LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

Nhà thông minh hay hệ thống nhà thông minh là một ngôi nhà/căn hộ được trang bị các hệ thống tự động thông minh cùng với cách bố trí hợp lý, các hệ thống này có khả năng tự điều phối các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

Trình độ đào tạo: Đại Học Chính Quy Ngành: Điện – Điện Tử

Chuyên ngành: Điện Điều Khiển & Tự Động Hóa Giảng viên hướng dẫn: Th.s Châu Nguyễn Ngọc Lan Sinh viên thực hiện: Lê Văn Hiếu

Vũng Tàu, 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

(SMART HOME CONTROL SYSTEM)

KỸ SƯ NGÀNH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

Trình độ đào tạo: Đại Học Chính Quy Ngành: Điện – Điện Tử

Chuyên ngành: Điện Điều Khiển & Tự Động Hóa Giảng viên hướng dẫn: Th.s Châu Nguyễn Ngọc Lan Sinh viên thực hiện: Lê Văn Hiếu

Vũng Tàu, 2019

LỜI CẢM ƠN

Sau hơn 4 năm học tập, rèn luyện, trau dồi kiến thức tại trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu, được sự giảng dạy tận tâm của các thầy cô, sự hỗ trợ đắc lực từ gia đình cũng như sự giúp đỡ nhiệt tình từ bạn bè, anh chị khóa trước, ngày hôm nay em đã bước vào chặng cuối của hành trình - hoàn thành luận văn tốt nghiệp để ra trường

Để được như ngày hôm nay, ngoài việc cố gắng, nổ lực từ bản thân thì còn rất nhiều người đã giúp đỡ, khích lệ em trong suốt chặng đường Vì vậy em muốn gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến những người sau đây:

Lời đầu tiên, con cảm ơn ba mẹ, đã hy sinh cả đời mình để tạo điều kiện tốt nhất cho con được học tập

Tiếp theo, em xin cảm ơn quý thầy, cô trong khoa Điện – Điện tử đã truyền đạt cho

em những kiến thức quý giá suốt những năm học qua Đặc biệt, em xin cảm ơn Cô Châu Nguyễn Ngọc Lan, người đã đã tận tình hướng dẫn, góp ý để em có thể hoàn thành luận văn này

Mình cũng xin cảm ơn những bạn bè, anh chị đã động viên, giúp đỡ, sát cánh bên nhau trong thời gian làm luận văn cũng như suốt 4 năm học qua

Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe để tiếp tục truyền đạt những kiến thức quý báu cho các thế hệ sinh viên chúng em Con chúc ba mẹ thật nhiều sức khỏe, niềm vui và hạnh phúc Chúc các anh chị, các bạn thành công và vững bước trên con đường mình đã chọn

Xin chân thành cảm ơn!

Vũng Tàu, tháng 6 năm 2019

Sinh viên

Lê Văn Hiếu

MỤC LỤC

Chương 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 3

1.1 Lý do chọn đề tài luận văn: 3

1.2 Mục tiêu của đề tài: 3

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 4

1.4 Ý nghĩa của đề tài: 4

Chương 2 TỔNG QUAN 5

2.1 Nhà thông minh là gì? 5

2.2 Các thành phần cơ bản trong nhà thông minh: 6

2.2.1 Hệ thống quản lý chiếu sáng: 6

2.2.2 Hệ thống kiểm soát ra vào: 6

2.2.3 Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc: 7

2.2.4 Hệ thống giải trí đa phương tiện: 7

2.2.5 Hệ thống quản lý tiêu thụ năng lượng: 7

2.2.6 Hệ thống cảm biến và báo động: 7

2.2.7 Hệ thống kiểm soát môi trường: 8

2.2.8 Hệ thống các công tắc điều khiển trạng thái: 8

2.2.9 Hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển, giám sát từ xa: 8

2.3 Tình hình phát triển trong và ngoài nước: 9

2.3.1 Đối với tình hình ngoài nước: 9

2.3.2 Đối với tình hình trong nước: 9

2.4 Phân tích, lựa chọn phương án thực hiện đề tài: 10

2.4.1 Phương án thực hiện: 10

2.4.2 Phân tích phương án đã chọn: 12

Chương 3 TÌM HIỂU VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM 14

3.1 Kit STM32F407 Discovery: 14

3.1.1 Các tính năng nổi bật: 14

3.1.2 Các khối chức năng chính được sử dụng trong luận văn: 15

3.2 Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU: 18

3.3 Các cảm biến được sử dụng: 20

3.3.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11: 20

3.3.2 Cảm biến sáng quang trở CDS: 22

3.3.3 Cảm biến mưa: 23

3.3.4 Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC – SR501: 23

3.3.5 Cảm biến khí gas MQ-2: 24

3.4 Mạch RFID RC522 NFC: 25

3.5 Màn hình hiển thị LCD: 26

3.5.1 LCD text 1604 xanh dương: 26

3.5.2 LCD text 2004 xanh dương: 27

3.5.3 Mạch chuyển giao tiếp LCD 1602 và LCD 2004 sang I2C: 27

3.6 Module 8 relay: 28

3.7 Các thiết bị khác: 29

3.7.1 Đèn led, quạt: 29

3.7.2 Động cơ RC Servo 9G: 29

3.7.3 Cảm ứng một chạm điện dung TTP223B: 30

3.8 Các phần mềm được sử dụng: 31

3.8.1 Arduino IDE: 31

3.8.2 Keil uVision5 và STM32CubeMX: 31

3.9 Giao thức MQTT : 32

3.9.1 Tìm hiểu giao thức MQTT: 32

3.9.2 Cloud MQTT: 34

3.9.3 Ứng dụng điều khiển giám sát từ xa: 35

3.10 Cập nhật thời gian thực từ NTP server: 36

Chương 4 THIẾT KẾ, THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ HÌNH NGÔI NHÀ 37

