Điều khiển và giám sát nhà thông minh

VI VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGH NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN ĐỒ ÁN TỐT T NGHI NGHIỆP ĐẠI HỌ ỌC Đề tài: Điềuu khiển giám sát nhà thông minh Giảng viên iên hư hướng dẫn: PGS.TS PHẠM MINH VIỆT Sinh viên thự ực : NGUYỄN HẢI DUY Lớp : K16B Khoá : 2013 - 2017 Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Hà Nội, tháng năm 2017 VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CN ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN Độc lập - Tự – Hạnh phúc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên: Nguyễn Hải Duy Lớp: K16B Khố: 2013 - 2017 Ngành đào tạo: Cơng nghệ Kỹ thuật điện tử, Truyền thông Hệ đào tạo: ĐHCQ 1/ Tên đồ án: Điều khiển giám sát nhà thông minh 2/ Nội dung chính: Xây dựng hệ thống nhà thông minh gồm chức năng: - Giám sát trạng thái thiết bị điện từ xa qua mạng internet - Giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm môi trường, cảnh báo người dùng nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép - Điều khiển thiết bị điện từ xa qua mạng internet - Hệ thống cho nhiều người sử dụng 3/ Cơ sở liệu ban đầu Lập trình C/C++ Lập trình Android Lập trình web html/javascript Thiết kế mạch điện tử 4/ Ngày giao:20/02/2017 5/ Ngày nộp: 19/05/2017 TRƯỞNG KHOA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Nhận xét giảng viên hướng dẫn ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… MỤC LỤ LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU: DANH MỤC THUẬT NGỮ,TỪ VIẾT TẮT: MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN 10 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 11 I Giới thiệu 11 II Khảo sát, hướng đề tài 12 BKAV Smarthome 12 Smarthome lumi Việt Nam 14 III Mục tiêu đề tài 16 IV Phương pháp nghiên cứu 16 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 18 I Tổng quan mạng internet 18 Giới thiệu 18 Hoạt động mạng internet 19 Kết nối Internet 20 Giao Thức TCP/IP 20 Công nghệ wifi 22 II Linh kiện 24 Module wifi esp8266 24 Module relay kênh 27 Module DHT11 28 Nguồn cung cấp 32 III Công cụ 32 Arduino ide 32 Android studio 34 Firebase 35 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 40 I Mơ hình hệ thống 40 GVHD: Phạm Minh Việt SV: Nguyễn Hải Duy Sơ đồ khối 40 Phân tích chức khối 40 II Thiết kế phần cứng 42 Esp8266 + module relay kênh 42 Esp8266 + DHT11 43 III Thiết kế phần mềm 44 Firmware cho esp8266 44 Ứng dụng cho android 48 Ứng dụng web 51 Cơ sở liệu firebase 53 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 55 I Kết thực 55 Phần cứng: gồm board 55 Phần mềm 56 II Ưu điểm khuyết điểm hệ thống 57 Ưu điểm 57 Khuyết điểm 57 III Khả ứng dụng thực tế đề tài 57 IV Hướng phát triển 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 GVHD: Phạm Minh Việt SV: Nguyễn Hải Duy DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU: Tên Trang Hình 1.1: Mơ hình smarthome 11 Hình 1.2: Giao diện điều khiển BKAV Smarthome 13 Hình 1.3: Hệ thống Smarthome Lumi 14 Hình 2.1: Mạng internet 18 Hình 2.2: Giao thức TCP/IP 21 Hình 2.3: Mơ hình mạng wifi 23 Hình 2.4: Module esp8266-12F 24 Hình 2.5: Sơ đồ chân esp8266 26 Hình 2.6: Module relay kênh 27 Hình 2.7: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 29 Hình 2.8: Sơ đồ chân