Xây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng cao

Xây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng caoXây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng caoXây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng caoXây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng caoXây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng cao

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

-o0o -Tên giải phápXÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM NHÀ THÔNG MINH ỨNG DỤNG TRONG MÔN HỌC THỰC HÀNH VI ĐIỀU KHIỂN NÂNG

CAO

TÓM TẮT

Đề tài “Xây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn

học thực hành vi điều khiển nâng cao” được nghiên cứu nhằm mục đích hỗ trợ môn

học “Vi điều khiển nâng cao” giúp sinh viên có thể tự học, nghiên cứu và điều khiển

được các thiết bị cảm biến, các module điều khiển trên mô hình thí nghiệm để biến

mô hình nhà kit thí nghiệm thành một mô hình nhà thông minh như thực tế, sinhviên có thể ứng dụng và mang những thiết bị đó vào đời sống của chính mình, xãhội… từ những gì đã học trên mô hình kit thí nghiệm Trọng tâm đề tài là thiết kế

mô hình kit thí nghiệm gồm phần khung mô hình nhà, các board kit thí nghiệm Môhình được điều khiển bởi các thiết bị tự động từ các cảm biến PIR, Gas, Mưa, Nhiệt

độ, Độ ẩm… các module chính SIM900, Ethernet, RFID Các module thí nghiệmđược điều khiển độc lập từ cho mỗi phòng và được giao tiếp với nhau qua chuẩngiao tiếp UART về với board chủ Mô hình kit thí nghiệm được thiết kế bắt mắt vớinhiều module, cảm biến đa dạng gần giống với các thiết bị công nghệ thật trong nhàthông minh thực tế và thực hành được 4 sinh viên trên kit thí nghiệm một lúc

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Mục đích của đề tài 5

1.2 Giới thiệu tổng quan kit thí nghiệm nhà thông minh 6

1.3 Những giải pháp khoa học đã được thực hiện trong và ngoài nước 7

1.3.1 Mô hình nhà thông minh của Đại học Hertfordshire 7

1.3.2 Mô hình nhà thông minh Đại học Bách Khoa TP.HCM 8

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH KIT THÍ NGHIỆM THỰC TẾ 10

2.1 Nghiên cứu thiết kế mô hình 10

2.2 Thi công mô hình và thực tế 11

Chương 3 MODULE ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUYÊN LÝ KẾT NỐI 12

3.1 Giới thiệu board mạch, module và cảm biến 12

3.1.1 Arduino Mega 2560 12

3.1.2 Module SIM900 shield 13

3.1.3 Module RFID 14

3.1.4 Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR 15

3.1.5 Mạch thời gian thực RTC DS1307 16

3.1.6 Cảm biến DHT11 17

3.1.7 Cảm biến mưa 18

3.1.8 Cảm biến Gas MQ-2 19

3.2 Thiết kế mạch và thực nghiệm 19

3.2.1 Khối điều khiển trung tâm 19

3.2.2 Khối shield SIM900 20

3.2.3 Khối nguồn 20

3.2.4 Khối hiển thị 21

3.2.5 Khối cảm biến nhiệt độ - độ ẩm 21

3.2.6 Khối cảm biến thẻ từ 22

3.2.7 Khối cảm biến chuyển động 22

3.2.8 Khối đồng hồ thời gian thực 23

Chương 4 SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 24

4.1 Sơ đồ kết nối 24

4.2 Lưu đồ giải thuật 27

4.2.1 Lưu đồ điều khiển SIM900 27

4.2.2 Lưu đồ điều khiển RFID 31

4.2.3 Lưu đồ điều khiển cảm biến PIR 36

4.2.4 Lưu đồ điều khiển cảm biến gas 40

4.2.5 Lưu đồ điều khiển DHT11 42

4.2.6 Lưu đồ điều khiển cảm biến mưa 44

Chương 5 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46

5.1 Kết quả 46

5.2 Tính mới và tính sáng tạo 46

5.3 Khả năng áp dụng 46

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, trên thế giới và cả Việt Nam đang có sự phát triển không ngừng vềmặt khoa học kĩ thuật, điện - điện tử và công nghệ thông tin, nó đã đem lại nhiều sựtiện lợi giúp cho đời sống con người càng ngày càng hiện đại và tiên tiến hơn, mộtcuộc sống hoàn thiện hơn như : tiện ích, tiện nghi và an toàn khi chủ nhà vắng nhà

là mong ước của nhiều hộ gia đình

Hiện nay, các thiết bị công nghệ thông minh đã được vào đời sống con người,nhất là trong sinh hoạt hằng ngày Do đó, con người đã dần làm quen đến các thiết

bị thông minh này Tại Việt Nam, đã có nhiều công ty cho ra đời các dự án nhàthông minh, nhưng giá thành quá cao so với khoản thu nhập của họ hàng tháng nêncàng ngày các thiết bị thông minh trở nên xa lạ với các gia đình có thu nhập thấp

