cho chủ nhà với các thiết bị camera hay, cảm biến chống trộm.
• Mô hình hệ thống còn khá sơ sài, không có tính thẩm mỹ cao, hoạt ộng iều khiển thiết bị chưa ược trơn tru, hoàn hảo
Phương pháp nghiên cứu
Mô hình tập trung vào việc giao tiếp bằng chuẩn truyền thông LoRa ể iều khiển và giám sát: đồ án
• Nghiên cứu chuẩn truyền thông LoRa và kết nối, giao tiếp giữa slave và master.
• Nghiên cứu về các module, thiết bị phù hợp cho mô hình hệ thống.
• Nghiên cứu, tìm hiểu về Firebase cho việc làm chỗ lưu trữ dữ liệu và kết nối với web ể quan sát và quản lý thiết bị tại các khu vực.
Bố cục ồ án
Chương 1: TỔNG QUAN Chương ầu tiên mô tả toàn cảnh về hệ thống nhà thông minh trong thời ại công nghệ phát triển ngày nay và việc sử dụng chuẩn truyền thông, áp dụng cho ngôi nhà rộng lớn với nhiều thiết bị với các thông số, giá trị cần ược giám sát.
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Là chương tiếp theo sẽ cung cấp tổng quan về các cơ sở lý thuyết có liên quan ược áp dụng trong ây Và các thông số, thông tin về các thiết bị phần cứng, module dùng cho việc thi công mô hình trong ề tài.
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ây là chương ưa ra các yêu cầu, ặc tính kỹ thuật của hệ thống Nêu ra các phần về thiết kế phần cứng, phần mềm, sơ ồ khối và cách thức hoạt ộng của hệ thống.
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ây là chương ưa ra kết quả của mô hình, tự ánh giá và ưa ra các nhận xét dựa trên kết quả ã kiểm thử ược từ mô hình hệ thống.
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương cuối sẽ úc kết lại quá trình nghiên cứu và thực hiện ề tài Từ ó ưa ra những kết luận, qua ó em tới thêm các chức năng nhằm phát triển cho hệ thống trong tương lai cách hoàn hảo hơn. đồ án
Tổng quan về hệ thống giám sát và iều khiển trong nhà thông minh
Hình 2.1: Hình ảnh minh họa hệ thống nhà thông minh (nguồn Internet) Ở hình 2.1 trên, thấy ược rằng nhà thông minh ược trang bị rất nhiều những công nghệ như : Wifi, Lora, các khả năng tự ộng hóa, nhiều cảm biến, giúp cho chủ nhà có ược rất nhiều tiện nghi và an toàn với khả năng kiểm soát và quản lý căn nhà cách thuận tiện hơn Với những ưu iểm như trên ã giúp cho nhà thông minh trở nên "trào lưu" trong thời kỳ phát triển ngày nay.
Các mô hình nhà thông minh hiện nay ang ược phát triển mạnh mẽ trong các khu vực ô thị, làm cho cuộc sống của chúng ta trở nên tiện lợi, an toàn, thoải mái và tiết kiệm năng lượng hơn Tuy nhiên trong hệ thống nhà thông minh thông thường, việc kết nối các thiết bị và cảm biến bị giới hạn hoặc thường phụ thuộc vào một mạng lưới có dây hoặc mạng Wi-Fi Vậy nên, việc sử dụng công nghệ LoRa giữa các node tạo ra một sự linh hoạt lớn hơn, cho phép mở rộng hệ thống một cách dễ dàng mà không cần phải lo lắng về vấn ề về ộ phủ sóng hoặc hạn chế về cơ sở hạ tầng. đồ án
Giới thiệu tổng quan về các giao thức truyền thông
Wifi
Hình 2.2: Hình ảnh minh họa Wifi
Wifi, là từ viết gọn của từ = Wireless Fidelity= còn ược gọi là mạng IEEE 802.11 là một hệ thống truy cập Internet không dây Hoạt ộng dựa trên sóng vô tuyến, có khả năng kết nối các thiết bị với mạng Internet trong một khoảng cách nhất ịnh.
Hình 2.2 cho thấy, ể sử dụng Wifi và kết nối internet thì cần trang bị một bộ thu phát Wifi (Router) Bộ thu là một thiết bị có khả năng thu sóng Wifi, chuyển ổi thành tín hiệu sóng vô tuyến và truyền i bằng một Ăng-ten Router có vai trò thu và phát sóng Wifi, chuyển ổi dữ liệu giữa thiết bị và mạng Internet.
Sóng Wifi ngày nay ược sử dụng rộng rãi, khác với sóng vô tuyến khác là sóng Wifi thu phát ở tần số từ 2.4 GHz ến 5 GHz Hiện nay có nhiều chuẩn Wifi khác nhau, mỗi chuẩn có ưu và nhược iểm riêng:
• Chuẩn 802.11: Là chuẩn mạng không dây ầu tiên ược IEEE ra mắt năm 1977. Chuẩn 802.11 chò cú tốc ộ tối a là 2Mbps với băng tầng 2.4GHz Nhưng sự ra ời của chuẩn 802.11 ã trờ thành tiền ề ể phát triển các chuẩn mạng sau này.
