Bài viết tập trung xây dựng mô hình nhà thông minh có khả năng thu nhận tín hiệu từ các cảm biến môi trường, kết nối các thiết bị điện trong ngôi nhà thông qua công nghệ không dây như: Bluetooth, mạng di động (Global System for Mobile Communications - GSM) thành một hệ thống mạng các thiết bị được điều khiển thông qua phần mềm trên điện thoại thông minh.
TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT Tập 8, Số 3, 2018 49–60 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG KẾT NỐI BLUETOOTH, GSM Võ Minh Phụnga*, Dương Thị Thanh Hiêna, Võ Tiến Phúca Khoa Vật lý, Trường Đại học Đà Lạt, Lâm Đồng, Việt Nam * Tác giả liên hệ: Email: phungvm@dlu.edu.vn a Lịch sử báo Nhận ngày 04 tháng 12 năm 2017 Chỉnh sửa ngày 20 tháng 05 năm 2018 | Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 08 năm 2018 Tóm tắt Hệ thống nhà thơng minh có khả kết nối tương tác thiết bị điện nhà với người dùng để thực điều khiển thiết bị cách thuận tiện hoạt động theo lịch trình cài đặt sẵn Trong phạm vi nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng mơ nhà thơng minh có khả thu nhận tín hiệu từ cảm biến mơi trường, kết nối thiết bị điện nhà thông qua công nghệ không dây như: Bluetooth, mạng di động (Global System for Mobile Communications - GSM) thành hệ thống mạng thiết bị điều khiển thông qua phần mềm điện thoại thơng minh Từ việc tìm hiểu hệ thống nhà thơng minh có, so sánh giải pháp thực hiện, tiến hành cải tiến sử dụng cơng nghệ phù hợp hơn, nhóm tác giả tạo mơ hình sản phẩm đáp ứng mục tiêu đặt khả thi việc triển khai thành hệ thống nhà thông minh phục vụ cho hoạt động thường ngày gia đình thêm phần tiện nghi, đại, dễ dàng lắp đặt với chi phí hợp lý Từ khóa: Điều khiển tự động; Điều khiển từ xa; Nhà thông minh Mã số định danh báo: http://tckh.dlu.edu.vn/index.php/tckhdhdl/article/view/379 Loại báo: Bài báo nghiên cứu gốc có bình duyệt Bản quyền © 2018 (Các) Tác giả Cấp phép: Bài báo cấp phép theo CC BY-NC-ND 4.0 49 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [CHUYÊN SAN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ] RESEARCH IN DESIGNING CONTROL SMART HOME SYSTEM Vo Minh Phunga*, Duong Thi Thanh Hiena, Vo Tien Phuca a The Faculty of Physics, Dalat University, Lamdong, Vietnam * Corresponding author: Email: phungvm@dlu.edu.vn Article history Received: December 04th, 2017 Received in revised form: May 20th, 2018 | Accepted: August 08th, 2018 Abstract Smart home systems capable of connecting electrical equipment, interacting with the user to control devices of convenience, or operating according to a pre-installed schedule were investigated In this study, the authors built a model smart home system capable of receiving signals from environmental sensors by connecting the electrical equipment in the house to a network through wireless technologies, such as Bluetooth and Global System Mobile (GSM) The devices are controlled via software on a smartphone By understanding the existing smart home system and comparing the implemented solutions, the new technology is now more suitable The authors have created a product model that meets the stated objectives: it is feasible for deployment in the smart house system, serves for routine operation by a family to add comfort, is modern, and is easy to install with reasonable costs Keywords: Automatic control; Remote control; Smart home system Article identifier: http://tckh.dlu.edu.vn/index.php/tckhdhdl/article/view/379 Article type: (peer-reviewed) Full-length research article Copyright © 2018 The author(s) Licensing: This article is licensed under a CC BY-NC-ND 4.0 50 Võ Minh Phụng, Dương Thị Thanh Hiên, Võ Tiến Phúc GIỚI THIỆU Cùng với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật số, lượng trang thiết bị điện, điện tử gia đình không ngừng gia tăng Thực tế nay, thiết bị điện gia đình rời rạc, khơng kết nối chung với dẫn đến việc