XÂY DỰNG HỆ THÔNG BÁO ĐỘNG THÔNG MINH CHO NGÔI NHÀ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THÔNG BÁO ĐỘNG THÔNG MINH CHO NGÔI NHÀ Giảng viên hướng dẫn : TS ĐỖ VĂN TUẤN Sinh viên thực : NGUYỄN VĂN HIẾU Lớp : Đ6-ĐTVT1 Khoá : 2011-2016 Hà Nội – tháng năm 2016 GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Đỗ Văn Tuấn người trực tiếp hướng dẫn, định hướng giúp đỡ em nhiều suốt trình thực đồ án tốt nghiệp “Xây dựng hệ thống báo động thông minh cho nhà” Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô khoa Điện Tử Viễn Thông trường đại học Điện Lực tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập trường thời gian em thực đồ án tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn tới anh Vũ Văn Quyết, Nguyễn Bá Quỳnh, số anh chị khác giúp đỡ em trình học tập làm đồ án Cuối em xin gửi lời cảm chân thành đến người thân bạn bè động viên, giúp đỡ em suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 05 tháng năm 2016 Sinh viên: Nguyễn Văn Hiếu GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………… GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………… GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG : GIỚI THIỆU .1 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Sự cần thiết đồ án: .1 CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC TỔNG QUAN .2 2.1 Giới thiệu vi điều khiển Atmega .2 2.1.1 Các thông số 2.2 Giới thiệu WiFi 2.2.1 Giới thiệu chung 2.2.2 Các chuẩn WiFi hành 2.2.3 Các chế độ bảo mật WIFI 2.2.4 Ứng dụng 10 CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN VÀ MODULE SỬ DỤNG 11 3.1 Modul WiFi ESP 8266 11 3.2 Một số linh kiện sử dụng khác 14 Hình 4: Cảm biến pir 16 CHƯƠNG : THIẾT KẾ MẠCH 24 4.1 Sơ đồ khối .24 .25 4.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch .27 CHƯƠNG : THI CÔNG MẠCH 30 5.1 Vẽ mạch in 30 Kết Luận 31 Phụ Lục .31 Tài Liệu Tham Khảo 37 GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU DANH MỤC HÌNH Hình 1: Sơ đồ khối chip Atmega Hình 2: Sơ đồ chân Atmega Hình 3: Module wiffi ESP8266P .12 Hình 4: Cảm biến pir 16 Hình 5: Cảm biến rung .16 Hình 6: Transmit laser 18 Hình 7: Received laser 18 Hình 8: Cơng tắc từ 19 Hình 9: Relay 19 Hình 10: Cấu tạo nguyên lý hoạt động relay 20 Hình 11 : Kí hiệu điện trở sơ đồ nguyên lý 20 Hình 12: Điện trở thực tế 20 Hình 13: Tụ điện .21 Hình 14: đi-ốt chỉnh lưu 22 Hình 15: Thạch anh 22 Hình 16: Khối nguồn 5V 24 Hình 17: Khối nguồn 3.3V .25 Hình 18: khối xử lý trung tâm 25 Hình 19: Khối điều khiển thiết bị đầu 26 Hình 20: Khối cảm biến 26 Hình 21: Khối tạo dao động reset 27 Hình 22 : Sơ đồ nguyên lý 28 Hình 23: Sơ đồ mạch in 30 MỞ ĐẦU Hiện nhà thông minh (SmartHome) xu hướng công nghệ tất yếu giới, trở thành tiêu chuẩn nhà đại giới dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things (IoT), kết nối vật qua Internet Sự tiện nghi GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU tiết kiệm lượng dần trở thành tiêu chuẩn, việc sử dụng thiết bị thông minh smartphone, tablet để kết nối, điều khiển vật dụng trở nên thịnh hành Theo dự đốn Gartner, Hãng tư vấn cơng nghệ hàng đầu giới "Đến 2015 có khoảng 4,9 tỷ thiết bị sử dụng công nghệ Internet of Things, tăng 30% so với năm 2014 đạt 25 tỷ thiết bị vào năm 2020 Hiện có nhiều loại thiết bị thơng minh sản xuất có bán thị trường Điển hình Việt Nam có cơng ty BKAV phát triển hệ thống “Bkav SmartHome” sản phẩm SmartHome họ triển khai hàng nghìn cơng trình