4.1 Tổng quan hệ thống: 37

4.2 Mô hình ngôi nhà: 38

4.3 Bộ điều khiển trung tâm: 39

4.3.1 Thiết kế, thi công mạch điều khiển trung tâm: 40

4.3.2 Thiết kế, thi công mạch nút nhấn: 42

4.3.3 Bộ điều khiển trung tâm sau khi tích hợp: 43

Chương 5 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 44

5.1 Các tính năng của hệ thống điều khiển nhà thông minh: 44

5.2 Giải thuật điều khiển: 45

5.2.1 Đóng mở cửa bằng RFID: 45

5.2.2 Hoạt động theo các kịch bản: 46

5.3 Lập trình cập nhật thời gian thực từ NTP sever: 51

5.4 Lập trình điều khiển, giám sát từ xa: 52

5.4.1 Lập trình cho kit STM32F407 và module ESP 8266 NodeMCU: 52

5.4.2 Tạo Broker MQTT trên CloudMQTT: 54

5.4.3 Thiết lập, tạo giao diện trên ứng dụng IoT OnOff: 56

Chương 6 KẾT QUẢ, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 58

6.1 Kết quả và hạn chế của đề tài: 58

6.1.1 Kết quả: 58

6.1.2 Hạn chế: 59

6.2 Hướng phát triển đề tài: 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 11

Hình 3.1: Kit STM32F407 Discovery [2] 14

Hinh 3.2: Cấu trúc cơ bản của một chân I/O đa chức năng [3] 16

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc khối giao tiếp USART [3] 17

Hình 3.4: Cấu trúc của một chân I2C [3] 18

Hình 3.5: Module thu phát Wifi 8266 NodeMCU [4] 18

Hình 3.6: Các chân của Module Wifi 8266 NodeMCU [4] 19

Hình 3.7: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 20

Hình 3.8: Tín hiệu start từ MCU và phản hồi của DHT11 [5] 21

Hình 3.9: Bit 0 [5] 21

Hình 3.10: Bit 1 [5] 22

Hình 3.11: Cảm biến quang trở CDS 22

Hình 3.12: Cảm biến mưa 23

Hình 3.13: Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC – SR501 23

Hình 3.14: Cảm biến khí gas 24

Hình 3.15: Mach RFID RC552 NFC 25

Hình 3.16: LCD text 1604 xanh dương 26

Hình 3.17: LCD text 2004 xanh dương 27

Hinh 3.18: Mạch chuyển giao tiếp LCD 1602 và LCD 2004 sang I2C 27

Hình 3.19: Module 8 relay 28

Hình 3.20: Đèn hắt sang trắng 3 bóng 29

Hình 3.21: Quạt tản nhiệt 4x4x1cm 29

Hình 3.22: Động cơ RC Servo 9G 30

Hình 3.23: Cảm ứng một chạm điện dung TTP223B 30

Hình 3.24: Mô hình publish/ subscribe 33

Hình 3.25: Trang CloudMQTT 35

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống 37

Hình 4.2: Mô hình ngôi nhà 38

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm 40

Hình 4.4: Mạch in bộ điều khiển trung tâm 41

Hình 4.5: Kêt quả thi công mạch điều khiển trung tâm 41

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nút nhấn 42

Hình 4.7: Mạch in nút nhấn 42

Hình 4.8: Kết quả thi công mạch nút nhấn 43

Hình 4.9: Bộ điều khiển trung tâm 43

Hình 5.1: Sơ đồ giải thuật đóng mở cửa dùng thẻ RFID 45

Hình 5.2: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn phòng vệ sinh 46

Hình 5.3: Sơ đồ giải thuật báo động khí gas 46

Hình 5.4: Sơ đồ giải thuật đóng cửa sổ khi trời mưa 47

Hình 5.5: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn, quạt ở Kịch bản 2 - Tiếp khách 48

Hình 5.6: Sơ đồ giải thuật Kịch bản 3 – Ra khỏi nhà 49

Hình 5.7: Sơ đồ giải thuật điều khiển quạt Kịch bản 4 - Đi ngủ 50

Hình 5.8: Sơ đồ giải thuật chống trộm Kịch bản 4 - Đi ngủ 50

Hình 5.9: Sơ đồ giải thuật báo thức Kịch bản 4 - Đi ngủ 51

Hình 5.10: Sơ đồ khối điều khiển giám sát từ xa qua Internet 52

Hình 5.11: Sơ đồ giải thuật lập tình STM32F407 giao tiếp ESP8266 53

Hình 5.12: Sơ đồ giải thuật lập trình ESP8266 54

Hình 5.13: Gói “Humble Hedgehog” của CloudMQTT 55

Hình 5.14: Cung cấp thông tin broker cho ứng dụng IoT OnOff 56

Hình 5.15: Ứng dụng IoT OnOff kết nối broker 57

Hình 5.16: Giao diện điều khiển được tạo trên ứng dụng IoT OnOff 57

Hình 6.1: Bộ điều khiển và mô hình ngôi nhà sau khi hoàn thành 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Giao tiếp giữa mạch chuyển đổi LCD sang I2C với MCU 28

Bảng 4.1: Bố trí cảm biến và các thiết bị 38

Bảng 4.2: Các chân vi điều khiển sử dụng 40

Bảng 5.1: Các topic phải tạo 56

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MQTT: Message Queuing Telemetry Transport

MCU: Micro-controller Unit

AI: Artificial Intelligence

NTP: Network Time Protocol

1

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày thành 6 chương với những nội dung cơ bản sau:

Chương 1 Giới thiệu đề tài: Ở chương này, em trình bày lý do chọn đề tài, mục

tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu cũng như ý nghĩa của đề tài

Chương 2 Tổng quan: Đề cập đến khái niệm nhà thông minh, những thành

phần cơ bản nhất của một hệ thống nhà thông minh Ngoài ra còn trình bày tình hình phát triển của lĩnh vực nhà thông minh trong và ngoài nước Cuối cùng dựa trên những kiến thức đó phân tích, lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài

Chương 3 Tìm hiểu phần cứng và phần mềm: Ở chương này trình bày phần

cứng, phần mềm, và những kiến thức liên quan Cụ thể phần cứng gồm: kit STM32F407 Discovery, ESP8266 NodeMCU, các loại cảm biến: nhiệt độ, mưa, ánh sáng,…Phần mềm gồm: Arduino IDE, Keil uVision 5, STM32CubeMX Một số kiến thức liên quan như giao thức MQTT, NTP server

Chương 4 Thiết kế, thi công bộ điều khiển và mô hình ngôi nhà: Trình bày

trình tự thiết kế và thi công phần cứng

Chương 5 Giải thuật điều khiển: Trong chương này trình bày những thuật toán

điều khiển gồm: thuật toán điều khiển đóng mở cửa dùng thẻ RFID, thuật toán điều khiển theo kịch bản, thuật toán điều khiển và giám sát từ xa,…

Chương 6: Kết quả, hạn chế và hướng phát triển của đề tài: Kết quả đạt được

của đề tài, những hạn chế và hướng phát triển của hệ thống trong tương lai

2

MỞ ĐẦU

Nếu như trước đây, nhà thông minh chỉ toàn nằm trong trí tưởng tượng cũng như trên phim ảnh mà thôi, thì hiện nay nhà thông minh đã rất phát triển và trở nên phổ biến Ở nước ta, thuật ngữ này đã không còn quá xa lạ với người dân Hàng loạt các công ty nghiên cứu, cung cấp giải pháp nhà thông minh ra đời, nhiều căn hộ cao cấp được lắp đặt và sử dụng công nghệ này Tuy nhiên để sở hữu một căn nhà với những chức năng hiện đại như điều khiển chiếu sáng, điều khiển rèm cửa, hệ thống

an ninh báo trộm, báo cháy hay gần đây là công nghệ trợ lý ảo thì người dùng phải

bỏ ra một số tiền không hề nhỏ, mà không phải ai cũng đủ khả năng chi trả Với mục đích vận dụng những kiến thức đã được học để tạo ra bộ thiết bị điều khiển cho chính ngôi nhà của mình với những tính năng cơ bản, giá phải chăng, em đã chọn đề tài “Hệ thống điều khiển nhà thông minh” Đề tài tập trung xây dựng bộ điều khiển on/off các thiết bị trong nhà, hoạt động theo các kịch bản, đọc và hiển thị cảm biến, chống trộm, điều khiển giám sát ngôi nhà từ xa thông qua mạng Internet

 Thứ hai, em có thể áp dụng được nhiều kiến thức đã được học vào đề tài như kiến thức lập trình vi điều khiển, kiến thức về các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, hoặc kiến thức về giao tiếp giữa 2 vi điều khiển,…Đây cũng là cơ hội để em tìm hiểu thêm kiến thức mới, rèn luyện tính tự chủ và tinh thần trách nhiệm trong công việc

 Thứ ba, dưới sự phổ biến của công nghệ nhà thông minh hiện nay, thì nhu cầu tìm hiểu và phát triển càng trở nên cấp thiết

 Cuối cùng, với mục đích tạo ra được một bộ điều khiển với những tính năng

cơ bản, áp dụng được cho chính ngôi nhà của mình đã tạo thêm động lực thúc đẩy cho em thực hiện đề tài này

1.2 Mục tiêu của đề tài:

Hiểu rõ đặc điểm, tính năng và cấu trúc của ngôi nhà thông minh Nắm vững những tính năng của hệ thống chiếu sáng, hệ thống báo cháy, báo trộm trong nhà thông minh

Thiết kế và gia công bộ điều khiển ngôi nhà với những tính năng cơ bản sau:

 Có khả năng bật, tắt các thiết bị trong nhà bằng tay hoặc tự động theo các kịch bản

