Thiết kế nhà thông minh

Trong cuộc sống hiện nay tích hợp rất nhiều khoa học để giúp cuộc sống ngày một trở nên tốt hơn. Vậy tại sao chúng ta không thử làm một thứ gì đó mà chúng ta có thể làm được như làm cho ngôi nhà của bạn có thể hiểu được thứ mình nói, cửa có thể tự động mở, đèn có thể tự động sáng...

Mục lục CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH .4 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ XU HƯỚNG NHÀ THƠNG MINH 1.1.1 Cơng nghệ nhà thông minh Iot (Internet of Things) 1.1.2 Xu hướng nhà thông minh tương lai 1.2 CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA NHÀ THÔNG MINH 1.2.1 Hệ thống quản lí chiếu sáng 1.2.2 Hệ thống kiểm soát vào 1.2.3 Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc .7 1.2.4 Hệ thống cảm biến báo động, báo cháy 1.2.5 Hệ thống quản lý cấp điện, nước, gas 1.2.6 Hệ thống công tắc điều khiển trạng thái 1.2.7 Hệ thống mạng, xử lý trung tâm kết hợp hoạt động .9 1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NHÀ THÔNG MINH 10 1.3.1 Tương tác người thiết bị .10 1.3.2 Ngôn ngữ giao tiếp thiết bị thông minh 10 1.3.3 Hệ thống an toàn, an ninh 11 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ KHỐI CHO NHÀ THÔNG MINH 11 2.1 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH TRÊN SMART PHONE 11 2.1.1 Đặt vấn đề điều khiển nhà thông minh 11 2.1.2 Sơ đồ khối .11 2.2 KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM 13 2.2.1 Đặt vấn đề điều khiển 13 2.2.2 Tổng quan bo mạch Arduino 13 2.3 KHỐI GIAO TIẾP DỮ LIỆU 15 2.3.1 Phương pháp xử lý tín hiệu nhận diện giọng nói 15 2.3.2 Phương pháp nhận diện giọng nói sử dụng thuật tốn trí tuệ nhân tạo Google (AI) 17 2.3.3 Module bluetooth HC-05 18 2.4 KHỐI CHẤP HÀNH .19 2.4.1 Giới thiệu mạch relay 19 2.4.2 Giới thiệu khóa cửa điện 22 2.4.3 Giới thiệu thiết bị cảnh báo 24 2.5 KHỐI CẢM BIẾN 25 2.5.1 Cảm biến mưa 25 2.5.2 Cảm biến khí gas 26 2.5.3 Cảm biến điện dung .27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH.30 3.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM 30 3.1.1 Khái quát ý tưởng 30 3.1.2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý 30 3.1.3 Lắp đặt mạch điều khiển trung tâm 31 3.2 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH, THIẾT KẾ GIAO DIỆN VÀ KHỞI ĐỘNG HỆ THỐNG 32 3.2.1 Giới thiệu phần mềm Arduino IDE 1.8.10 32 3.2.2 Giới thiệu phần mềm thiết kế App Inventor 37 3.2.3 Kết nối Arduino với module HC-05 40 3.3 LẬP TRÌNH GIAO TIẾP KHỐI ĐIỀU KHIỂN VỚI THIẾT BỊ CHẤP HÀNH VÀ CẢM BIẾN .42 3.3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển 42 3.3.2 Lập trình khối xử lý trung tâm 44 3.4 LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH TRÊN SMART HOME .44 3.4.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển xử lý liệu smart phone 44 3.4.2 Thiết kế giao diện điều khiển phần mềm App Inventor .46 3.4.3 Lập trình ứng dụng điều khiển phần mềm App Inventor .46 KẾT QUẢ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC NHÀ THÔNG MINH 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 Chương 1: Khái quát hệ thống nhà thơng minh 1.1 TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ VÀ XU HƯỚNG NHÀ THƠNG MINH 1.1.1 Cơng nghệ nhà thông minh Iot (Internet of Things) Nhà thông minh 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 Hình 1.1 Ảnh minh họa nhà thông minh Trong nhà thông minh, đồ dùng nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet 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 Thêm vào đó, đồ gia dụng hiểu ngơn ngữ có khả tương tác với “Internet of Things (IoT) kịch giới, mà đồ vật, người cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thông tin, liệu