Quá trình học môn lập trình vi điều khiển hiện nay chỉ dựa trên các phầnmềm mô phỏng, kit thí nghiệm đơn giản hạn chế, không trực quan sinh động khiếnsinh viên không hình dung được môi trường thực tế khi học tập Ở trường, học viđiều khiển nâng cao sẽ bổ sung thêm kiến thức chuyên sâu hơn cho sinh viên nhưngchỉ học dựa trên lý thuyết thì sinh viên sẽ không hiểu và nhanh quên mà trường chưa

có mô hình thí nghiệm vi điều khiển nâng cao dẫn đến sinh viên dễ quên và khôngnắm hết kiến thức

Mô hình nhà thông minh được trang nhiều loại thiết bị điện tử, các loạimodule và cảm biến thông qua nhiều chuẩn giao tiếp khác nhau, việc thực hiện điềukhiển mô hình nhà thông minh sẽ ôn lại cho sinh viên các nền tảng kiên thức cơ bản

và phát triển thêm các kiến thức nâng cao, qua đó sinh viên sẽ hiểu rõ hơn quy trìnhđiều khiển nhà thông minh là như thế nào

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1.Mục đích của đề tài

1) Xây dựng một mô hình nhà thông minh với các hệ thống tự động hóa vàcác hệ thống thông minh như: hệ thống điều khiển thiết bị, hệ thống mở cửa bằng

thẻ từ, hệ thống cảnh báo trộm giá thành phù hợp với nền kinh tế Việt Nam hiệnnay.

2) Thiết kế mô hình thí nghiệm cho môn thực hành vi điều khiển nâng cao, đadạng các thiết bị điện, cảm biến, module thực tế ngoài thị trường để sinh viên có cơhội tiếp cận và học tập

1.2.Giới thiệu tổng quan kit thí nghiệm nhà thông minh

Cuối những năm 1990, nhà thông minh vẫn được xem là một thứ xa xỉ củanhà giàu Tuy nhiên, với sự ra đời và phổ biến của công nghệ vi điện tử và chi phíngày càng giảm của chúng, chi phí của các thiết bị điện tử thông minh cũng đã giảmđáng kể cho phép các công nghệ điều khiển thông minh có thể được ứng dụng rộngrãi

Nhà thông minh (Smart Home) là ngôi nhà được trang bị các hệ thống thôngminh tự động điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, an ninh, tuyển thông đa phươngtiện, rèm cửa và một số tính năng khác nhằm làm cho cuộc sống con người ngàycàng hiện đại hơn, tiện nghi hơn, an toàn hơn và góp phần tiết kiệm được nhiềunguồn tài nguyên

Để được gọi là nhà thông minh ( Smart Home ) ngôi nhà phải được xây dựngkết hợp với nhiều công nghệ tiện ích hiện đại, giúp ích cho dời sống được cải thiện

và nâng cao chất lượng Nhà thông minh được chia ra rất nhiều cấp mức độ khácnhau tùy vào công nghệ mình sử dụng, giá thành, các tập đoàn cung cấp… Nhu cầucủa mỗi gia đình và tài chính là khác nhau vì thế để sở hữu những căn hộ thôngminh là một ước mơ của nhiều gia đình chưa có mức thu nhập thấp Để sở hữu đượcnhững công nghệ đó những gia đình có thể lựa chọn mục đích riêng cho gia đìnhmình là: điều khiển được các thiết bị trong nhà một cách an toàn và tiện ích, cao cấphơn là điều khiển qua điện thoại, các thiết bị không dây Bluetooth, mạng internet( IoT )… Hay ngôi nhà của mình cần được trang bị nhiều thiết bị công nghệ khácliên quan đến an toàn và an ninh là: cảnh báo ra vào đóng cửa, cảnh báo cháy, cảnhbáo mưa, hiển thị nhiệt độ và cảnh báo trộm cướp để đối phó và điều khiển được cácthiết bị tương ứng xử lý