 Đọc và xử lý tín hiệu từ các cảm biến

 Đóng mở cửa bán tự động sử dụng thẻ RFID

 Báo trộm, rò khí gas

 Cập nhật thời gian thực, hẹn giờ báo thức

 Có thể điều khiển, giám sát từ xa bằng điện thoại kết nối mạng Internet Xây dựng mô hình ngôi nhà để có thể vận hành thử nghiệm bộ điều khiển trên

4

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Phạm vi của nhà thông minh rất rộng, từ cơ sở hạ tầng cho đến các chức năng, chế độ hoạt động

Trong luân văn tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống bật tắt các thiết bị trong nhà theo kịch bản, báo trộm, báo rò khí gas, hẹn giờ báo thức Điều khiển, giám sát

từ xa thông qua Internet

1.4 Ý nghĩa của đề tài:

Là tài liệu hữu ích cho những ai mới bắt đầu tìm hiểu về hệ thống nhà thông minh Đặc biệt là tài liệu tham khảo cho những ai muốn tự thiết kế, chế tạo một bộ điều khiển ngôi nhà với những tính năng cơ bản

5

Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Nhà thông minh là gì?

Nhà thông minh hay hệ thống nhà thông minh là một ngôi nhà/căn hộ được trang

bị các hệ thống tự động thông minh cùng với cách bố trí hợp lý, các hệ thống này có khả năng tự điều phối các hoạt động trong ngôi nhà theo thói quen sinh hoạt và nhu cầu cá nhân của gia chủ Chúng ta cũng có thể hiểu ngôi nhà thông minh là một hệ thống chỉnh thể mà trong đó, tất cả các thiết bị điện tử gia dụng đều được liên kết với thiết bị điều khiển trung tâm và có thế phối hợp với nhau để cùng thực hiện một chức năng Các thiết bị này có thể tự đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước, hoặc là được điều khiển và giám sát từ xa nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên

Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống kiểm soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối Hệ thống cũng có thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera giám sát, hệ thống khóa cửa tự động, hệ thống phòng ngừa trộm Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống điều khiển giải trí tại gia – loa công suất khác nhau, hệ thống điện thoại, liên lạc nội bộ, hệ thống tưới nước

Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ các thiết bị trong nhà được kết nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các quyết định điều khiển phù hợp

Nhà thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng

từ nhiều năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng rãi của điện và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin Công nghệ nhà thông minh là hiện thực và nó ngày càng trở nên tinh vi Các tín hiệu được mã hóa được gửi đi qua hệ thống dây dẫn, mạng không dây đến các bộ chuyển mạch, ổ điện được lập trình sẵn để vận hành các đồ gia dụng và thiết bị điện tử ở trong ngôi nhà

2.2 Các thành phần cơ bản trong nhà thông minh:

2.2.1 Hệ thống quản lý chiếu sáng:

Các thiết bị chiếu sáng như bóng đèn sợi đốt, đèn neon, đèn ngủ, trang trí…được sử dụng rất nhiều Vì vậy nếu phối hợp chiếu sáng không hợp lý sẽ dẫn tới bị “ô nhiễm” ánh sáng Ngoài ra, việc chiếu sáng như vậy còn gây lãng phí điện, giảm tuổi thọ thiết bị Bên cạnh đó số lượng đèn dùng để chiếu sáng là khá lớn, gia chủ sẽ gặp những bất tiện nhỏ trong việc bật tắt, điều chỉnh độ sáng cho phù hợp

Hệ thống chiếu sáng sẽ được tích hợp chung với các hệ thống khác hoặc sẽ được tách riêng ra để điều khiển độc lập Các giải pháp đều nhằm tối ưu hóa hệ thống và giúp gia chủ điều khiển dễ dàng hơn Các giải pháp kết hợp sẽ được tính đến để tự động hóa tới mức tối đa

2.2.2 Hệ thống kiểm soát ra vào:

Khi gia chủ đi vắng, việc kiểm soát các hệ thống vào ra trong ngôi nhà là rất quan trọng, giúp đề phòng trộm v.v… Ngôi nhà thông minh cung cấp hệ thống kiểm soát vào ra cho phép chủ nhà quản lý và cấp quyền “đăng nhập” cho các thành viên trong gia đình và người thân

Hệ thống cửa ra vào sẽ được lắp đặt các khóa vân tay hoặc thẻ từ… nhằm nhận dạng người trong nhà hoặc khách để cấp quyền “đăng nhập” Ngoài ra, còn có thể dùng hệ thống nhận diện khuôn mặt hay giọng nói

Mỗi khi có sự kiện mới, hệ thống kiểm soát ra vào này cũng sẽ kích hoạt các

hệ thống khác để lưu giữ các thay đổi do người dùng tạo ra

7

2.2.3 Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc:

Một ngôi nhà bình thường sẽ có từ 4 đến 5 phòng kín, và do vậy sẽ có một vài vấn đề khó khăn khi giao tiếp từ phòng này sang phòng khác Một hệ thống thông tin liên lạc nội bộ có thể giúp giải quyết vấn đề này

Hệ thống liên lạc nội bộ đơn giản có thể là các điện thoại cố định Ngoài chức năng liên lạc trong nhà, hệ thống này cần được kết nối với mạng điện thoại để tiện cho việc giao tiếp và công việc hơn, để làm việc này cần đến một bộ chuyển kênh