điều khiển thiết bị cách thủ công, phải trực tiếp di chuyển đến gần để điều khiển thiết bị Vì vậy, việc áp dụng cơng nghệ điều khiển tự động nhằm giải tương tác với thiết bị nhà cách linh hoạt, dễ dàng điều tất yếu, khái niệm nhà thông minh đời Nhà thông minh đơn giản nhà mà thiết bị gia dụng như: Đèn, tivi, quạt, bơm nước… có khả kết nối tương tác với người dùng để thực việc điều khiển cách thuận lợi hoạt động theo chương trình cài đặt sẵn (Mohamed, Ahmed, & Ahmed, 2014; Ramlee, Othman, & Leong, 2013) Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển tự động nói chung, hệ thống nhà thơng minh nói riêng tập trung chủ yếu vào việc giải tương tác hệ thống với môi trường thông qua cảm biến thu nhận liệu bên ngồi mơi trường Các tín hiệu chuyển đổi, xử lý tuỳ theo yêu cầu điều kiện đặt mà điều khiển thiết bị theo mục đích cụ thể Đã có nhiều nghiên cứu hệ thống nhà thông minh nhiều nước giới Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào sử dụng kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động qua kết nối không dây phổ biến Min (2013) sử dụng cặp IC (Integrated Circuit) thu phát RF (Radio Frequency) bốn kênh PT2262 PT2272 kết hợp với vi điều khiển AT89S52 để thực việc điều khiển thiết bị gia đình qua kết nối khơng dây Điều tạo tiện dụng tăng tính đại dự án phát triển hệ thống nhà thông minh tác giả Tuy nhiên theo tài liệu kỹ thuật Datasheet PT2262 PT2267 (Princeton Technology Corp., 2018) mà nhà sản xuất đưa khoảng cách điều khiển nằm khoảng 10m, dẫn đến việc điều khiển từ xa bị hạn chế nhiều Trong báo Wang, Liu, Shi (2010) mạng Zigbee triển khai nhằm xây dựng hệ thống phân tích, kiểm soát điều khiển dựa phần mềm cho hệ thống nhà thông minh Hướng phát triển khơng giới hạn khoảng cách điều khiển thiết bị người sử dụng lại có giá thành cao Các nghiên cứu Kadam, Mahamuni, Parikh (2015); Mendes, Osório, Rodrigues, Catalão (2013); Naglic Souvent (2013) giới thiệu hệ thống nhà thông minh tiêu chuẩn với chức như: Cảnh báo chống trộm; Điều khiển thiết bị từ xa; Các cảm biến nhiệt độ môi trường nhà… Điều thấy rõ tính hữu dụng, dễ dàng sử dụng thiết bị gia đình, hiệu suất cao hơn, an tồn giảm chi phí tiền điện cho gia đình cách đáng kể Trong phạm vi báo này, để giải hạn chế nghiên cứu trước đây, đồng thời áp dụng, cải tiến hữu ích mà nghiên cứu mang lại 51 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [CHUYÊN SAN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CƠNG NGHỆ] nhóm tác giả xây dựng hệ thống mơ mơ hình nhà thơng minh tích hợp phần cứng phần mềm sử dụng công nghệ kết nối không dây Bluetooth (Piyare & Tazil, 2011) mạng di động GSM (Khiyal, Khan, & Shehzadi, 2009) để điều khiển thiết bị từ xa thông qua phần mềm điện thoại di động thông minh chạy hệ điều hành Android, đồng thời thu nhận liệu từ môi trường thông qua cảm biến Mơ hình tương đối khả thi triển khai thực tế chi phí rẻ, lắp ráp dễ dàng, tạo thuận lợi đại cho người sử dụng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu xây dựng thiết bị điều khiển nhà thông minh thực dựa phương pháp tìm hiểu sở lý thuyết nghiên cứu sở thực nghiệm Về lý thuyết, nhóm tác giả tiến hành tham khảo, tổng hợp tài liệu, cơng trình nghiên cứu nhà thơng minh từ tiến hành phác thảo chức điều khiển mơ hình nhà thơng minh; Về thực nghiệm, chúng tơi thực xây dựng mơ hình có đầy đủ chức nhà thông minh (Mohamed & ctg., 2014; Ramlee & ctg., 2013), tiến hành quan sát, thực đo đạc mơ hình nhà thơng minh để đưa nhận xét so sánh mơ hình nghiên cứu trước NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Sơ đồ khối khối chức hệ thống Hình biểu diễn sơ đồ khối chức hệ thống điều khiển nhà thông minh Nhiệm vụ khối nguồn chuyển đổi điện lưới 220V AC (alternating current) sang nguồn điện chiều với mức điện áp 12V, 5V, 3.3V DC (direct current) cung cấp nguồn hoạt động cho khối điều khiển trung tâm khối khác hệ thống Khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển ATMega16 đóng vai trò điều khiển cho tồn hoạt động hệ thống, tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến ngồi mơi trường thực xử lý tương ứng Từ đưa tín hiệu điều khiển đến thiết bị ngoại vi; Đồng thời thực thu phát liệu thông qua khối Bluetooth GSM, sử dụng ứng dụng điện thoại di động để điều khiển thiết bị ngoại vi Khối thu phát Bluetooth GSM thực thu phát liệu để thực tương tác qua lại khối điều khiển trung tâm phần mềm điều khiển điện thoại di động thông qua công nghệ không dây Bluetooth GSM Khối đóng mở cửa RFID sử dụng cơng nghệ đọc thẻ từ RFID để đóng mở cửa, tạo thuận tiện bảo mật cho người sử dụng Khối cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm có chức thu nhận tín hiệu từ điều kiện mơi trường bên gửi cho xử lý trung tâm để thực điều khiển tương tác với thiết bị ngoại vi Các giá trị đo mạch cảm biến tương ứng với tham số môi trường thể đồ thị biểu diễn điện áp lối mạch điện tử cảm biến (Hình 2) Trong báo này, mạch cảm biến ánh sáng chuẩn theo thiết bị Light Metter 52 Võ Minh Phụng, Dương Thị Thanh Hiên, Võ Tiến Phúc Đài Loan (Trung Quốc), nhiệt độ chuẩn hoá theo nhiệt kế thuỷ ngân độ ẩm chuẩn theo thiết bị Temperature Humidity transmitter (Hàn Quốc) Các thiết bị q trình đo đạc diễn Phòng Thí nghiệm Đo lường Điện tử, Khoa Vật lý, Trường Đại học Đà Lạt KHỐI NGUỒN RFID KHỐI THU PHÁT V CẢM BIẾN ÁNH SÁNG BLUETOOTH KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM CẢM BIẾN NHỆT ĐỘ KHỐI THU GSM CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐIỀU KHIỂN NGOẠI VI ĐÈN TIVI QUẠT BƠM NƯỚC Hình Sơ đồ khối hệ thống Ghi chú: RFID (Radio Frequency Identification) Các kết nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng đo cho thấy mức điện áp cảm biến thay đổi từ đến 5V, tương ứng với mức điện áp mức giá trị môi trường cảm biến đo So sánh giá trị mà cảm biến điện tử đo với mức giá trị chuẩn hố ta thấy kết có xác tương đối, sai số ảnh hưởng chủ yếu nguồn nhiễu công nghiệp chất lượng cảm biến Khối điều khiển ngoại vi sử dụng để điều khiển thiết bị ngoại vi kết nối bên ngồi đèn, tivi, quạt, bơm nước… thơng qua lệnh điều khiển từ người sử dụng 53 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [CHUYÊN SAN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CƠNG NGHỆ] (a) (b) (c) Hình Đồ thị ánh sáng độ ẩm Ghi chú: (a) Ánh sáng; (b) Độ ẩm; (c) Nhiệt độ 3.2 Mô tả nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động chung hệ thống điều khiển tự động nói chung, hệ thống nhà thơng minh nói riêng tập trung chủ yếu vào việc giải tương tác hệ thống với mơi trường bên ngồi Thơng qua cảm biến tín hiệu ngồi mơi trường 54 Võ Minh Phụng, Dương Thị Thanh Hiên, Võ Tiến Phúc thu nhận, tín hiệu lưu trữ xử lý tuỳ theo yêu cầu điều kiện đặt mà điều khiển thiết bị theo mục đích cụ thể Khi cấp nguồn 220V AC cho thiết bị, khối nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện 220V AC sang nguồn điện 5V, 12V DC để cung cấp cho thiết bị hệ thống hoạt động Chủ nhân nhà sử dụng thẻ từ RFID để chứng thực cửa chính, chứng thực hợp lệ đèn báo hiệu màu vàng sáng lên cửa tự động mở Nếu chứng thực khơng hợp lệ đèn báo màu đỏ sáng lên cửa không mở Như vậy, thẻ từ đăng ký hệ thống chứng thực để mở cửa Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển điện thoại di động (Hình 3) cho nhìn tổng quan cách thức điều khiển sau: Khi người dùng khởi động chương trình điều khiển điện thoại giao diện lựa chọn chức điều khiển hiển thị, cho phép người sử dụng lựa chọn chức điều khiển thông qua mạng di động GSM qua mạng không dây Bluetooth Việc sử dụng mạng GSM có ưu điểm phạm vi điều khiển khơng giới hạn, sử dụng ở nơi có mạng di động, lại tốn chi phí dịch vụ tin nhắn Việc sử dụng mạng khơng dây Bluetooth có lợi khơng tốn kém chi phí phạm vi điều khiển không vượt 20m Sau chọn lựa chức điều khiển hình ứng dụng cho phép điều khiển tắt mở thiết bị điện ngoại vi gia đình [Vùng 1] đèn, quạt, tivi, bơm nước (Hình 4) Khi người dùng chưa lựa chọn chức chương trình chờ đợi đến người dùng xác định chức điều khiển Bên nhà, hệ thống cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm thu nhận tín hiệu mơi trường đồng thời khối điều khiển trung tâm gửi lên hình điều khiển điện thoại di động thơng qua kết nối khơng dây Bluetooth, hình điện thoại (Hình 4) hiển thị thơng số mơi trường mà cảm biến nhận [Vùng 2] Chức cài đặt nhiệt độ [Vùng 3] dùng để cài đặt ngưỡng nhiệt độ mong muốn, nhiệt độ phòng vượt ngưỡng cài đặt hệ thống tự động bật quạt để giảm nhiệt độ phòng Vùng cho phép người sử dụng chọn chức điều khiển như: Chế độ “Relax” bật nhạc lên để thư giãn sau ngày làm việc mệt mỏi; Đèn tự động giảm độ sáng thay đổi mức độ sáng người dùng chọn chế độ “Movie”; Chế độ “Meeting” bật đèn sáng ở mức cao phù hợp cho việc tiếp khách Một phần mềm lập trình sẵn chạy điện thoại di động thơng minh để người sử dụng tương tác điều khiển cách thuận tiện Mơ hình nhà thơng minh thiết kế hoàn thiện thiết bị gia đình thay hiển thị bốn bóng đèn LED (Hình 5) 55 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [CHUYÊN SAN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ] Bắt đầu Chọn chức Bluetooth? Chọn chức GSM? Chờ lựa chọn chức Chức Bluetooth Điều khiển ngoại vi Chức GSM Chương trình Cảm biến môi trường Điều khiển ngoại vi Hiển thị hình Gửi lệnh điều khiển Kết thúc Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển 56 Võ Minh Phụng, Dương Thị Thanh Hiên, Võ Tiến Phúc Hình Giao diện phần mềm điều khiển thơng qua mạng không dây GSM Bluetooth KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 4.1 Kết Thơng qua q trình nghiên cứu, nhóm tác giả thiết kế mơ hình nhà thơng minh có khả kết nối thiết bị nhà thành hệ thống mạng thiết bị thông qua mạng không dây Bluetooth GSM Hệ thống điều khiển qua phần mềm điện thoại thông minh tạo thuận lợi đại cho người dùng Như vậy, việc sử dụng kết nối qua mạng di động GSM, nhóm tác giả giải vấn đề điều khiển từ xa hạn chế phạm vi 10m mà Min (2013) trình bày, phạm vi điều khiển thiết bị thông qua mạng di động khơng hạn chế ở nơi có phủ sóng mạng di động Trên điện thoại di động chúng xây dựng phền mềm điều khiển chạy hệ điều hành Android với giao diện thiết kế đơn giản, dễ dàng cho người sử dụng Mơ hình điều khiển qua điện thoại di động thơng minh, từ hệ thống điều khiển thiết bị điện theo kịch cài đặt trước Ngoài ra, hệ thống kết nối với cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm,… để thực thu nhận tín hiệu bên đưa đến khối xử lý trung tâm để điều khiển thiết bị ngoại vi cách tự động Các tiện ích giúp đảm bảo tính chất ngơi nhà thơng minh có khả kết nối tương tác thiết bị với người dùng để thực 57 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [CHUYÊN SAN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ] việc điều khiển theo nghiên cứu Kadam ctg (2015); Mendes ctg (2013); Mohamed ctg (2014); Naglic Souvent (2013); Ramlee ctg (2013) Hình Mơ hình nhà thơng minh thực tế Để tăng tính bảo mật cải tiến so với hệ thống khác hệ thống cảm biến chống trộm sử dụng tia laser thêm vào để tăng cường khả bảo vệ tốt cho ngơi nhà Khi có xâm nhập trái phép vào ngơi nhà đèn còi báo động bật lên Công nghệ chứng thực qua thẻ từ RFID ứng dụng để mang lại tính thuận tiện, đại giúp chủ nhân ngơi nhà đóng mở cửa ngơi nhà an tồn Cơng suất tiêu thụ hệ thống đo đạc khoảng 1.5W Ngoài ra, hệ thống kết hợp cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm để điều khiển bóng đèn, quạt cách tự động giúp tiết kiệm chi phí sử dụng điện ngơi nhà cách hợp lý Ví dụ, trời tối nhờ cảm biến ánh sáng đo cường độ ánh sáng thấp nên truyền tín hiệu tới vi điều khiển để thực bật bóng đèn cách tự động, hay cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ q cao gửi tín hiệu cho vi điều khiển thực bật quạt làm mát So sánh