Hình 1.2.1.1.1.1.1: Nhà thông minh

Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào kỷ nguyên Internet ofThings (IoT), kết nối mọi vật qua Internet, nhà thông minh trở thành một xu hướngcông nghệ tất yếu, là tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại Tại triển lãm lớn nhất thế giới vềcông nghệ điện tử và tiêu dùng diễn ra đầu tháng 1/2015 tại Las Vegas (Mỹ), nhàthông minh là một trong những chủ đề “nóng” nhất

1.3.Những giải pháp khoa học đã được thực hiện trong và ngoài nước 1.3.1 Mô hình nhà thông minh của Đại học Hertfordshire

“Số lượng người già ngày tăng theo từng năm và nhiều thống kê cho thấy tỷ

lệ người già sống độc thân cũng tăng dần”, Discovery dẫn lời ông Johann Siau,giảng viên bộ môn hệ thống liên lạc kỹ thuật số của Đại học Hertfordshire tại Anh

Discovery cho biết, Siau và các đồng nghiệp đang thực hiện dự án nhà thôngminh mang tên InterHome Mục tiêu ban đầu của dự án là cho phép chủ nhân điềukhiển các thiết bị trong nhà bằng máy tính hoặc điện thoại di động Ngoài ra nó còngiúp chủ nhà giảm lượng điện tiêu thụ hàng ngày

Nhóm của Siau cũng xem xét việc bổ sung nhiều dịch vụ khác vào hệ thốngnhà thông minh, như chức năng gửi thông điệp cảnh báo khi một người mắc bệnhmất trí nhớ lạc đường và không về nhà.

Hình 1.3.1.1.1.1.1: Một mô hình nhà thông minh của Đại học Hertfordshire

Ưu điểm: nhà thông minh có thế nhận biết được người trong nhà bị ốm và

thông báo cho người thân qua các thiết bị di dộng, internet để người thân biết vàtheo dõi từ xa

1.3.2 Mô hình nhà thông minh Đại học Bách Khoa TP.HCM

Đề tài thiết kế bởi 3 sinh viên Đại học Bách Khoa TP.HCM, Đạt giải nhấttrong cuộc thi “thiết kế hệ thống với chip vi điều khiển (MCU) lần thứ hai do TexasIntruments (TI)- công ty điện tử bán dẫn và công nghệ xử lý tín hiệu số tổ chức

Ý tưởng của đề tài xuất phát từ thực tiễn khi thấy xã hội mình ngày càng tiến

bộ, công nghệ ngày càng tiên tiến thì đời sống con người phải được cải thiện hơn

Mà nhà chính là nơi gắn bó với con người nhất, chia sẻ nhiều điều với con ngườinhất Hơn nữa, đề tài này khá rộng và phải làm nhiều và cũng muốn thử sức mình ởmột đề tài khó như vậy

Hình 1.3.2.1.1.1.1: Mô hình nhà thông minh của sinh viên Đại học Bách Khoa

Ưu điểm: điều khiển được các thiết bị đèn, cửa trong nhà qua thiết bị tự

động, mã khóa bằng mật khẩu

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH KIT THÍ NGHIỆM

THỰC TẾ

2.1.Nghiên cứu thiết kế mô hình

Qua tìm hiểu các ngôi nhà thực tế, kết hợp với yêu cầu thực tế giảng dạy tạikhoa Cơ điện – Điện tử trường đại học Lạc Hồng, nhóm đã xây dựng và thiết kế lại

mô hình nhà cho riêng mình để làm đề tài

Mô hình được thiết kế 4 phòng gồm phòng khách, 2 phòng ngủ và 1 phòngbếp Trong mỗi phòng đều được trang bị nhiều loại cảm biến và board điều khiển đểsinh viên có đầy đủ thiết bị thực hành trên mô hình nhà thông minh

Mô hình nhà được thiết kế trên phần mềm SolidWorks và sử dụng gỗ giacông trên máy phay CNC để dựng lên khung mô hình

Mô hình nhà có kích thước: 100 x 80 x 40 cm

Hình 2.1.1.1.1.1.1: Mô hình nhà thông minh trên phần mềm SOLIDWORK.

2.2.Thi công mô hình và thực tế

Hình 2.2.1.1.1.1.1: Khung mô hình nhà thông minh hoàn thiện.

Qua việc thiết kế và nhóm đã tiến hành thi công gia công mô hình kit thànhcông và hoàn thành sản phẩm:

 Thông tin về mô hình:

• Chất liệu gia công tường nhà: ván gỗ bột 4mm

• Chất liệu gia công sàn nhà: ván gỗ thông 10mm

• Chất liệu gia công hộp chân nhà: gỗ xoan đào 15mm

• Kích thước mô hình: 1000 x 800 x 20mm

• Độ bền: bền

• Mô hình được lắp các thiết bị điều khiển ngõ ra: đèn LED, màn hìnhLCD, động cơ sevor, quạt mini

Chương 3 MODULE ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUYÊN LÝ

• Dịch vụ tin nhắn ngắn.

• Chỉ số: PWR, status LED, net status LED

• Nguồn cấp: 9~20V, compatible with Arduino

• Giao thức truyền thông: UART

• Giao tiếp: SPI

• Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s

• Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifareUltraLight, mifare Pro, mifare Defire

• Kích thước: 40mm x 60mm

3.1.4 Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR

Hình 3.1.2.3.1.1.5: Cảm Biến Thân Nhiệt Chuyển Động PIR

Cảm biến PIR phát hiện chuyển động bằng cách đo những thay đổi trong bức

xạ hồng ngoại phát ra bởi các đối tượng Khi phát hiện chuyển động cảm biến PIR

sẽ xuất ra 1 xung ở mức cao, xung này được đọc bởi 1 vi điều khiển để thực hiệnchức năng mong muốn

• Thời gian báo: 30s có thể chỉnh bằng biến trở

• Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở

 Thông tin kĩ thuật:

• Nguồn cung cấp: 5VDC

• Khả năng lưu trữ 32K bit với EEPROM AT24C32

• Sử dụng giao thức 2 dây I2C

• Lưu trữ thông tin chính xác đến năm 2100

• Có pin đồng hồ lưu trữ thông tin

• Có ngõ ra tần số 1Hz

 Thông số kỹ thuật:

• Nguồn: 3~5VDC.

• Dòng sử dụng: 2.5mA max

• Đo tốt hơn ở nhiệt độ 0 – 50oC

• Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz

• Đầu ra: đầu ra kĩ thuật số (0 và 1)

• Đầu ra TTL, tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp

• Đọ nhảy có thể điều chỉnh thông qua biến trở

• Nguồn điện áp: 5v

• Ngõ ra tín hiệu: Digital và Analog

• Có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở

3.2.Thiết kế mạch và thực nghiệm

3.2.1 Khối điều khiển trung tâm

Khối xử lý trung tâm được sử dụng chip ATmega 2560 tích hợp trong boardArduino Mega 2560

Tận dụng board có sẵn trong thị trường, dễ thay thế, giá thành rẻ,

Tuy sử dụng board Arduino nhưng nền tảng lập trình vẫn dựa trên phần mềmCodevisionAVR

Hình 3.1.3.1.1.1.10: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm.

3.2.2 Khối shield SIM900

Module shield SIM900 sử dụng chuẩn giao tiếp UART để giao tiếp với chipđiều khiển

Hình 3.2.2.1.1.1.1: Sơ đồ nguyên lý khối Module shield SIM900

3.2.3 Khối nguồn

Sự dụng nguồn điện áp 5V và 12V trên bộ nguồn máy tính, sự dụng thêmmạch giảm áp DC LM2596 3A để giảm áp từ 12VDC xuống còn 9VDC, cấp nguồn

Hình 3.1.3.3.1.1.12: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

3.2.4 Khối hiển thị

Sử dụng LCD 16x02 để hiện thị thông tin như hiển thị thời gian, hiện thịnhững cài đặt mà người dùng muốn cài

Hình 3.1.3.4.1.1.13: Sơ đồ nguyên lý khối hiện thị.

3.2.5 Khối cảm biến nhiệt độ - độ ẩm

Về hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm cho nhà thông minh thì mô hình sử dụng 2cảm biến đó là DHT11 chuẩn giao tiếp 1 wire và cảm biến LM35 đọc giá trị ADCvề

Hình 3.1.3.5.1.1.14: Sơ đồ nguyên lý khối nhiệt độ LM35

3.2.6 Khối cảm biến thẻ từ

Sự dụng loại Module RFID RC522 với chuẩn giao tiếp SPI để giao tiếp vớikhối trung tâm

Hình 3.1.3.6.1.1.15: Sơ đồ nguyên lý cảm biến thẻ từ RFID.

3.2.7 Khối cảm biến chuyển động

Khối cảm biến chuyển động sử dụng loại cảm biến thân nhiệt PIR để nhậnbiết sự chuyển động của môi trường xung quanh

Hình 3.1.3.7.1.1.16: sơ đồ nguyên lý khối cảm biến chuyển động.

