Mô hình nhà thông minh Mô hình cửa thông minh Ứng dụng mạng MQTT trong xây dựng hệ thống truyền thông Ứng dụng JSON trong việc mã hóa dữ liệu ESP8266 NodeMCU Cảm biến vân tay Khóa số Nút nhấn không tiếp xúc Cảm biến chuyển động Cảm biến khí Gas
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN LÊ ĐỨC TRƯỜNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN VIẾT NGƯ Hưng Yên – Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, đến luận văn “Thiết kế hệ thống cửa thơng minh” hồn thành Để có kết đó, ngồi nỗ lực thân, nhận hướng dẫn, bảo tận tình th ầy “Nguy ễn Viết Ngư” giúp đỡ nhiều thầy, cô giáo khác, bạn bè đồng nghi ệp Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Vi ết Ngư Th ầy tận tình bảo, hướng dẫn tơi suốt q trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện – Đi ện tử, tr ường Đại h ọc Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên giúp đỡ tơi q trình h ọc t ập nh làm luận văn Do hạn chế thời gian, kiến thức kinh nghiệm thực tế nên b ản luận văn khó tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận s ự ch ỉ bảo đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn bè, đồng nghiệp đ ể lu ận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên, ngày 29 tháng 11 năm 2019 Học viên Lê Đức Trường LỜI CAM ĐOAN Tên là: Lê Đức Trường Sinh ngày: 20/12/1992 Học viên lớp H60171 chuyên ngành Kỹ thuật Điều ển Tự đ ộng hóa trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Hiện công tác tại: Công ty cổ phần giải pháp công nghệ Minerva Tôi xin cam đoan tơi viết luận văn s ự tìm hi ểu, nghiên cứu thân hướng dẫn, bảo tận tình th ầy Nguyễn Viết Ngư Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho vi ệc thực hi ện luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc nêu phần Tài liệu tham khảo Hưng Yên, ngày 29 tháng 11 năm 2019 Học viên Lê Đức Trường MỤC LỤC Nội dung Trang DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt/ Thuật ngữ Tên gốc Giải thích Institute of Electrical IEEE and Electronic Engineers IEEE 802.11 Một chuẩn giao thức truyền thông IEEE Một chuẩn giao thức truyền thông 802.15.4 MQTT LoRa PIR TCP/IP Message Queuing Một giao thức truyền thông dựa Telemetry Transport TCP/IP Một loại mạng truyền thông Long Range Radio không dây phạm vi lớn Cảm biến chuyển động hồng Passive Infrared Sensor ngoại Transmission Control Giao thức trao đổi thông tin Protocol/Internet sử dụng để truyền tải kết nối Protocol WiFi thiết bị mạng Internet Một loại mạng truyền thông Wireless Fidelity không dây phạm vi nhỏ Một loại mạng truyền thông Zigbee không dây phạm vi nhỏ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, phát triển khoa học cơng nghệ góp phần không nhỏ thay đổi phát triển sống người Các thi ết bị tự động hóa ngày xâm lấn vào sản xuất chí s ống sinh hoạt h ằng ngày người Do ngơi nhà thơng minh khơng m ước người mà trở thành thực Qua báo chí, phương ti ện truy ền thơng thấy mơ hình nhà thơng minh đời Các mơ hình nhà thơng minh có nhiều khác biệt, nh ưng nh ằm vào mục tiêu sau: • • • • • • Tự động hóa hoạt động ngơi nhà Đảm bảo an ninh, an tồn cho ngơi nhà Đem lại thoải mái cho người sử dụng Cung cấp dịch vụ giải trí chất lượng cao Cung cấp khả giám sát điều khiển tử xa Tăng hiệu suất hệ thống, giảm