4.3.5.1. Chức năng chính
Thiết bị rèm cửa tự động mang lại sự tinh tế, sang trọng cho ngôi nhà. Bằng việc điều khiển từ xa nên thiết bị rèm cửa tự động rất an toàn. Đồng thời chiếc rèm này còn có thể tự đóng/mở tùy ý người dùng thông qua Home Assistant. Có thể điều khiển cũng như giám sát qua Home Assistant. Kết hợp với những thiết bị khác làm cho ngôi nhà trở nên hiện đại phục vụ những nhu cầu khác nhau của con người.
4.3.5.2. Sơ đồ khối của thiết bị
Hình 4.46: Thiết kế sơ đồ khối của Module rèm cửa tự động
Khối xử lý trung tâm: Đóng vai trò nhận tín hiệu từ khối thu, xử lí tín hiệu đó và
gửi tín hiệu lên cho bộ điều khiển trung tâm để vận hành khối phát. Dữ liệu được lấy từ khối đọc và khối phát do bộ điều khiển trung tâm giám sát và điều khiển.
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 xử lí trung tâm NodeMCU ESP-8266
Khối phát Khối đọc Khối thu dữ liệu
Khối nguồn
69
Khối thu: Thu thập tín hiệu từ các cảm biến truyền về khối xử lý trung tâm để xử
lý.
Khối đọc dữ liệu: Dọc dữ liệu từ cảm biến gửi về khối xử lý trung tâm để xử lý. a) Khối xử lí trung tâm của thiết bị
Sau quá trình tìm hiểu về các thiết bị điều khiển cho module rèm cửa tự động nhóm quyết định chọn module NodeMCU ESP-8266 để làm bộ xử lý trung tâm cho thiết bị này. Với đặc điểm có thể tích hợp nhiều ngoại vi với các chân I/O cần thiết, có thể thu và phát wifi phù hợp giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm (rasberry).
Hình 4.47: NodeMCU ESP8266
b) Thiết kế khối thu tín hiệu
Trong thiết bị rèm này thì khối thu tín hiệu đảm nhận vai trò tiếp nhận các tín hiệu hồng ngoại đưa về khối xử lí trung tâm. Với yêu cầu đề ra, thì nhóm đã chọn module thu hồng ngoại KY-022.
Module thu hồng ngoại hoạt động với điện áp từ 2.7V đén 5.5V, dòng nuôi từ 0.4mA đến 1.5mA phù hợp với dòng ra áp ra của bộ điều khiển trung tâm để cho module hoạt động bình thường.
Bảng 4.9: Nối chân Module thu hồng ngoại với NodeMCU ESP8266.
Module thu hồng ngoại NodeMCU
GND GND
VCC 3V3
70
Hình 4.48: Nối chân giữa Module thu hồng ngoại và NodeMCU ESP8266.
c. Khối phát
Với yêu cầu được đặt ra, điều khiển được thiết bị bằng sóng hồng ngoại, nhóm sẽ chọn led phát hồng ngoại.
71
d) Động cơ:
Rèm cửa tự động hoạt động dựa trên cơ chế của motor điện. Chính động cơ này giúp tối ưu hoá việc đóng/mở rèm, tiết kiệm thời gian và công sức cho chủ nhà. Dựa vào rèm cửa ở nhà mình để tính toán chọn động cơ phù hợp với thiết bị.
Hình 4.50: Chuyển động của rèm
Trong đồ án lần này chúng em thiết kế động cơ rèm cửa tự động cho loại rèm có khối lượng từ 3Kg đến 5Kg. Chọn m = 5Kg
Đường kính khớp nối trục d = 3cm = 0.03m
Moment xoắn ngẩu lực tác dụng lên đầu trục động cơ: Mmax = F x d = m x 10 x d = 5 x 10 x 0.03 = 1.5 Nm
Vậy ta chọn động cơ bước dây NEMA 24 60mm 4A 1.8° 1.5Nm
72
e) Khối nguồn
Về nguồn cấp cho mạch hoạt động thì nhóm không thiết kế nguồn nuôi riêng mà dùng trực tiếp nguồn điện gia đình thông qua bộ adapter 12V.
Để cấp nguồn phù hợp với khối xử lí trung tâm thì nhóm sử dụng mạch nguồn giảm áp DC mini 3A để giảm áp xuống 5V mục đích cho thiết bị hoạt động ổn định hơn.
Hinh 4.52: Mạch nguồn giảm áp DC - DC
4.3.5.3. Sơ đồ nguyên lí mạch
Hình 4.53: Thiết kế mạch Module rèm cửa tự động
4.3.5.4. Phần cứng và lắp đặt
73
Hình 4.54: Mô hình vỏ gá động cơ
Hình 4.55: Mô hình vỏ gá động cơ
74
Hình 4.56: Mô hình nắp vỏ gá động cơ
Lắp ráp thiết bị
Hình 4.57: Mô phỏng lắp ráp
75
Hình 4.58: Mô phỏng vỏ gá động cơ đã được lắp ghép
2. Hộp các thiết bị điều khiển
Hình 4.59: Mô hình vỏ hộp
4 Lỗ vặn với nắp
76 Hình 4.60: Mô hình vỏ hộp Nắp Hình 4.61: Mô hình nắp hộp Mô phỏng thiết bị Lỗ nguồn Lỗ đi dây điện Lỗ vặn ốc với vỏ
77
Hình 4.63: Mô phỏng thiết bị rèm cửa tự động đã được lắp ghép
4.3.6. Module điều khiển từ xa IR: 4.3.6.1. Chức năng chính: 4.3.6.1. Chức năng chính:
Điều khiển các thiết bị trong nhà như rèm, máy lạnh,… từ xa qua điện thoại thay vì điều khiển bằng công tắt.
4.3.6.2. Sơ đồ khối của thiết bị
Hình 4.64: Sơ đồ khối Module điều khiển từ xa IR
Khối xử lý trung tâm: Đóng vai trò nhận tín hiệu từ khối thu, xử lí tín hiệu đó và
gửi tín hiệu lên cho bộ điều khiển trung tâm để vận hành khối phát. Dữ liệu được lấy từ khối đọc và khối phát do bộ điều khiển trung tâm giám sát và điều khiển.
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 xử lí trung tâm NodeMCU ESP-8266
Khối phát Khối nguồn
78
a) Khối xử lí trung tâm của thiết bị
Sau quá trình tìm hiểu về các thiết bị điều khiển cho module điều khiển từ xa IR nhóm quyết định chọn module NodeMCU ESP-8266 để làm bộ xử lý trung tâm cho thiết bị này. Với đặc điểm có thể tích hợp nhiều ngoại vi với các chân I/O cần thiết, có thể thu và phát wifi phù hợp giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm (rasberry).
Hình 4.65: NodeMCU ESP8266
b. Khối phát
Với yêu cầu được đặt ra, điều khiển được thiết bị bằng sóng hồng ngoại, nhóm sẽ chọn led phát hồng ngoại.
79
e) Khối nguồn
Về nguồn cấp cho mạch hoạt động thì nhóm không thiết kế nguồn nuôi riêng mà dùng trực tiếp nguồn điện gia đình thông qua bộ adapter 5V.
4.3.6.3. Sơ đồ nguyên lí của thiết bị
Hình 4.67: Sơ đồ nguyên lí mạch Module điều khiển từ xa IR
4.3.6.4. Phần cứng và lắp đặt Vỏ thiết bị Vỏ thiết bị
80
Nắp thiết bị
Hình 4.69: Mô hình nắp thiết bị
Mô hình lắp ráp thiết bị
Hình 4.70: Mô hình lắp ráp thiết bị điều khiển từ xa IR
81
Hình 4.71: Mô phỏng thiết bị điều khiển từ xa IR
4.3.7. Bộ điều khiển trung tâm: 4.3.7.1. Chức năng chính: 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.