Thiết kế bộ điều khiển thiết bị trong nhà thông minh từ xa qua internet

ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP QUỐC GIA VIỆT NAM KHOA CƠ ĐIỆN & CƠNG TRÌNH BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN & TỰ ĐỘNG HÓA KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Thiết kế điều khiển thiết bị nhà thông minh từ xa qua Internet Giảng viên hƣớng dẫn : ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung Sinh viên thực : Cao Việt Hƣng Lớp : K58 CƠ ĐIỆN TỬ Khoá : 58 Hà Nội – năm 2017 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, mạng Internet dần phủ rộng khắp vùng miền đất nước Đời sống người ngày nâng cao đòi hỏi phải hỗ trợ tốt hơn, điện thoại di động phổ biến thị trường điện thoại dần bão hòa giá Điện thoại thông minh (Smartphone) chiếm thị phần lớn với tiện dụng xem phim, đọc báo, chơi game nhiên đảm bảo chức nghe gọi thông thường Kết hợp hệ thống mạng Internet sẵn có điện thoại thơng minh, nhà thơng minh xuất Từ lâu, nhà thơng minh có nước phát triển giới, giúp chủ ngơi nhà quản lý thiết bị gia đình nơi đâu thơng qua Smartphone kết nối Internet Nhưng thực tế giá lắp đặt thiết bị thơng minh nước ta đắt đỏ phải nhập thiết bị, chịu thuế cao, rào cản lớn khiến cho nhà thông minh chưa phổ biến nước ta Ví dụ nhà thơng minh Bill Gate với kinh phí lên tới 93 triệu USD, hay Việt Nam tiếng có Bkav Smarthome với kinh phí lắp đặt từ 20 triệu tới trăm triệu đồng Trên thực tế, cần sử dụng hết tính nhà thơng minh, cần bật tắt bóng đèn, quạt chẳng hạn Qua đó, em tìm hiểu định nghiên cứu đề tài “Thiết kế điều khiển thiết bị nhà thông minh từ xa qua Internet” để đem đến sản phẩm ứng dụng cho nhà thông minh giá thành dễ chấp nhận hơn, phù hợp với nhiều đối tượng sử dụng Mặt khác, thực đề tài giúp sinh viên củng cố kiến thức học kiến thức tự động hóa có ích cho cơng việc học tập sau Đề tài khóa luận chia thành ba chương: Chương 1: Tổng quan nhà thông minh phần mềm Adruino IDE Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh Chương 3: Thiết kế chế tạo điều khiển cho nhà thông minh Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô môn Kỹ thuật Điện & Tự động hóa Trường Đại học Lâm nghiệp, đặc biệt ThS.Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung tận tình hướng dẫn truyền đạt nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu để em hồn thảnh khóa luận Sinh viên thực đề tài Cao Việt Hưng NHẬN XÉT (Của giảng viên hƣớng dẫn) GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (ký, ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN (ký, ghi rõ họ tên) MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN NHÀ THÔNG MINH VÀ PHẦN MỀM ADRUINO IDE 1.1 Giới thiệu chung nhà thông minh 1.1.1 Nhà thông minh 1.1.2 Lịch sử phát triển hình thành nhà thơng minh .2 1.1.3 Hệ thống điều khiển nhà thông minh .3 1.2 Giới thiệu phần mềm Adruino IDE .3 1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhà thơng minh ngồi nước 1.3.1 Trên giới .6 1.3.2 Ở nước Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ THÔNG MINH 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhà thông minh 2.2 Thiết kế điều khiển 2.2.1 Phân tích lựa chọn điều khiển 2.2.2 Sơ đồ khối điều khiển nhà thông minh .10 2.2.3 Lựa chọn khối xử lý trung tâm 11 2.3 Thiết kế khối nguồn 12 2.4 Thiết bị đóng cắt (Rơle – Relay) 14 2.4.1 Lựa chọn thiết bị đóng cắt .14 2.4.2 Sơ đồ đấu dây cho rơle điện từ 15 Chương THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO NHÀ THÔNG MINH 17 3.1 Chuẩn bị linh kiện 17 3.2 Thiết kế mạch in phần mềm Altium 22 3.2.1 Thiết kế mạch in khối rơle kênh 22 3.2.2 Thiết kế khối đệm dòng ULN2003 khối LED báo trạng thái .23 3.3 Chế tạo điều khiển 25 3.4 Lập trình điều khiển cho ESP8266 sử dụng phần mềm Adruino IDE 25 3.5 Một số hình ảnh sản phẩm điều khiển nhà thông minh 28 3.6 Các bước hướng dẫn thực điều khiển nhà thông minh 29 3.7 Thử nghiệm hệ thống 33 KẾT LUẬN 34 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Giao diện Arduino IDE Hình 1.2: Các lệnh phần mềm Adruino IDE Hình 1.3: Vùng thông báo Hình 1.4: Lựa chọn cổng thiết bị Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị điện nhà thông minh qua Internet Hình 2.2: Sơ đồ khối điều khiển 10 Hình 2.3: Module Node MCU ESP8266 11 Hình 2.4: Sơ đồ chân giao tiếp Module Node MCU ESP8266 12 Hình 2.5: Sơ đồ khối khối nguồn 13 Hình 2.6: Mạch hạ áp chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu H 13 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch ổn định điện cho điều khiển 14 Hình 2.8: Sơ đồ cấu tạo hình ảnh rơle điện từ 14 Hình 2.9: Sơ đồ mạch nguyên lý Module relay kênh thiết kế phần mềm Altium 15 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý ghép nối rơle điều khiển transistor loại NPN 16 Hình 3.1: rơle điện từ 5Vdc 17 Hình 3.2: Cấu tạo opto quang 17 Hình 3.3: Cấu tạo ULN2003 18 Hình 3.4: Cấu tạo đi-ốt 19 Hình 3.5: Cấu tạo transistor 19 Hình 3.6: Cấu tạo điện trở 20 Hình 3.7: Vỏ điều khiển 20 Hình 3.8: Cable USB to micro USB 20 Hình 3.9: Cable USB to 5.5*2.5mm 21 Hình 3.10: Dây tín hiệu 21 Hình 3.11: Mạch in Module rơle kênh thiết kế phần mềm Altium 22 Hình 3.12: Sơ đồ mạch in dạng 3D Module rơle kênh thiết kế phần mềm Altium 22 Hình 3.13: Module rơle kênh 23 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý khối đệm dòng ULN2003 khối LED báo trạng thái thiết kế phần mềm Altium 23 Hình 3.15: Mạch in Module ULN 2003 thiết kế phần mềm Altium 24 Hình 3.16: Sơ đồ mạch in dạng 3D khối ULN2003 khối LED báo trạng thái thiết kế phần mềm Altium 24 Hình 3.17: Bộ điều khiển sau hoàn thiện 25 Hình 3.18: Lưu đồ thuật tốn lập trình điều khiển 25 Hình 3.19: Tìm ứng dụng Blynk 29 Hình 3.20: Cài đặt ứng dụng 29 Hình 3.21: Quá trình cài đặt 29 Hình 3.22: Ứng dụng cài đặt 29 Hình 3.23: Tạo tài khoản đăng nhập 30 Hình 3.24: Đăng nhập vào ứng dụng 30 Hình 3.25: Tạo dự án 30 Hình 3.26: Chọn loại module 30 Hình 3.27: Dự án 31 Hình 3.28: Thêm nút bấm vào blynk 31 Hình 3.29: Chọn nút bấm 31 Hình 3.30: Thiết lập thơng số nút bấm 31 Hình 3.31: Chọn chân điều khiển 32 Hình 3.32: Chọn loại chân điều khiển 32 Hình 3.33: Bấm nút tam giác để online dự án 32 Hình 3.34: Kích hoạt nút bấm trực tiếp 32 Hình 3.35: Giao diện phần mềm chưa mở đèn 33 Hình 3.36: Đèn chưa bật 33 Hình 3.37: Giao diện ứng dụng đa nhấn mở đèn 33 Hình 3.38: Đèn bật sáng 33 Chƣơng TỔNG QUAN NHÀ THÔNG MINH VÀ PHẦN MỀM ADRUINO IDE 1.1 Giới thiệu chung nhà thông minh 1.1.1 Nhà thông minh Nhà thông minh nhà trang bị hệ thống tự động thơng minh với cách bố trí hợp lý, hệ thống có khả tự điều phối hoạt động ngơi nhà theo thói quen sinh hoạt nhu cầu cá nhân gia chủ Chúng ta hiểu ngơi nhà thơng minh hệ thống chỉnh thể mà đó, tất thiết bị điện tử gia dụng liên kết với thiết bị điều khiển trung tâm phối hợp với để thực chức Các thiết bị tự đưa cách xử lý tình lập trình trước, điều khiển giám sát từ xa Giải pháp nhà thơng minh biến đồ điện tử bình thường ngơi nhà trở nên thơng minh gần gũi với người dùng hơn, chúng kiểm sốt thơng qua thiết bị truyền thơng điều khiển từ xa, điện thoại di động… nhà thông minh đơn giản hình dung bao gồm mạng điều khiển liên kết số lượng cố định thiết bị điện, điện tử gia dụng nhà chúng điều khiển thông qua điều khiển từ xa Chỉ với kết nối đơn giản đủ để hài lòng số lượng lớn cá nhân có nhu cầu nhà thơng minh mức trung bình Vậy liệu nhà thơng minh có làm thay đổi thói quen vốn gắn bó từ trước đến với hầu hết người? Chúng ta biết phần lớn hộ từ trung bình đến cao cấp sử dụng loại điều khiển từ xa để điều khiển máy lạnh, ti vi…còn lại phần lớn thiết bị khác hệ thống đèn, bình nước nóng lạnh…phải điều khiển tay Những việc đôi lúc đem lại bất tiện, mà mong muốn có tiện nghi thoải mái hơn, vừa tận hưởng nằm giường coi ti vi vừa kiểm sốt hệ thống thiết bị nhà với smartphone hay máy tính bảng 1.1.2 Lịch sử phát triển hình thành nhà thông minh Tiền đề cho hệ thống nhà thông minh thiết bị điều khiển từ xa khơng dây, giới thiệu vào năm 1898 Nikola Tesla, ơng điều khiển mơ hình thu nhỏ thuyền cách gửi sóng radio qua điều khiển từ xa Thế kỷ 20 bắt đầu với phát triển bùng nổ thiết bị gia dụng, ví dụ máy hút bụi chạy động đời nằm 1901 máy hút bụi chạy điện xuất năm 1907 Hai thập kỷ cách mạng thiết bị gia dụng xuất tủ lạnh, máy sấy quần áo, máy giặt, bàn máy nướng bánh mì Tuy nhiên, thời kì này, thiết bị kể có giá thành đắt hàng xa xỉ gia đình giàu có mua Đến năm 1930, ý tưởng tự động hóa nhà khơi gợi lên, phải đến năm 1966, hệ thống tự động hóa nhà mang tiên EchoIV phát triển Jim Sutherland Hệ thống giúp chủ nhà lên danh sách mua hàng, điều chỉnh nhiệt độ phòng, bật tắt thiết bị gia dụng Nhưng đáng tiếc hệ thống chưa bán thị trường Năm 1969, bếp máy tính Honeywell đời Chức sản phẩm tạo cơng thức ăn, bếp khơng đạt thành công thương mại giá thành đắt đỏ Bước ngoặt lớn xảy vào năm 1971 vi xử lý đời, khiến cho giá thiết bị điện tử giảm mạnh Điều đồng nghĩa với việc người có khả tiếp cận với cơng nghệ dễ dàng Nhờ có bước phát triển thần kì ấy, khái niệm “nhà thông minh” lần đưa vào năm 1984 Hội Liên Hiệp Xây dựng Hoa Kỳ Trong suốt thập niên 90, công nghệ dành cho người cao tuổi chủ đề tập trung nghiên cứu, người ta cố gắng kết hợp kỹ thuật đại khoa học tuổi già để tạo công nghệ phục vụ cho người cao tuổi Chính tập trung nghiên cứu đóng góp vào việc phát triển tiện nghi gia đình, thiết bị gia dụng, điện tử điện lạnh Trong khoảng thời gian này, nhu cầu kết nối thiết bị gia dụng bắt đầu xuất Năm 1993, mạng lưới kết nối thiết bị nhà không dây xây dựng Fujieda Hình 3.9: Cable USB to 5.5*2.5mm +Dây tín hiệu: Gồm dây tín hiệu kết nối từ module Node MCU ESP8266 đến đệm dòng ULN 2003 từ ULN 2003 tới module relay Hình 3.10: Dây tín hiệu 21 3.2 Thiết kế mạch in phần mềm Altium 3.2.1 Thiết kế mạch in khối rơle kênh Từ sơ đồ đấu dây ta chuyển sang thiết kế xếp linh kiện tối ưu dây linh kiện hình 3.11 Hình 3.11: Mạch in Module rơle kênh thiết kế phần mềm Altium Module rơle kênh thiết kế phần mềm Altium có dạng 3D hình 3.12 Hình 3.12: Sơ đồ mạch in dạng 3D Module rơle kênh thiết kế phần mềm Altium Module relay thiết kế tối ưu với kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm cho chi phí sản xuất lắp đặt 22 Hình ảnh thực tế Module sau hồn thành Hình 3.13: Module rơle kênh 3.2.2 Thiết kế khối đệm dòng ULN2003 khối LED báo trạng thái Để đảm bảo tính thẩm mỹ tiện lợi lắp đặt, ta thiết kế khối LED báo trạng thái chung với khối đệm dịng ULN2003 có sơ đồ ngun lý hình 3.14 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý khối đệm dòng ULN2003 khối LED báo trạng thái thiết kế phần mềm Altium 23 Từ sơ đồ nguyên lý (hình 3.14) ta tiến hành dây linh kiện phần mềm Altium Hình 3.15: Mạch in Module ULN 2003 thiết kế phần mềm Altium Khối ULN2003 khối LED báo trạng thái thiết kế phần mềm Altium có dạng 3D hình 3.16 Hình 3.16: Sơ đồ mạch in dạng 3D khối ULN2003 khối LED báo trạng thái thiết kế phần mềm Altium Module ULN 2003 thiết kế nhỏ gọn linh hoạt với đèn led có chức báo nguồn trạng thái hoạt động thiết bị 24 3.3 Chế tạo điều khiển Các khối sau thiết kế gắn kết với đóng vỏ gọn gàng hình 3.17 Hình 3.17: Bộ điều khiển sau hồn thiện 3.4 Lập trình điều khiển cho ESP8266 sử dụng phần mềm Adruino IDE Bài toán đặt làm điều khiển ESP8266 nút bấm điện thoại theo ý muốn Để giải toán ta cần sử dụng câu lệnh liên quan bên phần mềm việc khai báo biến gán biến cho chúng cho xác dựa lưu đồ thuật tốn hình 3.18: Hình 3.18: Lưu đồ thuật tốn lập trình điều khiển 25 Bắt đầu lập trình ta nên khai báo thư viện cho Arduino, cụ thể ta khai báo thư viện ESP8266 sau: #include Do sử dụng app Blynk điện thoại để điều khiển ESP8266 nên ta phải khai báo thư viện Blynk, sau gõ lệnh: #include Tiếp đến khai báo kiểu liệu: char auth[] = "a6cc3a9d013d446299defcd02fe02f6c"; Rồi khai báo tên mật wifi mạng gia đình cho ESP8266 kết nối tới: char ssid[] = "Mi4c"; char pass[] = "viethung"; Câu lệnh quan trọng phần lập trình cho thiết bị ghép nối thư viện Adruino kết nối tới server blynk-cloud.com Code chương trình viết sau: #define BLYNK_PRINT Serial #include #include // You should get Auth Token in the Blynk App // Go to the Project Settings (nut icon) char auth[] = "a6cc3a9d013d446299defcd02fe02f6c"; // Your WiFi credentials // Set password to "" for open networks char ssid[] = "Mi4c"; char pass[] = "viethung"; void setup() { // Debug console Serial.begin(9600); Blynk.begin(auth, ssid, pass); // You can also specify server: 26 //Blynk.begin(auth, ssid, pass, "blynk-cloud.com", 8442); //Blynk.begin(auth,ssid,pass,IPAddress(192,168,1,100), 8442); } void loop() { Blynk.run(); // Check other examples on how to communicate with Blynk Remember } Sau hoàn thành chương trình điều khiển thiết bị qua Internet phần mềm Arduino IDE, thực nạp chương trình vào Module Node MCU ESP8266 để hồn thiện Nếu có lỗi lập trình Arduino IDE thơng báo cho người sử dụng cách khắc phục từ kiểm sốt cơng việc lập trình Một số lỗi khơng nạp chương trình ta nên kiểm tra cổng COM máy tính xem cài đặt chưa khơng chọn tên cổng Ngồi cịn chưa cài Driver thiết bị (CH340) dẫn đến không nhận thiết bị Nạp chương trình xong u cầu bấm nút reset để kích hoạt chương trình thiết bị, lúc thiết bị hoạt động 27 3.5 Một số hình ảnh sản phẩm điều khiển nhà thông minh 28 3.6 Các bƣớc hƣớng dẫn thực điều khiển nhà thông minh Đầu tiên cấp nguồn 5Vdc cho điều khiển, điện lưới 220Vac cho khối rơle Trên điện thoại chạy hệ điều hành Android truy cập kho ứng dụng CH play điện thoại chạy hệ điều hành Ios truy cập kho ứng dụng App Store, bấm tìm kiếm ứng dụng Blynk bấm cài đặt ứng dụng lên điện thoại Bước 1: Truy cập kho ứng dụng Bước 2: Chọn cài đặt ứng dụng thiết bị tìm kiếm từ khóa “Blynk” Hình 3.19: Tìm ứng dụng Blynk Bước 3: Ứng dụng cài đặt Hình 3.20: Cài đặt ứng dụng Bước 4: Ứng dụng cài đặt thành cơng Hình 3.21: Q trình cài đặt Hình 3.22: Ứng dụng cài đặt 29 Giao diện ứng dụng thiết kế App Blynk Bước 1: Tạo tài khoản đăng nhập ứng Bước 2: Gõ tài khoản mật dụng Blynk bấm đăng nhập Hình 3.23: Tạo tài khoản đăng nhập Bước 3: Tạo dự án Hình 3.24: Đăng nhập vào ứng dụng Bước 4: Chọn module NodeMCU Hình 3.25: Tạo dự án Hình 3.26: Chọn loại module 30 Bước 5: Tạo thành công dự án Bước 6: Thêm nút bấm vào blynk Hình 3.27: Dự án Bước 7: Chọn nút bấm Hình 3.28: Thêm nút bấm vào blynk Bước 8: Thiết lập thông số cho nút bấm Hình 3.29: Chọn nút bấm Hình 3.30: Thiết lập thông số nút bấm 31 Bước 9: Chọn chân điều khiển tương Bước 10: Chọn loại chân điều khiển ứng module module Hình 3.31: Chọn chân điều khiển Hình 3.32: Chọn loại chân điều khiển Bước 11: Tương tự ta tạo nút Bước12: Dự án online chờ kích bấm nút tam giác để online dự án hoạt nút bấm trực tiếp Smartphone Hình 3.33: Bấm nút tam giác để online Hình 3.34: Kích hoạt nút bấm trực tiếp dự án 32 3.7 Thử nghiệm hệ thống Sau kết nối khối thành sản phẩm cuối ta tiến hành chạy thử nghiệm hoạt động hệ thống điều khiển Kết thể qua hình ảnh: Hình 3.36: Đèn chưa bật Hình 3.35: Giao diện phần mềm chưa mở đèn Hình 3.37: Giao diện ứng dụng đa Hình 3.38: Đèn bật sáng nhấn mở đèn Tương tự với nút lại hoạt động tương tự nút bấm 33 KẾT LUẬN Qua thời gian thực khóa luận, em thiết kế chế tạo điều khiển nhà thông minh, kết chạy thử nghiệm cho thấy điều khiển chạy hoạt động ổn định Blynk thực app điện thoại chạy hệ điều hành Adroid IOS, cho phép người dùng tạo giao diện điều khiển thiết bị theo ý thích cá nhân Dễ sử dụng cần vào store, cài đặt, sau đăng ký tài khoản khoảng 2- phút để làm quen Thơng qua việc hồn thành khóa luận, thân em bước ứng dụng kiến thức học, tiếp thu thêm kiến thức thực tế phần cứng, phần mềm… Tìm hiểu thiết bị liên quan đến nhà thông minh, từ vận dụng vào số mục đích tương lai Tuy nhiên điều khiển cịn số hạn chế như: giới hạn kinh phí nên khóa luận dừng lại điều khiển hệ thống thiết bị, sử dụng phần mềm mã nguồn mở nên tính bảo mật cịn chưa cao Hướng phát triển khóa luận phải xây dựng hệ thống trang chủ (Server) riêng để mã hóa bảo mật cho tồn hệ thống điều khiển Em mong muốn đem thực khóa luận thực hóa nhằm góp phần cống hiến cho xã hội, đem công nghệ tiên tiến giới đến với gia đình Việt Nam Cuối cùng, lần nữa, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, q thầy mơn Kỹ thuật Điện & Tự động hóa Trường Đại học Lâm nghiệp, bạn bè quan tâm, giúp đỡ em hồn thành khóa luận 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO https://iothomeblog.wordpress.com/2016/02/24/lam-quen-voi-esp8266/ http://hocarm.org/esp8266-cho-nguoi-khong-biet-gi/ https://esp8266.vn/ http://nodemcu.com/index_en.html https://www.arduino.cc/ 35 ... Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ THÔNG MINH 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhà thông minh 2.2 Thiết kế điều khiển 2.2.1 Phân tích lựa chọn điều khiển ... Chƣơng THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ THÔNG MINH 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhà thông minh Sử dụng công tắc thông qua app Blynk điên thoại thông minh kết nối Internet, ... thoại thông minh điều khiển) giao tiếp với thông qua mạng Internet 2.2 Thiết kế điều khiển 2.2.1 Phân tích lựa chọn điều khiển Điều khiển thiết bị nhà thơng minh có nhiều dạng thiết bị khác Mỗi loại