Điều khiển ngôi nhà thông minh qua mạng internet

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề Tài ĐIỀU KHIỂN NGƠI NHÀ THƠNG MINH QUA MẠNG INTERNET GVHD: ThS HÀ CHÍ KIÊN SVTH: PHẠM HỒNG ĐỨC MSSV: 15074091 Lớp: DHDKTD11B TP HCM, NĂM 2019 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề .5 1.2 Khái niệm nhà thông minh 1.2.1 Nhà thơng minh ? 1.2.2 Các mơ hình nhà thơng minh áp dụng 1.2.3 Các yếu tố nhà thông minh 1.2.4 Cơ cấu nhà thông minh CHƯƠNG KIẾN THỨC CƠ SỞ .11 2.1 Phương án giải .11 2.2 Đối tượng nghiên cứu 12 2.3 Nhiệm vụ phạm vi đề tài: 12 2.3.1 Nhiệm vụ 12 2.3.2 Phạm vi 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH 14 3.1 Thiết kế 14 3.1.1 Yêu cầu thiết kế 14 3.1.2 Lựa chọn thiết bị 14 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTER 29 4.1 Mạng internet(Ethernet) 29 4.2 Địa IP .30 4.3 Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển qua internet 31 4.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống thiết bị nhà 32 4.5 Chương trình điều khiển 33 4.5.1 Chương trình điều khiển cho Arduino Mega2650 33 4.5.2 Chương trình điều khiển cho Module wifi NodeMcu ESP8266 thứ 44 4.5.3 Chương trình điều khiển cho Module wifi NodeMcu ESP8266 thứ hai qua Trợ lí ảo Google Assistant 48 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .52 5.1 Mơ hình thực tế 52 5.2 Giao diện giám sát điều khiển .56 KẾT LUẬN 59 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp Mục lục hình ảnh Hình 1.1 Mơ hình tổng quát nhà thông minh Hình 1.2: Mơ hình Smart home cơng ty Compro Technology Hình 1.3: Mơ hình Smart home cơng ty IEI Integration Hình 1.4: Mơ hình Smart home Eco-Future-World Hình 1.5: Mơ hình Smart home BKAV .8 Hình 1.6: Mơ hình Smart home Lumi Hình 2.1 Xu hướng phát triển smarthome 11 Hình 3.1 Arduino Mega2650 15 Hình 3.2 Sơ đồ chân Arduino Mega2560 .17 Hình 3.3 NodeMcu ESP8266 .18 Hình 3.4 Sơ đồ chân NodeMcu ESP8266 18 Hình 3.5 Module quét thẻ từ RFID RC522 20 Hình 3.6 Module cảm biến quang trở 20 Hình 3.7 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 21 Hình 3.8 Module cảm biến khí gas 22 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý cảm biến gas MQ2 .22 Hình 3.10 Module cảm biến mưa 23 Hình 3.11 Module cảm biến chuyển động 24 Hình 3.12 Sơ đồ chân cảm biến chuyển động HC-SR510 24 Hình 3.13 Ngun lí hoạt động cảm biến chuyển động 25 Hình 3.14 Module hình LCD 26 Hình 3.15 Module relay kênh 27 Hình 3.16 Module LM2596 .28 Hình 4.1: Mạng internet kết nối toàn cầu 29 Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống giám sát điều khiển 31 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp Hình 5.1 Mơ hình sản phẩm .52 Hình 5.2 Khóa cửa sử dụng Module RFID RC522 53 Hình 5.3 Module CB ánh sáng CB chuyển động 53 Hình 5.4 Phịng bếp thiết bị báo động rị rỉ khí gas 54 Hình 5.5 Phịng VS 54 Hình 5.6 Thiết bị phơi – thu đồ 55 Hình 5.7 Màn hình hiển thị nhiệt độ – độ ẩm .55 Hình 5.8 Hiển thị nhiệt độ - độ ẩm App MQTT Dash 55 Hình 5.9 Giao diện giám sát điều khiển App MQTT Dash .56 Hình 5.10 Giao diện giám sát điều khiển webservice api.cloudmqtt.com 57 Hình 5.11 Giao diện giám sát điều khiển Trợ lí ảo Google Assistant 58 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Ngày với phát triển mạnh mẽ vượt bậc khoa học kỹ thuật, phát triển Arduino dụng ngày thông dụng từ lúc xuất vào năm 2015 Italia Arduino mở hướng cho vi điều khiển Arduino hỗ trợ cho người nhiều việc nghiên cứu lập trình thiết kế, người bắt đầu tìm tịi vi điều khiển mà khơng có nhiều kiến thức lập trình điện tử Phần cứng thiết bị tích hợp nhiều chức mã nguồn mở với ngơn ngữ lập trình C thư viện phong phú nên Arduino phổ biến giới tính tới thời điểm Đặc biệt thập niên gần với phát triển hệ thống thơng minh, ngành tự động hóa phát triển tạo hệ thống nhà thông minh phục vụ cho nhu cầu ngày cao người đời sống Tại Việt Nam có nhiều công ty chuyên thiết kế, lắp đặt ngồi nhà hệ thống thơng minh phải kể đến công ty BKAV áp dụng dự án nhà thông minh điều khiển qua tảng Android thông qua điện thoại nhiều dự án nước Hãy nghĩ tất lặp lặp lại bạn phải làm nhà mình: bật, tắt thiết bị nhà đèn, quạt,…, bật tắt hệ thống báo động, an ninh,…Trong cần điện thoại ta làm cơng việc nói trên, chình vậy, tơi định thực đề tài nghiên cứu khoa học: “Thiết kế nhà thông minh” 1.2 Khái niệm nhà thông minh 1.2.1 Nhà thơng minh Nhà thơng minh ( tiếng Anh “Smart Home”) hệ thống nhà thông minh nhà/căn hộ trang bị hệ thống tự động thông minh với bố trí hợp lý, hệ thống có khả tự điều phối hoạt động nhà theo thói quen sinh hoạt nhu cầu cá nhân gia chủ Chúng ta hiểu ngơi nhà thông minh hệ thống chỉnh thể mà đó, tất thiết bị điện tử gia công điều liên kết với thiết bị điều khiển trung tâm phối hợp với để thực chức Các thiết bị tự đưa cách xử lý tính lập trình trước, điều khiển giám sát từ xa nhằm mục SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp đích làm sống ngày tiện nghi, an tồn góp phần sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên Nhà thông minh hình dung tác phẩm khoa học viễn tưởng từ nhiều năm trở thành thực kể từ kỷ 20 sau phát triển rộng rãi điện tiến nhanh chóng cơng nghê thông tin Tuy nhiên, công nghệ nhà thông minh thực ngày trở nên tinh vi Các tín hiệu mã hóa gửi qua hệ thống dây dẫn, mạng không dây đến chuyển mạch, ổ điện lập trình sẵn để vận hành đồ gia dụng thiết bị điện tử ngơi nhà Sự tự động hóa ngơi nhà đặc biệt có ích cho người lớn tuổi người tàn tật, người muốn sống tự lập Hình 1.1 Mơ hình tổng qt nhà thơng minh SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp 1.2.2 Các mơ hình nhà thơng minh áp dụng *Các giải pháp nhà thông minh giới Hình 1.2: Mơ hình Smart home cơng ty Compro Technology Hình 1.3: Mơ hình Smart home cơng ty IEI Integration SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp Hình 1.4: Mơ hình Smart home Eco-Future-World *Các giải pháp nhà thơng minh Việt Nam Hình 1.5: Mơ hình Smart home BKAV SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp { delay(500); if (MQTT.connect("TB", "sccifozy", "lZUtDG_XTFob")) break; } Serial.println("Da vao duoc MQTT"); MQTT.publish("test", "gui du lieu thu"); MQTT.subscribe("TBn/Thiet bi 1"); MQTT.subscribe("TBn/Thiet bi 2"); MQTT.subscribe("TBn/Thiet bi 3"); MQTT.subscribe("TBn/Thiet bi 4"); pinMode(D0,OUTPUT); pinMode(D1,OUTPUT); pinMode(D2,OUTPUT); pinMode(D3,OUTPUT); digitalWrite(D0, HIGH); digitalWrite(D1, HIGH); digitalWrite(D2, HIGH); digitalWrite(D3, HIGH); } void loop() { MQTT.loop(); MQTT.publish("TBg/Thiet bi 1", String(digitalRead(D0)).c_str()); MQTT.publish("TBg/Thiet bi 2", String(digitalRead(D1)).c_str()); MQTT.publish("TBg/Thiet bi 3", String(digitalRead(D2)).c_str()); MQTT.publish("TBg/Thiet bi 4", String(digitalRead(D3)).c_str()); 46 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp delay (5); float h = dht.readHumidity(); float t = dht.readTemperature(); Serial.print("Humidity: "); //Đọc giá trị độ ẩm Serial.print(h); Serial.print(" %\t"); Serial.print("Temperatures: "); //Đọc giá trị nhiệt độ Serial.print(t); Serial.println(" *C "); MQTT.publish("TBg/Nhiet Do",String(t).c_str()); MQTT.publish("TBg/Do Am",String(h).c_str()); delay(500); } 4.5.3 Chương trình điều khiển cho Module wifi NodeMcu ESP8266 thứ hai qua Trợ lí ảo Google Assistant #include #include const char* ssid = "Bphone"; const char* password = "11112222"; const char* mqtt_server = "io.adafruit.com"; WiFiClient espClient; PubSubClient client(espClient); void setup_wifi() { delay(10); // We start by connecting to a WiFi network Serial.println(); Serial.print("Connecting to "); 47 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp Serial.println(ssid); WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); Serial.print("."); } randomSeed(micros()); Serial.println(""); Serial.println("WiFi connected"); Serial.println("IP address: "); Serial.println(WiFi.localIP()); } void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) { String content = ""; for (int i = 0; i < length; i++) { content += (char)payload[i]; } //Đèn phòng khách if (content == "OnLightTheLivingRoom") { digitalWrite(D0, LOW); Serial.println("Đèn phòng khách bật"); } 48 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp if (content == "OffLightTheLivingRoom") { digitalWrite(D0, HIGH); Serial.println("Đèn phòng khách tắt"); } //Máy lạnh if (content == "OnTheAir-Conditioner") { digitalWrite(D1, LOW); Serial.println("Máy lạnh bật"); } if (content == "OffTheAir-Conditioner") { digitalWrite(D1, HIGH); Serial.println("Máy lạnh tắt"); } //TiVi if (content == "OnTheTV") { digitalWrite(D2, LOW); Serial.println("TiVi bật"); } if (content == "OffTheTV") { digitalWrite(D2, HIGH); Serial.println("TiVi tắt"); 49 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp } //Đèn Cổng if (content == "TurnOnTheGateLight") { digitalWrite(D3, LOW); Serial.println("Đèn cổng bật"); } if (content == "TurnOffTheGateLight") { digitalWrite(D3, HIGH); Serial.println("Đèn cổng tắt"); } } void reconnect() { while (!client.connected()) { Serial.print("Attempting MQTT connection "); String clientId = "ESP8266Client-"; clientId += String(random(0xffff), HEX); if (client.connect(clientId.c_str(), "Pham_Duc97","9db29b68127f4f5ebe11523759c3a644")) { Serial.println("connected"); client.subscribe("Pham_Duc97/feeds/smart-home"); } else { Serial.print("failed, rc="); Serial.print(client.state()); Serial.println(" try again in seconds"); 50 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp // Wait seconds before retrying delay(5000); } } } void setup() { pinMode(D0, OUTPUT); pinMode(D1, OUTPUT); pinMode(D2, OUTPUT); pinMode(D3, OUTPUT); Serial.begin(115200); setup_wifi(); client.setServer(mqtt_server, 1883); client.setCallback(callback); } void loop() { if (!client.connected()) { reconnect(); } client.loop(); } 51 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Mơ hình thực tế Mơ hình ngơi nhà thực tế chia làm phần tương ứng với phòng khách,1 phòng bếp,1 phịng ngủ, phịng VS, khu vườn trống phía trước nhà hành lang phía sau nhà Kết hợp với khối mạch điều khiển gồm board Arduino Mega 2560, Module wifi NodeMcu ESP8266 Hình 5.1 Mơ hình sản phẩm 52 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp Hình 5.2 Khóa cửa sử dụng Module RFID RC522 Hình 5.3 Module CB ánh sáng CB chuyển động 53 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp Hình 5.4 Phòng bếp thiết bị báo động rò rỉ khí gas Hình 5.5 Phịng VS 54 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp Hình 5.6 Thiết bị phơi – thu đồ Hình 5.7 Màn hình hiển thị nhiệt độ – độ ẩm Hình 5.8 Hiển thị nhiệt độ - độ ẩm App MQTT Dash 55 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp 5.2 Giao diện giám sát điều khiển Hình 5.9 Giao diện giám sát điều khiển App MQTT Dash 56 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp Hình 5.10 Giao diện giám sát điều khiển webservice api.cloudmqtt.com 57 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp Hình 5.11 Giao diện giám sát điều khiển Trợ lí ảo Google Assistant 58 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu thực đề tài, nhóm nhận thấy đề tài có khả ứng dụng vào thực tiễn cao, đáp ứng nhu cầu sống đại ngày xu hướng thời đại Đồng thời nhóm bổ sung cho kiến thức hay bổ ích Với đam mê hướng dẫn nhiệt tình giáo viên hướng dẫn cộng thêm nỗ lực tìm tịi, đam mê khám phá giúp em đạt số kết sau: - Hiểu hệ thống giám sát điều khiển qua mạng internet, nhà thông minh hoạt động Đồng thời em biết tình hình sử dụng, xu hướng phát triển Việt Nam nước khác giới - Thiết kế thành công mô hình ngơi nhà thơng minh Tìm hiểu sở, ý nghĩa việc điều khiển thiết bị qua internet Hiểu nguyên lí làm việc module hệ thống cách ghép nối chúng Tiến hành chạy thực nghiệm, đánh giá kết Ưu điểm nhược điểm mơ hình  Về mơ hình đáp ứng u cầu cần thiết ngơi nhà thơng minh thật • Hồn thành mơ hình ngơi nhà thơng minh • Hồn thành chương trình điều khiển cho ngơi nhà • Tốc độ kết nối, khởi động nhanh • Ngơi nhà cho phép điều khiển qua ứng dụng liên tục miễn không bị gián đoạn wifi kết nối Cho phép theo dõi tình trạng ngơi nhà liên tục có kết nối mạng  Tuy nhiên, mơ hình cịn có nhiều khuyết điểm cần khắc phục, cụ thể: • Giới hạn kĩ thuật khả mở rộng số lượng biến giám sát điều khiển • Sự ổn định mạng wifi kết nối Module wifi NodeMcu ESP8266 chưa hồn hảo • Hay có xảy nhiễu tín hiệu truyền mơ hình 59 SV: Phạm Hồng Đức Khóa luận tốt nghiệp Hướng phát triển đề tài: Hệ thống điều khiển giám sát qua mạng internet có ý nghĩa lớn nhiều mặt sống như: an ninh, quốc phịng, chăn ni, y tế, gia đình, trồng trọt… Việc làm chủ vấn đề nhiều hạn chế định, đất nước phát triển khoa học công nghệ Qua đề tài em mong muốn sử dụng kiến thức học thời gian sinh viên để thực việc tiếp cận với công nghệ xu hướng giới Qua đồ án em xin đề xuất số hướng phát triển cho hệ thống: • Nguồn lượng dự phòng lấy từ pin mặt trời • Ứng dụng camera xử lý ảnh hệ thống chống trộm • Cửa chình có thêm qt dấu vân tay nhận diện khn mặt • Hệ thống chữa cháy tự động có cháy • Lắp đặt hệ thống camera giám sát cho hệ thống • Ứng dụng hệ thống giám sát điều khiển y tế, giáo dục • Xây dựng phần mềm quản lí thiết bị di động, phần mềm có khả tự động thơng báo điều kiện bất lợi cho người dùng mà không cần truy cập vào trang web 60 ... “Thiết kế nhà thông minh? ?? 1.2 Khái niệm nhà thông minh 1.2.1 Nhà thơng minh Nhà thơng minh ( tiếng Anh “Smart Home”) hệ thống nhà thông minh nhà/ căn hộ trang bị hệ thống tự động thơng minh với... GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTER 29 4.1 Mạng internet( Ethernet) 29 4.2 Địa IP .30 4.3 Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển qua internet ... CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET 4.1 Mạng internet( Ethernet) Internet hệ thống thơng tin tồn cầu truy nhập cơng cộng gồm mạng máy tính liên kết với Hệ