ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH (SMART HOME CONTROL SYSTEM)

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 THƠNG 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 MSSV: 15031251 Lớp: DH15TD 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 HĨA 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 MSSV: 15031251 Lớp: DH15TD Vũng Tàu, 2019 LỜI CẢM ƠN Sau năm học tập, rèn luyện, trau dồi kiến thức trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu, giảng dạy tận tâm thầy cơ, hỗ trợ đắc lực từ gia đình giúp đỡ nhiệt tình từ bạn bè, anh chị khóa trước, ngày hơm em bước vào chặng cuối hành trình - hồn thành luận văn tốt nghiệp để trường Để ngày hơm nay, ngồi việc cố gắng, nổ lực từ thân nhiều người giúp đỡ, khích lệ em suốt chặng đường Vì em muốn gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến người sau đây: Lời đầu tiên, cảm ơn ba mẹ, hy sinh đời để tạo điều kiện tốt cho học tập Tiếp theo, em xin cảm ơn quý thầy, cô khoa Điện – Điện tử truyền đạt cho em kiến thức quý giá suốt năm học qua Đặc biệt, em xin cảm ơn Cô Châu Nguyễn Ngọc Lan, người đã tận tình hướng dẫn, góp ý để em hồn thành luận văn Mình xin cảm ơn bạn bè, anh chị động viên, giúp đỡ, sát cánh bên thời gian làm luận văn suốt năm học qua Cuối cùng, em xin kính chúc q thầy dồi sức khỏe để tiếp tục truyền đạt kiến thức quý báu cho hệ sinh viên chúng em Con chúc ba mẹ thật nhiều sức khỏe, niềm vui hạnh phúc Chúc anh chị, bạn thành cơng vững bước đường chọn Xin chân thành cảm ơn! Vũng Tàu, tháng năm 2019 Sinh viên Lê Văn Hiếu MỤC LỤC Chương GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài luận văn: 1.2 Mục tiêu đề tài: 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 1.4 Ý nghĩa đề tài: .4 Chương TỔNG QUAN 2.1 Nhà thơng minh gì? 2.2 Các thành phần nhà thông minh: 2.2.1 Hệ thống quản lý chiếu sáng: 2.2.2 Hệ thống kiểm soát 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 lượng: 2.2.6 Hệ thống cảm biến báo động: 2.2.7 Hệ thống kiểm sốt mơi trường: .8 2.2.8 Hệ thống 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 ngồi nước: 2.3.1 Đối với tình hình ngồi nước: 2.3.2 Đối với tình hình nước: 2.4 Phân tích, lựa chọn phương án thực đề tài: 10 2.4.1 Phương án thực hiện: 10 2.4.2 Phân tích phương án chọn: 12 Chương TÌM HIỂU VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM 14 3.1 Kit STM32F407 Discovery: 14 3.1.1 Các tính bật: 14 3.1.2 Các khối chức sử dụng luận văn: 15 3.2 Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU: 18 3.3 Các cảm biến 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 LCD 2004 sang I2C: 27 3.6 Module relay: 28 3.7 Các thiết bị khác: 29 3.7.1 Đèn led, quạt: 29 3.7.2 Động RC Servo 9G: 29 3.7.3 Cảm ứng chạm điện dung TTP223B: 30 3.8 Các phần mềm sử dụng: 31 3.8.1 Arduino IDE: 31 3.8.2 Keil uVision5 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 THIẾT KẾ, THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ HÌNH NGƠI NHÀ 37 4.1 Tổng quan hệ thống: 37 4.2 Mơ hình 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 tích hợp: 43 Chương LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 44 5.1 Các tính hệ thống điều khiển nhà thông minh: 44 5.2 Giải thuật điều khiển: 45 5.2.1 Đóng mở cửa RFID: 45 5.2.2 Hoạt động theo 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 module ESP 8266 NodeMCU: 52 5.4.2 Tạo Broker MQTT CloudMQTT: 54 5.4.3 Thiết lập, tạo giao diện ứng dụng IoT OnOff: 56 Chương KẾT QUẢ, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 58 6.1 Kết hạn chế 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 chân I/O đa chức [3] 16 Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc khối giao tiếp USART [3] 17 Hình 3.4: Cấu trúc chân I2C [3] 18 Hình 3.5: Module thu phát Wifi 8266 NodeMCU [4] 18 Hình 3.6: Các chân 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 phản hồi DHT11 [5] 21 Hình 3.9: Bit [5] 21 Hình 3.10: Bit [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 LCD 2004 sang I2C 27 Hình 3.19: Module relay 28 Hình 3.20: Đèn hắt sang trắng bóng 29 Hình 3.21: Quạt tản nhiệt 4x4x1cm 29 Hình 3.22: Động RC Servo 9G 30 Hình 3.23: Cảm ứng chạm điện dung TTP223B 30 Hình 3.24: Mơ hình publish/ subscribe 33 Hình 3.25: Trang CloudMQTT 35 Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống 37 Hình 4.2: Mơ hình nhà 38 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trung tâm 40 Hình 4.4: Mạch in điều khiển trung tâm 41 Hình 4.5: Kêt thi cơng 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 thi cơng 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 trời mưa 47 Hình 5.5: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn, quạt Kịch - Tiếp khách 48 Hình 5.6: Sơ đồ giải thuật Kịch – Ra khỏi nhà 49 Hình 5.7: Sơ đồ giải thuật điều khiển quạt Kịch - Đi ngủ 50 Hình 5.8: Sơ đồ giải thuật chống trộm Kịch - Đi ngủ 50 Hình 5.9: Sơ đồ giải thuật báo thức Kịch - 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” 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 tạo ứng dụng IoT OnOff 57 Hình 6.1: Bộ điều khiển mơ hình ngơi nhà sau hoàn thành 58 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Giao tiếp mạch chuyển đổi LCD sang I2C với MCU 28 Bảng 4.1: Bố trí cảm biến thiết bị 38 Bảng 4.2: Các chân vi điều khiển sử dụng 40 Bảng 5.1: Các topic phải tạo 56 5.2.2 Hoạt động theo kịch bản:  Kịch – Cơ bản: Bắt đầu Tắt đèn Đọc cảm biến Trời tối có người Sai Đúng Bật đèn Hình 5.2: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn phòng vệ sinh Bắt đầu Đọc cảm biến Sai Rò khí gas Đúng Báo động Dừng báo động Đúng Sai Reset Hình 5.3: Sơ đồ giải thuật báo động khí gas 46 Bắt đầu Đọc cảm biến Đóng cửa sổ Sai Có mưa Đúng Đúng Cửa sổ mở Hình 5.4: Sơ đồ giải thuật đóng cửa sổ trời mưa 47  Kịch – Tiếp khách: Bắt đầu Đọc cảm biến Sai Có người Sai Đúng Bật đèn Trời sáng Sai Đúng Nhiệt độ lớn nhiệt độ cài đặt Đúng Bật quạt Có mưa Sai Mở cửa sổ Hình 5.5: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn, quạt Kịch - Tiếp khách Các chức khác kịch giống kịch nên lập trình theo giải thuật kịch nêu 48  Kich - Ra khỏi nhà: Bắt đầu Tắt tất thiết bị Đọc cảm biến Sai Có người Đúng Báo động Dừng báo động Đúng Sai Reset Hình 5.6: Sơ đồ giải thuật Kịch – Ra khỏi nhà Chức báo động rò rỉ gas lập trình giải thuật kịch 49  Kịch – Đi ngủ: Bắt đầu Tắt quạt Đọc cảm biến Nhiệt độ lớn nhiệt độ cài đặt Sai Đúng Bật quạt Hình 5.7: Sơ đồ giải thuật điều khiển quạt Kịch - Đi ngủ Bắt đầu Đọc cảm biến Sai Có người phòng khách Đúng Báo động Dừng báo động Đúng Sai Reset Hình 5.8: Sơ đồ giải thuật chống trộm Kịch - Đi ngủ 50 Bắt đầu Sai Đọc thời gian thực Thời gian thực = thời gian hẹn Đúng Tắt quạt, bật đèn, mở cửa sổ Hình 5.9: Sơ đồ giải thuật báo thức Kịch - Đi ngủ Các chức báo động rò rỉ khí gas điều khiển đèn phòng vệ sinh lập trình giống kịch 1, trình bày 5.3 Lập trình cập nhật thời gian thực từ NTP sever: Để lấy thời gian từ NTP sever ta cần biến ESP9266 thành NTP client Để làm điều đo em sử dụng thư viện “NTPClient” Một số lệnh sau:  Khai báo thư viện: #include  Khai báo NTP client kết nối với NTP sever: NTPClient timeClient(ntpUDP, "europe.pool.ntp.org", * 3600, 60000);  Cập nhật thời gian từ sever: timeClient.update();  Gửi thông tin thời gian cho STM32 qua UART: Serial.println(timeClient.getFormattedTime()); 51 5.4 Lập trình điều khiển, giám sát từ xa: 5.4.1 Lập trình cho kit STM32F407 module ESP 8266 NodeMCU: CloudMQTT Wifi Internet STM32F407 Discovery UART ESP8266 NodeMCU Internet Ứng dụng smartphone Hình 5.10: Sơ đồ khối điều khiển giám sát từ xa qua Internet ESP8266 NodeMCU smartphone lúc đóng vai trò client kết nối tới broker MQTT tạo CloudMQTT ESP8266 publish trạng thái thiết bị lên topic trạng thái, đồng thời subscribe topic điều khiển để nhận lệnh điều khiển Ngược lại, ứng dụng smartphone publish lệnh điều khiển lên topic điều khiển đồng thời subscribe topic trạng thái để cập nhận trạng thái thiết bị, cảm biến hiển thị ứng dụng ESP8266 nhận lệnh điều khiển truyền cho STM32F407 thông qua chuẩn UART, đồng thời STM32 liên tục gửi trạng thái thiết bị, cảm biến cho ESP8266 52 Bắt đầu Truyền liệu cho ESP8266 Sai Nhận lệnh từ ESP8266 Đúng Thực lệnh Hình 5.11: Sơ đồ giải thuật lập tình STM32F407 giao tiếp ESP8266 53 Bắt đầu Kết nối Wifi Kết nối CloudMQTT Giao tiếp với STM32F4 Publish trạng thái lên topic trạng thái Subscribe topic điều khiển Hình 5.12: Sơ đồ giải thuật lập trình ESP8266 Để ESP8266 kết nối với CloudMQTT em sử dụng thư viện “PubSubClient” Một số lệnh thư viên:  Thực kết nối đến MQTT server: client.setServer(mqtt_server, mqtt_port);  Lệnh subscribe topic: client.subscribe(topic);  Lệnh publish thông tin lên topic: client.publish(topic, message ); 5.4.2 Tạo Broker MQTT CloudMQTT: Để tạo broker MQTT CloudMQTT trước hết ta phải tạo tài khoản trang web cloudmqtt.com Cloud MQTT cung cấp nhiều gói dịch vụ khác tùy nhu cầu người dùng, từ miễn phí đến tính phí 54 Trong luận văn em sử dụng gói “Humble Hedgehog” với phí 5$ tháng để đảm bảo tốc độ số lượng topic cần thiết Hình 5.13: Gói “Humble Hedgehog” CloudMQTT Khi có tài khoản CloudMQTT ta tiến hành tạo broker sau tạo topic broker theo sau: Tác dụng Topic control Nhận truyền lệnh điều khiển temp Nhận truyền nhiệt độ rh Nhận truyền độ ẩm fan_lr Nhận truyền trạng thái quạt phòng khách lamp_lr Nhận truyền trạng thái đèn phòng khách fan_br_1 Nhận truyền trạng thái quạt phòng ngủ lamp_br_1 Nhận truyền trạng thái đèn phòng ngủ fan_br_2 Nhận truyền trạng thái quạt phòng ngủ lamp_br_2 Nhận truyền trạng thái đèn phòng ngủ lamp_kc Nhận truyền trạng thái đèn phòng bếp lamp_tl Nhận truyền trạng thái đèn phòng vệ sinh door_1 Nhận truyền trạng thái cửa door_2 Nhận truyền trạng thái cửa bếp window_1 Nhận truyền trạng thái cửa sổ phòng ngủ window_2 Nhận truyền trạng thái cửa sổ phòng khách script_1 Nhận truyền trạng thái thực kịch 55 script_2 Nhận truyền trạng thái thực kịch script_3 Nhận truyền trạng thái thực kịch script_4 Nhận truyền trạng thái thực kịch alarm Nhận truyền trạng thái báo động Bảng 5.1: Các topic phải tạo ESP8266 subscribe topic “control” để nhận lệnh điều khiển publish topic lại để gửi trạng thái thiết bị lên Ngược lại smartphone publish topic “control” subscribe topic lại Ví dụ: Để điều khiển bật quạt phòng khách, smartphone publish lên topic “control” tin nhắn với nội dung “B1”, ESP8266 subscribe topic “control” nên