Thiết kế chế tạo mô hình nhà thông minh sử dụng arduino

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH SỬ DỤNG ARDUINO Sinh viên thực : NGUYỄN SỸ PHÚC Lớp : 54K1 ĐTTT Khóa học : 2013 - 2018 Giảng viên hướng dẫn : ThS LƯƠNG NGỌC MINH Nghệ An, 05-2019 LỜI MỞ ĐẦU Vài năm trở lại đây, giới dần tiến vào kỷ nguyên Internet of Things (IoTs), nhà thông minh trở thành xu hướng công nghệ tất yếu tiêu chuẩn nhà đại Mặc dù dựa nên tảng IoT, nhiên có nhiều cách tiếp cận khác việc thiết kế mơ hình nhà thơng minh Một số cách kể đến sử dụng máy tính nhúng Raspberry PI3, Orange Pi One, PIC, Arduino Trong đề tài em nghiên cứu : “ Thiết kế chế tạo mơ hình nhà thông minh sử dụng Arduino” So với cách tiếp cận khác tiếp cận đơn giản, giá thành rẻ dùng Raspberry PI3 nhiều tài liệu nghiên cứu Ngoài việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp với cơng việc có ý nghĩa sâu sắc sinh viên thực Sinh viên thực hành kiến thức học từ ghế nhà trường Từ lần làm đồ án, đề tài giúp cho sinh viên làm quen với thiết bị cảm biến mà trước nằm giấy, từ tăng thêm niềm đam mê, kích thích cho sinh viên nghiên cứu sáng tạo Sau thời gian học tập nghiên cứu thực đề tài em hoàn thành đề tài giao Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Ban giám hiệu, cán công nhân viên nhà trường giúp đỡ em suốt thời gian học tập trường Ban lãnh đạo viện thầy cô Viện Kỹ thuật Công nghệ dạy em kiến thức chuyên ngành Đặc biệt xin cảm ơn đến thầy Th.S Lương Ngọc Minh, người trực tiếp hướng dẫn đề tài hỗ trợ cho em nhiều kiến thức, tài liệu sở vật chất để em hồn thành tốt đề tài Nghệ An, ngày 20 tháng năm 2019 Sinh viên thực Nguyễn Sỹ Phúc ` TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án thực ý tưởng thiết kế chế tạo mơ hình nhà thông minh sử dụng Arduino Bộ điều khiển thiết kế có khả bật tắt thiết bị cách linh hoạt thiết bị di động có kết nối mạng wifi mạng viễn thông di động Các trạng thái thiết bị cập nhật tức thời lên thiết bị nhằm kiểm sốt hoạt động ngơi nhà Ngồi ra, thơng qua cảm biến bố trí ngơi nhà, điều khiển có khả tự động điều chỉnh thiết bị phù hợp với nhu cầu sử dụng Mơ hình thiết kế giải pháp hồn thiện cho nhà thông minh với khả điều khiển mềm dẻo giá thành thấp so với sản phẩm khác thị trường ABSTRACT This project designs and implements a smart home model using Arduino The design controller of the smarth home controls devices flexibly via mobile devices such as smart phone and ipad The design system can work based on notonly wireless but also cellular network Devices status can also be instantly updatedon the mobile devices to control the home In addition, through the sensors whichlocated in the house, the controller is capable of automatically adjusting the device to meet the demands Design model is a complete solution for smart home with flexible control and low cost compared to other products on the market MỤC LỤC Trang DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG BIỂU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt I2C Inter-Integratel Circuit Đường bus giao tiếp IC QR Quick Response Mã phản hồi nhanh SMTP Simple Mail Transfer Protocol Giao thức truyền tải thư tín đơn giản LCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏng IoT Internet Of Things Mạng lưới vạn vật kết nối internet RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng qua tần số vô tuyến NFC Near-Field Communications Kết nối tường gần CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương trình bày xu hướng phát triển Internet vạn vật (IoT) ứng dụng phổ biến dựa tảng IoT Ngồi ra, nhà thơng minh dụng quan tâm dựa tảng IoT trình bày chương 1.1 