XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SMARTHOME

1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SMARTHOME PHẠM CHÍ MINH Trường THPT Quốc Tuấn, An Lão, Hải Phòng TÓM TẮT Công nghệ thông tin phát triển với tốc độ nhanh chóng trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn giới Việt Nam Việc tin học hoá ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ, đời sống, xã hội thực tế mang lại nhiều tiện ích cho người dùng Trong nhà nay, số lượng trang thiết bị điện, điện tử không ngừng gia tăng Tuy nhiên, khác kiến trúc, việc điều khiển thiết bị bất cập Việc điều khiển thiết bị cách thủ công với khoảng địa lý lớn chắn điều Với lý đó, nhà thông minh đời nhằm giải toán tương tác môi trường thiết bị gia đình cách linh hoạt, dễ dàng Bên cạnh đó, công nghệ Internet of Things (IoT) trở lên phổ biến, hàng tỷ thiết bị kết nối chung với internet Với ưu điểm em lựa chọn đề tài: “Ứng dụng Internet of Things xây dựng hệ thống nhà thông minh” làm đề tài nghiên cứu khoa học với hi vọng tạo hệ thống mô nhà thông minh gần sát với thực tiễn Mục tiêu đề tài nhằm xây dựng hệ thống mô mô hình nhà thông minh tích hợp phần cứng phần mềm mô cho phép chạy máy tính cá nhân hay thiết bị cầm tay Nội dung gồm chương Chương I - giới thiệu chung đề tài, công nghệ IoT việc ứng dụng IoT mô hình nhà thông minh; chương II trình bày mô hình kiến trúc phần cứng, phần mềm hệ thống; sở phần xây dựng triển khai hệ thống trình bày chương III; cuối kết luận hướng phát triển đề tài CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Nhà thông minh Nhà thông minh hiểu đơn giản nhà mà thiết bị gia dụng như: hệ thống chiếu sáng, sưởi ấm, máy lạnh, TV, máy tính, âm thanh, camera an ninh,… có khả tự động hóa giao tiếp với theo lịch trình định sẵn Chúng điều khiển đâu, từ nhà thông minh đến nơi giới thông qua điện thoại internet Trước đây, nhà thông minh hoàn toàn nằm trí tưởng tượng phim ảnh Từ đầu năm 1900, mẫu nhà thông minh - tức thiết bị điều khiển từ xa, bắt đầu nghiên cứu phát minh, tạo tiền đề cho đời chúng sau Sự manh nha phát triển thiết bị điện gia dụng năm 1915, để ý tưởng tự động hóa thiết bị nhà xuất vào năm 1930 đến tận năm 1984, thuật ngữ "Smarthome" xuất hiện! Cùng với phát triển đến chóng mặt công nghệ, nhà thông minh từ quan tâm nhận đầu tư nhiều Đến năm 2012, theo báo cáo ABI Research, Mỹ có 1,2 triệu nhà tự động hóa Dưới cách mà nhà thông minh giúp có sống tiện nghi thoải mái hơn: - Các cánh cửa tự động đóng mở chúng nhận diện bạn ông chủ nhà - Tự điều chỉnh độ sáng bóng đèn điện bạn đọc sách, xem ti-vi hay ngủ - Các thiết bị điện tử từ gia dụng đến giải trí nhà điều khiển dễ dàng thông qua giọng nói hay điện thoại bạn - Đưa cảnh báo vật dụng gây nguy hiểm cho trẻ em chúng có ý định sử dụng vật dụng - Tính an ninh tự báo động có người cố tình xâm nhập trái phép, tự động khóa trái cửa, báo cảnh sát,… trạng thái sẵn sàng Tuy nhiên, có thực tế người thường ưa thích remote chuyển kênh ti-vi dùng thiết bị thông minh để điều khiển ti-vi đơn giản tiện lợi mang lại Những công nghệ nhà thông minh gần ác mộng với không thành thạo máy tính Vì vậy, thách thức lớn với nhà thông minh cân phức tạp hệ thống tính tiện dụng, để người dùng cảm thấy thoải mái ngôi nhà Thêm vào đó, không loại trừ việc kẻ xấu tìm cách truy cập vào hệ thống mạng, vô hiệu hóa hệ thống cảnh báo hay tắt hệ thống chiếu sáng để dễ bề đột nhập vào nhà Chúng làm hỏng thiết bị cách bật/tắt liên tục thiết bị, chí gây chập cháy điện dẫn tới hỏa hoạn Và cuối cùng, người dùng lo lắng liệu hệ thống đầu tư tốn chưa dùng lỗi thời, chí phải vứt bỏ sau thời gian ngắn Nhà thông minh xu hướng công nghệ tất