Hệ thống quan sát sẽ giúp việc kiểm soát an ninh, người vào/ra ngôi nhà…giúp cho gia chủ nhận diện khách nhanh chóng thông qua camera

2.2.4 Hệ thống giải trí đa phương tiện:

Ngôi nhà là nơi sinh hoạt của một gia đình có thể gồm nhiều thế hệ và mỗi thế

hệ lại có nhu cầu giải trí khác nhau Do đó, một hệ thống giải trí đa phương tiện sẽ cung cấp cho các thành viên những hoạt động giải trí phù hợp…

2.2.5 Hệ thống quản lý tiêu thụ năng lượng:

Đối với một ngôi nhà bình thường thì việc cung cấp và đo lường các chỉ số điện nước đều phải thông qua các cơ quan nhà nước

Ngôi nhà thông minh cung cấp giải pháp nhằm đo lường và báo lại các thông

số điện, nước thường xuyên, kết hợp với bộ xử lý trung tâm và các hệ thống khác

để tiết kiệm năng lượng

2.2.6 Hệ thống cảm biến và báo động:

Hệ thống các cảm biến là thành phần quan trọng trong bất kì hệ thống nào của ngôi nhà, các cảm biến có nhiệm vụ gửi các thông số đo được về cho bộ xử lý trung tâm để có giải pháp phù hợp với từng gói dữ liệu và xử lý từng tình huống tương ứng

Các cảm biến cơ bản như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến gas, cảm biến

áp suất, cảm biến hồng ngoại…

8

2.2.7 Hệ thống kiểm soát môi trường:

Môi trường sống là nhân tố rất quan trong trong cuộc sống Nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của mỗi thành viên trong gia đình Trong thời đại công nghiệp hóa thì độ ô nhiễm môi trường ngày càng cao Vì vậy việc bảo vệ môi trường sống được các nhà khoa học rất chú trọng

Hệ thống kiểm soát môi trường sẽ đảm bảo môi trường trong nhà luôn ở tình trạng tốt nhất cho con người Hệ thống kiểm soát môi trường có thể gồm các thiết

bị như: máy điều hòa, hệ thống quạt thông gió

2.2.8 Hệ thống các công tắc điều khiển trạng thái:

Hệ thống các công tắc và bảng hiển thị sẽ cung cấp thông tin cũng như nhận lệnh điều khiển từ gia chủ Đảm bảo sự tương tác hai chiều giữa các thành viên và

hệ thống tự động Hệ thống bao gồm: các điều khiển từ xa, các công tắc gắn tường, các bảng điều khiển tương tác HMI, điện thoại thông minh…

2.2.9 Hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển, giám sát từ xa:

Ngôi nhà thông minh được đánh giá cao và khác hẳn những ngôi nhà bình thường là do nó được trang bị một hệ thống điều khiển và toàn bộ các thay đổi và điều khiển tự động trong ngôi nhà được xử lý đồng nhất thông qua hệ thống xử lý trung tâm Nó có vai trò quan trọng, làm nhiệm vụ liên kết các hệ thống khác trong ngôi nhà lại với nhau, điều phối của hệ thống chấp hành một cách nhịp nhàng theo các điều kiện tác động được lập trình từ trước Chúng ta gọi đó là các kịch bản – hay là các điều kiện môi trường trong ngôi nhà Gần đây với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI) thì quá trình điều khiển ngôi nhà càng trở nên tinh vi hơn Một vài sự kết hợp tiêu biểu:

 Hệ thống chiếu sáng với Hệ thống xử lý trung tâm có thể học và thực hiện theo thói quen của người sử dụng Hay các thiết bị chiếu sáng sẽ hoạt động theo chu trình thời gian đặt trước

 Hệ thống chiếu sáng kết hợp với Hệ thống cảm biến cung cấp khả năng tự động điều khiển ánh sáng như: đèn tự động tắt khi không có người trong phòng

9

 Hệ thống cảnh báo kết hợp với hệ thống chiếu sáng: khi có vấn đề xảy ra như cháy nổ, phát hiện ăn trộm…các bóng đèn sẽ chớp sáng liên tục, đồng thời sẽ có tiếng còi báo hiệu

 Hệ thống cảm biến kết hợp với hệ thống xử lý trung tâm báo cáo tình trạng lưu trữ điện trong các UPS, báo cáo mực nước trong bồn chứa…nhằm đảm bảo nguồn cung cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày

 Hệ thống giải trí đa phương tiện kết hợp với hệ thống chiếu sáng nhằm đem lại những giây phút thư giãn cho thành viên trong gia đình

2.3 Tình hình phát triển trong và ngoài nước:

2.3.1 Đối với tình hình ngoài nước:

Trên phạm vi toàn cầu, nhà thông minh được xem là một lĩnh vực có dư địa phát triển rất lớn Các đại gia công nghệ như Microsoft, Apple, Google, Samsung tỏ ra sốt sắng với xu hướng này thông qua hàng loạt những dự án liên quan Google mua lại Nest (hãng sản xuất bộ điều khiển nhiệt độ thông minh và thiết bị báo khói), Samsung ra mắt hệ thống nhà thông minh khép kín trong các thiết bị của hãng, Apple giới thiệu nền tảng phát triển ứng dụng nhà thông minh HomeKit [1]

Ngoài ra, nhắc đến những thương hiệu nhà thông minh đến từ nước ngoài, không thể không kể đến: hãng Schneider của Pháp, Smartg4 của Mỹ, Gamma của Đức, Các sản phẩm thiết bị nhà thông minh đến từ nước ngoài đều mang trong mình những ưu điểm vượt trội về thiết kế, tính năng với những giải pháp tiên tiến

và hiện đại

2.3.2 Đối với tình hình trong nước:

Các doanh nghiệp Việt Nam vẫn không ngừng bám đuổi công nghệ trên thế giới, không ngừng nghiên cứu về nhà thông minh Thực tế, đã có nhiều doanh nghiệp của chúng ta cho ra mắt sản phẩm nhà thông minh “Made in Vietnam”

Ta có thể kể tới:

 Nhà thông minh BKAV:

- BKAV hiện đang cung cấp 2 sản phẩm Nhà thông minh là BKAV SmartHome thế hệ 2 và BKAV Smarthome Luxury

10

- BKAV SmartHome kết nối tất cả các thiết bị điện trong ngôi nhà thành một

hệ thống mạng, để có thể điều khiển chúng theo các kịch bản thông minh, bao gồm: hệ thống đèn chiếu sáng, rèm cửa, điều hoà nhiệt độ, tivi, âm thanh, khoá cửa, bình nóng lạnh, quạt thông gió, camera an ninh, chuông cửa có hình, hệ thống bơm tưới nước tiểu cảnh, bể cá

- Các thiết bị thông minh của BKAV SmartHome được đầu tư và chăm chút khá tỉ mỉ về vật liệu, thiết kế với mức giá tương đương với các nhà cung cấp nước ngoài như Seimens và Schneider Chi phí cho hệ thống nhà thông minh của BKAV được coi là khá đắt so với mặt bằng chung do hướng tới thị trường cao cấp Cụ thể BKAV SmartHome thế hệ 2 được chào bán với mức giá từ 30 – 50 triệu đồng, BKAV Smarthome Luxury khoảng từ 200

- 300 triệu đồng

- Về tính năng, nhà thông minh của BKAV có thể điều khiển trực tiếp thông qua thiết bị gắn trên tường hoặc dùng smartphone, máy tính bảng, có chức năng điều khiển bằng giọng nói, tích hợp các kịch bản ngữ cảnh thông minh

và sử dụng hệ điều hành SmartHome OS do BKAV phát triển

- Ngoài ra mới đây BKAV vừa cho ra mắt bộ thiết bị an ninh cao cấp BKAV SmartHome Security, bảo vệ ngôi nhà theo nhiều lớp, từ tường rào, sân vườn, các cửa tới từng khu vực, phòng ốc Khác với các thiết bị hiện có trên thị trường, BKAV SmartHome Security tích hợp trí tuệ nhân tạo (công nghệ AI) giúp phát hiện thông minh, loại bỏ các hiện tượng cảnh báo sai, nhầm các xâm nhập ngoài mong muốn đối với ngôi nhà

 Nhà thông minh Lumi:

- Lumi tập trung vào cung cấp các giải pháp chiếu sang thông minh, điều hòa, rèm cửa, bình nóng lạnh điều khiển tự động, âm thanh đa vùng, hệ thống an ninh, kiểm soát môi trường cho nhà ở…

- Lumi SmartHome được hết nối và điều khiển qua các thiết bị điện thông minh như công tắc cảm ứng, chiết áp cảm ứng, cảm biến, bộ điều khiển hồng ngoại Người sử dụng có thể điều khiển giám sát bằng smartphone/ máy tính bảng, điều khiển bằng giọng nói

Nhìn chung, các hệ thống này đã đáp ứng được phần lớn nhu cầu của người

sử dụng Tuy nhiên giá thành của chúng còn khá cao, những người có thu nhập vừa

và thấp thì khó có khả năng sở hữu được một hệ thống như vậy Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải giảm được giá thành sản phẩm để nhà thông minh ngày càng được phổ biến hơn

2.4 Phân tích, lựa chọn phương án thực hiện đề tài:

2.4.1 Phương án thực hiện:

Căn cứ vào những hiểu biết về hệ thống nhà thông minh đã tìm hiểu và trình bày ở trên, luận văn sẽ xây dựng nhà thông minh gồm các thành phần sau đây:

11

 Khối chiếu sáng: gồm các đèn led, và hệ thống cửa sổ có thể đóng mở nhờ động cơ

 Khối kiểm soát vào ra, báo động: Sử dụng thẻ từ RFID để kiểm soát người

ra vào, kết hợp với hệ thống cửa bán tự động Báo động bằng còi điện

 Khối cảm biến: Sử dụng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, mưa, ánh sáng, thân nhiệt chuyển động, gas để cung cấp thông tin cho bộ điều khiển

 Khối điều hòa không khí: gồm quạt thông gió, cửa sổ

 Khối xử lý trung tâm: Sử dụng kit STM32F407 Discovery làm bộ xử lý trung tâm, bên cạnh đó còn sử dụng thêm module Wifi ESP8266 NodeMCU