3.2.8 Khối đồng hồ thời gian thực

Sử dụng chức năng đếm và lưu thời gian thực của module RTC DS1307 trênchuẩn giao tiếp I2C để phục vụ 1 số hệ thống thông minh

Hình 3.1.3.8.1.1.17: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực.

Chương 4 SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT

4.1.Sơ đồ kết nối

Hình 4.1.1.1.1.1.1: Sơ đồ nguyên lý kết nối chân giữa các module

KHỐI

XỬ LÝ TRUNG TÂM

Cảm biến Gas

Cảm biến chuyển động

Khối RFID

KHỐI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

DI ĐỘNG &

KHỐI ĐIỀU KHIỂN: -CỬA -ĐÈN -CÒI -QUẠT

Hình 4.1.1.1.1.1.2: Sơ đồ hệ thống nhà thông minh

Ứng với mô hình học, nhóm đã xây dựng riêng hệ thống phù hợp cho môhình gồm nhiều khối kết hợp:

Khối nguồn: cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống mô hình

Khối điều khiển trung tâm: giao tiếp các khối và xử lý điều khiển thiết bịtương ứng

Khối an ninh ra vào RFID: đảm nhận việc cho phép quét mã xác nhận tínhiệu đúng đưa về bộ xử lý trung tâm xử lý

Cảm biến chuyển động PIR: xác nhận có người hiện diện đưa về bộ xử lýtrung tâm xử lý

Cảm biến GAS: xác nhận có khí gas hay hỏa hoạn đưa về bộ xử lý trung tâm

xử lý

Cảm biến mưa: xác nhận có mưa đưa vê bộ xử lý trung tâm xử lý

Cảm biến nhiệt độ DHT11: đo nhiệt độ trong nhà và đưa tín hiệu về bộ xử lýtrung tâm xử lý

Khối điều khiển thiết bị di dộng & internet: đảm nhận vai trò truyền tín hiệuđiều khiển về bộ xử lý trung tâm xử lý và hiển thị thông tin khi có cảnh báo

4.2 Lưu đồ giải thuật

4.2.1 Lưu đồ điều khiển SIM900

BẮT ĐẦU

SIM900

ĐÃ KÍCH HOẠT SẴN SÀNG

KIỂM TRA

CÓ TIN NHẮN ĐẾN

SAI

ĐÚNG

KIỂM TRA CÁC NGÕ CẢNH BÁO TỪ CẢM BIẾN SAI

SAI

GỬI TIN NHẮN VÀ GỌI ĐIỆN CẢNH BÁO TỚI CHỦ NHÀ

SO SÁNH CÁC LỆNH = TIN NHẮN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ SAI

ĐÚNG

ĐÚNG

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

BÁO CÒI BÁO ĐỘNG ĐÚNG

• Có Serial port giúp dễ dàng hơn trong việc phát triển ứng dụng

• Một kênh audio bao gồm Input của Microphone và Ouput củaSpeaker

• Có thể dễ dàng được cấu hình bằng lệnh AT qua cổng giao tiếp nốitiếp UART

• Giao tiếp với simcard giống như điện thoại di động

SIM900 hỗ trợ giao thức TCP/IP, rất hữu ích cho việc truyền dữ liệu trênInternet SIM900 được thiết kế với công nghệ tiết kiệm năng lượng vì vậy mức tiêuthụ chỉ ở mức 1.5mA ở trong chế độ SLEEP Để hiện thực việc nhắn tin quaSIM900 thì chỉ cần Serial port của SIM900 để gửi, nhận các AT command

 Mạch nguồn:

SIM900 đòi hỏi nguồn khá khắt khe Cụ thể, nguồn cung cấp cho SIM900 lànguồn DC 3,4 – 4,5V Dòng điện cung cấp phải lớn hơn hoặc bằng 2A Trong quátrình khởi động SIM900, áp sẽ bị sụt áp Nếu dòng cung cấp không đủ, điện áp sẽ bịsụt xuống dưới mức yêu cầu và SIM900 không thể khởi động được Nếu điện áp lớnhơn 4.5V thì SIM900 sẽ bị cháy

 Giao tiếp với SIM900 qua AT conamand:

Việc điều khiển SIM900 được thực hiện thông qua việc truyền các lệnh AT(các lệnh này thường bắt đầu bằng “AT”, dùng để điều khiển các thiết bị tương tácvới mạng

Ví dụ:

Bước 1: Kiểm tra module sim 900 có hoạt động bằng cách đọc chân

UART SIM900 với với phần mềm terminal

Gõ lệnh: AT