chi phí thiết kế mạch điều khiển vào tầm giá khoảng 700.000đ, với thiết bị điều khiển trung tâm kết nối mạng Zigbee Unisys 004A có thị trường vào khoảng 45.000.000đ thấp nhiều đảm bảo tính chất, chức nhà thông minh Ưu điểm nghiên cứu mơ hình nhà thơng minh hoạt động tốt tiến hành chạy thử thời gian dài để kiểm tra tính ổn định thiết bị điều khiển, đáp ứng mục tiêu mà đề tài đưa phần lớn yêu cầu 58 Võ Minh Phụng, Dương Thị Thanh Hiên, Võ Tiến Phúc người sử dụng Giao diện phần mềm thiết kế dễ dàng, đơn giản cho người sử dụng, tính ứng dụng cao, tiện lợi, tiết kiệm, an toàn, giá thành phải nên sử dụng rộng rãi cho cá nhân, gia đình, quan xí nghiệp Tuy nhiên, chi phí thời gian đầu tư ban đầu hạn chế, nên nghiên cứu đưa mơ hình điều khiển chức 4.2 Kết luận kiến nghị Sản phẩm kiến nghị sử dụng nhà nhỏ với yêu cầu chi phí lắp đặt thấp đảm bảo tính chất chức ngơi nhà thông minh Thiết bị điều khiển mà xây dựng cho phép kết nối thiết bị thành mạng điều khiển khơng dây yếu tố cốt lõi để tạo nên nhà thông minh giá rẻ Khi đó, ngơi nhà theo mơ hình truyền thống biến thành khơng gian tiện nghi, đại Thay phải di chuyển đến vị trí tự tay bật tắt thiết bị chúng ta việc điều khiển chúng thông qua phần mềm điều khiển điện thoại thơng minh TÀI LIỆU THAM KHẢO Kadam, R., Mahamuni, P., & Parikh, Y (2015) Smart home system International Journal of Innovative Research in Advanced Engineering, 2(1), 81-86 Khiyal, M S H., Khan, A., & Shehzadi, E (2009) SMS based wireless home appliance control system (HACS) for automating appliances and security Informing Science and Information Technology, 6, 887-894 Mendes, T D P., Osório, G J., Rodrigues, E M G., & Catalão, J P S (2013) Energy management in smart homes using an experimental setup with wireless technologies Paper presented at The International Conference on Engineering (ICE), Portugal Min, Z (2013) Design of multi-channel wireless remote switch control system for smart home control system Paper presented at The International Conference on Communications and Networks (CECNet), China Mohamed, A E M., Ahmed, F., & Ahmed, H (2014) Smart home automated control system using Android application and microcontroller International Journal of Scientific & Engineering Research, 5(5), 935-939 Naglic, M., & Souvent, A (2013) Concept of smart home and smart grids integration Paper presented at The International Conference on Engineering (ICE), Hungary Piyare, R., & Tazil, M (2011) Bluetooth based home automation system using cell phone Paper presented at The International Symposium on Consumer Electronics (ISCE), Singapore 59 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT [CHUYÊN SAN KHOA HỌC TỰ NHIÊN VÀ CÔNG NGHỆ] Princeton Technology Corp (2018) Remote control encoder PT2262, PT2272 datasheet Retrieved from https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/PT2262.pdf Ramlee, R A., Othman, M A., & Leong, M H (2013) Smart home system using Android application Paper presented at The International Conference of Information and Communication Technology (ICoICT), Indonesia Wang, Z., Liu, Z., & Shi, L (2010) The smart home controller based on Zigbee Paper presented at The International Conference on Mechanical and Electronics Engineering (ICMEE), Japan 60 ... liệu, cơng trình nghiên cứu nhà thơng minh từ tiến hành phác thảo chức điều khiển mơ hình nhà thơng minh; Về thực nghiệm, chúng thực xây dựng mô hình có đầy đủ chức ngơi nhà thông minh (Mohamed... đại cho người sử dụng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu xây dựng thiết bị điều khiển nhà thông minh thực dựa phương pháp tìm hiểu sở lý thuyết nghiên cứu sở thực nghiệm Về lý thuyết,... cầu điều kiện đặt mà điều khiển thiết bị theo mục đích cụ thể Đã có nhiều nghiên cứu hệ thống nhà thông minh nhiều nước giới Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào sử dụng kỹ thuật điện tử, điều khiển