yếu giới, trở thành tiêu chuẩn nhà đại kỷ nguyên Internet of Things – kết nối vạn vật qua internet Bên cạnh đó, tiện nghi tiết kiệm lượng dần trở thành tiêu chuẩn cần thiết nhằm nâng cao chất lượng sống 1.2 Internet of Things “Internet of Things (IoT) kịch giới, mà đồ vật, người cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thông tin, liệu qua mạng mà không cần đến tương tác trực tiếp người với người, hay người với máy tính IoT phát triển từ hội tụ công nghệ không dây, công nghệ vi điện tử Internet.” (Wikipedia) Giả sử, để ghi nhận nhiệt độ phòng nhà xưởng, ghi nhận cách thủ công tay theo dõi trực tiếp nhiệt độ nhiệt kế vào hệ thống lưu trữ giấy hệ thống sở liệu máy tính Việc tốn thời gian hao tổn nhân lực Nếu máy tính giúp thu thập liệu cần thiết, kiểm soát theo dõi cách nhanh chóng kịp thời Việc làm giảm chi phí thời gian, nhân lực để làm công việc tương xứng Chúng ta kiểm soát lúc, nơi thông qua mạng Internet băng thông rộng Trong đề tài này, việc áp dụng IoT sử dụng thiết bị trung tâm kết nối với Internet, người dùng kiểm soát thiết bị (bật/tắt) theo dõi (ghi nhận) thông tin thông cần thiết thông qua thiết bị khác Ví dụ như: điện thoại, máy tính hay đồng hồ thông minh Tính chất Internet of Things - Thông minh: Sự thông minh tự động điều khiển thực chất phần ý tưởng IoT Các máy móc dễ dàng nhận biết phản hồi lại môi trường xung quanh, chúng tự điều khiển thân mà không cần đến kết nối mạng Tuy nhiên, thời gian gần người ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm lại với Tương lai IoT mạng lưới thực thể thông minh có khả tự tổ chức hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, môi trường, đồng thời chúng liên lạc với để trao đổi thông tin, liệu Việc tích hợp trí thông minh vào IoT giúp thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập phân tích dấu vết điện tử người tương tác với thứ thông minh, từ phát tri thức liên quan tới sống, môi trường, mối tương tác xã hội hành vi người - Phức tạp: Các thiết bị, máy móc IoT phản hồi dựa theo kiện diễn lúc chúng hoạt động theo thời gian thực Một số nhà nghiên cứu nói mạng lưới cảm biến thành phần đơn giản IoT Trong giới mở, IoT mang tính chất phức tạp bao gồm lượng lớn đường liên kết thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau, khả thêm vào thành phần - Khả định danh nhất: Điểm quan trọng IoT đối tượng phải nhận biết định dạng Nếu đội tượng, kể người, đánh dấu để phân biệt thân đối tượng với thứ xung quanh hoàn toàn quản lí thông qua máy tính Việc đánh dấu thực thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn RFID, NFC, mã vạch, mã QR, Việc kết nối thực qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, RF, hồng ngoại Ngoài kĩ thuật nói trên, nhìn từ giới web, sử dụng địa độc để xác định vật, chẳng hạn địa IP Mỗi thiết bị có IP riêng biệt không nhầm lẫn Sự xuất IPv6 với dải địa rộng lớn giúp thứ dễ dàng kết nối vào Internet kết nối với - Số lượng lớn: Một mạng lưới IoT chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng kết nối mạng lưới theo dõi di chuyển đối tượng Một người sống thành thị bị bao bọc xung quanh 1000 đến 5000 đối tượng có khả theo dõi.” Ứng dụng IoT có khả ứng dụng vô rộng rãi, kể đến số ứng dụng điển sau: - Quản lý nhiệt độ - Đèn thông minh - Quản lý lượng - Quản lí môi trường - Xe tự hành - Các thiết bị theo dõi sức khỏe cá nhân - Đồng hồ đo thông minh - Tự động hóa nhà 1.3 Ứng dụng Internet of Things vào quản lý nhiệt độ khu công nghiệp Dạng đơn hệ thống theo dõi nhiệt độ khu công nghiệp tạo nên thành phần sau: - Bộ vi điều khiển - Các hệ thống cảm biến - Các thiết bị điều khiển Ngoài với hệ thống phức tạp hơn, có thành