qua mạng mà không cần đến 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.” (Wikipedia) Trong đề tài này, việc áp dụng IoT sử dụng thiết bị trung tâm kết nối với Internet, người dùng kiểm sốt thiết bị (bật/tắt) theo dõi (ghi nhận) thông tin thông cần thiết thơng qua thiết bị khác Ví dụ như: điện thoại, máy tính 1.1.2 Xu hướng nhà thông minh tương lai Xu hướng nhà thông minh điều khiển giọng nói: Cơng nghệ điều khiển giọng nói ứng dụng thành cơng số thiết bị smartphone, robot, tivi … Một số công ti nhà thông minh hiên nghiên cứu sẳn xuất thiết bị điều khiển giọng nói thơng qua trợ lí ảo Điển gã khổng lồ Amazon Echo phần mềm trợ lí ảo alexa, thiết bị mãnh mẽ Xu hướng phát triển nhà thông minh nhờ trí tuệ nhân tạo AI: Cơng nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) trí tuệ người lập trình tạo nên với mục tiêu giúp máy tính tự động hóa hành vi thơng minh người, học hỏi khả thích ứng thơng minh máy móc Mọi việc nhà người khộng động tay chân nữa, từ miếng ăn giấc ngủ 1.2 CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN CỦA NHÀ THƠNG MINH 1.2.1 Hệ thống quản lí chiếu sáng Tính cảm biến chuyển động: Với tính thơng minh cần có người bước vào sân nhà đèn sân tự động bật sáng để chiếu sáng Khi có khách vào nhà hệ thống chiếu sáng đèn tiền sảnh, lầu tự động tăng dần cường độ sáng lên 30% , giúp tạo cường độ chiếu sáng vừa phải, dịu mắt đảm bảo đủ sáng cho việc lại nhà thông minh Đây giống hiệu ứng để chào khách Và hệ thống đèn tự động tắt sau phút sau khơng di chuyển khu vực Các đèn hoạt động dựa vào cảm biến chuyển động Hình 1.2 Điều khiển đèn qua máy tính bảng Điều khiển theo hoạt cảnh: Từ hình màu cảm ứng thơng minh ngơi nhà, ta điều khiển toàn hệ thống chiếu sáng, an ninh, điều hòa… nhà Như ta ấn kịch tiếp khách đèn khu thư viện bị tắt, đèn chùm tăng độ sáng cách nhanh chóng vòng giây Đồng thời nhóm đèn hành lang tăng dần độ sáng thiết bị phụ trợ khác nhà bật sáng 1.2.2 Hệ thống kiểm soát vào Là hệ thống cửa từ bao gồm thiết bị khóa từ, khóa thẻ từ, khóa cửa thẻ từ, khóa vân tay, cửa từ mở cửa nhằm mục đích bảo vệ, giám sát khu vực quan trọng hạn chế người khơng có nhiệm vụ vào, có hệ thống kiểm soát vào thẻ, kiểm soát vào vân tay Hệ thống giúp khóa cửa từ xa kiểm soát hoạt động vào thơng qua kết nối khơng giây Hình 1.3 Một số hệ thống kiểm soát vào Trên thị trường có nhiều loại sản phẩm kiểm sốt cửa với đa dạng nhà phân phối, phân chia làm loại kiểm sốt cửa vân tay, kiểm sốt cửa nhận diện khn mặt, kiểm soát cửa thẻ từ hay kết hợp nhiều loại phương thức xác thực vào thiết bị 1.2.3 Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc Hệ thống quan sát giúp việc kiểm soát an ninh, người vào/ra nhà… giúp cho gia chủ nhận diện khách nhanh chóng thơng qua hệ thống camera Với hệ thống camera, ngóc ngách nhà ln giám sát 24/7 Chủ nhà giám sát ngơi nhà mình, hay xem làm khơng có nhà Smartphone, máy tính bảng từ xa thống qua wifi, 3G, 4G Hình 1.4 Hệ thống camera Hệ thống thông tin liên lạc điện thoại cố định điện thoại mẹ Hệ thống giúp liên lạc phòng với cách nhanh chóng Ngồi chức liên lạc nhà, hệ thống cần kết nối với mạng điên thoại để tiện cho việc giao tiếp, để làm việc cần đến chuyển kênh 1.2.4 Hệ thống cảm biến báo động, báo cháy Các cảm biến cảm biến khí gas, cảm biến hồng ngoại, cảm biến chuyển động… Các cảm biến chuyển động hệ thống chiếu sáng kích hoạt tự động trở thành hệ thống chống trộm Khi có nguy bị đột nhập, thiết bị cảnh báo chỗ chuông báo động thống báo smartphone Cũng tương tự hệ thống báo cháy cảnh báo chủ nhà xuất hỏa hoạn để ngăn chặn cách kịp thời 1.2.5 Hệ thống quản lý cấp điện, nước, gas Mục đích hệ thống nhằm đo lường báo lại thông