Giới thiệu IoT 1.1.1 Một số khái niệm IoT Mạng lưới vạn vật kết nối Internet mạng lưới thiết bị kết nối internet viết tắt IoT kịch giới, mà đồ vật, người cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thơng tin, liệu qua mạng mà không cần 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 Nó đơn giản tập hợp thiết bị có khả kết nối với nhau, với internet với giới bên ngồi để thực cơng việc Hiểu cách đơn giản IoT tất thiết bị kết nối với Việc kết nối thực qua wifi, kết nối băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị đện thoại thơng minh, máy máy tính bảng, điều hòa, bóng đèn, máy giặt nhiều thiết bị khác Cisco nhà cung cấp giải pháp thiết bị hàng đầu dự báo: Đến năm 2020, có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối internet, chí số gia tăng nhiều IoT mạng khổng lồ kết nối tất thứ bao gồm người tồn mối quan hệ người người, người thiết bị, thiết bị thiết bị 1.1.2 Cơ sở kỹ thuật IoT Điểm quan trọng IoT đối tượng phải nhận biết định dạng (identifiable) Nếu thứ "đánh dấu" để phân biệt thân đối tượng với thứ xung quanh hồn tồn quản lí thơng qua máy tính Việc đánh dấu (tagging) thực thơng qua nhiều công nghệ, chẳng hạn RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật số Việc kết nối thực qua wifi, mạng viễn thơng băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, 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 khơng gian địa rộng lớn giúp thứ dễ dàng kết nối vào Internet kết nối với 1.1.3 Xu hướng phát triển giới với IoT Mặc dù có từ lâu kỷ nguyên Internet of Things thực ý bùng nổ năm gần đây, sau phát triển smartphone, tablet kết nối không dây,… Và sau nhận ý cộng đồng, IoT cho thấy tiềm với số liệu đáng kinh ngạc Là “một phát kiến quan trọng quyền lực loài người”, Cisco IBSG, nhà cung cấp giải pháp thiết bị mạng hàng đầu dự báo: Đến năm 2020, có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, bao gồm hàng tỷ thiết bị di động, tivi, máy giặt, … Để thấy phát triển lĩnh vực này, họ đưa số liệu vào năm 1984, mà Cisco thành lập có khoảng 1.000 thiết bị kết nối mạng toàn cầu, đến năm 2010, số lên mức 10 tỷ Intel, đơn vị tham gia vào thị trường sản xuất chip cho thiết bị thông minh phục vụ IoT thu tỷ USD năm 2014 từ lĩnh vực này, tăng trưởng 19% so với năm 2013 Những số khẳng định IoT xu hướng tương lai Internet of Things đến năm 2020 dự kiến đạt đến: tỷ người kết nối với nhau, ngàn tỷ USD doanh thu, 25 triệu ứng dụng,hơn 25 tỷ hệ thống nhúng thông minh 50 ngàn tỷ Gigabytes liệu Tác động IoT đa dạng, lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng tự động hóa, giao thơng… Cụ thể với lĩnh vực sản xuất - chế tạo, theo thống kê PwC, có 35% nhà sản xuất sử dụng cảm biến thơng minh, 10% dự kiến sử dụng 8% có kế hoạch sử dụng thiết bị thông minh năm tới Trong lĩnh vực dầu khí, khai thác mỏ, dự kiến có 5,4 triệu thiết bị IoT triển khai sở khai thác tới năm 2020 Chủ yếu cảm biến kết nối Internet giúp cung cấp thông tin mơi trường Dầu khí ngành cơng nghiệp chủ chốt ứng dụng IoT diện rộng tới năm 2020 Trong đó, xe kết nối xu hướng bật thiết bị IoT Dự tính tới năm 2020, có 220 triệu xe kết nối lưu thông đường Về bảo hiểm, 74% lãnh đạo ngành bảo hiểm tin IoT thay đổi sách bảo hiểm năm tới, 74% có kế hoạch đầu tư phát triển thực chiến lược IoT - theo nghiên cứu SMA Research Còn với quốc phòng, chi tiêu cho thiết bị bay không người lái dự kiến đạt 8,7 tỉ USD vào năm 2020 Ngoài ra, theo dự báo Frost & Sullivan, có khoảng 126.000 robot quân triển khai vào năm 2020 Lĩnh vực nông nghiệp khơng nằm ngồi vòng xốy IoT Dự kiến có 75 triệu thiết bị IoT triển khai lĩnh vực vào năm 2020, với tỉ lệ tăng hàng năm đạt 20% Chủ yếu cảm biến đặt lòng đất để theo dõi độ axit, nhiệt độ thông số giúp canh tác vụ mùa hiệu Vì thế, Internet of Thing chìa khóa thành cơng tương laicents Bên cạnh đó, cơng nghệ khơng dây đáp ứng đa tiêu chuẩn giúp giảm giá thành mặt hàng thiết bị kết nối không dây; giao thức Internet giúp thực hóa việc kết nối hàng tỷ thiết bị vào mạng lưới Internet Hiện thị trường có ngày nhiều thiết bị di động giá rẻ, cải thiện điều kiện kinh tế nhóm khách hàng Châu Á dẫn đến gia tăng theo cấp số nhân sử dụng thiết bị di động khu vực 1.1.4 Ứng dụng IoT IoT có nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực khác tự động hóa ngơi nhà, mua sắm thơng minh, quản lí thiết bị cá nhân, đồng hồ đo thông minh, phản hồi tình khẩn cấp, quản lí mơi trường Hiện nhiều hãng, công ty, tổ chức giới nghiên cứu tảng giúp xây dựng nhanh ứng dụng dành cho IoT Đại học British Columbia Canada tập trung vào toolkit cho phép phát triển phần mềm IoT công nghệ/tiêu chuẩn Web giao thức phổ biến Cơng ty ioBridge cung cấp giải pháp kết nối điều khiển thiết bị có khả kết nối Internet, kể đèn bàn, quạt máy 1.1.5 Thách thức việc nghiên cứu triển khai IoT IoT số trở ngại chưa có ngơn ngữ chung Ở mức nhất, Internet mạng dùng để nối thiết bị với thiết bị khác Nếu riêng có kết nối khơng thơi khơng có đảm bảo thiết bị biết cách nói chuyện nói Để thiết bị giao tiếp với nhau, chúng cần nhiều giao thức (protocols), xem thứ ngơn ngữ chuyên biệt để giải tác vụ Chắc chắn bạn nhiều sử dụng giao thức phổ biến giới, HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web Ngoài có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file Những giao thức hoạt động ổn máy chủ web, mail FTP thường khơng phải nói với nhiều, cần, phần mềm phiên dịch đơn giản đứng làm trung gian để hai bên hiểu Còn với thiết bị IoT, chúng phải đảm đương nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác Đáng tiếc người ta chưa có nhiều đồng thuận giao thức để IoT trao đổi liệu 1.2 Tổng quan nhà thơng minh 1.2.1 Giới thiệu mơ hình nhà thông minh Nhà thông minh (tiếng Anh: home automation, domotics, smart home Intellihome) kiểu nhà lắp đặt thiết bị điện, điện tử điều khiển tự động hoá bán tự động, thay người thực thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt nhà, ứng dụng điện thoại di động, máy tính bảng giao diện web Trong nhà thơng minh, đồ dùng nhà từ phòng ngủ, phòng khách gắn điều khiển điện tử kết nối với Internet điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa lập trình cho thiết bị nhà hoạt động theo lịch Các thiết bị tự đưa cách xử lý tình lập trình trước, điều khiển giám sát từ xa Sau lợi ích đem đến cho bạn từ hệ thống tự động hóa nhà thơng minh - Lợi ích Tăng thêm an tồn qua việc điều khiển chiếu sáng thiết bị điện (Appliance and Lighting Control) 10 Hình 10 Chọn pin cho widget Sau chọn xong pin gpio tiến hành điều khiển thiết bị cài đặt Hình 11 Giao diện điều khiển thiết bị 48 3.1.3 Chế tạo Từ vấn đề cần giải trên, tạo nên mơ hình nhà thơng minh dựa thứ nêu Sử dụng module có sẵn kết nối module lại với thành khối hoàn chỉnh Sơ đồ kết nối chân module sau: Bảng Kết nối Arduino Mega2560 với LCD Arduino Mega2560 Màn hình LCD 16x2 kết nối I2C 5V VCC GND GND SDA SDA SCL SCL Bảng Kết nối chân module DHT11 với Arduino Mega2560 Arduino Mega2560 Module DHT11 5V + GND - 15 out Bảng 3 Kết nối chân module ESP8266 với Arduino Mega2560 Arduino Mega2560 Module ESP8266 3.3V VCC 3.3V CH_PD 49 3.3V GPIO GND GND TX RX RX TX Bảng Kết nối module cảm biến ánh sáng Module cảm biến ánh sáng Kết nối với OUT GND (module hồng ngoại) VCC 5V GND GND Bảng Kết nối module hồng