khắp Việt Nam Tuy nhiên hệ thống họ cung cấp có chi phí cao so với điều kiện kinh tế phần lớn gia đình Việt Nam khơng phải có điều kiện để sỡ hữu sản phẩm họ Do với ý tưởng xây dựng hệ thống báo động thông minh cho nhà với chi phi thấp tính khả dụng cao em thực đồ án tốt nghiệp Nội dung đồ án gồm chương trình bày lí thực đồ án, kiến thức tảng kiến thức kỹ thuật có q trình thực đồ án - Chương 1: Giới thiệu Chương giới thiệu đồ án nhằm để người đọc hiểu lý chọn đồ án, tầm quan trọng kiến thức thông qua làm đồ án - Chương 2: Kiến thức tổng quan Chương bao gồm kiến thức tảng, chủ yếu trình bày kiến thức tổng quan giới thiệu VĐK Atmega 328p công nghệ wifi giúp cho người đọc nắm kiến thức trước xây dựng mạch - Chương 3: Giới thiệu linh kiện mô-đun sử dụng Chương giới thiệu số kiến thức linh kiện mô-đun sử dụng mạch điện giúp người đọc hiểu biết linh kiện mơ-đun để sử dụng chúng trình xây dựng mạch điện - Chương 4: Thiết kế mạch Chương trình bày ý tưởng thiết kế, thiết kế mạch nguyên lý nêu nguyên lý hoạt động mạch điện giúp người đọc nắm thiết kế hoạt động mạch GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU - Chương 5: Thi cơng mạch Chương trình bày ngắn gọn q trình thi cơng mạch điện theo thiết kế mạch in giúp người đọc nắm trình thi công mạch điện demo sản phẩm sau hoàn thành GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU CHƯƠNG : GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Sự cần thiết đồ án: Việc xây dựng hệ thống báo động thông minh cho nhà điều khiển thiết bị điện, thiết bị bảo vệ hệ thống qua wifi có tính thực tiễn cao mang lại nhiều lợi ích như: • Tiết kiệm điện sử dụng thiết bị điều khiển công nghệ cao, tiết kiệm điện điện thoại, laptop, • Được bảo vệ nhờ có hệ thống cảm biến báo động giúp cho ngơi nhà trở nên an tồn hơn, người dùng kiểm sốt tình trạng ngơi nhà • Tính tiện lợi việc điều khiển thiết bị hệ thống thiết bị cầm tay giúp cho người dùng điều khiển thiết bị từ vị trí ngơi nhà với thao tác đơn giản thiết bị điều khiển • Phạm vi hoạt động hệ thống rộng sử dụng công nghệ wifi với tầm phủ sóng điều kiện nhà có bán kính lớn khoảng 100m Với khoảng cách điều khiển thiết bị từ vị trí nhà Và nhiều thiết bị đồng thời đăng nhập vào mạng wifi để điều khiển thiết bị nhà mà không bị giới hạn số người truy cập • Chi phí thấp sử dụng thiết bị phổ biến có sẵn thị trường đặc biệt với bùng nổ Smartphone việc sỡ hữu smartphone khơng q khó với người có thu nhập khơng cao • Tính bảo mật cao sử dụng wifi để kích hoạt,với chế độ bảo mật wifi việc người khác xâm nhập vào hệ thống khó GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu vi điều khiển Atmega 2.1.1 Các thông số Chip ATmega8 thành viên dịng vi xử lý 8-bit megaAVR Atmel có đặc tính sau: - Tốc độ tối đa: 16MHz - Dung lượng nhớ chương trình: KB - Bộ nhớ EEPROM: 512 Byte - Dung lượng nhớ RAM: KB Bộ nhớ chương trình có khả ghi 10000 lần, nhớ EEPROM ghi 100000 lần Hỗ trợ bootloader, có khả tự ghi vào nhớ chương trình, cập nhật chương trình cho chip mà khơng cần mạch nạp Nhờ có tính mà ta lập trình cho ngơn ngữ dành cho Arduino - Timer bit: - Timer 16 bit: - ADC: kênh, 10 bit - Giao tiếp: TWI (I2C), UART, SPI Điện áp hoạt động: GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 24 CHƯƠNG : THIẾT KẾ MẠCH 4.1 Sơ đồ khối Chức khối A Khối nguồn Khối nguồn tạo dòng điện điện áp ổn định cung cấp nguồn ni cho tồn mạch Có thể mua mạch nguồn 5VDC thị trường sử dụng nguồn chiều từ 5-12 V qua mạch ổn áp sử dụng IC ổn áp 7805 để tạo nguồn 5V qua LM1117 để tạo nguồn 3.3V ổn định cung cấp cho mạch Hình 16: Khối nguồn 5V GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 25 Hình 17: Khối nguồn 3.3V B Khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm mạch điều khiển gồm vi điều khiển ATmega8 số linh kiện khác thạch anh16MHz để tạo dao động cho vi điều khiển hoạt động tần số 16MHz Khối xử lý trung tâm có chức nhận lệnh điều khiển người điều khiển từ khối nút bấm từ mô-đun wifi, xử lý lệnh xuất tín hiệu điều khiển tới khối điều khiển thiết bị đầu gửi phản hồi tới người điều khiển thông qua mô-đun wifi (nếu nhận lệnh điều khiển từ mơ-đun wifi) Hình 18: khối xử lý trung tâm C Khối điều khiển thiết bị đầu Khối điều khiển thiết bị đầu có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm để điều khiển thiết bị điện xoay chiều thông qua việc chuyển đổi trạng thái rơ-le Khi tín hiệu điều khiển xuất từ chân vi điều khiển ATmega8 tới chân B transistor C1815, tín hiệu điện áp mức cao C1815 đóng điện áp chân C bị kéo xuống 0V Khi cuộn dây rơ-le hút kim loại từ vị trí NO (Normal Open) sang vị trí NC GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 26 (Normal Close) làm cho thiết bị điều khiển bật/tắt Còi chíp kích hoạt báo động sensor detect Hình 19: Khối điều khiển thiết bị đầu D.Khối cảm biến Khi khối cảm biến chống trộm kích hoạt gửi tín hiệu điều khiển đến khối xử lý trung tâm để phát báo động cịi chíp đồng thời bật hệ thống đèn chiếu sáng lên Hình 20: Khối cảm biến E Khối tạo dao động reset GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 27 Khối tạo dao động có chức để tạo dao động cho vi điều khiển hoạt động tần số 16 Mhz Khối reset người dùng tắt báo động nút cơng tắc có báo động giả hoặ reset lại hệ thống lúc Hình 21: Khối tạo dao động reset 4.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch a Sơ đồ nguyên lý GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 28 Hình 22 : Sơ đồ nguyên lý GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 29 b Nguyên lý hoạt động mạch Trước tiên phải cấp nguồn cho mạch, thông qua mạch nguồn chuyển nguồn điện thành nguồn chiều 5V cung cấp cho toàn mạch hoạt động Tuy nhiên, để điều khiển thiết bị điện thoại trước tiên phải cấp nguồn 3.3 V cho mô-đun wifi hoạt động điện thoại phải truy cập vào mạng wifi mà mô-đun wifi phát điện thoại phải cài đặt phần mềm có hỗ trợ giao thức TCP/IP (ví dụ phần mềm arduino wifi control chạy tảng hệ điều hành android phần mềm Hercules Window) Khởi động phần mềm lên kết nối tới địa IP mặc định mô-đun 192.168.0.100/ port 80.Sau mạch khởi động hoàn toàn, để điều khiển chế độ hoạt động hệ thống cảm biến báo động bật thiết bị (bóng đèn, quạt, TV,…) ta nhập lệnh điều khiển vào cửa sổ nhập văn phần mềm wifi control Lệnh điều khiển gửi tới mô-đun wifi thông qua môi trường vô tuyến Mô-đun wifi nhận lệnh điều khiển xuất liệu chân TX kết nối với chân RX MCU (vi điều khiển ATmega8), MCU nhận liệu điều khiển xử lý lệnh Nếu câu lệnh điều khiển thực thi đọc tín hiệu cảm biến phát vi điều khiển xuất tín hiệu làm còi báo động điện áp cao chân OUT làm đảo trạng thái rơ-le rơ-le giống cơng tắc đóng mạch điện cung cấp nguồn xoay chiều để bật thiết bị lên Sau thiết bị bật, MCU kiểm tra trạng thái chân OUT Nếu trạng thái chân OUT mức áp cao gửi phản hồi (ví dụ: Thiết bị bật) tới mô-đun wifi cách xuất liệu chân TX nối với chân RX mô-đun