Điều khiển nhà thông minh thông qua mạng zigbee đồ án tốt nghiệp khoa công nghệ điện

ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH THÔNG QUA MẠNG ZIGBEE SINH VIÊN : NGUYỄN TRƢỜNG SANG MSSV : 14076501 LỚP : DHDKTD10C GVHD : Ths NGUYỄN ĐỨC TOÀN TP HCM, NĂM 2018 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH THÔNG QUA MẠNG ZIGBEE SINH VIÊN : NGUYỄN TRƢỜNG SANG MSSV : 14076501 LỚP : DHDKTD10C GVHD : Ths NGUYỄN ĐỨC TỒN TP HCM, NĂM 2018 KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƯỜNG SANG PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài (1): Nguyễn Trường Sang, MSSV: 14076501 Tên đề tài ― Điều Khiển Nhà Thông Minh Thông Qua Mạng Zigbee ‖ Nội dung  Tìm hiểu mạng ZigBee  Tìm hiểu board Arduino.Mega 2560, Uno R3 SMD  Ứng dụng mạng Zigbee vào nhà thông minh  Kết  Bộ thí nghiệm hoạt động tốt, điều khiển ON-OFF thiết bị, động  Điều chỉnh điện áp đầu điều khiển tốc độ động cơ, độ sang đèn PWM  Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày 14 tháng 06 năm 2018 Sinh viên I KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƯỜNG SANG NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN - II KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƯỜNG SANG MỤC LỤC CHƢƠNG : ĐẶT VẤN ĐỀ CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ SMARTHOME VÀ MẠNG ZIGBEE I SMARTHOME Định Nghĩa Nhà Thông Minh Các Ưu Điểm Của Nhà Thông Minh Nhà Thông Minh Ở Viêt Nam II Mạng Zigbee Khái Quát Về Zigbee 1.1 Khái niệm mạng WPAN 1.2 Khái niệm Zigbee 1.3 Lịch sử phát triển 1.4 So sánh Zigbee với BlueTooth, Wifi Các Tính Năng 11 Ứng Dụng: 11 Mơ Hình Giao Thức Của ZIGBEE/IEEE802.15 13 4.1 Tầng vật lý 14 4.2 Tầng điều khiển liệu Zigbee/IEEE 802.15.4 MAC 16 4.2.1 Cấu trúc siêu khung 17 4.2.2 Các mơ hình truyền liệu 18 4.2.3 Định dạng khung tin MAC 18 4.2.4 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA 18 4.3 Tầng mạng Zigbee /IEEE 802.15.4 21 4.4 Tầng ứng dụng Zigbee/IEEE 802.15.4 21 Phân Loại Thiết Bị 21 5.1 Zìgbee Coordinator (ZC) 22 III KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƯỜNG SANG 5.2 Zigbee Router (ZR) 22 5.3 Zigbee End Device (ZED) 22 Các Kiều Hình Mạng Zigbee 23 6.1 Cấu trúc mạng hình (Star topology) 23 6.2 Cấu trúc mạng lưới (Mesh topology) 24 6.3 Cấu trúc mạng hình (Ciuster Tree topology) 25 An Ninh Zigbee 26 7.1 Trust Center 26 7.2 Khóa bảo vệ 26 7.3 Chế độ bảo vệ 27 7.3.1 Chế độ bảo mật tiêu chuẩn 27 7.3.2 Chế độ bảo mật cao 28 Hướng Phát Triển 28 8.1 Các phiên Zigbee 28 8.2 Hướng phát triển Zigbee tưong lai 28 CHƢƠNG 3: LINH KIỆN VÀ MODULE SỬ DỤNG 30 I Module Zigbee DRF 1605H 30 Khái Quát 30 Truyền Dữ Liệu 32 2.1 Truyền liệu nối tiếp 32 2.2 Kiểu truyền liệu ponit-to-point 35 Thông Số Do Nhà Sản Xuất Cung Cấp 37 Tập Lệnh 38 II Module Arduino 41 Giới Thiệu Về Arduino 41 Board Arduino Uno R3 44 Board Arduino Mega 2560 45 IV KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƯỜNG SANG Tập Lệnh 47 Ứng Dụng 48 III Module Điều Khiển AC TAC 500 49 IV Module Mega Ethernet 49 CHƢƠNG 4: THI CÔNG 51 I Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng 51 Gửi Dữ Liệu Điều Khiển (Master) 51 Nhận Dữ Liệu- Thực Thi Đóng Ngắt Thiết Bị (Slaver) 52 II Lưu Đồ Giải Thuật 53 Coordinator 53 Router 54 Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống 55 III Ứng Dụng Điều Khiển Trên Điện Thoại 55 Giới Thiệu Về Phần Mền Lập Trình App-App Inventor 55 Các Bước Thiết Kế Ứng Dụng 58 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 64 I Hình Ảnh Mơ Hình 64 II Giao diện App điều khiển 64 III Kết Quả Điều Khiển Trên Mơ Hình 65 CHƢƠNG : KẾT LUẬN 66 I Kết Luận 66 II Hướng Phát Triển Đề Tài 66 PHỤ LỤC 68 V KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƯỜNG SANG DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Công nghệ 4.0 Hình 1.2 Samsung SmartThing Hình 2.1 Giao diện điêu khiên Bkav SmartHome Hình 2.2 So sánh phạm vi hoạt động Zigbee 10 Hình 2.3 Mơ hình giao thức Zigbee 14 Hình 2.4 Băng tần hệ thống Zigbee 15 Hình 2.5 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA 20 Hình 2.6 Ba loại thiết bị Zigbee 22 Hình 2.7 Các kiểu mạng Zigbee 23 Hình 2.8 Cầu trúc mạng hình 24 Hình 2.9 Cấu trúc mạng lưới 24 Hình 2.10 Cấu trúc mạng hình 26 Hinh 3.1 Module Zigbee PIN 30 Hình 3.2 Các nút mạng Zigbee 31 Hình 3.3 Truyền liệu nối tiếp t Coordinator đến node 33 Hình 3.4 Truyền liệu nối tiếp t node đến Coordinator 33 Hình 3.5 Dữ liệu gửi theo kiểu point-to-point 36 Hình 3.6 Board Arduino Uno R3 44 Hình 3.7 Board Arduino Mega 2560 46 Hình 3.8 Ứng dụng Arduino 48 Hình 3.9 Module điều khiển AC TAC 500 49 Hình 3.10 Module Mega Ethernet 50 Hình 4.1 Sơ đồ kết nối Coordinator 51 Hình 4.2 Sơ đồ kết nối Router 52 Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật Coordinator 53 Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật Router 54 Hình 4.5 Nguyên lý hoạt động 55 Hình 4.6 Giao diện quản lý project 57 VI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƯỜNG SANG Hinh 4.7 Giao diện thiết kế 58 Hình 4.8 Giao diện lập trình 58 Hình 4.9 Giao diện tạo Project 59 Hình 4.10 Thiết kế giao diện 59 Hình 4.11 Giao diện lập trình chức 60 Hình 4.12 Các hàm tốn học logic 61 Hình 4.13 Các hàm xử lý Text xử lý List 61 Hình 4.14 Các hàm phương thức 62 Hình 4.15 Các hàm phương thức 62 Hình 4.16 Các hàm kiện 63 Hình 5.1 Mơ hình nhà 64 Hình 5.2 Giao diện App điều khiển 65 VII KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƯỜNG SANG DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng so sánh Wifi, Blutooth Zigbee Bảng 2.1 So sánh Zigbee với Blutooth ,wifi Bảng 2.2 Băng tần tốc độ liệu 15 Bảng 2.3 Số kênh dãi tần số 15 Bảng 3.1 Bảng thực nghiệm trình chuyển nhận liệu minh bạch 34 Bảng 3.2 Bảng thực nghiệm trình truyền liệu kiểu point-to-point 37 Bảng 3.3 Các thông số module Zigbee DRF1605H 38 Bảng 3.4 Tập lệnh module Zigbee 39 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật board arduino Uno R3 44 Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật board Mega 2560 46 Bảng 3.7 Tập lệnh Board Arduino 47 Bảng 5.1 Bảng đánh giá kết thực nghiệm 65 VIII KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG đường truyền Đưa giải pháp tiết kiệm lượng, giảm giá thành sản phẩm để ứng dụng vào thực tế Ứng dụng vào nhà thơng minh thêm tính an ninh bảo mật giúp điều khiển,quản lý t xa thiết bị smarthome.Ngồi ứng dụng cho phạm vi lớn quản lý xí nghiệp,nơng trại v v 67 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG PHỤ LỤC Code Coordinator #include #include #include #include bicoDRF drf; byte mac[] = { 0x90, 0xA2, 0xDA, 0x00, 0x9B, 0x36 }; // Khởi tạo MAC byte ip[] = { 192, 168, 1, 102 }; // Khởi tạo địa IP EthernetServer server(80); // Khởi tạo Server String readString = String(30); // Tạo chuỗi boolean status6 = false; boolean status7 = false; boolean status8 = false; Gán trạng thái đầu cho Status boolean status9 = false; boolean status10 = false; boolean status11 = false; boolean status12 = false; void setup(){ // Inicia o Ethernet Ethernet.begin(mac, ip); server.begin(); Liên kết Ethernet Serial1.begin(38400); Serial1.setTimeout(50); pinMode(9,OUTPUT); } void loop(){ // Kết nối với Client int value; EthernetClient client = server.available(); 68 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG if (client) { while (client.connected()) { if (client.available()) Đọc lệnh gửi từ Client qua HTTP { char c = client.read(); if (readString.length() < 40) { readString += (c); } if (c == '\n') { if(readString.indexOf("led1on")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d1on"); drf.drfSend(); status6 = true; Nhận lệnh ,thay đổi } trạng thái gửi if(readString.indexOf("led1off")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d1of"); drf.drfSend(); status6 = false; } 69 lệnh điều khiển cho đèn KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG if(readString.indexOf("led2on")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d2on"); drf.drfSend(); Nhận lệnh ,thay đổi status7 = true; trạng thái gửi } if(readString.indexOf("led2off")>=0) lệnh điều khiển cho đèn { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d2of"); drf.drfSend(); status7 = false; } if(readString.indexOf("led3on")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d3on"); drf.drfSend(); Nhận lệnh ,thay đổi status8 = true; trạng thái gửi } lệnh điều khiển cho if(readString.indexOf("led3off")>=0) đèn { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d3of"); drf.drfSend(); status8 = false; } if(readString.indexOf("led4on")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d4on"); drf.drfSend(); status9 = true; } 70 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG if(readString.indexOf("led4off")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d4of"); drf.drfSend(); status9 = false; } if(readString.indexOf("led5on")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d5on"); drf.drfSend(); Nhận lệnh ,thay đổi status10 = true; trạng thái gửi } lệnh điều khiển cho if(readString.indexOf("led5off")>=0) đèn { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d5of"); drf.drfSend(); status10 = false; } if(readString.indexOf("led6on")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d6on"); drf.drfSend(); Nhận lệnh ,thay đổi status11 = true; trạng thái gửi } lệnh điều khiển cho if(readString.indexOf("led6off")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"d6of"); drf.drfSend(); status11 = false; } 71 đèn KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG if(readString.indexOf("pwm0")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"pwm0"); drf.drfSend(); } if(readString.indexOf("pwm40")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"pwm40"); drf.drfSend(); Xuất giá trị điều } khiển Dimmer if(readString.indexOf("pwm75")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"pwm75"); drf.drfSend(); } if(readString.indexOf("pwm100")>=0) { drf.drfGo_PR(POINT_TO_POINT_MODE,0x0001,"pwm100"); drf.drfSend(); } client.println("HTTP/1.1 200 OK"); client.println("Content-Type: text/html"); client.println(); client.print(""); 72 PWM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG if(status6) { client.println("1on"); } else { client.println("1of"); } if(status7) { client.println("2on"); } else { client.println("2of"); } if(status8) { client.println("3on"); } else { client.println("3of"); } if(status9) { client.println("4on"); } else 73 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG { client.println("4of"); } if(status10) { client.println("5on"); } else { client.println("5of"); } if(status11) { client.println("6on"); } else { client.println("6of"); } client.print("

"); //limpa string para a próxima leitura readString=""; // parar cliente client.stop(); } } } } } 74 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG Code Router #include #include #include #define OUTA #define OUTB bicoDRF drf; byte PWM_Val = 0; int analogValue = 0; float voltage = 0; void setup() { pinMode(1,OUTPUT); digitalWrite(1, HIGH); pinMode(2,OUTPUT); digitalWrite(2, HIGH); Khởi tạo giá trị đầu cho thiết bị pinMode(13,OUTPUT); digitalWrite(13, HIGH); pinMode(12,OUTPUT); digitalWrite(12, HIGH); pinMode(11,OUTPUT); digitalWrite(11, HIGH); pinMode(10,OUTPUT); digitalWrite(10, HIGH); pinMode(9,OUTPUT); digitalWrite(9, HIGH); pinMode(8,OUTPUT); digitalWrite(8, HIGH); pinMode(7,OUTPUT); digitalWrite(7, HIGH); pinMode(6,OUTPUT); digitalWrite(6, HIGH); 75 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG pinMode(OUTA, OUTPUT); analogWrite(OUTA,0); pinMode(OUTB, OUTPUT); analogWrite(OUTB,0); Serial.begin(38400); Serial.setTimeout(50); } void loop() { if(drf.handleReceived() > 0){ if(drf.get_receivedDRFdata() == "pwm0") { analogWrite(OUTB,0); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "pwm40") { analogWrite(OUTB,90); Xuất giá trị điều khiển dimmer } if(drf.get_receivedDRFdata() == "pwm75") { analogWrite(OUTB,127 ); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "pwm100") { analogWrite(OUTB,255); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d1on") { digitalWrite(6, LOW); } 76 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG if(drf.get_receivedDRFdata() == "d1of") { digitalWrite(6, HIGH); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d2on") { digitalWrite(7, LOW); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d2of") { digitalWrite(7, HIGH); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d3on") { digitalWrite(8, LOW); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d3of") { digitalWrite(8, HIGH); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d4on") { digitalWrite(9, LOW); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d4of") { digitalWrite(9, HIGH); 77 Xuất giá trị điều khiển ON-OFF thiết bị KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d5on") { digitalWrite(10, LOW); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d5of") { digitalWrite(10, HIGH); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d6on") { digitalWrite(11, LOW); } if(drf.get_receivedDRFdata() == "d6of") { digitalWrite(11, HIGH); } } } } 78 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG Code App 79 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG 80 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRƢỜNG SANG 81 ...ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH THÔNG QUA MẠNG ZIGBEE SINH VIÊN : NGUYỄN TRƢỜNG SANG MSSV : 14076501... Một công nghộ ứng dụng mạng liên lạc đạt hiệu công nghệ ZigBee Công nghệ ZigBee công nghệ áp dụng cho hệ thơng điều khiển cảm biến có tốc độ truyền tin thấp chu kỳ hoạt động dài Công nghệ ZigBee. .. Thông Minh Thông Qua Mạng Zigbee ‖ Nội dung  Tìm hiểu mạng ZigBee  Tìm hiểu board Arduino.Mega 2560, Uno R3 SMD  Ứng dụng mạng Zigbee vào nhà thông minh  Kết  Bộ thí nghiệm hoạt động tốt, điều