Hình 5.11: Sơ đồ giải thuật điều khiển chống trộm
Vấn đề trộm đột nhập vào nhà trộm cướp tài sản đã diễn ra thường xuyên trên các bản tin, trên các mặt báo. Số lượng các vụ trộm cướp ngày một tăng với mức độ ngàng một tinh vi và nguy hiểm. Do đó, việc mỗi gia đình nên có cho ngôi nhà một thiết bị báo trộm là hết sức cần thiết. Hiểu được nhu cầu về bảo vệ tài sản cũng như là bảo vệ
Bắt đầu
Thiết lập Wifi
Sai
Kết nối MQTT
Cài đặt thời gian
Thời gian =22h? Cảm biến cửa Cảm biến PIR Thông báo và Phản hồi về app Kết thúc Cửa đóng Cửa Mở Có Chuyển động không Chuyển động
105 cho những người thân trong nhà. Từ đó, xây dựng sơ đồ thuật toán kết hợp giữa cảm biến chuyển động và cảm biến cửa zigbee để tạo nên một hệ thống chống trộm.
Hệ thống hoạt động kết hợp hẹn giờ, sau 22h thì chế độ chống trộm sẽ bật lên nếu cảm biến cửa ở cửa chính phát hiện mở thì cảm biến chuyển động hoạt động nó có chuyển động thì lập thức báo về cho điện thoại chủ nhân còn nếu không phát hiện chuyển động thì không báo.
Thiết kế hệ thống đèn cho nhà tắm
Hình 5.12: Sơ đồ giải thuật điều khiển chống trộm
Khi có người mở cửa nhà vệ sinh cảm biến chuyển động hoạt động nếu có chuyển động thì đèn mở lên còn không có thì đèn tắt. Khi đóng cửa thì đèn sáng lúc bạn đang trong nhà vệ sinh. 5.9. Mục tiêu xây dựng hệ thống: Bắt đầu Thiết lập Wifi Sai Kết nối MQTT Cảm biến cửa Cảm biến chuyển động Bật đèn và Phản hồi về app Kết thúc Có Chuyển động không Chuyển động Bật đèn và Phản hồi về app Sai Cửa Mở Cửa Đóng
106 Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các thiết bị thông minh được sử dụng rộng rãi và chúng được điều khiển thông qua bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm cho phép các thiết bị thông minh gia nhập mạng zigbee liên kết các thiết bị trong cùng hãng giúp điều khiển toàn bộ các thiết bị bằng Smarthhome. Công nghệ Zigbee ngày càng được sử dụng trong hệ thống nhà thông minh bởi tính ổn định, tiết kiệm năng lượng, không bị hạn chế vật cản, khả năng chống nhiễu tuyệt vời, độ bảo mật cao, dễ dàng nâng cấp mở rộng trong tương lai. Sóng Zigbee tốn ít năng lượng nên phù hợp với các cảm biến dùng pin như cảm biến chuyển động PIR, cảm biến khói, cảm biến mở cửa, cảm biến ánh sáng, …
Dựa trên những tính năng nổi bật của các sản phẩm ở thị trường và kiến thức đã được học. Với mục tiêu chính là có thể tạo ra những sản phẩm có những chức năng nổi trội như trên thị trường nhằm tiết kiệm chi phí. Tạo ra một bộ điều khiển trung tâm có thể kết nối đa dạng các thiết bị bên ngoài mà không cần quan tâm đến nhà sản xuất.
Nhóm chúng em đã nghiên cứu, tìm hiểu và chế tạo ra được một bộ điều khiển trung tâm có chức năng điều khiển các thiết bị nhóm đã tạo ra và các thiết bị zigbee ngoài thị trường thông qua hai giao thức MQTT và Zigbee2mqtt. Với mục đích nó có thể điều khiển được các thiết bị thông minh do nhóm chế tạo thông qua giao thức MQTT, đồng thời cũng có thể điều khiển các thiết bị ngoài ở các hãng khác có tích hợp Zigbee thông qua giao thức Zigbee2mqtt. Bộ điều khiển trung tâm kết nối đến sóng zigbee cho nên nó cũng có đầy đủ tất cả tính năng của thiết bị zigbee.
Hình 5.13: Sơ đồ tổng quát của hệ thống
Hai giao thức truyền MQTT và Zigbee2mqtt được hỗ trợ thông qua Home Assistant. Home assistant hỗ trợ rất nhiều giao thức cũng như thiết bị nên chọn làm bộ điều khiển trung tâm là 1 điều hết sức hợp lí , dễ dàng mở rộng hệ sinh thái tính năng sản phẩm trong ngôi nhà của mình. Bộ điều khiển trung tâm có đầy đủ các tính
107 năng của một hệ thống quản trị nhà thông minh thông thường như giám sát, điều khiển, tự động hoá.