• Chuẩn 802.11b: Ra mắt vào 1999, có khả năng hỗ trợ tốc ộ phát ến 11 Megabit/s với băng tần 2.4 GHz Nhưng Chuẩn 802.11b có nhược iểm là dễ bị nhiễu từ các thiết bị iện tử khác. đồ án
• Chuẩn 802.11a: Ra mắt năm 1999, chuẩn 802.11a hoạt ộng với tốc ộ 54 megabit/s và tần số 5 GHz giúp tránh bị nhiễu từ các thiết bị khác Chuẩn 802.11a có nhược iểm là khả năng xuyên tường kém và giá thành cao.
• Chuẩn 802.11g: hoạt ộng với tốc ộ 54 megabit/s nhờ sử dụng mã OFDM với tần số 2.4 GHz.
• Chuẩn 802.11n: Ra mắt năm 2009 và hiện ang là chuẩn mạng ược sử dụng phổ biến Nhờ có ưu thế phạm vi lớn, tốc ộ cao và giá cả hợp lý, chuẩn hoạt ộng vào tốc ộ truyền 300 megabit/s và hoạt ộng ược với tần số 2.4 GHz và cả tần số 5 GHz.
• Chuẩn 802.11ac: Ra mắt năm 2013, hoạt ộng với tốc ộ 173 megabit/s với tần số
5 GHz Nhưng lại có giá thành cao và chưa ược phổ biến.
• Chuẩn 802.11ad: Ra mẳt năm 2014, Chuẩn 802.11ad có tốc ộ truyền 70 megabit/s với tần số 60GHz Tuy có tốc ộ cao nhưng khả năng xuyên tường kém
• Chuẩn 802.11ax: ra mắt vào năm 2019 còn có tên gọi khác là Wifi 6, là bản cập nhật mới của chuẩn mạng không dây, với tốc ộ nhanh hơn, hiệu suất ược cải thiện và dung lượng lớn.
Một số ưu iểm nổi bật của mạng wifi:
• Tiện lợi, ơn giản, gọn nhẹ không cần cáp truyền thống.
• Phạm vi kết nối rộng (còn tùy thuộc vào router).
• Dễ sửa ổi và nâng cấp.
• Thuận tiện dễ di chuyển.
• Phạm vi kết nối có giới hạn.
• Tốc ộ truy cập có thể giảm nếu có nhiều người truy cập.
Chuẩn kết nối 802.11n hiện ang là chuẩn ược sử dụng nhiều nhất tại Việt Nam hiện nay dựa vào các ưu iểm như tốc ộ truyền, phạm vi và giá cả hợp lý [1]. đồ án
Giao thức UART
UART (hình minh họa 2.3) từ viết tắt của từ Universal Asynchronous Receiver- Transmitter hay còn gọi là bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất ồng bộ, ây là giao thức truyền thông ại trà ược sử dụng nhất hiện nay Nó ược dùng nhiều ở tại thiết bị như máy tính, hệ thống nhúng,
Về nguyên tắc truyền dữ liệu, UART sẽ chuyển dữ liệu ã thu từ bus dữ liệu Dữ liệu ược chuyển từ bus dữ liệu ến UART truyền ở dạng song song Sau khi UART truyền nhận dữ liệu song song từ bus dữ liệu, nó sẽ thêm một bit start, một bit chẵn lẻ và một bit stop, ể tạo ra gói dữ liệu (data packet) Tiếp ến, gói dữ liệu ược truyền ra nối tiếp từng bit tại chân Tx UART nhận ọc gói dữ liệu từng bit tại chân Rx của nó UART nhận sau ó chuyển ổi dữ liệu trở lại dạng song song, loại bỏ bit start, bit chẵn lẻ và bit stop Sau cùng, UART nhận chuyển gói dữ liệu song song với bus dữ liệu ở ầu nhận.
Hình 2.3: Hình ảnh minh họa mô tả UART
Một số lợi thế và hạn chế của UART.
• Phương pháp truyền ơn giản, giá cả hợp lý.
• Cấu trúc gói dữ liệu có thể tùy biến.
• Có bit chẵn lẻ ể phát hiện lỗi. đồ án
• Tốc ộ chuyển cần ạt xấp xò 10%.
• Không thích hợp dùng trong các ứng dụng yêu cầu nhiều master và slave [2].
Giao thức SPI
SPI (hình minh họa 2.4) viết gọn của từ Serial Peripheral Interface hay giao tiếp ngoại vi nối tiếp là một giao thức truyền thông ở chế ộ full-duplex (song công toàn phần) iều này có nghĩa là quá trình truyền và nhận dữ liệu có thể diễn ra ồng thời trong cùng một thời iểm SPI là một loại giao thức kiểu Master 3 Slave, trong ấy có thể có một master nhưng có thể có nhiều slave.
Hình 2.4: Hình ảnh minh họa mô tả SPI
SPI còn ược biết ến là chuẩn kết nối bốn dây (four-wire) bằng cách sử dụng bốn ường tín hiệu (hay bốn dây) Những dây ó là:
• MOSI (Master out Slave in): là ngõ truyền tín hiệu từ thiết bị truyền master tới thiết bị nhận slave.
• MISO (Master in Slave out): là ngõ truyền tín hiệu từ thiết bị truyền slave tới thiết bị nhận master.
• SCK (Serial Clock): xung giữ nhịp.
• CS (Chip select): chọn chip. đồ án
Một vài áp dụng thực tế của SPI: trong các công cụ như: các bộ chuyển ổi số, một số loại cảm biến, các loại bộ nhớ, [3].
Giao thức I2C
I2C (hình minh họa 2.5) viết gọn của từ