để kết nối mạng Internet đưa dữ liệu lên CloudMQTT và cập nhật thời gian thực Ngoài ra để điều khiển được các thiết bị điện gia dụng thì cần tích hợp thêm hệ thống relay, phím bấm và LCD cũng được trang bị để dễ dàng điều khiển trực tiếp

Khối xử lý trung tâm

Relay

Khối điều hòa không khí

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống Với giới hạn đề tài là xây dựng mô hình nhà thông minh, nên các thiết bị quạt, đèn thực tế sẽ được thay thế bằng đèn led và quạt tản nhiệt 12V Tuy nhiên các thiết bị vẫn sẽ được điều khiển thông qua relay để đảm bảo tính ứng dụng thực tế của đề tài

12

2.4.2 Phân tích phương án đã chọn:

Để đảm bảo cho nhu cầu sử dụng của người dùng và hệ thống hoạt động tốt,

ổn định thì việc lựa chọn vi điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển trung tâm đóng vai trò rất quan trọng Vi điều khiển được dùng trong đề tài phải có những yêu cầu bắt buộc sau:

 Hỗ trợ số lượng IO lớn

 Có hỗ trợ các giao tiếp UART, I2C, SPI

 Có bộ chuyển đổi ADC

Để giao tiếp giửa kit STM32F407 Discovery và ESP8266 NodeMCU thì có thể sử dụng các giao thức như UART, SPI hay I2C Do khi thực hiện khoảng cách giữa 2 hai vi điều khiển không xa, không yêu cầu tốc độ quá cao nên để đơn giản

em quyết định chọn giao thức UART

Hiện nay có nhiều giao thức giúp điều khiển thiết bị qua Internet mỗi giao thức

có ưu nhược điểm riêng Trong luận văn em đã sử dụng giao thức MQTT, một số

ưu điểm nổi bật của nó như: băng thông thấp, độ tin cậy cao và có thể sử dụng ngay

cả khi hệ thống mạng không ổn định, tốn rất ít byte cho việc kết nối với server và connection có thể giữ trạng thái open xuyên suốt, có thể kết nối nhiều thiết bị (MQTT client) thông qua một MQTT server (broker) Bởi vì giao thức này sử dụng

Ngoài ra, để cập nhật thời gian thực cho hệ thống em sử dụng ESP8266 NodeMCU kết nối Internet để đồng bộ thời gian từ server NTP ( Network Time Protocol) Phương pháp này có thể giúp tiết kiệm phần cứng khi không cần phải dùng những module thời gian thực như thông thường.

Bộ kit STM32F4 Discovery cho phép người dùng dễ dàng phát triển các ứng dụng với vi điều khiển có hiệu suất cao STM32F407VG Kit được tích hợp sẵn công

cụ ST-LINK giúp nạp chương trình, kiểm tra lỗi nhanh chóng

Hình 3.1: Kit STM32F407 Discovery [2]

3.1.1 Các tính năng nổi bật:

Một số tính năng của kit [2]:

 Bộ vi điều khiển STM32F407VGT6 có lõi ARM Cortex® 32-bit với lõi FPU, bộ nhớ Flash 1-Mbyte, RAM 192Kbyte trong gói LQFP100, tần số hoạt động 168MHz

 Cổng USB 2.0 tốc độ cao

 Ethernet LAN 10/100Mb

15

 3 kênh 12-bit ADC

 2 kênh 12-bit DAC

 2 kênh mạng chuẩn CAN

 4 UART, 3SPI, 3 I2C

 Camera 8-14 bits giao diện lên đến 54Mbytes/s

 16 kênh DMA

 Board có ST-LINK/V2 trên STM32F4-DISCOVERY giúp nạp chương trình, gỡ lỗi

 Board cấp nguồn: thông qua cổng USB hoặc nguồn 5V bên ngoài

 Cảm biến chuyển động LIS302DL, ST MEMS 3 trục gia tốc

 Cảm biến âm thanh MP45DT02 ST-MEMS, mic cảm biến âm thanh vô hướng kỹ thuật số

 Bộ chuyển đổi DAC âm thanh CS43L22

 USB OTG FS với cổng kết nối micro-AB

 Header mở rộng cho tất cả các I/O LQFP100 để kết nối với board

 Phần mềm miễn phí toàn diện bao gồm nhiều ví dụ, một phần của STM32 CubeF4 gói hoặc STSW-STM32068 cho việc sử dụng thư viện chuẩn

3.1.2 Các khối chức năng chính được sử dụng trong luận văn:

 Khối ngõ vào ra đa chức năng (GPIO):

 Đối với vi điều khiển STM32F407 loại 100 chân có 5 Port mỗi Port có 16 chân I/O đó là Port A, B, C, D và Port E ngoài ra còn có Port H có 2 chân I/O

 Mỗi chân GPIO có thể được cấu hình bằng phần mềm như đầu ra pull, hoặc open-drain và pull-up, pull-dow) hay đầu ra (pull-up, pull-dow)

(push- Dữ liê ̣u được xuất ra từ thanh ghi dữ liê ̣u hoă ̣c ngoa ̣i vi

 Có thể cho ̣n tốc đô ̣ xử lý cho các chân I/O

 Mỗi chân I/O lên đến 16 chức năng khác nhau

 Có khả năng đổi tra ̣ng thái nhanh chỉ trong 2 chu kì xung clock

16

Hinh 3.2: Cấu trúc cơ bản của một chân I/O đa chức năng [3]