5.9.1. Giao thức truyền
Để bộ điều khiển trung tâm tiếp nhận và truyền thông tin cho các thiết bị thông minh hoạt động. Chúng ta sử dụng giao thức truyền MQTT cho các thiết bị thông minh đã thiết kế chế tạo.
Để sử dụng giao thức MQTT, bạn sẽ cần một máy chủ MQTT – mqtt broker làm nhiệm vụ quản lý, điều phối tin và các thiết bị con gọi là mqtt client. Máy chủ Home Assistant (Hass) có thể đảm nhiệm cả hai nhiệm vụ này, khi vừa làm broker vừa làm client.
Để hệ thống trở nên tiện lợi và tiết kiệm thì nhóm đã sử dụng Home Assistant đóng vai trò như một MQTT broken.
Dưới đây, chúng ta tiến hành cài đặt hai giao thức truyền trên ở Home Assistant để bộ điều khiển trung tâm mới có thể tiếp nhận và truyền thông tin.
5.9.2. Xây dựng mô hình nhà thông minh
Sử dụng bộ điều kiển trung tâm làm đầu não để điều khiển các thiết bị trong nhà
Cơ chế hoạt động của bộ điều khiển trung tâm: là thiết bị trung tâm vừa truyền và nhận dữ liệu từ các thiết bị, điều khiển vận hành thiết bị thực hiện công việc. Kết nối trực tiếp với điện thoại hoặc máy tính bản. Thông qua đó biết được trạng thái của các thiết bị đang hoạt động, giám sát và điều khiển chúng. Đồng thời bộ điều khiển trung tâm giúp người dùng điều khiển giám sát từ xa, là nơi lưu trữ thông tin cấu hình và cài đặt. Tự động hóa ngôi nhà theo kịch bản của người dùng đặt ra tạo ra hệ sinh thái phù hợp nhất cho người dùng. Các module sử dụng:
1. Công tắt thông minh
2. Module nhận biết ánh sáng và chuyển động 3. Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khói, khí gas 4. Module người chơi nhạc cụ
5. Module rèm cửa tự động 6. Module điều khiển từ xa IR 7. Đèn Zigbee
108 8. Cảm biến mở cửa
Hình 5.14: Mô hình hệ thống nhà thông minh
Phương thức hoạt động của thiết bị điều khiển nhà thông minh
Bộ điều khiển trung tâm sẽ nhận các dữ liệu từ cảm biến của các thiết bị gửi lên server của hệ thống. Từ đó, xử lí lệnh của người dùng thực hiện truyền tín hiệu đến để điều khiển các thiết bị qua công tắt.
Ví dụ: Khi cảm biến chuyển động phát hiện có chuyển động thì bộ điều khiển trung tâm sẽ truyền tín hiệu đến công tắt để mở đèn.
Bộ điều khiển trung tâm còn giúp người dùng tạo ngữ cảnh để tự động hoa sngooi nhà.
Ví dụ: Có thể kết hợp cảm biến chuyển động với cảm biến ánh sáng để khi đọc sách trời tối thì đèn sẽ tự động mở lên giúp cho mắt bạn không bị ảnh hướng xấu.
Từ đó, xây dựng mô hình nhà thông minh trong chính ngôi nhà của mình gồm có 5 phòng: Phòng khách, phòng làm việc, phòng ngủ, nhà bếp và nhà vệ sinh.
Living room ( phòng khách)
109 - Bộ điều khiển trung tâm
- Module điều khiển từ xa IR ( điều khiển điều hòa) - Rèm cửa thông minh
- Công tắt thông minh
- Module cảm biến ánh sáng và chuyển động Phương thức hoạt động
Người dùng có thể điều khiển điều hòa phòng khách từ xa (ví dụ khi đang ở trong phòng ngủ hay phòng làm việc).
Rèm cửa sẽ tự động đóng/mở dựa vào lượng ánh sáng trong phòng để chắc chắn rằng căn phòng đủ ánh sáng nhất.
Dựa vào cảm biến ánh sáng và chuyển động khi có người thì đèn sẽ bật. Có thể hẹn giờ tắt máy lạnh,rèm và đèn tùy chỉnh.
Có thể tự chỉnh rèm qua app.
Hẹn giờ tắt tất cả các thiết bị sau 23 giờ
Office room ( phòng làm việc)
Module được đặt trong phòng làm việc gồm: - Module người chơi nhạc cụ
- Module cảm biến ánh sáng và chuyển động - Rèm cửa thông minh
- Công tắt thông minh - Module đèn zigbee Phương thức hoạt động
Khi có người ngồi vào ghế chơi nhạc thì đèn phòng sẽ sáng đèn, đèn zigbee sẽ được bật theo kịch bản nếu không có người ngồi nữa sao 2s thì các thiết bị trong kịch bản sẽ tắt.
Trong trường hợp bạn đang trong phòng đọc sách nhưng ban đầu ánh sáng trong phòng đủ để mắt bạn có thể nhìn rõ nhưng một thời gian thì trời bên ngoài tối dần mắt có thể tự thích ứng với sự thay đổi cường độ ánh sáng đó và chúng ta đôi khi không biết về sự thay đổi đó làm cho mắt chúng ta bị ảnh hưởng lặp đi lặp lại sẽ làm cho mắt bị yếu. Đèn sẽ bật khi phòng có
110 người và thiếu ánh sáng, điều chỉnh lượng ánh sáng thích hợp phòng và tắt đèn khi không có người, đủ ánh sáng.
Có thể sử dụng công tắt tổng hẹn giờ tắt các thiết bị tùy ý.
Khi trời sáng phát hiện ánh sáng trong phòng không đủ sáng thì rèm sẽ tự động mở.
Tự động hạ/nâng rèm khi mặt trời mọc và hoàng hôn theo thời gian cài trước. Hạ nâng rèm phù hợp mục đích học tập/giải trí/làm việc của phòng.
Bed room (phòng ngủ)
Module được đặt ở phòng ngủ gồm: - Công tắt thông minh
- Rèm cửa thông minh - Module đèn zigbee - Cảm biến cửa
- Module nhận biết ánh sáng và chuyển động - Module điều khiển từ xa IR ( điều hòa) Phương thức hoạt động
Khi cửa mở phát hiện có chuyển động thì đèn sáng.
Khi cửa đóng không phát hiện chuyển động thì tắt tất cả các thiết bị. Khi lượng ánh sáng trong phòng không đủ, phát hiện chuyển động thì sẽ tự
động bật đèn.
Tắt các thiết bị trong phòng trong phòng sau 23 giờ Bật đèn zigbee sau 23 giờ
Kitchen (nhà bếp)
Module được đặt ở nhà bếp gồm:
- Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khói và khí gas - Công tắt thông minh
- Module nhận biết ánh sáng và chuyển động Phương thức hoạt động
111 Khi phát hiện có khói hoặc khí dễ gây ra cháy nổ thì đèn báo động sáng và
người dùng sẽ được thông báo qua tin nhắn và cuộc gọi để xử lí kịp thời. Đèn sẽ được bật khi phát hiện có người và tắt khi không phát hiện người
nữa.
Giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà qua App
WC (nhà vệ sinh)
Module được đặt trong nhà vệ sinh gồm: - Module cảm biến cửa zigbee
- Module nhận biết ánh sáng và chuyển động - Công tắt thông minh
Phương thức hoạt động
Motion wc phát hiện chuyển động đèn sáng.
Khi cửa đóng đèn sáng, nếu cửa mở không phát hiện chuyển động đèn tắt sau 8s.
Tất cả các hoạt động của các thiết bị đều được giám sát và điều khiển thông qua app Home Asistant
5.9.3. Bảo mật và an toàn:
Không thể phủ nhận được là giao thức MQTT cực kỳ nhanh và nhẹ, máy chủ Mosquitto Broker cũng vậy nhưng nếu bị xâm nhập thì sẽ để lại hậu quả nghiêm trọng. Với việc sử dụng cấu hình mặc định mà bất kì client nào cũng có thể nhận và gửi mọi thông tin từ máy chủ MQTT Broken qua đó kẻ xấu sẽ nắm được toàn bộ các thiết bị kết nối vào mạng MQTT và điều khiển, giám sát chúng. Với vậy hiểu được vấn đề đó mà nhóm đã bảo mật bằng cách khi các thiết bị (client) kết nối vào hệ thống điều phải xác thực.
Khi cấm nguồn điện cho thiết bị nội bộ. Thì hệ thống sẽ hiện thị topic của thiết bị và người dùng sẽ chọn.
Sau khi chọn topic của thiết bị thành công sẽ xuất hiện trang WifiManager chọn Configure.
112
Hình 5.15: Manager Wifi
Chọn Configure Wifi, chọn wifi của hệ thống và tiếng hành đăng nhập Wifi hệ thống: OurHome
Mật khẩu: quang1999
113 Và sau đó, chọn và đăng nhập wifi bất kì
Hình 5.17: Đăng nhập wifi bất kì
114
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 6.1. Thông tin của từng sản phẩm:
6.1.1. Thiết bị nhận biết ánh sáng và chuyển động:
Hình 6.1: Module cảm biến ánh sáng và chuyển động
Thông số kĩ thuật:
Điện áp hoạt động 5V-2A
Truyền thông MQTT
Kích thước 120mm x 70mm x 33 mm
Nhiệt độ hoạt động 0 → 50𝑜C
Ứng dụng hỗ trợ Home assistant, Home IOS
Màu Trắng
Bảng 6.1: Thông số kỹ thuật thiết bị nhận biết ánh sáng và chuyển động
Tính năng của thiệt bị nhận biết ánh sáng và chuyển động Độ nhạy tuyệt đối
Do tích hợp PIR nên thiệt bị phát hiện chuyển động bằng hồng ngoại thông minh kĩ thuật số, với độ tin cậy cao và độ nhạy tuyệt đối, giúp bạn chiếu sáng những nơi nguy hiểm trong nhà khi trời tối. Thích hợp đặt ở cầu thang, sàn nước nhưng nơi yêu
115 cầu ánh sáng để quan sát khi trời tối. Với thiết bị này nó sẽ chiếu sáng khi phát hiện chuyển động.
Cảm biến ánh sáng
Tự động điều chỉnh ánh sáng trong căn nhà của bạn bằng cách hiệu chỉnh các thiết bị như đèn, rèm để cho lượng ánh sáng phù hợp nhất, giúp tiết kiệm năng lượng điện một cách hợp lí nhất.
Giám sát từ xa qua điện thoại và máy tính bảng
Thiết bị này có thể kết hợp được với app trợ lí ảo Home Assistant nên dễ dàng giám sát và sử dụng từ xa mà không cần tốn công sức trong việc điều khiển hệ thống chiếu sáng.
Tích hợp app home iphone
Đây là một lựa chọn hợp lí cho người dùng IOS, thiết bị nhận biết ánh sáng và chuyển động này được xem như một homekit nhờ tích hợp bên thứ 3(HomeBrigde) qua trợ lí ảo Home assistant .
6.1.2. Thiết bị công tắc bật/tắt đèn thông minh:
116
Thông số kĩ thuật
Điện áp hoạt động 110 – 240V AC ~ 50/60Hz
Công suất tiêu thụ 2000W
Truyền thông MQTT
Khoảng cách giới hạn giữa các thiết bị 10m/40m (Khi có vật cản/không có vật cản)
Kích thước 120mm x 70mm x 33 mm
Nhiệt độ hoạt động 0 →50𝑜C
Ứng dụng hỗ trợ Home assistant
Bảng 6.2: Thông số kĩ thuật thiết bị công tắc bật/tắt đèn thông minh
Tính năng của công tắc bật/tắt đèn thông minh Điều khiển từ xa qua điện thoại hoặc máy tính bảng
Điều khiển bật/tắt từ xa qua smartphone hoặc máy tính bảng ở mọi lúc mọi nơi chỉ cần điện thoại được kết nối qua Internet điều khiển thông qua App Home Assistant với giao diện trực quan và sang trọng.
Hẹn giờ bật tắt tự động
Công tắc thông minh còn tích hợp tính năng hẹn giờ tự động để người dùng có thể tạo một kịch bản cho riêng mình.
Điều khiển Bật/Tắt chỉ với 1 chạm nhẹ
Nút chạm của công tắc rất nhạy, chỉ với 1 chạm nhẹ lên những vòng tròn trên bề mặt công tắt là đã có thể Bật/Tắt thiết bị điện theo ý muốn của mình.
Lắp đặt và đấu nối đễ dàng
Việc lắp đặt và đấu nối công tắc cảm ứng này rất dễ dàng, chỉ cần 15 phút là bạn đã có thể thay thế một chiếc công tắc điện truyền thống trong ngôi nhà của mình.
117
6.1.3. Thiết bị cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, báo khói và khí gas
Hình 6.3: Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, báo khói và khí gas
Thông số kĩ thuật
Nguồn điện 5V – 2A
Truyền thông MQTT
Ứng dụng hỗ trợ Home assistant
Khoảng đo độ ẩm 0% – 100% RH, sai số 2% RH Khoảng đo nhiệt độ -40 ~ 80℃, sai số 0.5% ℃
Khí nhận biết Khói, LPG, CO, CH4
Chuông báo động Có, 80dB
Đèn cảnh báo Có
Kiểu lắp đặt Gắn trần
Kích thước 41mm x 70mm
118
Tính năng của thiết bị cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, báo khói và khí gas Phát hiện kịp thời nguy cơ hỏa hoạn
Khi đầu báo khói phát hiện khói hoặc khí gas hoặc khí dễ cháy khác, thì thiết bị