nhận tin nhắn sau truyền tin nhắn đến kit STM32 để điều khiển bật đèn, sau STM32 bật quạt truyền cho ESP8266 tin nhắn với nội dung “B1” có nghĩa bật quạt phòng khách, nhận ESP8266 publish nội dung “B1” lên topic “fan_lr” để thông tin cho smartphone 5.4.3 Thiết lập, tạo giao diện ứng dụng IoT OnOff: Đầu tiên ta cần tải ứng dụng từ Google Play App Store Sau mở ứng dụng lên vào phần Settings => Configuration => Broker điền tồn thơng tin broker tạo CloudMQTT Hình 5.14: Cung cấp thông tin broker cho ứng dụng IoT OnOff 56 Khi cung cấp thơng tin ứng dụng tự động kết nối broker Hình 5.15: Ứng dụng IoT OnOff kết nối broker Sau kết nối ta tiếng hành tạo giao diện cách thêm widget (nút nhấn, đèn hiển thị, hay biểu đồ,…) Cuối ta thiết lập topic subscribe hay publish cho widget Hình 5.16: Giao diện điều khiển tạo ứng dụng IoT OnOff 57 Chương KẾT QUẢ, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết hạn chế đề tài: 6.1.1 Kết quả: Sau 15 tuần thực hiện, luận văn hoàn thành yêu cầu đặt ban đầu:  Thiết kế gia công điều khiển nhà với tính sau:  Có khả bật, tắt thiết bị nhà tay tự động theo kịch  Đọc xử lý tín hiệu từ cảm biến  Đóng mở cửa bán tự động sử dụng thẻ RFID  Báo trộm, rò khí gas  Hẹn báo thức  Có thể điều khiển, giám sát điện thoại kết nối mạng Internet  Xây dựng mơ hình ngơi nhà để vận hành thử nghiệm điều khiển Hình 6.1: Bộ điều khiển mơ hình ngơi nhà sau hồn thành 58 6.1.2 Hạn chế: Do kiến thức hạn chế, nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót vấn đề chưa khắc phục Có thể nêu số điểm sau:  Chưa thể tự lập trình ứng dụng riêng để điều khiển mà sử dụng ứng dụng có sẵn  Chỉ dừng lại việc điều khiển on/off thiết bị  Tính bản, cần bổ sung thêm nhiều tính để nhà thông minh  Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến dây nên để sử dụng thực tế cần phải tính tốn lại điện trở dây áp dụng biện pháp chống nhiễu cho cảm biến 6.2 Hướng phát triển đề tài: Mơ hình nhà thơng minh với tính tảng để phát triển thành mơ hình với u cầu tính cao Khơng dừng lại việc điều khiển on/off thiết bị, mơ hình phát triển để điều khiển analog, với sức mạnh vi điều khiển STM32F407 điều khơng q khó khăn Ngồi phát triển thêm tính như: nhận diện mặt chủ nhà thông qua camera, điều khiển giọng nói, 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Thị trường công nghệ nhà thông minh Việt Nam nay” Internet: https://tinhte.vn/threads/thi-truong-cong-nghe-nha-thong-minh-tai-viet-namhien-nay.2676688/ [2] “Discovery kit with STM32F407VG MCU”, [Online] Available: http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/user_manual/70/f e/4a/3f/e7/e1/4f/7d/DM00039084.pdf/files/DM00039084.pdf/jcr:content/trans lations/en.DM00039084.pdf [3] “RM0090 Reference manual”, [Online] Available: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manu al/3d/6d/5a/66/b4/99/40/d4/DM00031020.pdf/files/DM00031020.pdf/jcr:cont ent/translations/en.DM00031020.pdf [4] Internet: https://hshop.vn/products/kit-rf-thu-phat-wifi-esp8266-nodemcu [5] “DHT11 Temperature & Humidity Sensor”, [Online] Available: https://www.mouser.com/ds/2/758/DHT11-Technical-Data-Sheet-TranslatedVersion-1143054.pdf [6] “HC-SR501 PIR MOTION DETECTOR”, [Online] Available: https://www.mpja.com/download/31227sc.pdf [7] Internet: https://hshop.vn/products/mach-rfid-rc522-nfc-13-56mhz [8] “SERVO MOTOR SG90 DATASHEET” ”, [Online] Available: http://www.ee.ic.ac.uk/pcheung/teaching/DE1_EE/stores/sg90_datasheet.pdf 60