mức tiêu thụ điện Với kiến thức có, tơi mong muốn thiết kế nhà đáp ứng tất yêu cầu Tuy nhiên th ời gian, sức lực kinh phí hạn chế nên tơi tìm hiểu việc đảm bảo an ninh, an tồn cho ngơi nhà mà cụ thể thực đề tài luận văn “Thiết kế hệ thống cửa thông minh” Lịch sử nghiên cứu Trên sở nghiên cứu mơ hình khóa cửa thơng minh hi ện s dụng thực tế nước giới Các hệ thống cửa mơ hình nhà thơng minh phát triển mạnh mẽ năm gần đây, châu Âu, Mỹ Trung Quốc Ở nước ta nay, chưa có nhiều đơn vị thực nghiên cứu ch ế t ạo mà chủ yếu nhập phân phối sản phẩm công ty nước ngồi Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Với giới hạn đề tài, tơi thực nghiên cứu vấn đề sau : • Tìm hiểu nhà thơng minh, tập trung nghiên cứu hệ th ống khóa c ửa thơng minh • Thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống cửa thông minh o Thực mở cửa nhận dạng vân tay o Thực mở cửa thơng qua kiểm tra mật o Thực đóng/mở cửa điện thoại thông minh o Thực thông báo âm Tóm tắt nội dung đóng góp tác giả Với mục đích nghiên cứu trên, nội dung luận văn bao gồm: • Giới thiệu tổng quan nhà thơng minh hệ th ống khóa cửa thơng • • • minh Nghiên cứu giao thức MQTT chuỗi JSON Nghiên cứu thiết bị sử dụng mơ hình Tính tốn thiết kế chế tạo mơ hình Phương pháp nghiên cứu • Tham khảo tài liệu, báo hệ thống khóa cửa thơng minh, tìm hiểu nghiên cứu liệu kỹ thuật có liên quan • Lập trình cho ESP8266 thơng qua Arduino IDE • Thực nghiệm: Kiểm tra chương trình sửa lỗi mơ hình thực tế • Khảo sát khả ứng dụng, sửa đổi, đáp ứng thực tế CHƯƠNG - GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử phát triển nhà thông minh Tiền đề cho hệ thống nhà thơng minh thi ết bị ều ển từ xa không dây Được giới thiệu năm 1898 Nikola Tesla, ơng ều ển mơ hình thu nhỏ thuyền cách gửi sóng radio qua ều khiển từ xa Thế kỷ 20 bắt đầu với phát triển bùng nổ thi ết bị gia dụng, ví d ụ máy hút bụi chạy động (1901) máy hút bụi chạy ện (1907) Hai thập kỷ cách mạng thi ết b ị gia dụng, s ự xu ất tủ lạnh, máy sấy, máy giặt, Tuy nhiên, giá thành r ất đ đ ỏ vi ệc s hữu hàng xa xỉ xuất gia đình giàu có Hình 1.1 - Hệ thống Echo-IV phát triển Jim Sutherland 10 Hình 3.42 - Lưu đồ thuật tốn phát ghi âm gửi thông báo Tương tự khối Lock, khối Devices ki ểm tra kết nối đến MQTT broker khoảng thời gian ngắn thực hi ện kết n ối l ại tr ường hợp kết nối bị gián đoạn lý 3.5 Sensors Khối Devices gồm thành phần: • • • • Đơn vị xử lý trung tâm truyền thông: Node MCU Nút nhấn: sử dụng module TTP223B Cảm biến chuyển động: sử dụng module HC-SR501 Cảm biến khí gas: sử dụng cảm biến MQ6 65 Hình 3.43 – Sơ đồ khối khối Sensors 3.5.1 Kết nối thiết bị a) Kết nối Node MCU với module TTP223B Module TTP223B sử dụng mức nguồn 3.3 V hồn tồn tương thích v ới Node MCU nên kết nối trực tiếp Các chân tín hi ệu (SIG) đ ược k ết n ối t ương ứng tới chân D3 D4 Node MCU b) Kết nối Node MCU với cảm biến chuyển động HC-SR501 Cảm biến chuyển động HC-SR501 sử dụng múc mức nguồn V, chân liệu đầu hoạt động theo chuẩn điện áp 3.3 V nên có th ể k ết n ối tr ực ti ếp tới Node MCU Chân tín hiệu cảm biến HC-SR501 kết n ối t ới chân D6 Node MCU c) Kết nối Node MCU với cảm biến khí gas MQ6 Cảm biến khí gas MQ6 kết nối theo sơ đồ hình 3.20 Chân tín hiệu đầu kết nối với chân A0 (hỗ trợ đọc tín hiệu tương tự) Node MCU 66 Hình 3.44 - Sơ đồ kết nối Node MCU hai module TTP223B Hình 3.45 - Sơ đồ kết nối Node MCU module HC-SR 501 67 d) Kết nối Node MCU với cảm biến khí gas MQ6 Cảm biến khí gas MQ6 kết nối theo sơ đồ hình 3.20 Chân tín hiệu đầu kết nối với chân A0 (hỗ trợ đọc tín hiệu tương tự) Node MCU Hình 3.46 – Nguyên lý kết nối cảm biến khí gas MQ6 3.5.2 Nguyên lý hoạt động Hình 3.47 - Sơ đồ chung trình thay đổi trạng thái hoạt động Khi cấp điện, tương tự khối Lock khối Devices, khối Sensors đưa vào trạng thái khởi động Sau khởi động hoàn t ất, kh ối Sensors chuy ển sang trạng thái “RUN” Trong trạng thái này, khối Sensors liên tục th ực hi ện kiểm tra cảm biến module nút nhấn Nếu có thay đổi tr ạng thái 68 khối Sensors gửi gói tin tới khối Devices để th ực hi ện l ệnh ho ặc phát thông báo điện thoại thông minh để cập nhật trạng thái a) Thay đổi trạng thái hoạt động nút nhấn, cảm biến Người sử dụng thay đổi trạng thái nút nhấn, cảm bi ến sang trạng thái “sử dụng” “không sử dụng” lệnh gửi từ ện tho ại thông minh Khi khối Sensors nhận lệnh từ điện thoại thông minh, khối thực thay đổi trạng thái nút nhấn cảm biến tương ứng Sau hồn thành, khối Sensors gửi thơng tin phản hồi v ề ện tho ại thông minh gửi tin nhắn tới khối Devices để thực thông báo âm b) Gửi thông tin nút nhấn, cảm biến Hình 3.48 – Sơ đồ chung trình phản hồi trạng thái cảm biến Khối Sensors liên tục kiểm tra trạng thái cảm biến, bao g ồm: • • • Cảm biến chuyển động HC-SR501 Cảm biến khí gas MQ6 Module nút nhấn loại cảm ứng điện dung TTP223B 69 Khi phát thay đổi, khối thực hi ện xử lý lưu l ại tr ạng thái m ới, sau gửi thông tin đến điện thoại thông minh để cập nh ật tr ạng thái g ửi lệnh điều khiển đến khối Devices để thực thi 70 3.5.3 Lưu đồ thuật tốn Hình 3.49 – Lưu đồ thuật tốn thay đổi trạng thái hoạt động nút nhấn cảm biến chuyển động HC-SR501 Thuật toán trạng thái cảm biến khí gas MQ6 tương tự thuật tốn thay đổi trạng thái nút nhấn cảm biến chuyển động HC-SR501 71 Hình 3.50 – Lưu đồ thuật tốn kiểm tra nút nhấn 72 Hình 3.51 – Lưu đồ thuật toán kiểm tra cảm biến chuyển động cảm biến khí gas Tương tự khối Lock khối Devices, khối Sensors thực gửi thông báo tương ứng với trạng thái hoạt động cờ Connection_send đặt true xóa cờ sau 73 Khối Sensors kiểm tra kết nối đến MQTT broker kho ảng thời gian ngắn thực kết nối l ại tr ường h ợp k ết n ối b ị gián đo ạn lý Hình 3.52 – Hình ảnh mơ hình hệ thống cửa thơng minh 3.6 Kết luận chương Nhìn chung, mơ hình chế tạo hồn thành yêu c ầu, nhiệm vụ đề tài Bao gồm: • • • • Sử dụng đồng thời loại “chìa khóa thơng minh” mật vân tay Kết nối khóa thơng minh cửa thơng qua mạng truyền thơng khơng dây Có thể mở/đóng cửa thơng qua điện thoại thông minh Thông báo âm Mơ hình hoạt động ổn định, thiết kế chắn chế tạo từ nhi ều module nhỏ nên dễ dàng thay gặp cố 74 75 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Sau thời gian nghiên cứu hướng dẫn thầy “Nguyễn Viết Ngư”, tơi hồn thành đề tài “Thiết kế hệ thống cửa thông minh” theo mục tiêu đ ề ra: Chương 1: Giới thiệu chung o Giới thiệu lịch sử phát tiển nhà thơng minh o Trình bày tổng quan hệ thống khóa thơn minh • Chương 2: Cơ sở lý thuyết cơng nghệ o Trình bày sở lý thuyết vận dụng đề tài o Phân tích nhiệm vụ đề tài, từ đưa gi ải pháp thi ết k ế • sơ o Giới thiệu thiết bị sử dụng chế tạo mơ hình • Chương 3: Thiết kế chế tạo mơ hình o Xây dựng sơ đồ khối mơ hình o Xây dựng mạng truyền thơng sở giao thức MQTT o Thiết kế chế tạo khối Lock thực nhi ệm vụ ki ểm tra vân tay mật o Thiết kế chế tạo khối Devices thực hoạt động đóng/m cửa, thông báo âm bật/tắt đèn o Thiết kế chế taoh khối Sensors thực hi ện hoạt động ki ểm tra cảm biến Hướng phát triển đề tài Đề tài : “Thiết kế chế tạo mơ hình khóa cửa thơng minh” có tính ứng d ụng cao thực tế, mà chất lượng s ống ng ười ngày đ ược nâng cao Hơn nữa, nhà thông minh lĩnh vực l ớn mà đ ề tài ch ỉ m ột phần nhỏ đó, có nhiều phương hướng để tiếp tục nghiên cứu phát tri ển, ví dụ như: Khối Lock: o Hoàn thiện chức thay đổi mật o Hoàn thiện chức thêm/bớt vân tay sở liệu o Tối ưu hóa chương trình điều khiển • Khối Devices: • 76 o Bổ sung thêm số thiết bị khác quạt, rèm, để tăng tính đa dạng o Tối ưu hóa chương trình điều khiển • Khối Sensors: o Bổ sung chức nhận dạng điều khiển thiết bị hồng ngoại o Tối ưu hóa chương trình điều khiển • Bổ sung chức thơng báo qua tin nhắn ện thoại • Nghiêm cứu vấn đề sử dụng Gateway nội để thay th ế cho MQTT • broker trường hợp khơng có kết nối Internet Tiếp tục nghiên cứu lĩnh vực nhà thông minh, đặc biệt mảng tự đ ộng hóa ngơi nhà Trên nội dung mà luận văn chưa đề cập đến hướng ti ếp tục nghiên cức đề tài mà tác giả mong muốn có hội thực hi ện tương lai 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồng Minh Sơn (2006), Mạng truyền thơng cơng ngiệp , NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Tài liệu kỹ thuật giao thức MQTT địa web: http://docs.oasisopen.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.pdf [3] Tài liệu kỹ thuật module Node MCU địa web: https://nodemcu.readthedocs.io/en/master/lua-developer-faq/ [4] Tài liệu kỹ thuật series cảm bi ến vân tay R30x xem t ại đ ịa ch ỉ web: https://www.rhydolabz.com/documents/finger-print-module.pdf [5] Tài liệu kỹ thuật module Mini SKU DFR0299 xem t ại đ ịa ch ỉ web https://wiki.dfrobot.com/DFPlayer_Mini_SKU_DFR0299 [6] Datasheet linh kiện sử dụng mạch [7] Một số báo, viết nhà thông minh [8] Một số tài liệu khác 78 PHỤ LỤC Chương trình hoạt động xem tập tin gửi kèm Chương trình khối Lock gồm tập tin sau: o Smart_Lock.ino o Connection.h o Display.h o Finger.h o Keypad.h o _Config.h • Chương trình khối Devices gồm tập tin sau: o Smart_Devices.ino o Audio.h o Connection.h o Door.h o Lamp.h o _Config.h • Chương trình khối Sensors gồm tập tin sau: o Smart_Sensors.ino o Button.h o Connection.h o Gas.h o Motion.h o _Config.h • 79 ... đề tài luận văn Thiết kế hệ thống cửa thông minh Lịch sử nghiên cứu Trên sở nghiên cứu mơ hình khóa cửa thơng minh hi ện s dụng thực tế nước giới Các hệ thống cửa mơ hình nhà thơng minh phát... đổi công nghệ nhà thơng minh, tương lai khơng gi ới hạn ngồi trí tưởng tượng người 1.2 Hệ thống cửa thông minh Một nhà thông minh phải thông minh từ thềm cửa M ột cánh cửa thông minh dẫn lối... Tìm hiểu nhà thơng minh, tập trung nghiên cứu hệ th ống khóa c ửa thơng minh • Thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống cửa thơng minh o Thực mở cửa nhận dạng vân tay o Thực mở cửa thông qua kiểm tra