smarthomengôi nhà thông minh

Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu của con người đòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất. Cùng với đó là sự mở rộng không ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnh thổ làm cho việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tất yếu. Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó , ý tưởng về ngôi nhà thông minh được hình thành, nơi mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ và giúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài ra ngôi nhà còn có thể tự động quản lí một cách thông minh nhất.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO TIẾP, QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA INTERNET Giáo viên hướng dẫn : TS ĐẶNG THÁI VIỆT Giáo viên duyệt : TS……………………… Sinh viên thực : NGUYỄN HỒNG NHẬT HÀ NỘI, 9/2018 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên: Họ tên Sinh viên: Nguyễn Hồng Nhật Lớp : KT Cơ Điện Tử 01 Khóa : K58 Nhiệm vụ thực hiện: - Phân tích, lựa chọn thiết kế mơ hình nhà thơng minh - Thiết kế hệ thống giao tiếp, quản lý điểu khiển nhà thông minh qua Internet - Khả mở rộng mơ hình với thiết bị hệ thống ngoại vi Nội dung yêu cầu: - Thiết kế mô hình với thiết bị có khả điều khiển tự động, tương tác với có chức giám sát từ xa, đảm bảo an ninh bảo mật - Thiết kế hệ thống giao tiếp, quản lý điểu khiển nhà thông minh qua Internet - Mở rộng kết nối với thiết bị ngoại vi Trưởng môn Cán hướng dẫn Sinh viên thực (ký ghi rõ họ tên) (ký ghi rõ họ tên) (ký ghi rõ họ tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………  ĐIỂM HƯỚNG DẪN:…………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn (ký tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT Ngày tháng năm 2018 Giáo viên duyệt (ký tên) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 14 Tổng quan nhà thông minh 14 1.1 Bối cảnh nhu cầu sử dụng nhà thông minh 14 1.2 Các mơ hình nhà thông minh áp dụng 17 Lựa chọn hướng thiết kế 20 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH 22 Sơ đồ kết cấu nhà chức 22 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 24 2.1 Hệ thống điện tử .24 Sơ đồ mạch điện hệ thống 25 Giới thiệu modul Arduino 26 4.1 Giới thiệu chung .26 4.2 Arduino Uno 27 4.3 Arduino Ethernet W5100 30 4.4 Arduino Mega 2560 32 4.5 Một số ứng dụng Arduino 36 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ CẤU CHẤP HÀNH CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH 37 Sơ đồ mạch điện điều khiển cấu chấp hành 37 Tổng quan thiết bị sử dụng hệ thống cấu chấp hành .37 2.1 Động servo SG90 .37 2.2 Động bước DC 5.6V/2.1A modul điều khiển A4988 39 Các modul thiết bị sử dụng mơ hình chức .40 3.1 Vườn ngoại vi .40 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.2 Phòng khách 41 3.3 Gara để xe .42 3.4 Phòng ngủ 43 3.5 Phịng giải trí/xem phim 44 3.6 Phòng bếp 45 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH 46 Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị cảm biến .46 Tổng quan cảm biến sử dụng hệ thống giám sát, cảnh báo46 2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 .46 2.2 Cảm biến khí gas MQ2 47 2.3 Cảm biến chuyển động HC-SR510 .50 Nguyên lý hoạt động hệ thống giám sát .53 3.1 Lưu đồ thuật toán 53 3.2 Hệ thống báo cháy hoạt động dựa cảm biến nhiệt độ LM35 .53 3.3 Hệ thống báo rị rỉ khí gas .57 3.4 Hệ thống cảnh báo xâm nhập 58 CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET 61 Mạng internet(Ethernet) 61 Địa IP .63 Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển qua internet .64 Nguyên lý điều khiển truyền nhận liệu : .65 4.1 Chuẩn giao tiếp RS232: 65 4.2 Nguyên lý điều khiển - truyền, nhận liệu : 68 Phân tích nguyên lý điều khiển cấu cụ thể : .69 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 85 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Mơ hình thực tế .85 Giao diện giám sát điều khiển 86 Kết điều khiển số thiết bị 87 3.1 Báo có xâm nhập trái phép 87 3.2 Giám sát nhiệt độ phòng khách phòng ngủ 87 Kết đạt 89 KẾT LUẬN 90 Kết đạt đồ án 90 Hướng phát triển cho hệ thống 90 PHỤ LỤC 91 CODE HOẠT ĐỘNG 91 Phòng bếp 91 Phòng ngủ(cảm biến nhiệt độ hiển thị lên lcd) .95 Tài liệu tham khảo 104 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình tổng qt nhà thơng minh……………………………… 14 Hình 1.2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome giới…………………….… 15 Hình 1.3 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome (Bắc Mỹ).……………….… 15 Hình 1.4 Mơ hình Smart home cơng ty Compro Technology………… 16 Hình 1.5 Mơ hình Smart home cơng ty IEI Integration.…… …………… … 17 Hình 1.6 Mơ hình Smart home Eco-Future-World…………… …………… …… 17 Hình 1.7 Mơ hình Smart home BKAV…………………………………… 18 Hình 1.8 Mơ hình Smart home Lumi………………………………………… 18 Hình 1.9 Xu hướng phát triển smarthome……………………………… …… 20 Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu ngơi nhà thơng minh……… ……………………… …… 21 Hình 2.2 Các chức sử dụng………………………………………… ……… 22 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống điện tử…………………… 23 Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện hệ thống………… …………………………… ……… 24 Hình 2.5 Hình ảnh Arduino Uno R3 …………………………………… …… 25 Hình 2.6 Cấu trúc phần cứng Arduino Uno……………………………….…… 27 Hình 2.7 Arduino Ethernet W5100……………………………………… ……… 29 Hình 2.8 Kết nối chân điều khiển cho board mạch Arduino Ethernet W5100……… 31 Hình 2.9 Arduino Mega 2560……………………………………………….…… 32 Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện điều khiển………………………………………… … 36 Hình 3.2 Sơ đồ chân động servo SG90…………………………………… …… 37 Hình 3.3 Sơ đồ chân A4988…………………………………………….………… 38 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3.4 Sơ đồ mạch ĐC bước A4988…………………………………… …… 38 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý vườn ngoại vi…………………………………… … 40 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý phịng khách………………………………………….… 41 Hình 3.7 Sơ đồ ngun lý gara để xe…………………………………………… … 42 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý phịng ngủ……………………………………………… 43 Hình 3.9 Sơ đồ ngun lý phịng xem phim…………………………………….… 43 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý khu bếp…………………………………………… … 44 Hình 4.1 Sơ đồ chân cảm biến LM35………………………………………… … 45 Hình 4.2 Module cảm biến khí gas MQ2……………………………………… … 47 Hình 4.3 Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2……………………………… … 48 Hình 4.4 Module cảm biến chuyển động HC-SR510…………………………… 50 Hình 4.5 Sơ đồ chân cảm biến chuyển động HC-SR510………………………… 50 Hình 4.6 Nguyên tắc hoạt động cảm biến chuyển động……………… 51 Hình 4.7 Lưu đồ thuật tốn hệ thống giám sát………………………………… 52 Hình 4.8 Sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ LM35……………………………………… 53 Hình 4.9 Sơ đồ nối cảm biến khí gas MQ2……………………………………… 56 Hình 4.10 Sơ đồ nối cảm biến chuyển động HC-SR510…………………………… 58 Hình 5.1 Mạng internet kết nối tồn cầu………………………………………… 61 Hình 5.2 Sơ đồ khối hệ thống giám sát điều khiển……………………………… 63 Hình 6.1 Mơ hình nhà thơng minh dạng 3D……………………………………… 65 Hình 6.2 Mơ hình nhà thơng minh thực tế………………………………… 66 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KẾT LUẬN Kết đạt đồ án Do đề tài mới, nên trình tìm hiểu em gặp phải số khó khăn định Nhưng với đam mê hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo cộng thêm nỗ lực tìm tòi, đam mê khám phá giúp em đạt số kết sau: - Tổng quan hệ thống giám sát điều khiển qua mạng internet, nhà thông minh Đồng thời em biết tình hình sử dụng, xu hướng phát triển Việt Nam nước khác giới - Thiết kế thành cơng mơ 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 Bên cạnh kết đạt mơ hình tồn nhiều giới hạn kĩ thuật khả mở rộng số lượng biến giám sát điều khiển, xảy nhiễu, thời gian đáp ứng giao diện web dài Hướng phát triển cho hệ thống 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: - 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 90 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHỤ LỤC CODE HOẠT ĐỘNG Phòng bếp Chức năng: - Đèn + quạt - Cảm biến khí gas, khói - Cảm biến nhiệt độ - Còi báo #include #define CBGAS A0 #define CBND A1 #define CBMUA #define led_bep #define fan #define buzz #define pinServo #define button_led #define button_fan #define button_dayphoi int nhiet_do, gas, i; int state_led = 0, state_fan = 0, state_phoi = 0; int pos = 0, data_send = 0, data_receive = 0; Servo myservo; void setup() { // // -Khoi tao timer // TCCR1A = 0; // TCCR1B = 0; // ghi de cau hinh ti le chia cua Timer // TIMSK1 = ; // ghi quy dinh hinh thuc ngat // 91 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP // // duoi day la cau hinh cho Timer // TCCR1B |= (0 ban dau dieu hoa tay lcd.print("Dang khoi dong "); rem.attach(pinServo); for (pos = 0; pos < 179; pos++) { rem.write(pos); delay(20); } delay(500); } void loop() { //Serial.println(step_time); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(button_denpn), DEN_VA_DIEUHOA, FALLING); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(button_dieuhoapn), DEN_VA_DIEUHOA, FALLING); if (Serial.available()) { while (Serial.available() < 2); int b1 = Serial.read(); int b2 = Serial.read(); data_receive = b1 * 256 + b2; switch (data_receive) { case 0: // Tat den digitalWrite(relay_denpn, 0); state_denpn = 0; 97 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP break; case 1:// Bat den digitalWrite(relay_denpn, 1); state_denpn = 1; break; case 2: // Tat dieu hoa digitalWrite(step_enable, 1); state_dieuhoapn = 0; break; case 3: //Bat dieu hoa digitalWrite(step_enable, 0); // Chân Enable kích mức thấp state_dieuhoapn = 1; break; case 4: // Kéo rèm tắt chế độ tự động while (pos != 0) { pos ; rem.write(pos); delay(20); } state_rem = 0; //rèm đóng tắt chế độ tự động break; case 5: //Bật chế độ tự động điều chỉnh rèm state_rem = 1; } } if (state_dieuhoapn == 1) DIEU_HOA(); if (i == 2000) LCD_PHONG_NGU(); if (state_rem == 1) REM(); // che tu dong thay doi độ mở rèm theo ánh sáng trời if (digitalRead(button_rem) == 0) { while (digitalRead(button_rem) == 0); state_rem = !state_rem; if (state_rem == 0) { 98 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP while (pos != 179) { // dong rem pos++; rem.write(pos); delay(20); } data_send = 4; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } else { data_send = 5; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } } DEN_NGOAI_HIEN(); i++; //Serial.println(analogRead(CBAS)); //Serial.println(state_rem); } void DEN_NGOAI_HIEN() { //Serial.println(analogRead(CBAS)); if (analogRead(CBAS) 80) { pos ; rem.write(pos); delay(20); } } else { while (pos < 80) { pos++; rem.write(pos); delay(20); } } } if (analogRead(CBAS) > 500) { // troi toi while (pos != 160) { pos++; 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP rem.write(pos); delay(20); } } void DEN_VA_DIEUHOA() { // BAT/TAT den if ( (digitalRead(button_denpn) == 0) ) { while (digitalRead(button_denpn) == 0); state_denpn = !state_denpn; if (state_denpn == 1) { digitalWrite(relay_denpn, 1); // bat len data_send = 1; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } else { digitalWrite(relay_denpn, 0); // tat di data_send = 0; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } return; } // BAT/TAT dieu hoa if (digitalRead(button_dieuhoapn) == 0) { while (digitalRead(button_dieuhoapn) == 0); state_dieuhoapn = !state_dieuhoapn; if (state_dieuhoapn == 1) { digitalWrite(step_enable, 0); // Bat len data_send = 3; 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); } else { digitalWrite(step_enable, 1); // tat di data_send = 2; Serial.write(data_send / 256); Serial.write(data_send % 256); step_time = 0; } } } void LCD_PHONG_NGU() { i = 0; nhiet_do = 5.0 * (analogRead(CBND)) * 100.0 / 1024.0 + 1.0; lcd.clear(); lcd.print("Nhiet do: "); lcd.print(nhiet_do); lcd.print("*C"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("v = "); // Lệnh in hình lcd.print(v1); lcd.println("rpm "); //TINH_VAN_TOC(); } void TINH_VAN_TOC() { double v; //int v1; v = 60000 / (9.6 * (step_time)) ; // động 96 bước/vòng v1 = int(55 * v); // lcd.setCursor(0,1); // lcd.print("v = "); // Lệnh in hình 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP // lcd.print(v1); // lcd.println("rpm "); //Serial.println(v1); return; } void DIEU_HOA() { if (nhiet_do < 30) { step_time = 950; TURN(step_time); return; } if ( (nhiet_do > 30) && (nhiet_do 40) { step_time = 500; TURN(step_time); return; } } void TURN(int t) { digitalWrite(step_pin, 1); delayMicroseconds(t); digitalWrite(step_pin, 0); delayMicroseconds(t); } ISR(TIMER1_OVF_vect) { // Ngắt timer TINH_VAN_TOC(); TCNT1 = 53035; } 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tài liệu tham khảo [1] Ngơ Diên Tập, Lập trình C cho vi điều khiển NXB KHKT, 2003 [2] Báo Dân trí, Khoa học cơng nghệ [3] Chu Văn Hồnh, Giáo trính Thiết kế Web NXB GDVN, 2005 [4] Hình ảnh phần 1,2,3,4 nguồn google hình ảnh [5] Arduino.vn [6] http://hocwebchuan.com/ [7] https://startingelectronics.org/ [8] http://vi.Wikipedia.org/ [9] Htt://google.com.vn/ 10 ... minh……………………………… 14 Hình 1.2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome giới…………………….… 15 Hình 1.3 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome (Bắc Mỹ).……………….… 15 Hình 1.4 Mơ hình Smart home cơng... phải có 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome giới Hình 1.3 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome tính riêng thị trường Bắc Mỹ 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.2 Các mơ... BKAV…………………………………… 18 Hình 1.8 Mơ hình Smart home Lumi………………………………………… 18 Hình 1.9 Xu hướng phát triển smarthome? ??…………………………… …… 20 Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu nhà thông minh……… ……………………… …… 21 Hình 2.2 Các