wifi Mô-đun wifi nhận phản hồi từ MCU gửi chuỗi ký tự tới thiết bị người điều khiển lên hình giao diện phần mềm wifi control Tương tự, để tắt chế độ bảo vệ tắt thiết bị, ta cần làm tương tự trên, MCU đảo trạng thái rơ-le từ trạng thái đóng thành mở để tắt thiết bị Trường hợp xảy báo động giả ta ta reset lại hệ thống công tắc bấm, qua lệnh smartphone GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 30 CHƯƠNG : THI CÔNG MẠCH 5.1 Vẽ mạch in Sau thiết kế xong mạch sơ đồ nguyên lý, công việc vẽ mạch in.Sử dụng phần mềm thiết kế mạch Altium để vẽ mạch in, kết thu hình sau Hình 23: Sơ đồ mạch in 5.2 Thực mạch Trước tiên để thực mạch việc chuẩn bị dụng cụ cần thiết (mỏ hàn, đồng hồ vạn năng,…) tiến hành đặt mạch in tìm mua linh kiện phù hợp Sau thực tiếp cơng việc sau: • Kiểm tra linh kiện đồng hồ vạn • Tiến hành hàn linh kiện vào bo mạch in • Sau hồn thiện mạch kiểm tra đường mạch mối hàn GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 31 • Nạp chương trình vào chip ATmega8 • Kiểm tra hoạt động mạch khắc phục lỗi (nếu có) 5.3 Sản phẩm sau hồn thành Kết Luận Phụ Lục /************************************/ * Definations /************************************/ #define speakerPin 13 // Arduino pin I/O number #define inputPir #define congtac #define receiver #define transmitter #define vibration #define relay /*************************************/ * Prototypes /**************************************/ void CamBienChuyenDong(); void CamBienLaze(); void CamBienRung(); void CongTacTu(); /**************************************/ * Variables /**************************************/ String inputString = ""; // a string to hold incoming data boolean stringComplete = false; // whether the string is complete unsigned char pirState = LOW; // we start, assuming no motion detected GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 32 int val = 0; // variable for reading the pin status volatile int g_enable = 0; /******************************************/ * Code /*********************************************/ void setup() { Serial.begin(9600); digitalWrite(vibration, LOW); digitalWrite(congtac, LOW); digitalWrite(receiver, LOW); // initialized begin value pinMode(receiver, !INPUT); pinMode(vibration, !INPUT); pinMode(transmitter, !OUTPUT); pinMode(congtac, !INPUT); pinMode(speakerPin, !OUTPUT); pinMode(inputPir, !INPUT); pinMode(relay, !OUTPUT); } void loop() { serialEvent(); //call the function // print the string when a newline arrives: if (stringComplete) { Serial.println(inputString); // clear the string: inputString = ""; stringComplete = false; } /* Goi cac ham chuc nang */ GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 33 CamBienRung(); CamBienChuyenDong(); CamBienLaze(); CongTacTu(); } /****************************************/ * This functions process the char receive via UART /***************************************/ void serialEvent() { while (Serial.available()) { // get the new byte: char inChar = (char)Serial.read(); // add it to the inputString: inputString += inChar; // if the incoming character is a newline, set a flag // so the main loop can something about it: if (inChar == '1') { pinMode(receiver, INPUT); pinMode(vibration, INPUT); pinMode(transmitter, OUTPUT); pinMode(congtac, INPUT); pinMode(speakerPin, OUTPUT); pinMode(inputPir, INPUT); // declare speaker as output // declare sensor as input pinMode(relay, OUTPUT); Serial.println("Khoi tao cac chan cong!"); } if(inChar == '2') { pinMode(receiver, !INPUT); GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 34 pinMode(vibration, !INPUT); pinMode(transmitter, !OUTPUT); pinMode(congtac, !INPUT); pinMode(speakerPin, !OUTPUT); pinMode(inputPir, !INPUT); // declare speaker as output // declare sensor as input pinMode(relay, !OUTPUT); Serial.println("Huy khoi tao cac chan cong!"); } } } void CamBienChuyenDong() { val = digitalRead(inputPir); // read input value if (val == HIGH) { // check if the input is HIGH digitalWrite(speakerPin, HIGH); // turn speaker ON playTone(300, 160); delay(150); if (pirState == LOW) { Serial.println("Motion detected!"); pirState = HIGH; } } else { digitalWrite(speakerPin, LOW); // turn speaker OFF playTone(0, 0); delay(300); if (pirState == HIGH) { GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 35 // we have just turned off Serial.println("Motion ended!"); pirState = LOW; } } } void playTone(long duration, int freq) { duration *= 1000; int period = (1.0 / freq) * 3000; long elapsed_time = 0; while (elapsed_time < duration) { digitalWrite(relay, HIGH); delayMicroseconds(period / 2); digitalWrite(relay, LOW); delayMicroseconds(period / 2); elapsed_time += (period); } } void CamBienRung() { if(digitalRead(vibration) == HIGH) //Read sensor value { Serial.println("Da phat hien co dot nhap"); digitalWrite(speakerPin, HIGH); // Turn on speaker delay(2000); digitalWrite(speakerPin, LOW); digitalWrite(relay, HIGH); delay(300); } else GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 36 { digitalWrite(speakerPin, LOW); // Turn off speaker digitalWrite(relay, LOW); } } void CamBienLaze() { digitalWrite(transmitter, HIGH); if(digitalRead(receiver)==HIGH) //Read sensor value { digitalWrite(speakerPin, HIGH); // Turn on speaker when the sensor is tilted delay(300); digitalWrite(relay, HIGH); delay(300); } else { digitalWrite(speakerPin, LOW); // Turn off speaker when the sensor is not triggered digitalWrite(relay, LOW); } } void CongTacTu() { if(digitalRead(congtac)==HIGH) //Read sensor value { digitalWrite(speakerPin, HIGH); // Turn on speaker when the sensor is tilted delay(300); digitalWrite(relay, HIGH); delay(300); } else { GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 37 digitalWrite(speakerPin, LOW); // Turn off speaker when the sensor is not triggered digitalWrite(relay, LOW); } } Tài Liệu Tham Khảo [1] Datasheet ModuleWifi ESP8266 [2] Datasheet ATmega8 [3] Một số trang web sau: http://androidcontrol.blogspot.com/ http://www.dientuvietnam.net/forums/ GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU 38 http://voer.edu.vn/ https://vi.wikipedia.org/ https://www.google.com/ https://www.arduino.cc/ GVHD : TS ĐỖ VĂN TUẤN SVTH : NGUYỄN VĂN HIẾU ... nhiều suốt trình thực đồ án tốt nghiệp ? ?Xây dựng hệ thống báo động thông minh cho nhà? ?? Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô khoa Điện Tử Viễn Thông trường đại học Điện Lực tạo điều... GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Sự cần thiết đồ án: Việc xây dựng hệ thống báo động thông minh cho nhà điều khiển thiết bị điện, thiết bị bảo vệ hệ thống qua wifi có tính thực tiễn cao mang lại nhiều... đình Việt Nam khơng phải có điều kiện để sỡ hữu sản phẩm họ Do với ý tưởng xây dựng hệ thống báo động thông minh cho nhà với chi phi thấp tính khả dụng cao em thực đồ án tốt nghiệp Nội dung đồ