số điện, nước thường xuyên, kết hợp với hệ thống quản lí chiếu sáng hệ thống kiểm sốt vào từ tự động bật/tắt thiết bị nhà nhằm tiết kiệm lượng Ngoài cảm biến giúp bạn cảnh báo nguy khác rò rỉ khí gas, mực nước bể chứa thấp, bể đường ống nước, cháy chập điện… 1.2.6 Hệ thống công tắc điều khiển trạng thái Hệ thống công tắc bảng hiển thị cung cấp thông tin nhận lệnh điều khiển từ gia chủ Đảm bảo tương tác hai chiều thành viên hệ thống tự động Hệ thống bao gồm: điều khiển từ xa, công tắc gắn tường, bảng điều khiển tương tác HDMI… Hình 1.5 Bảng điều khiển nhà thông minh Thông thường để điều khiển tất thiết bị nhà, bạn cần tới hàng chục cơng tắc, chí với nhà lớn hàng trăm cơng tắc Với nhà thơng minh, bạn điều khiển tất vài nút bấm hình cảm ứng smartphone hay máy tính bảng Bạn điều khiển kiểm sốt ngơi nhà thơng qua giao diện trực quan 3D, thiết bị mô giống sử dụng thực tế, cần chạm vào thiết bị tương ứng hình để điều khiển 1.2.7 Hệ thống mạng, xử lý trung tâm kết hợp hoạt động Ngôi nhà thông minh đánh giá cao khác hẳn với ngơi nhà bình thường trang bị hệ thống mạng điều khiển, tồn thay đổi điều khiển tự động nhà xử lí đồng thơng qua hệ thống mạng xử lí trung tâm Nó có vai trò quan trọng, làm nhiệm vụ liên kết hệ thống khác nhà lại với nhau, điều phối hệ thống chấp hành cách nhịp nhàng theo điều kiện tác động lập trình trước 1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NHÀ THÔNG MINH 1.3.1 Tương tác người thiết bị Sự kiện tương tác kích hoạt hệ thống nhà thơng minh dựa vào chế cảm biến hành động Nó hoạt động nhờ vào cảm biến thông minh nhà bạn Một số kiện tương tác nhiệt độ, độ ẩm, giọng nói… Hình 1.6 Điều khiển thiết bị smartphone Bạn điều khiển tất thiệt bị hệ thống điều khiển thông minh giọng nói giúp bật/tắt thiết bị hay ngữ cảnh cách nhanh chóng.Ngồi ra, giúp trẻ em người lớn tuổi không am hiểu công nghệ sử dụng dễ dàng 1.3.2 Ngơn ngữ giao tiếp thiết bị thông minh Trong giới kết nối an tồn, sản phẩm thơng minh cần phải có khả trao đổi thơng tin thiết bị với Để làm vậy, chúng cần phải có chung ngơn ngữ Ngơn ngữ giúp thiết bị hiểu nhằm thực hành động, chẳng hạn bật/tắt đèn Các ngôn ngữ cho thiết bị nhà thơng minh bluetooth, wifi, knx,… 10 Hình 3.10: Vùng làm việc thiết kế giao diện App Inventor Đây phần thiết kế giao diện, giao diện hệ thống giống với giao diện ảo ta thiết kế Việc thiết kế đơn giản, ta cần kéo thả ứng dụng bên trái vào giao diện ảo, bên phải thiết lập: tên, màu sắc, kích thước,… 39 Hình 3.11: Vùng làm việc thiết kế code thuật toán Sau thiết kế xong phần giao diện, ta chuyển sang phần lập trình Ta thực kéo thả khối bên tay trái khớp khối với theo logic lập trình 3.2.3 Kết nối Arduino với module HC-05 a) Lưu đồ thuật toán kết nối Arduino module HC-05 40 Hình 3.12: Lưu đồ thuật tốn kết nối Arduino module HC-05 b) Lập trình nhận tín hiệu cho module HC-05 Code: 41 Do module HC-06 có sẵn chíp driver nên kết nối HC-05 với bo Arduino tự nhận, tốc độ truyền thông nối tiếp HC-06 với thiết bị ngoại vi mặc định 9600 Ở đây, module HC-06 hoạt động Client nên ta cần thiết lập nhận liệu với đoạn code 3.3 LẬP TRÌNH GIAO TIẾP KHỐI ĐIỀU KHIỂN VỚI THIẾT BỊ CHẤP HÀNH VÀ CẢM BIẾN 3.3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển 42 Bắt đầu Khai báo chuỗi Khai báo biến While (Serial avaiold) Sai Int rain = digitalRead(RAIN) break Int gas = digitalRead(GAS) Đ Int door = digitalRead(DOOR) Data+=C If data length()>0 Sai break If (rain== 1) If(door== 1) Đúng If(gas== 0) Serial.print (data) Myservo.write(120) If data = Bật đèn phòng If data = Tắt đèn phòng Delay(5000) Lcd.setcursor(0,0) Myservo.write(0) Lcd.print(Thoi tiet nang) Delay(3000) Lcd.clear() Lcd.setCursor(0,1) Lcd.print(Canh bao: Khí gas) DigitalWrite(BUZZER) Delay(2000) 43 3.3.2 Lập trình khối xử lý trung tâm } Đây đoạn mã xử lý trung tâm cho Smart Home, gồm cảm biến tiếp nhận liệu Khi có tín hiệu từ cảm biến, vi điều khiển thực thi lệnh lập trình Khi nhấn nút bật, tắt thiết bị lệnh giọng nói, điện thoại gửi liệu dạng byte text tới module blutooth HC-06 kết nối, HC-06 đưa mạch Arduino, byte text so sánh với data lập trình mạch, Arduino gửi lệnh điều khiển tới thiết bị chấp hành còi, LCD, relay 44 3.4 LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH TRÊN SMART HOME 3.4.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển xử lý liệu smart phone 45 Hình 3.13: Lưu đồ thuật toán điều khiển xử lý liệu smart phone 46 3.4.2 Thiết kế giao diện điều khiển phần mềm App Inventor Hình 3.14: Giao diện ứng dụng nhóm thiết kế Khối thiết lập kết nối Blutooth: Thiết lập kết nối tốc độ truyền với module HC-06 Nút nhận diện giọng nói: nhấn nút, ứng dụng kích hoạt microphone tạo file Text Khi ta nói, âm thu vào microphone xử lý ngôn ngữ Trí tuệ nhân tạo Google phát triển, sau xử lý xong, liệu gửi lưu file Text để truyền Arduino Nút nhấn công tắc: nút nhấn điều khiển bật tắt thiết bị từ xa 3.4.3 Lập trình ứng dụng điều khiển phần mềm App Inventor Code: 47 Hình 3.15: Thuật toán code kéo thả App Inventor Đây đoạn mã để thực tạo tín hiệu điều khiển xử lý nhận diện giọng nói chọn thiết bị kết nối 48 Kết thiết kế đồ án môn học nhà thông minh Ứng dụng: Mơ hình nhà thơng minh nhóm thiết kế mơ cách khái quát hệ thống nhà thông minh phát triển Theo dự đoán nhà khoa học cách mạng nhà thông minh đưa cách mạng 4.0 phát triển cách nhanh chóng Khi cơng nghệ thâm nhập vào gia đình, thay đổi cách người sử dụng cơng nghệ, cách người sinh hoạt, giao tiếp Con người có thời gian cho trải nghiệm thú vị khác Nhà thông minh mạng nơ ron cấu trúc phát triển cơng nghệ trí tuệ nhân tạo, hay cơng nghệ số hóa Các thiết bị thơng minh không cong bị giới hạn nhà thông minh mà dần phát triển thành, đô thị thông minh, thành phố thông minh Kết quả: Module blutooth HC-06 bắt sóng với khoảng cách tối đa 10m, hoạt động ổn định Độ trễ điều khiển nhỏ - Hệ thống điều khiển bật tắt đèn giọng nói hoạt động tốt, không bị nhiễu - Module cảm biến mưa, gas, cửa hoạt động theo lập trình hệ thống - Các kí tự hiển thị LCD rõ nét, khơng bị mờ, thời gian từ có tín hiệu từ cảm biến đến hiển thị LCD 2s - Ro le đóng cắt tiếp điểm liên tục không gây nhiễu cho vi điều khiển, khơng có tượng reset xung điện từ từ tiếp điểm ro le gây Đánh giá: Ưu điểm: Hệ thống hoạt động theo logic lập trình cho hệ thống - Thời gian nhận diện giọng nói phản hổi nhanh - Chi phí khơng q cao đảm bảo độ ổn định Nhược điểm: Hệ thống cần nguồn nuôi cao 5V-2A cao so với mức tính tốn nhóm 49 Tài liệu tham khảo https://vi.wikipedia.org/wiki/Internet_V%E1%BA%A1n_V%E1%BA%ADt https://www.arduino.cc/ http://genk.vn/mobile/thu-nghiem-dieu-khien-giong-noi-bang-tieng-viet-moi-duocho-tro-tren-google-now-20151006172805106.chn http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi https://techinsight.com.vn/ung-dung-nhan-dien-hinh-anh-va-nhan-dang-giong-noivoi-cong-nghe-machine-learning/ http://arduino.vn/bai-viet/181-gioi-thieu-servo-sg90-va-cach-dieu-khien-bangbien-tro http://arduino.vn/bai-viet/333-dieu-khien-arduino-thong-qua-bluetooth-bang-dienthoai-android http://machtudong.vn/sanpham/bluetooth-module-3v-55v-ket-noi-serial-slave-hc06.html http://baodansinh.vn/smart-home -xu-huong-phat-trien-trong-tuong-lai-90241.htm https://www.wikipedia.org/ Sách lập trình IOT với Arduino Sách Machine Learrning Sách Giáo trình C++ Sách lập trình với App Inventor 50 51 52 53