 Khối giao tiếp USART:

STM32F407VG hỗ trợ bốn bộ phát nhận đồng bộ/không đồng bộ (USART1, USART2, USART3, USART6) và hai bộ phát nhận không đồng bộ (USART4, USART5) Các giao diện USRT1 và USART6 có thể truyền thông với tốc độ lên đến 10,5Mbit/s Các giao diện sẵn có khác có thể truyền thông với tốc độ 5,25Mbit/s

Một số đặc điểm chính của khối giao tiếp USART:

 Giao tiếp bất đồng bộ song công

 Đi ̣nh dạng tiêu chuẩn NRZ

 Chiều dài kí tự dữ liê ̣u có thể lâ ̣p trình được (8 bit hoă ̣c 9 bit)

 Có các bit cho phép tách biê ̣t đối với quá trình truyền và nhâ ̣n dữ liê ̣u

 Có các cờ phát hiê ̣n chuyển đổi

 4 cờ phát hiê ̣n lỗi

 10 nguồn ngắt được phát hiện với cờ

17

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc khối giao tiếp USART [3]

 Khối giao tiếp I2C:

I2C (inter-integrated circuit) là chuẩn truyền thông nối tiếp 2 dây gồm 1 dây xung clock(SCL) và 1 dây dữ liệu (SDA) Các chip chủ - tớ được nối chung với nhau trên hai đường dây này và được nối với điện trở treo

Kit hỗ trợ tối đa 3 đường I2C có thể hoạt động ở chế độ multimater và slave

Ở chế độ chuẩn hỗ trợ lên tới 100KHz và chế độ nhanh lên đến 400KHz Chúng hỗ trợ chế độ địa chỉ 7/10 bit và chế độ địa chỉ kép 7 bit

Có thể hoạt động như một Master hoặc Slave

18

Hình sau thể hiện cấu trúc của 1 chân I2C:

Hình 3.4: Cấu trúc của một chân I2C [3]

3.2 Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU:

Hình 3.5: Module thu phát Wifi 8266 NodeMCU [4]

Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản

19

Được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT

Thông số kỹ thuật: [4]

 IC chính: ESP8266 Wifi SoC

 Phiên bản firmware: NodeMCU Lua

 Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102

 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

 Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

 GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

 Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

 Kích thước: 25 x 50 mm

Hình 3.6: Các chân của Module Wifi 8266 NodeMCU [4]

20

3.3 Các cảm biến được sử dụng:

3.3.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11:

Hình 3.7: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn

có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào

Thông số kỹ thuật: [5]

 Điện áp hoạt động: 3 đến 5 VDC

 Dòng sử dụng lớn nhất: 2.5mA

 Đo tốt ở độ ẩm 20% - 80%RH với sai số ±5%

 Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C

 Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz

Nguyên lý hoạt động: [5]

 MCU gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại

21

Hình 3.8: Tín hiệu start từ MCU và phản hồi của DHT11 [5]

 Sau khi giao tiếp được DHT11 sẽ trả về giá trị nhiệt độ, độ ẩm dưới dạng 5 byte:

- Byte 1: Giá trị phần nguyên của độ ẩm

- Byte 2: Giá trị phần thập phân của độ ẩm

- Byte 3: Giá trị phần nguyên của nhiệt độ

- Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ

- Byte 5: Kiểm tra tổng

Hình 3.9: Bit 0 [5]

22

Hình 3.10: Bit 1 [5]

3.3.2 Cảm biến sáng quang trở CDS:

Hình 3.11: Cảm biến quang trở CDS Cảm biến ánh sáng quang trở có tích hợp sẵn opamp và biến trở so sánh mức tín hiệu giúp cho việc nhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng, sử dụng để nhận biết hay bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng môi trường

23

3.3.3 Cảm biến mưa:

Hình 3.12: Cảm biến mưa Thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động 5V

 1 đầu ra Digital và 1 đầu ra Analog

 Độ nhạy có thể điều chỉnh thông qua chiết áp

 Khi không có mưa đầu ra ở mức cao, có mưa đầu ra ở mức thấp

 Kích thước tấm cảm biến mưa: 54mm x 40mm

 Có lỗ cố định bu lông để gắn cảm biến

3.3.4 Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC – SR501:

Hình 3.13: Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC – SR501

24

Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR (Passive infrared sensor) HC-SR501 được sử dụng để phát hiện chuyển động của các vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại (con người, con vật, các vật phát nhiệt, ), cảm biến có thể chỉnh được độ nhạy để giới hạn khoảng cách bắt xa gần cũng như cường độ bức xạ của vật thể mong muốn, ngoài ra cảm biến còn có thể điều chỉnh thời gian kích trễ (giữ tín hiệu bao lâu sau khi kích hoạt) qua biến trở tích hợp sẵn

 Thời gian báo: tối đa 5 phút có thể tùy chỉnh bằng biến trở

 Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở

 Kích thước: 32,2 x 24,3 x 25,4 mm

 Tín hiệu trả về: Digital

3.3.5 Cảm biến khí gas MQ-2:

Hình 3.14: Cảm biến khí gas