DHT11 29 Hình 2.9: Gửi tín hiệu Start 30 Hình 2.10: Bit 31 Hình 2.11: Bit 32 Hình 2.12: Giao diện Arduino IDE 33 Hình 2.13: Android studio 34 Hình 2.14: Giao diện Android Studio 35 Hình 2.15: Chức firebase 36 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 40 Hình 3.2: Khối phần cứng 41 Hình 3.3: Khối phần mềm 42 Hình 3.4: Sơ đồ mạch điện esp8266 + relay kênh 43 Hình 3.5: Sơ đồ mạch điện esp8266+dht11 44 Hình 3.6: Lưu đồ chương trình esp8266 + relay 45 HÌnh 3.7: Giao diện cấu hình kết nối wifi 46 Hình 3.8: Lưu đồ chương trình esp8266 + DHT11 47 Hình 3.9: Lưu đồ ứng dụng android 49 Hình 3.10: Giao diện đăng nhập, đăng kí, khơi phục mật 50 Hình 3.11: Giao diện điều khiển giám sát nhiệt độ độ ẩm 50 GVHD: Phạm Minh Việt SV: Nguyễn Hải Duy Hình 3.12: Giao diện web điều khiển 51 Hình 3.13: Giao diện web đăng nhập 51 Hình 3.14: Lưu đồ ứng dụng web 52 Hình 3.15: Cấu trúc sở liệu 53 Hình 4.1: Bo mạch điều khiển thiết bị 55 Hình 4.2: Bo mạch đo nhiệt độ, độ ẩm 56 Bảng 2.1: Sơ đồ chân esp8266 27 Bảng 2.2: Các chế độ hoạt động esp8266 27 Bảng 2.3: Sơ đồ chân module relay kênh 28 Bảng 2.4: Sơ đồ chân DHT11 30 Bảng 2.5: Ưu điểm firebase hosting 37 Bảng 3.1: Sơ đồ kết nối esp8266 với USB to UART 48 GVHD: Phạm Minh Việt SV: Nguyễn Hải Duy DANH MỤC THUẬT NGỮ,TỪ VIẾT TẮT: IP Internet protocol WWW World Wide Web Giao thức Liên mạng Mạng lưới toàn cầu TCP UDP Tranmission Control Protocol User Datagram Protocol Giao thức điều khiển truyền vận Giao thức không liên kết HTTP FTP SMTP HyperText Transfer Protocol File Transfer Protocol Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn Giao thức truyền tập tin Giao thức truyền thư đơn giản POP3 DNS ARP Post Office Protocol Domain Name System Address Resolution Protocol Giao thức bưu điện Hệ thống tên miền Giao thức phân giải ngược lại địa ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức thông báo điều khiển mạng Internet IGMP DHCP Internet Group Management Protocol Giao thức quản lý nhóm Internet Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình trạm động SNMP Simpe Network Management Protocol TFTP Trivial File Transfer Protocol Giao thức quản lý mạng đơn giản Wi-Fi Wireless Fidelity Hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vơ tuyến IoT IDE Internet of Things Integrated Development Environment Internet vạn vật Mơi trường phát triển tích hợp GVHD: Phạm Minh Việt Giao thức truyền tập tin bình thường SV: Nguyễn Hải Duy MỞ ĐẦU “Ngơi nhà thơng minh” cụm từ khơng xa lạđối với công nghệ phát triểnhiện Lúc đầu, ý tưởng thực nhờ vào tia hồng ngoại đểđiều khiển từ xa, nhưngkhoảng cách hạn chế Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện khoảng cách điều khiển mang lạinhiều thành cơng cóý nghĩa thực tiễn nhưđiều khiển thông qua đường dây điện thoại Khi côngnghệ wireless phát triển, người ta lại nghĩđến điều khiển qua mạng khơng dây, điều khiển từ xadùng máy tính đời Khơng dừng lại ởđó, mà mạng điện thoại cạnh tranh gay gắt,chiếc điện thoại trở nên vật dùng thiếu với cá nhân, người ta lại nghĩ chiếcđiện thoại tích hợp khả điều khiển từ xa Đặc biệt, với phát triển chóng mặt củaSmartPhone cơng nghệ 3G nay, việc tích hợp chức vào SmartPhone trởthành giải pháp tối ưu mang lại nhiều ưu điểm Đi xu hướng đó, đồ án giới thiệumột giải phát điều