ngoại Module hồng ngoại Kết nối với OUT IN7 (relay) VCC 5V GND OUT(cảm biến ánh sáng) Bảng Kết nối module cảm biến độ ẩm đất Module cảm biến độ ẩm đất relay OUT IN9 VCC 5V GND GND 50 Dưới trìh kết nối module hệ thống Hình 12 Kết nối module cảm biến độ ẩm, module ánh sáng, module độ ẩm đất Hình 13 Kết nối với Arduino Mega2560 51 3.2 Đo đạc khảo sát Quá trình kết nối kiểm tra cảm biến điều khiển thực Kết làm việc điều khiển sau: 3.2.1 Chức điều khiển thiết bị từ xa điện thoại Hình 14 Tắt hết tất thiết bị Đầu tiên ta mở phần ứng dụng Blynk điện thoại thông minh Giao diện điều khiển thiết bị qua Blynk hình 3.19 Hiện trạng thái đèn tắt Tiến hành bật điện phòng ngủ kết hình sau: Hình 15 Bật đèn phòng ngủ 52 Hình 16 Bật đèn phòng ngủ Sau tiến hành bật tất bóng đèn phòng khách Hình 17 Bật đèn phòng khách Hình 20 Bật tất bóng đèn 53 Qua nhiều lần kiểm tra khảo sát thực tế tơi thấy hệ thống hoạt động bình thường, ổn định Có thể điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng wifi mạng 3G,4G 3.2.2 Chức hiển thị nhiêt độ độ ẩm lên hình LCD hình smartphone Hình 18 Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm lên hình Quan sát vào hình 3.22 thấy nhiệt độ, độ ẩm hiển thị lên LCD nhiệt độ hiển thị lên giao diện Blynk Sau khảo sát nhận thấy nhiệt độ độ ẩm đo sai số 2°C hệ thống hoạt động ổn định Ngồi hệ thống có chức khác :  Hệ thống tưới dựa vào độ ẩm đất  Điều chỉnh tốc độ quạt dựa vào nhệt độ phòng vv Nhưng khả hiểu biết thời gian làm đề tài có hạn nên chức chưa thể thực thành công 3.3 Kết luận chương Trong chương trình bày cách rõ ràng cách để tiến hành xây dựng mơ hình nhà thơng minh bao gồm bước xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán đến thực chế tạo Giới thiệu cách tổng quan ứng dụng Blynk dùng để điều khiển thiết bị Quá trình chế tạo khảo sát cho thấy điều khiển hoạt động xác ổn định Tuy nhiên hạn chế thời gian trễ điều khiển 2s Nhiệt độ sai số 2°C 54 KẾT LUẬN Nhà nơi để trở sau ngày làm việc, nơi để nghỉ ngơi, nơi vui với gia đình, nơi gắn kết người với Một nhà thông minh làm cho sống trở nên an toàn tiện nghi tạo cảm giác thoải mái cho người sử dụng Đồ án đưa giải pháp thiết kế nhà thơng minh đơn giản Mơ hình thiết kế có khả quản lý thiết bị gia dụng cách linh hoạt thông qua thiết bị di động cầm tay, điều khiển thiết bị cách tự động theo kịch chủ nhà đặt Như điều khiển thiết bị từ xa điện thoại, điều khiển thiết bị nút nhấn có cập nhập trạng thái Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm lên hình LCD điện thoại, điều khiển số quạt theo nhiệt độ môi trường, gửi cảnh báo qua gmail nhiệt độ nhà vượt ngưỡng cho phép Điều khiển thiết bị dựa vào cảm biến hồng ngoại, điều khiển thiết bị dựa vào cảm biến chuyển động cảm biến ánh sáng Mơ hình nhà thơng minh thiết kế hoạt động xác, ổn định, đáp ứng yêu cầu đề Tuy nhiên, giới hạn thời gian thực đồ án nên mơ hình thiết kế chưa thực hồn thiện Để nhà trở nên thông minh hơn, số hướng đề xuất nhằm hồn thiện mơ sau: - Cần tạo thêm kịch cho nhà, kịch tổng hợp tất thao tác bật-tắt thiết bị kịch nhà, kịch ngủ - Gắn thêm hệ thống camera giám sát nhà Hy vọng từ điều đồ án làm với ý tưởng thực để tạo mơ hình nhà thơng minh hồn chỉnh giá rẻ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lập trình điều khiển với Arduino – Phạm Quang Huy & Lê Cảnh Trung [2] Lập trình IoT với Arduino – Phạm Quang Huy & Lê Mỹ Hà [3] Hướng dẫn sử dụng Arduino – Phạm Quang Huy & Trương Đình Nhơn [4] http://arduino.vn/ [5] http://tapit.vn/dong-bo-giua-dieu-khien-bang-tay-va-tu-xa-su-dung-ung-dungBlynk/, truy cập lần cuối ngày 7/5/2018 [6] https://letdiy.net/dieu-khien-bat-tat-den-led-tren-esp8266-bang-Blynk, truy cập lần cuối ngày 10/5/2018 [7] http://arduino.vn/bai-viet/302-module-relay-cach-su-dung-ro-le-va-nhung-ungdung-hay-cua-no , truy cập lần cuối vào 10/5/2018 56 PHỤ LỤC Chương trình cho Arduino Mega #define BLYNK_PRINT Serial #include #include char auth[] = "423f1259dbef4a93b9186e25fe051703"; char ssid[] = "Sy Phuc"; char pass[] = "12341234"; #define EspSerial Serial1 #define ESP8266_BAUD 115200 ESP8266 wifi(&EspSerial); #include #include #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); const int DHTPIN = A15; const int DHTTYPE = DHT11; DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); byte degree[8] = { 0B01110, 0B01010, 0B01110, 0B00000, 0B00000, 0B00000, 0B00000, 0B00000 }; int virtualPin; int flag=0; 57 int flag1=0; int flag2=0; BLYNK_WRITE(V0) { virtualPin = param.asInt(); flag = 1; } BLYNK_WRITE(V1) { virtualPin = param.asInt(); flag1 = 1; } BLYNK_WRITE(V2) { virtualPin = param.asInt(); flag2 = 1; } BLYNK_CONNECTED(){ Blynk.syncVirtual(V0); Blynk.syncVirtual(V1); Blynk.syncVirtual(V2); } void setup() { Serial.begin(9600); delay(5); EspSerial.begin(ESP8266_BAUD); delay(5); Blynk.begin(auth, wifi, ssid, pass); lcd.init(); lcd.backlight(); 58 lcd.print("Nhiet do: "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Do am : "); lcd.createChar(1, degree); dht.begin(); pinMode(A10,OUTPUT); pinMode(A11,OUTPUT); pinMode(A12,OUTPUT); pinMode(A2, OUTPUT); pinMode(A3, OUTPUT); pinMode(A1, OUTPUT); pinMode(A8, INPUT_PULLUP); pinMode(A9, INPUT_PULLUP); pinMode(A7, INPUT_PULLUP); } void loop() { Blynk.run(); float h = dht.readHumidity(); float t = dht.readTemperature(); lcd.setCursor(10,0); lcd.print(round(t)); lcd.print(" "); lcd.write(1); lcd.print("C"); lcd.setCursor(10,1); lcd.print(round(h)); lcd.print(" %"); Blynk.virtualWrite(V6, t); if(flag == 1){ if(virtualPin == 0){ digitalWrite(A2, LOW); 59 } else digitalWrite(A2, HIGH); while(digitalRead(A7) == LOW); int ledStatus = digitalRead(A2); if(ledStatus == 0){ digitalWrite(A2, HIGH); Blynk.virtualWrite(V0,1); } else { digitalWrite(A2, LOW); Blynk.virtualWrite(V0,0); } } flag = 0; if(flag1 == 1){ if(virtualPin == 0){ digitalWrite(A3, LOW); } else digitalWrite(A3, HIGH); } if(digitalRead(A8) == LOW){ while(digitalRead(A8) == LOW); int ledStatus = digitalRead(A3); if(ledStatus == 0){ digitalWrite(A3, HIGH); Blynk.virtualWrite(V1,1); } else { digitalWrite(A3, LOW); Blynk.virtualWrite(V1,0); } 60 } flag1 = 0; if(flag2 == 1){ if(virtualPin == 0){ digitalWrite(A1, LOW); } else digitalWrite(A1, HIGH); } if(digitalRead(A9) == LOW){ while(digitalRead(A9) == LOW); int ledStatus = digitalRead(A1); if(ledStatus == 0){ digitalWrite(A1, HIGH); Blynk.virtualWrite(V2,1); } else { digitalWrite(A1, LOW); Blynk.virtualWrite(V2,0); } } flag2 = 0; if ((t==28)||(t==29)||(t==30)){ digitalWrite(A10,0);} else { digitalWrite(A10,1);} if((t==31)||(t==32)||(t==33)){ digitalWrite(A11,0);} else { digitalWrite(A11,1);} if(t>=34){ digitalWrite(A12,0);} 61 else { digitalWrite(A12,1 );} } 62 ... thực ý tưởng thiết kế chế tạo mơ hình nhà thơng minh sử dụng Arduino Bộ điều khiển thiết kế có khả bật tắt thiết bị cách linh hoạt thiết bị di động có kết nối mạng wifi mạng viễn thông di động... hóa, giao thông Cụ thể với lĩnh vực sản xuất - chế tạo, theo thống kê PwC, có 35% nhà sản xuất sử dụng cảm biến thông minh, 10% dự kiến sử dụng 8% có kế hoạch sử dụng thiết bị thông minh năm... cung cấp thiết bị nhà thơng minh, thành lập từ năm 1986 có trụ sở Mỹ Giải pháp nhà thơng minh Smart 4G tương tự hãng nhà thơng minh chưa có trội khác biệt lớn Thiết kế thiết bị điện thông minh hãng