phần: - Bộ định tuyến - Thiết bị điều khiển Nguyên lý hoạt động Hình Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động hệ thống theo dõi nhiệt động đề tài: - Các cảm biến thu nhận nhiệt độ từ môi trường bên ngoài, sau gửi tín hiệu vi điều khiển trung tâm - Bộ xử lý trung tâm nhận liệu từ hệ thống cảm biến, tùy theo yêu cầu điều kiện đặt mà điều khiển thiết bị theo mục đích cụ thể - Trong chế độ điều khiển tay, xử lý trung tâm tiếp nhận điều khiển trực tiếp người dùng thông qua trình duyệt Web ứng dụng điện thoại Android, máy tính Windows Các chuẩn kết nối giao thức có liên quan  Chuẩn Fast Ethernet 100Base-T “100 Base-T phương pháp điều chế tín hiệu để có tốc độ 100 Mbps sử dụng cáp Twisted Pair Phương pháp có liên quan đến công nghệ Fast Ethernet Ethernet tập quy tắc cho phép kết nối mạng LAN Trước đây, kết nối mạng LAN, người ta đạt băng thông 10 Mbps (10 Base-T, 10 Base-5 ) Đến năm 1995, IEEE phát triển chuẩn thành 100 Mbps gọi Fast Ethernet Cùng loại phương tiện truyền dẫn (media), UTP STP, nhiên áp dụng phương pháp khác cho tốc độ khác nhau.” (Wikipedia) Hình Cáp Cat5E (Nguồn: nex-cable.com)  Sóng vô tuyến “Sóng vô tuyến kiểu xạ điện từ với bước sóng phổ điện từ dài ánh sáng hồng ngoại Sóng vô tuyến có tần số từ kHz tới 300 GHz, tương ứng bước sóng từ 100 km tới mm Giống sóng điện từ khác, chúng truyền với vận tốc ánh sáng Sóng vô tuyến xuất tự nhiên sét, đối tượng thiên văn Sóng vô tuyến người tạo nên dùng cho radar, phát thanh, liên lạc vô tuyến di động cố định hệ thống dẫn đường khác Thông tin vệ tinh, mạng máy tính vô số ứng dụng khác Các tần số khác sóng vô tuyến có đặc tính truyền lan khác khí Trái Đất; sóng dài truyền theo đường cong Trái Đất, sóng ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly nên truyền xa, bước sóng ngắn bị phản xạ yếu truyền đường thẳng Sóng vô tuyến lần đầu dự báo tác phẩm toán học xuất năm 1867 James Clerk Maxwell viết Maxwell nhận thấy tính chất giống sóng ánh sáng tương đồng quan sát từ trường điện trường Sau ông đề xuất phương trình mô tả sóng ánh sáng sóng vô tuyến sóng điện từ truyền không gian Năm 1887, Heinrich Hertz chứng minh tính xác sóng điện từ Maxwell cách thử nghiệm tạo sóng vô tuyến phòng thí nghiệm Ngay sau nhiều phát minh khám phá, từ sóng vô tuyến sử dụng để truyền thông tin qua không trung.” (Wikipedia)  Giao thức HTTP Giao thức sử dụng để truyền nội dung trang Web từ Web Server đến trình duyệt Web Client Là giao thức Client/Server dùng cho Internet World Wide Web, HTTP thuộc tầng ứng dụng giao thức TCP/IP (Các giao thức tảng cho Internet) Cơ chế hoạt động HTTP RequestResponse: Web Client gửi Request đến Web Server, Web Server xử lý trả Response cho Web Client Hình Nguyên lý hoạt động giao thức HTTP Phiên hoàn chỉnh HTTP HTTP 0.9 (Ra đời năm 1991), Tiếp theo HTTP 1.0 (Giới thiệu thức năm 1996), HTTP 1.1 (1997) HTTP 2.0 Các phiên sau đời nhằm thay phiên trước, kế thừa chức cốt lõi phiên trước có nhiều cải tiến bổ sung Hiện HTTP 2.0 chưa dùng phổ biến doanh nghiệp Web phần ngại chuyển đổi Do vậy, HTTP 1.1 giao thức HTTP phổ biến HTTP 1.0 sử dụng nhiều hệ thống Proxy số ứng dụng cũ 10 Các phần mềm sử dụng - Phần mềm lập trình phần mềm hệ thống: Visual Studio 2013 - Phần mềm thiết kế Website: Notepad++ - Phần mềm lập trình mạch phát triển Arduino: Arduino IDE 25 Hình 14 Module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 (Nguồn armazemdaeletronica.com) Các thành phần cảm biến hiệu chỉnh phòng thí nghiệm với độ xác cao Với việc sử dụng sử dụng chân cắm chung, việc kết nối thiết lập dễ dàng Cùng với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ điện thấp, chiều dài dây dẫn tín hiệu tối đa lên tới 20m hoàn toàn phù hợp với yêu cầu hệ thống Thông số kĩ thuật: - Độ ẩm hoạt động: 20-90% - Nhiệt độ hoạt động: 0-50 độ C - Sai số độ ẩm: ±5% - Sai số nhiệt độ: ±2 độ C 26 Thông số chi tiết: Kết nối Hình 15 Sơ đồ ghép nối DHT11 vi điều khiển Khi kết nối với dây dẫn với độ dài nhỏ 20m, điện trở treo 5K Ω khuyến nghị lắp Với khoảng cách lớn 20m, tùy chọn điện trở cho phù hợp 27 Quá trình truyền: Serial Interface Một đường bus liệu sử dụng để truyền liệu đồng DHT11 vi điều khiển Một trình truyền liệu kéo dài khoảng 4ms Dữ liệu bao gồm số thập phân thành phần khác Một đoạn liệu hoàn chỉnh có độ dài 40 bit Định dạng liệu: - bit liệu tách rời độ ẩm - bit liệu thập phân độ ẩm - bit liệu tách rời nhiệt độ - bit liệu thập phân nhiệt độ - bit kiểm tra lỗi Nếu truyền thành công, bit kiểm tra lỗi giống với bit cuối 32 bit liệu Quá trình truyền liệu Khi vi điều khiển gửi tín hiệu bắt đầu, DHT11 đổi chế độ hoạt động từ mức tiêu thụ lượng thấp sang chế độ chạy chờ cho vi điều khiển hoàn thành tín hệu bắt đầu Khi hoàn thành, DHT11 gửi yêu cầu tín hiệu 40 bit liệu, có liệu độ ẩm nhiệt độ tới vi điều khiển Người dùng lưa chọn đọc liệu mong muốn Ngoài tín hiệu bắt đầu vi điều khiển, DHT11 không không gửi tín hiệu phản hồi vi điều khiển Khi trình gửi liệu tới vi điều khiển hoàn tất, DHT11 chuyển chế dộ tiêu thụ điện thấp cho lại nhận tín hiệu vi điều khiển 28 Hình 16 Quá trình truyền liệu tổng quan Vi điều khiển gửi tín hiệu bắt đầu tới DHT11 Dữ liệu bus giải phóng mức điện cao Khi trình truyền tin vi điều khiển DHT11 bắt đầu, chương trình vi điều khiển thiết lập điện bus liệu từ mức cao xuống mức thấp trình vào khoảng 18ms để đảm bảo DHT11 nhận diện tín hiệu từ vi điều khiển, sau vi điều khiển đẩy điện lên chờ 20-40us để DHT11 phản hồi Hình 17 Vi điều khiển gửi tín hiệu tới DHT11 DHT11 phải hồi tới vi điều khiển Khi DHT11 nhận tín hiệu bắt đầu, gửi mức điện thấp kéo dài 80us để phản hồi lại Sau chương trình DHT thiết lập mức điện bus liệu từ thấp tới cao 80us để DHT chuẩn bị gửi liệu 29 Khi bus liệu mức điện thấp, điều có nghĩa DHT gửi tín hiệu phản hồi Khi gửi xong, đẩy mức điện lên cao giữ 80ms chuẩn bị gửi liệu Khi DHT11 chuyển liệu tới vi điều khiển, bit liệu bắt đầu với 50us điện mức thấp độ dài tín hiệu mức cao tuân theo liệu Hình 18 Dữ liệu mức Hình 19 Dữ liệu mức 30 Nếu tín hiệu phải hồi DHT11 mức điện cao, cho thấy DHT11 không phản hồi đúng, lúc cần kiểm tra lại kết nối Khi bit liệu cuối truyền, DHT11 đẩy mức điện xuốn 50us Điện bus đẩy lên trở để lập lại trạng thái rỗi 3.1.4 Cảm biến ánh sáng Cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở có khả thay đổi điện trở theo cường độ ánh sáng chiếu vào Tín hiệu xuất cảm biến HIGH (5V) LOW (0V) Hình 20 Cảm biến ánh sáng (Nguồn dientu360.com) Ưu điểm: - Giá thành rẻ - Cảm biến sử dụng quang trở để thay đổi giá trị đầu - Điện áp sử dụng 5V, tương thích với Arduino 3.1.5 Cảm biến mưa Mạch cảm biến mưa có nguyên lý hoạt động tương tự mạch cảm biến ánh sáng Tuy nhiên, mạch cảm biến mưa thay quang trở panel gồm đường mạch in, có nước tiếp xúc, điện trở panel giảm từ gửi tín hiệu Analog Digital (0,1) vi điều khiển 31 Hình 21 Module cảm biến mưa (Nguồn machtudong.vn) 3.1.6 Module thu – phát RF 315MHz Module thu phát RF 315MHz có thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, hiệu suất cao cho ứng dụng ASK/OOK receiver, cấu hình cao với tần số 315MHz, với độ nhạy độ ổn định cao Hình 22 Đặc điểm kĩ thuật phát: - Điện áp làm việc :3-12V - Dòng chế độ chờ: 0mA - Dòng làm việc :20-28mA Module phát RF 315MHz 32 - Khoảng cách phát:> 500m (khu vực mở) - Công suất ra: 16dBm (40mW) - Tốc độ phát: