(Đồ án tốt nghiệp) hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠ - ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ÐIỀU KHIỂN NGÔI NHÀTHÔNG MINH GVHD: TS VU QUANG HUY SVTH : PHAN VAN MINH MSSV: 11146244 SVTH: LÊ CƠNG AN MSSV: 11146244 SKL003739 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH Đề tài: Giảng viên hướng dẫn: TS VŨ QUANG HUY Sinh viên thực hiện: PHAN VĂN MINH LÊ CÔNG AN Lớp: Khoá: MSSV: 11146244 MSSV: 11146244 111463B 2011 - 2015 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH Giảng viên hướng dẫn: TS VŨ QUANG HUY Sinh viên thực hiện: PHAN VĂN MINH MSSV: 11146244 LÊ CÔNG AN MSSV: 11146244 Lớp: 111463B Khố: 2011 - 2015 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2015 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Công An Phan Văn Minh MSSV: 11146220 MSSV: 11146244 Ngành: Cơ - Điện Tử Lớp: 111463B Giảng viên hướng dẫn: TS VŨ QUANG HUY Ngày nhâṇ đề tài: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát nhà thông minh Nội dung thưcc̣ hiêṇ đềtài:  Giới thiệu đồ án  Giải thuật điều khiển hệ thống  Thiết kế giao diện web  Giám sát hoạt động Sản phẩm: Mơ hình nhà thơng minh 5.Ngày giao đồ án : 6.Ngày nộp đồ án : GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) TS VŨ QUANG HUY Được phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) iii LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Hệ thống điều khiển giám sát nhà thông minh - GVHD: TS Vũ Quang Huy - Ho ̣tên sinh viên: Phan Văn Minh - MSSV: 11146244 Lớp: 111463B - Địa sinh viên: số 12, Hịa Bình, P.Bình Thọ, Q.Thủ Đức - Số điện thoại liên lạc: 01679597405 - Email:minhspkt1@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Tơi không chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20… Ký tên iv LỜI MỞ ĐẦU -  Cùng với phát triển giới xu hướng hội nhập kinh tế quốc tế, đất nước ta đổi bước vào thời kì cơng nghiệp hóa, đại hóa, vừa xây dựng sở vật chất kỹ thuật, vừa phát triển kinh tế đất nước Chính phát triển nhanh chóng với nhu cầu người cao “Ngơi nhà thông minh” xem hệ thống nâng cao sống mang tính khoa học áp dụng Bản thân chúng em sinh viên học ngành công nghệ kỹ thuật cơ-điện tử trường ĐH Sư phạm kỹ thuật Tp HCM Nhận thấy tính khoa học điểm ưu việt hệ thống mang lại chúng em định nghiên cứu thiết kế hệ thống mong áp dụng nhiều thực tiễn Thực Hệ thống nhà thông minh giai đoạn giúp sinh viên chúng em củng cố vận dụng kiến thức học vào thực tế nhằm rèn luyện kỹ học tập làm việc theo phương châm “học đơi với hành” Q trình sinh viên thực đồ án giúp sinh viên nắm bắt cách khái quát trình làm việc thực tế, áp dụng kiến thức giảng đường làm việc để hoàn thành sản phẩm, ngồi cịn giúp sinh viên trang bị cho khả làm việc nhóm tinh thần đồn kết cơng việc khả tập trung cao độ nhiệm vụ cá nhân v LỜI CẢM ƠN  Lời chúng em xin gởi lời cảm ơn tới thầy cô, gia đình bạn bè nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm chúng em học tập, hướng dẫn cho chúng em thực đồ án Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy khoa Cơ Khí Máy – Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh dạy tận tình kiến thức bổ ích trình học tập Cảm ơn Nhà Trường môn Cơ Điện Tử tạo điều kiện cho trình học tập nghiên cứu Cảm ơn tập thể lớp Cơ- Điện Tử 111463 nhiệt tình giúp đỡ nhóm hồn thành đồ án Đặc biệt, nhóm xin chân thành cảm ơn TS Vũ Quang Huy hướng dẫn nhóm tận tình, ln động viên giúp đỡ nhóm suốt q trình thực đề tài Trong trình thực báo cáo thực tập này, chúng em cố gắng nỗ lực để hồn thành nhiên khơng thể tránh khỏi nhiều thiếu xót, kính mong q thầy bạn giúp đỡ góp ý kiến để chúng em hồn thành báo cáo tốt TP.Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2015 Sinh viên Lê Công An Phan Văn Minh vi GIỚI THIỆU ĐỒ ÁN Nhà thông minh (smart home Intellihome) kiểu nhà lắp đặt thiết bị điện, điện tử có tác dụng hoàn toàn bán tự động, thay người thực thao tác quản lý, điều khiển Nhà thông minh chào hàng Singapore có đặc trưng bật tiết kiệm tối đa tiêu hao lượng dạng mà tạo điều kiện thoải mái tiện nghi tối đa cho chủ nhân Nhà thông minh Trong nhà thơng minh, đồ dùng nhà từ phịng ngủ, phịng khách đến toilet gắn điều khiển điện tử kết nối với Internet điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa lập trình cho thiết bị nhà hoạt động theo lịch Thêm vào đó, đồ gia dụng hiểu ngơn ngữ có khả tương tác với Hiện giới có nhiều hãng cung cấp nhà thơng minh Trong bật hãng Home Automation Inc (HAI- Nay Leviton security & Automation), ELK, Vantage, Control4 Biệt thự Thái Bình Dương Bill Gates, mệnh danh "ngôi nhà thông minh" lịch sử loài người nghĩ đen nghĩa bóng, có hệ thống trang, thiết bị điện tử tinh vi, đại phức tạp bố trí nội thất bên Ngơi nhà thơng minh khác với ngơi nhà bình thường chỗ, q trình tích hợp hệ thông hệ thống điều khiển giám sát môi trường: hệ điều khiển đảm bảo nhiệt độ, hệ thống đảm bảo chất lượng gió nhà, hệ thơng đảm bảo ánh sáng,… mạch đóng ngắt, điều khiển cổng vào giám sát cảnh báo cháy thành hệ thống mạng thống vii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii LỜI CAM KẾT .iv LỜI MỞ ĐẦU v LỜI CẢM ƠN vi GIỚI THIỆU ĐỒ ÁN vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I Tổng quan hệ thống nhà thông minh II Tính hữu dụng mục tiêu đề tài nghiên cứu III Quá trình phương tiện nghiên cứu 3.1/ Quá trình nghiên cứu 3.2/ Phương tiện nghiên cứu CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I Những tiêu kỹ thuật nhà thông minh: 1.1 Chỉ tiêu ánh sáng: .9 1.2 Chỉ tiêu thông gió: 1.3 Chỉ tiêu nhiệt độ: 10 1.4 Chỉ tiêu an toàn: .10 II Phương án thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh: 11 2.1 Hệ thống đảm bảo ánh sáng: 11 2.2 Hệ thống đóng mở cửa password: 11 2.3 Hệ thống chống trộm 12 2.4 Phương án thiết kế hệ thống báo cháy .13 2.5 Đo nhiệt độ hiển thị trực quan .14 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 15 I Mơ tả thuật tốn điều khiển .15 17 II Ứng dụng mơ hình Openhab 18 2.1 Kiến trúc openHAB .19 2.2 Nền tảng hỗ trợ 22 2.3 Bảo mật hệ thống web điều khiển 22 2.4 Giao diện thiết kế web 23 2.5 Thông báo cho người dùng thông qua Email .24 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH PHẦN CỨNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 25 I.Vi điều khiển Arduino Atmega 2560 25 II.Vi điều khiển Arduino Uno 25 III Thiết kế vẽ cho q trình thi cơng 27 IV.Mơ hình thực tế 30 V Kết thực nghiệm 30 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .31 I.Những kết đạt .31 II.Những kết chưa đạt 31 III.Giới hạn việc thiết kế đồ án 31 2.1 Những yêu cầu phạm vi giải 31 2.2 Hướng giải tạm thời 31 2.3 Hướng phát triển đề tài 32 TÀI LIÊỤ THAM KHẢO 33 DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Trang Sơ đồ 3.1: Thuật toán điều khiển 14 Sơ đồ 3.2: Thuật toán điều khiển tay 15 Sơ đồ 3.3: Thuật toán điều khiển tự động 15 Bảng 2.1: Chỉ tiêu độ sáng Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật MQ2 13 Rules Scripts: OpenHAB cơng cụ tích hợp cao, nhẹ nhàng mạnh mẽ bao gồm rule engine Các rule tương tự ngôn ngữ Java Các rule kích hoạt với loại event khác nhau, giống thay đổi trạng thái, thời gian từ hệ thống Hình 3.4: Giao diện Rule Openhab 20 Ngoài việc xác định Logic linh hoạt quy tắc openHAB cung cấp tập hợp hành động khác mà thực quy tắc, giống gửi lệnh cập nhật thiết bị, gửi tweets e-mail OpenHAB cung cấp script, thức để tái sử dụng rule định sẵn Để thiết kế giao diện người dùng sử dụng tab sitemap để tạo frame hình thành nên giao diện điều khiển Sau thiết kế giao diện ta phải gắn biến cho cấu trúc switch hay text data để vi điều khiển nhận diện giao tiếp dễ dàng thông qua giao thức MQTT Để thực ta làm việc tab item ứng dụng openhab Hình 3.5: Giao diện item Openhab 21 2.2 Nền tảng hỗ trợ OpenHAB phần mềm dựa Java đó, chạy tất thiết bị có sẵn JVM để thực thi OpenHAB chạy PC sử dung Windows, MacOS X Linux với Java 1.7 trở lên Ngoài ra, hệ thống mini thử nghiệm thành công: Raspberry Pi, BeagleBone Black, UDOO, Cubietruck 2.3 Bảo mật hệ thống web điều khiển Thiết lập hệ thống bảo mật cho người dùng nhằm tránh xâm nhập người khác vào hệ thống nhà thông qua ID password Hình 3.6: Giao diện đăng nhập bảo mật 22 2.4 Giao diện thiết kế web Bằng việc truy cập vào địa http://localhost:8080/openhab.app?sitemap=demo với “localhost” địa ip liên kết mạng nội Việc truy cập vào hệ thống cho phép người điều khiển toàn tác vụ nắm bắt toàn thông số nhiệt độ hay hệ thống báo cáo an toàn nhà Điều kiện phải bắt buộc người truy cập nhập user password đúng, tính bảo mật nâng cao Hình 3.7: Giao diện web thiết kế 23 2.5 Thông báo cho người dùng thông qua Email Khi tác vụ nhà đèn,quạt bật người dùng nhận thông báo từ hệ thống Email thông báo thiết bị kích hoạt để người dùng kiểm sốt ngơi nhà mình.Đồng thời phát có trộm hở khí gas chng reo người dùng nhận cảnh báo qua Email Hình 3.8: Email thơng báo 24 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH PHẦN CỨNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM I.Vi điều khiển Arduino Atmega 2560 Arduino Mega 2560 hội đồng quản trị vi điều khiển dựa ATmega2560 Nó có 54 chân kỹ thuật số đầu vào / đầu (trong 15 sử Hình 4.1 Board Arduino Mega 2560 (Arduino.com ) chứa tất thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; cần kết nối với máy tính cáp USB điện với chuyển đổi AC-to-DC pin để bắt đầu Các Mega tương thích với hầu hết chắn thiết kế cho Arduino Duemilanove Diecimila Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 Vi điều khiển Điện Áp Hoạt Động Điện áp đầu vào (được đề nghị) Điện áp đầu vào (giới hạn) Digital I / O Pins Analog Input Pins DC I / O Pin DC cho 3.3V Pin Bộ Nhớ Flash SRAM EEPROM Tốc Độ Đồng Hồ II.Vi điều khiển Arduino Uno Arduino Uno hội đồng quản trị vi điều khiển dựa ATmega328 Nó có 14 kỹ thuật số chân đầu vào / đầu (trong sử dụng kết đầu 25 PWM), đầu vào analog, 16 MHz cộng hưởng gốm, kết nối USB, jack cắm điện, tiêu đề ICSP, nút reset Nó chứa tất thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; cần kết nối với máy tính cáp USB điện với chuyển đổi AC-to-DC pin để bắt đầu Uno khác với tất ban trước chỗ không sử dụng FTDI chip điều khiển USBto-serial Thay vào đó, có tính Atmega16U2 ( Atmega8U2 lên đến phiên R2) lập trình cơng cụ chuyển đổi USB-to-serial Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật Arduino Uno (ATmega328) Điện Áp Hoạt Động Điện áp đầu vào (được đề nghị) Điện áp đầu vào (giới hạn) Digital I / O Pins Analog Input Pins DC I / O Pin DC cho 3.3V Pin Bộ Nhớ Flash SRAM EEPROM Tốc Độ Đồng Hồ Chiều dài Chiều rộng Trọng lượng 26 III Thiết kế vẽ cho q trình thi cơng Mơ hình 3D thiết kế : Hình 4.2: Mơ hình 3D 27 Bản vẽ chi tiết mơ hình ngơi nhà: Hình 4.3: Bản vẽ thiết kế nhà 28 Định vị cảm biến mơ hình : Hình 4.4: Vị trí cảm biến mơ hình ngơi nhà 29 IV.Mơ hình thực tế Hình 4.5: Mơ hình tổng qt nhà thơng minh V Kết thực nghiệm  Ưu điểm  Thiết kế mơ hình vững chắc, đảm bảo tính thiết kế  Điều khiển rời rạc toàn cảm biến hệ thống nhà như: quạt, đèn, lò sưởi,…  Kết nối liệu với người dùng thao tác truyền nhiệm vụ Dữ liệu truyền lên đáp ứng tính thời gian thực   Gửi thơng báo cho người chủ sử dụng gặp cố hay báo động Nhược điểm  Mơ hình làm mica nên cịn nhiều hạn chế mặt thi cơng, có số sai lệch so với thiết kế vẽ chấp nhận  Một số cảm biến chưa đạt tính nhạy cao nên cịn đáp ứng chậm 30 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN I.Những kết đạt  Hồn thành phần khí hệ thống nhà thông minh Cụ thể thi công tạo mơ hình nhà thơng minh, lắp ráp vật dụng trang trí nhà như: bàn ghế, kệ sách, vật dụng nhà bếp,… Đồng thời, gắn kết hệ thống cảm biến mơ hình tạo tính mỹ quan thể tính kỹ thuật  Đọc liệu bên ngồi vi điều khiển cảm biến lắp nhà Hiển thị lên giao diện người dùng cách xác  Giám sát điều khiển hệ thống tác vụ tồn ngơi nhà  Thiết kế giao diện web  Thiết lập mối liên hệ người dùng nhà như: báo động, thông báo tác vụ,…  Tìm hiểu học thuật vi điều khiển arduino, giao thức truyền mosquitto, ứng dụng openhab II.Những kết chưa đạt  Giao diện thiết kế chưa mang tính chun nghiệp  Hệ thống cịn nhiều nhiễu cảm biến chất lượng III.Giới hạn việc thiết kế đồ án 2.1 Những yêu cầu phạm vi giải Trong đồ án nhà thông minh để giới hạn nội dung cơng việc chọn ngơi nhà lầu, phịng có hệ thống điều khiển sau: - Thiết kế hệ thống ánh sáng nhà: thiết kế ánh sáng phòng khách phòng ngủ - Thiết kế hệ thống báo cháy nhà hiển thị nhiệt độ - Thiết kế hệ thống đóng mở cửa - Thiết kế hệ thống chống trộm 2.2 Hướng giải tạm thời Các hệ thống thiết bị cần thiết kế cách gọn nhẹ, không cồng kềnh, mạch thiết kế gọn mức tối đa mà đảm bảo đầy đủ chức yêu cầu 31 Giá lắp ráp mức độ phù hợp, cần lựa chọn linh kiện phù hợp, giá thành rẻ mà đảm bảo chất lượng Các thiết bị cần bảo đảm độ bền chất lượng Các thiết bị tự động cần cô lập với thiết bị bình thường nhà nhằm tránh trường hợp gặp cố 2.3 Hướng phát triển đề tài  Khắc phục hạn chế    Kết hợp camera để nhận diện người nhà, khách… Có thể kết hợp với PLC để xây dựng mạng lưới tốt Nâng cấp chương trình điều khiển dạng apps 32 TÀI LIÊỤ THAM KHẢO Tiếng Việt [1] [2] [3] [4] http://www.smarthome.com.vn/smarthome www.digihome.com.vn/index.php/tin-tuc/9347-thiet-ke-nha-thong-minh Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia (TCVN 5687:2010) Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia (TCVN 7114:2008) Tiếng Anh [5] How To Smart Home of Othmar Kyas [6]Home automation with openHAB of Bob Igo Nguồn khác [7]www.instructables.com/id/Uber-Home-Automation-w-Arduino- Pi/?ALLSTEPS [8] http://www.arduino.cc/ [9]http://startingelectronics.com/tutorials/arduino/ethernet -shield-web-servertutorial/ [10]http://www.daonho.com/2014/08/lap-trinh-smarthome-voi-openhabsoftware.html [11]http://www.mpja.com/download/31227sc.pdf [12]http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Lm35%20datasheet [13]http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/8866/NSC/LM35.html [14]http://www.seeedstudio.com/depot/datasheet/MQ-2.pdf [15]https://www.parallax.com/sites/default/files/downloads/27899-4x4-MatrixMembrane-Keypad-v1.2.pdf [16]http://www.dientu4u.com/upload/fckeditor/LDR_NSL19_M51.pdf [17]https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/LED/COM-09590-YSLR531R3D-D2.pdf [18]https://github.com/openhab [19]https://www.openhab.org [20]http://www.micropik.com/PDF/HCSR04.pdf 33 ... hợp hệ thơng hệ thống điều khiển giám sát môi trường: hệ điều khiển đảm bảo nhiệt độ, hệ thống đảm bảo chất lượng gió nhà, hệ thơng đảm bảo ánh sáng,… mạch đóng ngắt, điều khiển cổng vào giám sát. .. trúc nhà thông minh chọn nhà lầu, phịng có hệ thống điều khiển sau đồng thời mục tiêu nhóm hướng đến thực hiện:  Thiết kế hệ thống ánh sáng nhà: thiết kế ánh sáng phòng khách phòng ngủ  Hệ thống. .. đồ án 2.1 Những yêu cầu phạm vi giải Trong đồ án nhà thông minh để giới hạn nội dung công việc chọn nhà lầu, phịng có hệ thống điều khiển sau: - Thiết kế hệ thống ánh sáng nhà: thiết kế ánh sáng