khiển giám sát nhà cách thơng minh thơng qua internet sửdụng điện thoại để giám sát thiết bị, báo cháy, báo trộm Giải pháp đưa khả khivới chế hoạt động xác mang tính ổn định để tạo bước phát triển thiết bị nhỏ gọntham gia mảng nhà thông minh giá rẻ Là sinh viên khoa Điện tử thông tin Viện Đại học Mở Hà Nội, với kiến thức học với mong muốn thiết kế nhà đáp ứng nhu cầu sinh hoạt ngày cách nhanh chóng xác, em chọn đề tài “Điều khiển giám sát nhà thông minh” làm đồ án tốt nghiệp Trong trình thực báo cáo mình, em cố gắng để hoàn thiện cách tốt Nhưng với kiến thức hiểu biết có hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót, mong thầy bạn đóng góp ý kiến cho đề tài em hồn thiện Hà Nội, ngày… tháng… năm… Sinh viên thực Nguyễn Hải Duy GVHD: Phạm Minh Việt SV: Nguyễn Hải Duy LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Phạm Minh Việt, thầy tận tình giúp đỡ bảo cho em suốt thời gian làm đồ án vừa qua Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy cô giáo khoa Điện tử thông tin – Viện Đại học Mở Hà Nội Các thầy ln nhiệt tình dạy dỗ tạo điều kiện cho chúng em học tập nghiên cứu suốt năm học đại học Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn sinh viên tập thể lớp K16 cho ý kiến đóng góp giá trị thực đề tài Cuối xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người ln bên động viên tạo điều kiện cho thực tốt đề tài Em xin chân thành cảm ơn! GVHD: Phạm Minh Việt 10 SV: Nguyễn Hải Duy Hình 3.5: Sơ đồ mạch điện esp8266+dht11 b) Nguyên lí hoạt động Esp8266 đọc liệu nhiệt độ, độ ẩm từ module DHT11 Dữ liệu esp8266 gửi lưu trữ firebase Khi nhiệt độ cao, esp8266 gửi cảnh báo lên firebase Khi muốn xóa liệu tài khoản firebase + mật wifi, người dùng cần ấn giữ nút reset vòng giây Lệnh yêu cầu xóa module thực hiện, liệu lưu nhớ bị xóa sạch, module trở lại trạng thái ban đầu III Thiết kế phần mềm Firmware cho esp8266 a) Lưu đồ thuật toán esp8266+ relay GVHD: Phạm Minh Việt 44 SV: Nguyễn Hải Duy Hình 3.6: L Lưu đồ chương trình ình esp8266 + relay Giải thích lưu ưu đ đồ: Khi bắt đầu khởi ởi độ động reset, vi điều khiển thiết lập ập chân GPIO thành cổng ng input ho output Sau vi điều khiển sẽẽ khởi khở tạo webserver cho ngư người dùng tiến hành cấu hình kết nối vớii wifi GVHD: Phạm Minh Việt 45 SV: Nguyễễn Hải Duy HÌnh 3.7: Giao diện cấu hình kết nối wifi Nếu kết nối với ới wifi th thành công, vi xử lý tiến hành kết ết nối tiếp ti đến firebase chạy ạy vvào hàm chương trình Nếu kết ết nối nố thất bại, quay trở lại bước ớc kh khởi tạo webserver Tiếp theo, vi xử lý ssẽ lấy liệu trạng thái thiết bịị tr sở liệu firebase vàà đđiều khiển chân GPIO tương ứng vớii d liệu đọc Hàm ch chương trình chạy thành vòng lặp ặp để liên tục lấy liệu ệu mớ firebase b) Lưu đồ thuậtt toán esp8266 + dht11 GVHD: Phạm Minh Việt 46 SV: Nguyễễn Hải Duy Hình 3.8: L Lưu đồ chương ng trình esp8266 + DHT11 Giải thích lưu ưu đ đồ: Khi bắt đầu khởi ởi độ động reset, vi điều khiển thiết lập ập chân GPIO2 GPIO thành cổng nh nhận liệu từ DHT11 Sau vi điều u khiển s khởi tạo webserver cho ngư người dùng tiến hành cấu hình kết nối vớii wifi wifi GVHD: Phạm Minh Việt 47 SV: Nguyễễn Hải Duy Nếu kết nối với wifi thành công, vi xử lý tiến hành kết nối tiếp đến firebase chạy vào hàm chương trình Nếu kết nối thất bại, quay trở lại bước khởi tạo webserver Tiếp theo, vi xử lý lấy liệu nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến DHT11 đưa lên sở liệu firebase Nếu nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép, vi điều khiển gửi cảnh báo tới điện thoại người dùng, đồng thời đưa trạng thái thiết bị điện CSDL firebase trạng thái tắt c) Nạp firmware cho esp8266 Mở file mã nguồn có ino phần mềm Arduino ide Cài đặt trình biên dịch cho module esp8266 Arduino ide: - - - Vào File→Preferences, vào textbox Additional Board Manager URLs thêm đường link sau http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json Vào Tool→Board→Boards Manager, đợi lát để chương trình tìm kiếm Ta kéo xuống click vào ESP8266 by ESP8266 Community, click vào Install Chờ phần mềm tự động download cài đặt Kết nối mudule USB-to-UART vào máy tính Vào Tool→Board→Generic ESP8266 Module, chọn cổng COM tương ứng với module USB-to-UART tương ứng Kết nối cổng UART esp8266 với module USB-to-UART Esp8266 Usb to uart vcc 3.3v gnd gnd Tx Rx Rx Tx GPIO0 gnd Bảng 3.1: Sơ đồ kết nối esp8266 với USB to UART Click vào Verify Upload chương trình Nếu khơng có lỗi, trình nạp code diễn vài giây tùy vào độ lớn chương trình Ứng dụng cho android a) Lưu đồ GVHD: Phạm Minh Việt 48 SV: Nguyễn Hải Duy Hình 3.9: Lưu đồ ứng dụng android Giải thích lưu ưu đ đồ: Khi bắt đầu khởi ởi độ động ứng dụng, ứng dụng kiểm tra xem người dùng đăng nhập chưa ưa N Nếu chưa, ứng dụng bắt người dùng đăng nhập nh email mậtt khẩ Nếu chưa có tài khoản, người dùng ùng th tạo Sau đăng nhậập thành công, người dùng chuyển ển đến đế hình lựa chọn gồm m ch chức Control, Sensor, Sign out - Mụcc Control: sau ch chọn, người dùng chuyển đến giao diện di điều khiển vàà giám sát thi thiết bị điện - Mụcc Sensor: ng người dùng xem thơng số nhiệt ệt độ độ ẩm từ môi trường - Mụcc Sign out: ng người dùng xẽ đăng xuất khỏi ứng dụng b) Giao diện phần ần m mềm GVHD: Phạm Minh Việt 49 SV: Nguyễễn Hải Duy Hình 3.10: Giao diện đăng nhập, đăng kí, khơi phục mật Hình 3.11: Giao diện điều khiển giám sát nhiệt độ độ ẩm GVHD: Phạm Minh Việt 50 SV: Nguyễn Hải Duy Ứng dụng web a) Cấu trúc Gồm phần: phần giao diện phần điều khiển Giao diện trang web - Giao diện điều khiển: Hình 3.12: Giao diện web điều khiển - Giao diện đăng nhập: Hình 3.13: Giao diện web đăng nhập Phần điều khiển: - Lưu đồ: GVHD: Phạm Minh Việt 51 SV: Nguyễn Hải Duy Hình 3.14: Lưu đồ ứng dụng web b) Cài đặt website lên firebase Cài đặtt nodejs https://nodejs.org/ Mở cửa sổ cmd vvà chạy lệnh sau: - Cài đặtt firebase cli: npm install -g firebase-tools - Khởi tạo ứng ng dụ dụng web: firebase init - Đưa file mãã ngu nguồn web vào thư mục public - Đưa nộii dung web llên firebase: firebase deploy GVHD: Phạm Minh Việt 52 SV: Nguyễễn Hải Duy Trang web chạy tên miền: .firebaseapp.com Cơ sở liệu firebase Firebase Realtime database cloud hosted database hỗ trợ đa tảng: Android, IOS Web Tất liệu lưu trữ định dạng JSON với thay đổi liệu có phản hồi lập tức, hiển thị đồng tảng thiết bị Hình 3.15: Cấu trúc sở liệu GVHD: Phạm Minh Việt 53 SV: Nguyễn Hải Duy Mỗi người dùng sử dụng node tương ứng với username tạo tài khoản Trong node chứa thông tin thiết bị người dùng, thông số nhiệt độ, độ ẩm - Node info: chứa tên thiết bị hình ảnh thiết bị mã hóa - Node states: chứa trạng thái thiết bị bật hay tắt - Node humidity: chứa thông số độ ẩm môi trường - Node temperature: chứa thông số nhiệt độ môi trường GVHD: Phạm Minh Việt 54 SV: Nguyễn Hải Duy CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂNCỦA ĐỀ TÀI I Kết thực Phần cứng: gồm board Board esp8266 + relay kênh: giao tiếp qua internet để nhận liệu điều khiển đóng ngắt mạch bật/tắt thiết bị điện Hình 4.1: Bo mạch điều khiển thiết bị GVHD: Phạm Minh Việt 55 SV: Nguyễn Hải Duy Board esp8266 + DHT11: giao tiếp qua internet để gửi giá trị nhiệt độ, độ ẩm lên firebase lưu trữ; cảnh báo tới người dùng nhiệt độ vượt ngưỡng giới hạn cho phép Hình 4.2: Bo mạch đo nhiệt độ, độ ẩm Phần mềm Ứng dụng android: điều khiển thiết bị điện qua internet, giám sát trạng thái thiết bị; nhận giá trị nhiệt độ, độ ẩm ngồi mơi trường; bảo mật password Có thể nhận cảnh báo nhiệt độ vượt ngưỡng giới hạn cho phép GVHD: Phạm Minh Việt 56 SV: Nguyễn Hải Duy II III IV Ứng dụng web: điều khiển thiết bị điện qua internet, giám sát trạng thái thiết bị; nhận giá trị nhiệt độ, độ ẩm ngồi mơi trường Cơ sở liệu trực tuyến chứa thông tin điều khiển thiết bị, liệu nhiệt độ, độ ẩm, cho nhiều người sử dụng Ưu điểm khuyết điểm hệ thống Ưu điểm Hệ thống cho nhiều người sử dụng Có thể điều khiển, giám sát nhiều thiết bị với khoảng cách không giới hạn Dễ dàng lắp đặt, sửa chữa thiết kế theo dạng module tháo lắp Khuyết điểm Hệ thống hoạt động nơi có internet Chưa phân quyền cho người dùng Sản phẩm phần cứng chưa đóng vỏ hộp, phải nối dây phức tạp Khả ứng dụng thực tế đề tài Đề tài đáp ứng nhu cầu xã hội: Có thể điều khiển, giám sát nhiều thiết bị với khoảng cách không giới hạn Dễ dàng lắp đặt, phù hợp với nhiều đối tượng người dử dụng Hướng phát triển Đây đề tài mẻ, có nhiều hướng phát triển tương lai: Mở rộng số thiết bị cần điều khiển Tăng tính bảo mật cho hệ thống Tối ưu lại giao diện người dùng Mở rộng thêm chức cảnh báo trộm, rò rỉ khí gas … Thêm chức điều khiển giọng nói cho ứng dụng GVHD: Phạm Minh Việt 57 SV: Nguyễn Hải Duy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Hà, 1997 Kỹ thuật mạch điện tử Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội [2] Nguyễn Hữu Phương, 2001 Mạch số Nhà xuất Thống Kê [3] Tài liệu hướng dẫn sử dụng Arduino tiếng Việt Th.s Huỳnh Minh Phú [4] Hoàng Minh Sơn, 2007 Mạng truyền thông công nghiệp Nhà xuất Khoa HọcKỹ Thuật [5] https://firebase.google.com [6] http://www.alldatasheet.com [7] http://arduino.vn/ [8] https://github.com/tzapu/WiFiManager [9]https://github.com/firebase/firebase-arduino [10] https://vozforums.com/ [11] http://stackoverflow.com/ GVHD: Phạm Minh Việt 58 SV: Nguyễn Hải Duy ... Tên đồ án: Điều khiển giám sát nhà thơng minh 2/ Nội dung chính: Xây dựng hệ thống nhà thông minh gồm chức năng: - Giám sát trạng thái thiết bị điện từ xa qua mạng internet - Giám sát thông số... động nên em chọn đề tài Điều khiển giám sát nhà thơng minh làm đồ án tốt nghiệp để đáp ứng nhu cầu ngày cao người góp phần vào tiến bộ, văn minh, đại nước nhà Khảo sát, hướng đề tài BKAV Smarthome... Qua khảo sát hệ thống nhà thông minh thị trường nay, đề tài em ứng dụng phạm vi mơ hình nhà thơng minh Việt Nam Tập trung vào điều khiển thiết bị điện xây dụng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm