4.3.7.1. Chức năng chính:
Bộ điều khiển trung tâm sẽ thu thập tất cả các thông tin từ các module trong nhà thông minh để điều khiển, giám sát chúng thông qua App Home Assistant. Đồng thời có thể điều khiển một số thiết bị ngoài có tích hợp Zigbee. Có thể kết nối 200 thiết bị khác.
Sau đây, nhóm bắt đầu xây dựng sơ đồ khối để thiết kế mạch điện cho thiết bị.
4.3.7.2. Sơ đồ khối của thiết bị
Hình 4.72: Thiết kế sơ đồ khối của máy chủ
Khối xử lí trung tâm
Khối điều khiển và giám sát
Khối nguồn
Khối phát Khối thu MQTT
82
Khối xử lý trung tâm: Có vai trò là cầu nối giữa các thiết bị thông minh, nhận tất
cả các dữ liệu, lọc dữ liệu và ra lệnh cho các thiết bị thực hiện nhiệm vụ.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn để các thiết bị hoạt động trong hệ thống.
Khối phát: Dùng để truyền tín hiệu đã qua xử lý từ khối xử lý trung tâm đến các
thiết bị ngoại vi.
Khối thu: Thu thập tín hiệu từ các cảm biến truyền về khối xử lý trung tâm để xử
lý.
Khối điều khiển và giam sát: Thực hiện việc truyền và nhận dữ liệu từ bộ xử lý
trung tâm hiển thị lên giao diện đã thiết kế.
a) Khối xử lí trung tâm
Sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống nhà thông minh cũng như với sự hỗ trợ của giáo viên hướng dẫn nhóm chúng em đã chọn sử dụng Raspberry Pi để làm khối xử lí trung tâm của đề tài. Vì một trong những ứng dụng tốt nhất của Raspberry Pi chính là làm trung tâm điều khiển cho các thiết bị sử dụng điện áp thấp. Raspberry Pi có thể thu thập và báo cáo về các điều khoản và sự thay đổi của cở sở dữ liệu rồi trả về trung tâm, nó có thể nhận dữ liệu từ khối xử lí trung tâm của các thiết bị thông minh (Esp8266) thông qua giao thức MQTT. Với thiết bị này thì Raspberry Pi sẽ quản lí tất cả các hệ thống thông minh trong ngôi nhà thông qua Home Assistant.
83
b) Khối thu phát:
Với mục tiêu để bộ điều khiển trung tâm trở nên thông dụng hơn nên nhóm đã sử dụng Module Zigbee CC2530 + PA CC2591 V2 để có thể kết nối được với các thiết bị khác hãng tích hợp Zigbee.
Bảng 4.9: Nối dây Raspberry Pi và Module Zigbee CC2530 + PA CC2591 V2
Raspberry Pi Module Zigbee CC2530 + PA CC2591 V2
RX TX
TX RX
GND GND
3.3V VCC
Hình 4.74: Sơ đồ nối dây Raspberry với Module Zigbee CC2530
c) Khối giám sát và điều khiển
Với sự đa dạng về cấu hình, hình ảnh nên nhóm đã sử dụng điều khiển và giám sát qua Home Assistant. Điểm mạnh của HASS là hỗ trợ gần như toàn bộ mọi thiết bị smarthings, nên việc sử dụng hệ sinh thái, sẽ giúp đơn giản hơn trong việc quản lý, cấu hình… giúp chúng ta có cái nhìn trực quan và dễ dàng hơn.
Với 6 thiết bị thông minh, giao diện giám sát và điều khiển sẽ được bố trí và sắp xếp tùy ý
Ở đây nhóm thiết kế giao diện gồm có các button để bật/tắt đèn và các button để bật các chế độ rèm.
Raspberry Pi Module Zigbee CC2530 + PA CC2591 V2
84 App Home Assistant
Giao diện giám sát và điều khiển trên web:
Hình 4.75: Giao diện điều khiển và giám sát trên máy tính
Giao diện điều khiển và giám sát trên điện thoại:
85
Hình 4.76: Giao diện điều khiển App Homeassistant
App Home IOS
86
d) Khối nguồn
Đối với nguồn của thiết bị để hoạt động một cách ổn định thì nhóm đã chọn sử dụng trực tiếp nguồn điện trong gia đình thông qua adapter (5V- 0,5A). Đủ để cho thiết bị có thể hoạt động ổn định chỉ cần cấm nguồn và sử dụng.
4.3.7.3. Sơ đồ nguyên lí mạch 4.3.7.4. Phần cứng và lắp đặt 4.3.7.4. Phần cứng và lắp đặt
Vỏ đế
Hình 4.78: Mô hình vỏ đế
87 Vỏ đậy
Hình 4.80: Mô hình vỏ đập
Hình 4.81: Mô hình vỏ đập
88
Hình 4.82: Mô phỏng lắp ráp bộ điều khiển trung tâm đã được lắp ghép
Mô phỏng
89
CHƯƠNG 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 5.1. Xây dựng sơ đồ thuật toán:
Hình 5.1: Lưu đồ giải thuật tổng quát nhà thông minh
Bắt đầu Thiết lập Wifi Sai Đúng Kết nối MQTT Sai Công tắc thông minh Thiết bị cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khói và khí gas Thiết bị nhận biết ánh sáng ,chuyển động Thiết bị rèm cửa tự động Thiết bị người chơi nhạc cụ Thiết bị điều khiển từ xa IR
Điều khiển bằng phần mềm Home Assistant
Kết nối với app Home IOS (bridge)
Kết thúc
Điều khiển các thiết bị
90 Đầu tiên khi tiến hành sử dụng hệ thống kiểm tra kết nối Wifi thì hệ thống mới hoạt động. Sau đó phải kết nối MQTT của các thiết bị. Các thiết bị thông minh đọc tín hiệu từ cảm biến đưa lên App Home Assistant để điều khiển và giám sát và kết thúc lệnh đó. Từ Home Assistant có thể kết nối với App Home IOS để điều khiển và giám sát.
Sau khi đã kết nối thành công, tiến hành phân tích lệnh từ các thiết bị. Nếu có phát hiện thấy điều khiển bằng công tắc, nếu đúng sẽ thực hiện điều khiển thiết bị nếu sai thì thực hiên lệnh kiểm tra thiết bị hiện thị nhiệt độ, độ ẩm, khói và khí gas. Đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm hiển thì lên Home Assistant, nếu phát hiện có khói hoặc khí gas thì sẽ báo động và gửi tin nhắn về cho người dùng còn nếu không thì tiếp tục kiểm tra thông tin thiết bị nhận biết ánh sáng và chuyển động. Nếu trời tối thì bật đèn và nếu trời sáng thì tắt đèn, nếu có người đi vào vùng của thiết bị cảm biến thì sẽ tiến hành điều khiển thiết bị nếu không thì tiến hành kiểm tra thiết bị rèm cửa tự động. Nếu ánh sáng quá nhiều thì màn đóng còn ánh sáng thấp thì màn mở. Rồi đến kiểm tra thiết bị người chơi nhạc cụ, nếu có người ngồi vào ghế chơi nhạc thì tiến hành điều khiển thiết bị. Quá trình xét lệnh này lặp đi lặp lại không dừng.
Với những yêu cầu đặt ra, tiến hành thiết kế chế độ làm việc của bộ điều khiển.
Điều khiển các thiết bị từ xa thông qua App Home Assistant
Sử dụng phần mềm Home Assistant trên điện thoại thông minh hoặc trên web để điều khiển các thiết bị trong nhà. Khi sử dụng phần mềm này có thể dễ dàng điều khiển bất kì các chân GPIO nào trên esp8266 nodemcu. Lệnh từ Home Assistant được gửi đến Esp8266 thông qua Raspberry tại đây thì Esp8266 sẽ phân tích lệnh rồi so sánh lệnh được nhận với 1. Nếu lệnh nhận được bằng 1 thì sẽ điều khiển bật thiết bị còn nếu khác 1 thì sẽ điều khiển tắt thiết bị. Thiết bị ở đây là đèn phòng khách, đèn phòng ngủ, rèm, điều hòa, cửa,….
91
Hình 5.2: Lưu đồ giải thuật điều khiển các thiết bị từ xa thông qua App Home
Assistant
5.2. Điều khiển thiết bị thông qua công tắc thông minh:
Việc điều khiển thiết bị từ xa bằng smartphone mạng lại rất nhiều các tiện ích nó thích hợp để điều khiển và giám sát cũng như quản lý các thiết bị khi ở xa. Khi ở nhà thì việc sử dụng các công tắc để điều khiển các thiết bị cũng không thể thiếu bởi tính năng của nó. Bước vào căn phòng của mình thay vì dùng điện thoại để bật/tắt đèn thì có cách nhanh hơn đó là sử dụng công tắt để mở đèn gắn trên tường. Việc sự dụng
Bắt đầu
Thiết lập Wifi
Kết nối MQTT
Sai
Sai
Điều khiển qua Home Assistant Lệnh từ Home Assistant = 1 Kết thúc Bật thiết bị Tắt thiết bị Sai Đúng
92 công tắc thì thích hợp hơn khi bạn đang ở nhà. Hiện nay thì trên thị trường có rất nhiều loại công tắc vừa đem lại độ thẩm mĩ mà còn giúp ngôi nhà trở nên hiện đại hơn. Dựa vào các yếu tố trên xây dựng sơ đồ thuật toán hình
Với công tắc điều khiển thông minh này điều khiển được bật tắt thiết bị đồng thời nó cũng sẽ phản hồi về cho app để cho người dùng biết được thiết bị đang bật hay tắt, người dùng có thể bật tắt tùy thích qua app hoặc qua công tắc trên tường tại nhà.
Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật công tắt điều khiển thông minh
Công tắc điều khiển này gồm có hai nút nhấn có công dụng như nhau. Nếu nút nhấn đã được nhấn thì kiểm tra trạng thái của thiết bị là bật hay tắt. Nếu thiết bị đang
Bắt đầu Thiết lập Wifi Kết nối MQTT Sai Sai Đúng Đúng Công tắc Thiết bị có trạng thái b=1? Kết thúc Bật thiết bị và gửi phản hồi về app Tắt thiết bị và gửi phản hồi về app Đúng Sai
93 bật thì phải chuyển về tắt và nếu thiết bị tắt thì chuyển về bật. Biến trạng thái ở đây 0 là bật còn 1 là tắt các trạng thái của thiết bị sau đó phải được phản hồi về Home Assistant. Có thể hẹn giờ đảo trạng thái của thiết bị thông qua Home Assistant.
5.3. Thiết bị nhận biết ánh sáng và chuyển động:
Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật Module cảm biến ánh sáng
Sử dụng cảm biến ánh sáng ưu điểm của nó là có thể chủ động hơn trong việc xác định độ sáng tối của môi trường. Cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở có khả năng
Bắt đầu Thiết lập Wifi Sai Kết nối MQTT Sai Đúng Đúng Cảm biến ánh sáng Độ sáng<ngưỡng? Bật thiết bị và gửi phản hồi về app Kết thúc Tắt thiết bị và gửi phản hồi về app Sai Đúng
94 thay đổ điện trở theo cường độ ánh sáng chiếu vào. Tín hiệu xuất ra của cảm biến là 5V (HIGH) và 0V (LOW) tượng trưng cho các trạng thái bật/tắt thiết bị tự động mà bạn không cần phải thao tác vào. Từ đó xây dựng thuật toán như sau:
Cảm biến ánh sáng này có thể tự điều chỉnh độ nhạy của ánh sáng sao cho phù hợp với nhu cầu đặt ra. Kết hợp với hệ thống đèn, hệ thống rèm,..
5.4. Thiết bị cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, báo khói và khí gas
Hiện nay trên nước ta vấn đề hỏa hoạn luôn là chủ đề hàng đầu gây ra những hậu quả đáng tiếc về người cũng như là về của. Để người dùng có thể an tâm phát hiện những nguy cơ có thể gây ra cháy nổ để khắc phục kịp thời đồng thời. Xuất phát từ nhu cầu trên ta xây dựng thuật toán:
95
Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật Module nhiệt độ, độ ẩm, báo khói và khí gas
Thiết bị cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, báo khói và khí gas này giúp bạn biết được nhiệt độ, độ ẩm trong ngôi nhà thông qua app Home Assistant. Khi ngôi nhà của
Bắt đầu Thiết lập Wifi Kết nối MQTT Sai Sai Đọc dữ liệu cảm biến Đúng
Hiển thị giá trị lên APP
Sleep
t>50℃ or
𝐶𝑘ℎí> 2npm
Nhắn tin báo về điện thoại và báo động
Kết thúc
Sai 1p30s
96 người dùng có bất kì những khí có liên quan dẫn đến cháy nổ hoặc là nhiệt độ trong nhà quá cao thì cảm biến sẽ đọc được và sau đó gửi tin nhắn trực tiếp cho người dùng để có thể xử lí kịp thời. Đồng thời sẽ báo động để khi trong trường hợp cả nhà bạn đang ngủ cũng có thể phát hiện sớm để xử lí kịp thời.
5.5. Điều khiển thiết bị người chơi nhạc:
Hình 5.6: Lưu đồ giải thuật module người chơi nhạc cụ
Sau những ngày làm việc cũng như học tập mệt mỏi thì một không gian giải trí đem lại cảm giác dễ chịu, thoải mái cũng là một vấn đề cần thiết. Với sở thích chơi
Bắt đầu Thiết lập Wifi Kết nối MQTT Sai Sai Cảm biến cân nặng Điện áp tín hiệu ra=0? Tắt thiết bị và gửi phản hồi về app Kết thúc Tắt thiết bị và gửi phản hồi về App Sai
97 đàn vào những ngày nghỉ cuối tuần, với mong muốn là tất cả các thiết bị được setup sẳn sàng đèn, rèm. Chúng ta chỉ cần ngồi vào tận hưởng những giây phút thoải mái.
Khi sử dụng thiết bị hãy đảm bảo rằng thiết bị đã kết nối Wifi, có thể setup cho cảm biến cân nặng Loadcell khi có tải trọng hoặc lực tác dộng vào thân của loadcell sẽ làm nó bị biến dạng dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi của điện áp đầu ra. Nếu điện áp đầu ra bằng 0 thì loadcell ở trạng thái cân bằng các thiết bị sẽ không hoạt động. Nếu điện áp đầu ra thay đổi khác 0 chứng tỏ có lực tác động lên loadcell làm nó biến dạng ( có người ngồi) thì các thiết bị đã setup sẽ bật. Tất cả trạng thái của các thiết bị đều được phản hồi về app Home Assistant để giám sát dễ hơn.
5.6. Module điều khiển thiết bị từ xa IR
Thiết bị này sử dụng bộ thu IR để điều khiển các thiết bị phát IR (điều hòa). Sau khi kết nối Wifi thì đầu thu IR bắt đầu đọc mã nếu phát hiện có tín hiệu thì tiếp tục đọc IR còn nếu không có tín hiệu nào thì quá trình này đc diễn ra lặp đi lặp lại. Sau khi đọc tín hiệu IR thì sẽ bật hoặc tắt thiết bị và trả tín hiệu về App điều khiển.
Với sự tiện ích của việc điều khiển thiệt bị qua app Home Assistant. Trong trường hợp người dùng không có ở nhà hoặc remote của thiết bị yêu cầu phải ở gần mới có thể điều khiển hoạt động được. Nên cần một thiết bị có thể điều khiển các thiết bị ở mọi nơi dù có ở khoảng cách xa trong nhà. Ví dụ bạn đang ở văn phòng muốn điều hòa ở phòng khách bật trước khi về đến nhà để làm lạnh trước, bạn có thể điều khiển mở điều hòa nay tại đó qua app Home Assistant. Với vấn đề trên xây dựng thuật toán như sau:
98
Hình 5.7: Lưu đồ giải thuật Module điều khiển thiết bị IR
5.7. Module rèm cửa thông minh
Rèm cửa được xem là vật dụng không thể thiếu trong ngôi nhà cũng giống như đèn điện. Rèm có nhiều mẫu mã rất đa dạng có công dụng che ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào phòng. Ngày nay thì có nhiều người trồng cây kiểng trên cửa xổ họ cũng rất lo ánh sáng trực tiếp chiếu vào cây khi họ không có nhà làm cây héo dẫn đến chết hoặc là lượng ánh sáng chiếu qua cửa xổ quá thấp làm cho cây không phát triển tốt.
Bắt đầu Thiết lập Wifi Sai Kết nối MQTT Sai Thu IR Đọc mã IR Phát IR
Điều khiển thiết bị Trả tín hiệu về app Home
Asssistant
Kết thúc
99 Tiếp theo là vẫn đề về lượng ánh sáng trong phòng điều chỉnh bởi rèm cửa. Hiểu được sự tiện ích này thì nhóm đã làm nên thiết bị rèm cửa thông minh này. Sử dụng bộ thu phát IR giúp người dùng có thể điều khiển từ xa, tích hợp áp điều khiển trên điên thoại, có thể tạo kịch bản phối hợp vs thiết bị nhận biết ánh sáng và chuyển động để tạo nên một căn phòng mong muốn. Với những vấn đề trên xây dưng lưu đồ thuật toán như sau:
Sau khi kết nối Wifi thiết bị rèm tự động hoạt động dựa trên cảm biến hồng ngoại, quá trình thu hồng ngoại được diễn ra liên tục. Khi chúng ta điều khiển bằng thiết bị điều khiển thì bộ thu hồng ngoại bắt được tính hiệu bắt đầu đọc mã và sau đó phát tín hiệu để điều khiển motor để kéo/mở rèm và phản hồi về app Home Assistant. Có thể tạo kịch bản với các cảm biến khác để làm ngôi nhà trở nên hiện đại hơn.
100
Hình 5.8: Lưu đồ giải thuật Module rèm cửa tự động
5.8. Tự động hóa
5.8.1. Điều khiển rèm kết hợp với cảm biến ánh sáng:
Bắt đầu Thiết lập Wifi Sai Kết nối MQTT Thu IR Nhận mã IR qua app hoặc remote
Phát IR
Điều khiển motor bước Trả tín hiệu về app Home Assistant Kết thúc Sai Sai
101
Hình 5.9: Lưu đồ giải thuật rèm thông minh kết hợp với cảm biến ánh sáng