Nghiên cứu công nghệ smarthome và xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng nấm bằng điện thoại di động

KHA BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM TRẦN PHƯƠNG THANH PHẠM TRẦN PHƯƠNG THANH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SMARTHOME NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SMARTHOME VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ HỖ TRỢ VIỆC TRỒNG NẤM BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA 23 NGHỆ AN, 03/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM TRẦN PHƯƠNG THANH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SMARTHOME VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ HỖ TRỢ VIỆC TRỒNG NẤM BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Mã số: 60480201 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN MINH NGHỆ AN, 03/2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả cam đoan luận văn này: “Nghiên Cứu công nghệ SmartHome xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng nấm điện thoại di động” nghiên cứu tác giả Ngoại trừ tài liệu tham khảo trích dẫn luận văn này, tác giả cam đoan tồn luận văn chưa cơng bố hay sử dụng để nhận cấp nơi khác Luận văn chưa nộp để nhận cấp trường đại học sở đào tạo khác Mặc dù cố gắng, hạn chế người viết mặt kiến thức, kinh nghiệm, thời gian, trang thiết bị tài liệu nên nội dung hình thức khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận góp ý chân thành từ thầy bạn đọc để luận văn hoàn thiện Long An, năm 2017 Tác giả luận văn Phạm Trần Phương Thanh Trang LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới TS Lê Văn Minh, thầy tận tình hướng dẫn, định hướng, giúp đỡ động viên em suốt thời gian nghiên cứu thực luận văn Thầy giúp đỡ em tiếp cận với khoa học, tri thức xã hội đạt thành công lĩnh vực nghiên cứu Em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo khoa Công nghệ thông tin – Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại học VINH Các thầy ln nhiệt tình hướng dẫn tạo điều kiện cho em học tập nghiên cứu suốt thời gian qua Tôi xin cám ơn đến chủ nhà trồng nấm Cần Giuộc – Long An tạo điều kiện cho việc thực hành thực nghiệm đề tài cảm ơn đến bạn lớp cho tơi ý kiến đóng góp đáng giá, mở nhiều hướng tiếp cận làm phong phú khả thực tế khóa luận Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn tới tất thành viên gia đình, người ln bên động viên tạo điều kiện cho thực tốt khóa luận Long An năm 2017 Tác giả luận văn Phạm Trần Phương Thanh Trang MỤC LỤC MỤC LỤC Chương 10 MỞ ĐẦU 10 1.1 Lý chọn đề tài 10 1.2 Câu hỏi giả thiết nghiên cứu 12 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 12 1.4 Đối tượng nghiên cứu 12 1.5 Phạm vi nghiên cứu 13 1.6 Phương pháp nghiên cứu 13 1.6.1 Phương pháp nghiên cứu thu thập thông tin: 13 1.6.2 Phương pháp nghiên cứu điển hình: 13 1.6.3 Phương pháp nghiên cứu chuyên gia: 13 1.6.4 Phương pháp thực nghiệm: 14 1.7 Những nội dung cần nghiên cứu 14 Chương 15 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ TRONG VIỆC PHÁT TRIỂN NHÀ THÔNG MINH SMARTHOME 15 2.1 Biểu diễn tri thức sử dụng luật dẫn xuất 15 2.1.1 Khái niệm: 15 2.1.2 Động suy diễn (inference engine) 17 2.1.3 Ưu điểm nhược điểm biểu diễn tri thức luật 17 2.1.4 Áp dụng vào toán cụ thể 18 2.2 Một số giải pháp công nghệ điều khiển thiết bị điện gia dụng từ xa phát triển 19 Trang 2.2.1 Công nghệ không dây X10 19 2.2.2 Công nghệ không dây Insteon 21 2.2.3 Công nghệ không dây Zigbee 23 2.2.4 Công nghệ Z-wave 25 2.2.5 Công nghệ Wifi với Bo mạch Raspberry Pi 27 2.2.6 Công tắc Maker giúp biến đồ gia dụng "ngớ ngẩn" thành "thông minh" Belkin 30 2.2.7 Bộ sản phẩm nhà thông minh Iris Lowe's 31 2.2.8 SmartThings Labs 33 2.2.9 Giải pháp nhà thông minh Wiser home control 34 2.2.10 Giải pháp nhà thông minh Clipsal 36 2.3 Phân tích, đánh giá đề xuất công nghệ: 37 2.4 Các bước việc trồng nấm 37 2.4.1 Chuẩn bị nguyên liệu, chuẩn bị nhà nấm cấy meo giống 37 2.4.2 Đưa bịch phôi nấm vào nhà trồng chăm sóc: 39 2.4.3 Thu hoạch nấm 41 2.5 Giải pháp ứng dụng việc trồng nấm 41 2.6 Các chức hệ thống 41 Chương 43 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ HỔ TRỢ VIỆC TRỒNG NẤM 43 3.1 Tổng quát hoạt động hệ thống 43 3.2 Xây dựng chức điều khiển bật/tắt thiết bị thủ công 44 3.2.1 Mô tả chức 44 3.2.2 Xây dựng tập kiện 45 3.2.3 Xây dựng tập luật 46 3.2.4 Các trường hợp tương tác người dùng hệ thống 47 Trang 3.2.5 Sơ đồ hoạt động 49 3.3 Xây dựng chức điều khiển bật/tắt thiết bị tự động 50 3.3.1 Mô tả chức 50 3.3.2 Xây dựng tập kiện 50 3.3.3 Xây dựng luật 51 3.3.4 Các trường hợp tương tác cảm biến hệ thống xử lý 53 3.3.5 Sơ đồ hoạt động 54 3.4 Xây dựng chức hỗ trợ điều khiển tự động thủ công 56 3.4.1 Mô tả chức 56 3.4.2 Xây dựng tập kiện 56 3.4.3 Xây dựng tập luật 57 3.4.4 Các trường hợp tương tác với người dùng 58 3.4.5 Sơ đồ hoạt động 59 Chương 60 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 60 4.1 Vị trí địa lý 60 4.2 Hiện trạng nhà nấm 62 4.3 Đề xuất hệ thống 64 4.4 So sánh, đánh giá 67 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC– CÀI ĐẶT HỆ THỐNG 73 Cài đặt Raspberry Pi 73 1.1 Cài đặt hệ điều hành 73 1.2 Cấu hình Raspberry Pi: 75 Cài đặt sử dụng WebIOPI 82 2.1 Cài đặt WebIOPI 82 Trang 2.2 Sử dụng WebIOPI 83 2.3 Bật tắt WebIopi tự động 84 2.4 Truy cập WebIopi mạng LAN 84 2.5 Thay đổi giao diện điều khiển 85 2.6 Truy cập WebIOPI qua mạng internet 85 Cài đặt cảm biến DHT11 87 3.1 Giới thiệu cảm biến DHT11: 87 3.2 Nguyên lý hoạt động: 88 3.3 Chạy trực tiếp web mobile: 91 Trang DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Diễn giải RPI Bo mạch Raspberry Pi Pi Bo mạch Raspberry Pi RAM Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên LAN Mạng cục CSDL Cơ sở liệu TV Ti vi Auto Chế độ tự động Manual Chế độ thủ công Trang DANH MỤC HÌNH VẼ STT Tên hình vẽ Hình 1.1 Giải pháp điều khiển thiết bị từ xa qua thiết bị di động Hình 2.1: Sơ đồ tự động nhà thơng minh với cơng nghệ X10 Hình 2.2: Hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ INSTEON Hình 2.3: Mơ hình nhà thơng minh sử dung cơng nghệ Zigbee Hình 2.4: Mơ hình điều khiển nhà thơng minh với z-wave Hình 2.5: Hình ảnh thật Raspberry Pi Model B+ Hình 2.6: Cơng tắc Maker giúp biến đồ gia dụng "ngớ ngẩn" thành "thông minh" Belkin Hình 2.7: Bộ sản phẩm nhà thơng minh Iris Lowe's Hình 2.8: Camera an ninh Samsung SmartCam HD SmartCam HD Outdoor 10 Hình 2.9: Bộ điều khiển trung tâm SmartThings Labs 11 Hình 2.10: Giải pháp nhà thơng minh Wiser home control 12 Hình 2.11: Nhà trồng nấm bào ngư 13 Hình 3.1: Giao diện chức hình 14 Hình 3.2: Sơ đồ hoạt động chế độ điều khiển thủ cơng 15 Hình 3.3: Sơ đồ hoạt động chế độ điều khiển tự động Hình 3.4: Sơ đồ hoạt động hỗ trợ điều khiển tự động thủ 16 cơng 17 Hình 4.1: Vị trí nhà nấm google maps 18 Hình 4.2: Nhà trồng nấm Cần Giuộc – Long An 19 Hình 4.3: Nấm giai đoạn phát triển 20 Hình 4.4: Tưới nấm phương pháp thủ cơng 21 Hình 4.5: Phun sương cho nấm phương pháp thủ cơng 22 Hình 4.6: Hệ thống đường ống phun sương tự động 23 Hình 4.7: Bo mạch điều khiển thiết bị 24 Hình PL1: Chọn đường dẫn cài hệ điều hành Raspbian 25 Hình PL2: Chọn cấu hình để đặt tên máy 26 Hình PL3: Cấu hình thay đổi mật 27 Hình PL4: Cấu hình chọn chế độ khởi động 28 Hình PL5: Cấu hình chọn chế độ khởi động 29 Hình PL6: Cấu hình chọn ngơn ngữ 30 Hình PL7: Cấu hình chọn múi 31 Hình PL8: Cấu hình chọn múi HCM 32 Hình PL9: Cấu hình chon phép chọn SSH 33 Hình PL10: Cấu hình phần mềm Putty 34 Hình PL11: Màn hình Terminal Pi 35 Hình PL12: Màn hình Terminal reboot kit Pi Trang 19 20 23 25 27 29 30 31 32 33 39 43 48 54 58 59 60 61 62 63 65 65 72 74 75 76 76 77 78 78 79 80 81 82 Trang Hình PL4: Cấu hình chọn chế độ khởi động Sau chọn Console Text console, requiring login (default): Hình PL5: Cấu hình chọn chế độ khởi động Xác định múi giờ, kiểu bàn phím, ngơn ngữ: + Xác định ngôn ngữ Trang 77 Trong raspi-config, chọn Internationalisation Options => Change Locale để thay đổi ngôn ngữ Thiết lập ngôn ngữ mặc định RPI en_GB.UTF-8 UTF-8 (tiếng Anh – Anh, dùng mã unicode UTF8) Ta nên đổi thành en_US.UTF-8 UTF-8 (tiếng Anh – Mỹ, dùng mã unicode UTF8) Có tiếng Việt (vi_VN.UTF-8 UTF-8) nhiên chưa có kinh nghiệm với vấn đề ngơn ngữ linux khơng nên sử dụng Tìm tới dịng en_GB.UTF-8 UTF-8, dùng phím Space để bỏ dấu * Tìm tiếp xuống tới en_US.UTF-8 UTF-8, dùng phím Space để đánh dấu * vào dịng đó, xong Enter Hình PL6: Cấu hình chọn ngôn ngữ + Xác định múi Để thay đổi múi Trong raspi-config, chọn Internationalisation Options => Change TimeZone Màn hình sau xuất cho phép chọn vùng địa lý, ta tới dịng Asia (vì Việt Nam nằm Châu Á) gõ Enter: Trang 78 Hình PL7: Cấu hình chọn múi Tiếp tục tìm dịng Ho_Chi_Minh gõ Enter để chọn Hình PL8: Cấu hình chọn múi HCM Đổi password root Dùng lệnh sudo passwd root nhập password hai lần giống Trang 79 SSH cho phép làm việc với RPI từ xa (trên máy tính điện thoại) dịng lệnh qua mạng LAN Để sử dụng SSH cần có SSH server (trên RPI) SSH client (trên máy tính bàn) RPI hỗ trợ sẵn SSH server nên caần chó phép (bật) Trên máy tính bàn cần tải phần mềm SSH client Trong raspi-config, chọn Advanced Options => A4 SSH => chọn Yes phép SSH Hình PL9: Cấu hình chon phép chọn SSH Sau máy tính Windows, download phần mềm SSH, đa số chọn Putty nhẹ, đủ chức khơng cần cài đặt Có thể download Putty đây: http://the.earth.li/~sgtatham/putty/latest/x86/putty.exe (trang chủ putty.org) Kết nối RPI vào mạng (cắm cáp mạng vào cổng LAN RPI) Chạy Putty, hình sau xuất hiện: Trang 80 Hình PL10: Cấu hình phần mềm Putty Nhập địa IP RPI tên RPI (mặc định raspberrypi) vào ô Host Name or IP address Ô Port (Cổng) nhập 22 Kích chuột vào Open Nếu kết nối thành cơng thấy cửa sổ dạng sau: Nhập username (mặc định pi) Enter nhập password (nếu chưa thay đổi raspberry) Lúc ta làm việc với RPI qua dịng lệnh Muốn khỏi Putty, đánh exit dịng lệnh Tắt RPI Tắt RPI khơng giống với máy tính thơng thường Trong Putty, gõ lệnh: sudo shutdown now Chờ lúc, khơng có cho biết đến lúc được, quan sát đèn màu xanh (đèn đọc, ghi thẻ nhớ), thấy tắt chút rút nguồn để tắt RPI Trang 81 Cài đặt sử dụng WebIOPI 2.1 Cài đặt WebIOPI Bước 1: Tải file cài đặt địa http://sourceforge.net/projects/webiopi/files/ Bước 2: Cài đặt chương trình WinsCP để copy file máy tính Raspberry Pi Sử dụng chương trình WinsCP để copy file vừa tải bước vào thư mục Desktop kit Pi Bước 3: Remote control vào kit Pi, mở terminal lên (yêu cầu kit phải nối mạng) Vào thư mục chứa file WebIopi vừa copy bước lệnh: CD Desktop Hình PL11: Màn hình Terminal Pi Bước 4: Giải nén file webiopi lệnh : tar xvzf WebIOPI-0.7.1.tar.gz Bước 5: Mở thư mục giải nén lệnh: cd WebIOPI-0.7.1 Bước 6: Gõ tiếp lệnh sau để cài đặt: sudo /setup.sh Tiến hành trình cài đặt Khi đến hình sau tắt terminal reboot lại kit Pi Trang 82 Hình PL12: Màn hình Terminal reboot kit Pi 2.2 Sử dụng WebIOPI Bước 1: Login máy tính Kit vào chung modem Bước 2: Mở terminal kit, khởi động webiopi lệnh: sudo /etc/init.d/webiopi start Bước 3:Mở trình duyệt máy tính, bấm lệnh : 192.168.1.100:8000 (lưu ý IP kit tùy theo ta đặt địa lúc cấu hình Kit Pi) Bước 4: Login user: webiopi Pass: raspberry Trang 83 Hình PL13: Màn hình hiển thị WebIopi Tắt WebIopi lệnh sudo /etc/init.d/webiopi stop 2.3 Bật tắt WebIopi tự động Bật chế độ tự động start lệnh: sudo update-rc.d webiopi defaults Tắt chế độ tự động start lệnh: sudo update-rc.d webiopi remove 2.4 Truy cập WebIopi mạng LAN Để truy cập vào webiopi server mạng LAN Địa webiopi http://raspberrypi:8000/ Bước 1: Kết nối Pi máy tính vào chung modem Remote control vào Pi Bước 2: Mở Terminal Pi lên, bấm lệnh khởi động webiopi: sudo webiopi –d –c /etc/webiopi/config Bước 3: Chạy trực tiếp file python để điều khiển thiết bị lệnh: sudo python /home/pi/script.py Trang 84 2.5 Thay đổi giao diện điều khiển Để thay đổi giao diện điều khiển ta tiến hành bước sau: Bước 1: Tạo forder tên bất kì, đặt đâu tùy ý, ví dụ /home/pi/myproject Bước 2: Copy code python lưu lại tên script.py Bước 3: Copy code javascript lưu lại tên index.html Bước 4: Mở terminal, bấm sudo nano /etc/webiopi/config Tìm dịng [SCRIPTS] sửa lại đường dẫn myproject = /home/pi/myproject/python/script.py Tìm dịng[HTTP] sửa lại dường dẫn doc-root =/home/pi/myproject/html Bước 5: Khởi động webiopi lệnh: sudo webiopi -d -c /etc/webiopi/config Bước 6: Vào máy tính, mở trình duyệt, đăng nhập vào webiopi bắt đầu điều khiển phần cứng qua webiopi 2.6 Truy cập WebIOPI qua mạng internet Ta truy cập Raspberry thông qua internet cách cài đặt kit Weaved cho Raspberry Pi Bước 1: Đăng ký tài khoản cổng Weaved developper Vào trang https://developer.weaved.com/portal làm theo hướng dẫn để tạo tài khoản tương tự tạo tài khoản email Trang 85 Hình PL14: Đăng ký tài khoản email Weaved Bước 2: Tải chương trình Weaved cho Raspberry Pi Tại cửa sổ Terminal Pi ta gõ lệnh wget https://github.com/weaved/installer/raw/master/binaries/weavednixinstaller_1.2.5.bin Bước 3: Cài đặt Weaved Cho phép cài đặt lệnh: chmod +x weaved-nixinstaller_1.2.5.bin Chạy file cài đặt: /weaved-nixinstaller_1.2.5.bin Điền địa email mật tài khoản Weaved vào Khi hỏi, chọn WebIOPi suốt q trình cài đặt, sau đặt tên (nickname) cho Pi Trang 86 Chú ý: Nếu cài đặt chương trình rồi, q trình cài đặt hỏi có ghi đè lại số liệu khơng, ta chọn "Y" để xóa cài đặt trước, tiếp tục cài Bước 4: Kiểm tra cài đặt Để kiểm tra kết nối với Raspberry Pi từ trình duyệt, đăng nhập vào trang: https://developer.weaved.com/portal/login.php Hình PL15: Đăng nhập vào Weaved Khi kết nối thiết bị thành cơng, hình hiển thị kết nối mạng Lan Cài đặt cảm biến DHT11 3.1 Giới thiệu cảm biến DHT11: - DHT11 cảm biến nhiệt độ độ ẩm Trang 87 Hình PL16: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 - DHT11 có cấu tạo chân hình Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn dây - Thông số kỹ thuật: - Đo độ ẩm: 20%-95% - Nhiệt độ: 0-50ºC - Sai số độ ẩm +/- 5% - Sai số nhiệt độ: +/- 2ºC 3.2 Nguyên lý hoạt động: - Sơ đồ kết nối vi xử lý: Trang 88 Hình PL17: Sơ đồ kết nối DHT11 - Nguyên lý hoạt động: Để giao tiếp với DHT11 theo chuẩn chân vi xử lý thực theo bước: - Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau DHT11 xác nhận lại - Khi giao tiếp với DHT11, Cảm biến gửi lại byte liệu nhiệt độ đo Bước 1: Gửi tín hiệu Start - MCU thiết lập chân DATA Output, kéo chân DATA xuống khoảng thời gian >18ms Khi DHT11 hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ độ ẩm - MCU đưa chân DATA lên 1, sau thiết lập lại chân đầu vào Trang 89 - Sau khoảng 20-40us, DHT11 kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA ko kéo xuống thấp nghĩa ko giao tiếp với DHT11 - Chân DATA mức thấp 80us sau DHT11 kéo nên cao 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU biết có giao tiếp với DHT11 ko Nếu tín hiệu đo DHT11 lên cao, hồn thiện trình giao tiếp MCU với DHT Bước 2: Đọc giá trị DHT11 DHT11 trả giá trị nhiệt độ độ ẩm dạng byte Trong đó: - Byte 1: Giá trị phần nguyên độ ẩm (RH%) - Byte 2: Giá trị phần thập phân độ ẩm (RH%) - Byte 3: Giá trị phần nguyên nhiệt độ (TC) - Byte 4: Giá trị phần thập phân nhiệt độ (TC) - Byte 5: Kiểm tra tổng Nếu Byte = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) giá trị độ ẩm nhiệt độ xác, sai kết đo khơng có nghĩa Trang 90 3.3 Chạy trực tiếp web mobile: Ứng dụng chạy qua webIOPI với file HTML nên không cần cài đặt Chỉ cần vào web browser gọi địa 192.168.1.100:8000 chạy ứng dụng Hình PL18: Màn hình giao diện hệ thống Trang 91 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH PHẠM TRẦN PHƯƠNG THANH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SMARTHOME VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ HỖ TRỢ VIỆC TRỒNG NẤM BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG Chuyên ngành: CÔNG... khiển có Nghiên cứu gắn kết, giao tiếp thiết bị điều khiển với Từ nghiên cứu áp du ̣ng xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị nhà trồng nấm từ xa qua thiết bị di động 1.6.2 Phương pháp nghiên cứu điển... lượng điện, nước thiết bị tưới tiêu tự động ngắt khơng cần dùng đến Xuất phát từ thực tế đó, tác giả chọn đề tài ? ?Nghiên Cứu công nghệ SmartHome xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng