Đồ án an ninh an toàn tổng thể nhà thông minh

Vũ TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
Hữ KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
u
Địn BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
h
-----------  -----------
Dư
ơn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
g
Bả NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP AN NINH AN TOÀN
Ngohiê TỔNG THỂ CHO NHÀ THÔNG MINH
n cứu
giải Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Định
pháp Lớp: Kỹ thuật viễn thông 3
an Khóa: 60
ninh Giáo viên hướng dẫn: ThS. Trần Quang Thanh
an
toàn Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Định
cho
nhà
thông
minh

Xây
dựng
app
diều
khiển
thiết

Nă

m
20
23

Nă
m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

-----------  -----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP AN NINH AN TOÀN
TỔNG THỂ CHO NHÀ THÔNG MINH

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Định
Lớp: Kỹ thuật viễn thơng 3
Khóa: 60
Giáo viên hướng dẫn: ThS. Trần Quang Thanh

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu giải pháp an ninh ,an tồn tổng thể cho nhà
thơng minh” là nghiên cứu của chính tơi dưới sự trực tiếp hướng dẫn của ThS. Trần
Quang Thanh.

Người Cam Đoan
Vũ Hữu Định

i

LỜI MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài
Ngày nay, dưới sự phát triển mạnh mẽ của khoa học cơng nghệ nói chung

cũng như công nghệ kỹ thuật điện tử nói riêng đã góp phần khơng nhỏ trong sự
thay đổi và phát triển của cuộc sống con người. Các thiết bị tự động hóa được sử
dụng rộng rãi và có nhiều chức năng mạnh mẽ giúp ích con người trong nhiều lĩnh
vực như sản xuất công nghiệp, cũng như trong đời sống sinh hoạt hằng ngày.
Kinh tế ngày càng phát triển đời sống được nâng cao nhu cầu của con người về
cuộc sống thoải mái, an tồn, tiện nghi là điều tất yếu. Do đó ý tưởng về ngôi nhà
thông minh, thân thiện mà ở đó các thiết bị có thể làm việc tự động, con người có
thể quản lý, giám sát và điều khiển tất cả các thiết bị điện từ xa vào bất kỳ thời
gian, địa điểm nào chỉ cần thông qua các thiết bị nhỏ gọn, thông minh như điện
thoại, máy tính, máy tính bảng. Ý tưởng trên thực sự khả thi đem lại nhiều lợi ích

cho con người, nó đã được rất nhiều nhà khoa học, các công ty, tổ chức quan tâm
nghiên cứu và phát triển. Chúng ta thấy nhà thông minh đã ra đời và được ứng
dụng rộng rãi không chỉ ở các nước phát triển mà cả ở Việt Nam. Hệ thống an
toàn an ninh cho ngôi nhà thông minh là phần hết sức quan trọng và cần thiết giúp
gia chủ của ngôi nhà được yên tâm hơn, không phải lo lắng nhiều về vấn đề trộm
cắp hoặc các vấn đề phát sinh không mong muốn như hỏa hoạn, rị rỉ khí ga, vấn
đề thời tiết bất thường…
Từ những kiến thức được học với mong muốn tìm hiểu về ngơi nhà thơng minh
đáp ứng nhu cầu của sinh hoạt hàng ngày. Với thời gian hạn chế chúng em muốn
dành thời gian tập chung nghiên cứu sâu vào phần hệ thống an toàn an ninh cho
ngơi nhà thơng minh nên nhóm em đã quyết định lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu
giải pháp an ninh, an tồn cho ngơi nhà thơng minh.” làm đồ án tốt nghiệp của
mình. Sau một khoảng thời gian học tập và nghiên cứu tại trường em đã hoàn
thành đề tài được giao. Em xin gửi lời cảm ơn các các thầy cô trong bộ môn trong

ii

khoa đã giúp đỡ em trong xuốt thời gian học tập tại trường và dậy em những kiến
thức về chuyên
ngành và đặc biệt xin cảm ơn đến thầy Th.S Trần Quang Thanh người trực tiếp
hướng dẫn đồ án đưa cho em những giải pháp và kiến thức để em hoàn thành tốt
đề tài.

2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu và phân tích các nguy cơ và rủi ro an ninh an tồn trong hệ thống nhà

thơng minh hiện đang tồn tại.
- Xây dựng một giải pháp an ninh tổng thể cho nhà thông minh, bao gồm cả phần cứng

và phần mềm.

3. Kết quả của đề tài
Kết quả của đề tài sẽ là một giải pháp an ninh tổng thể cho hệ thống nhà thơng minh

giúp người dùng có thể giám sát và hạn chế các rủi ro an ninh trong ngôi nhà giúp người
dùng cảm thấy yên tâm hơn về ngôi nhà của mình

4. Phương pháp nghiên cứu
Tiếp cận các dòng vi điều khiển, chip wifi, gsm và các loại cảm biến phổ thông trên

thị trường và thử nghiệm một số loại được dùng nhiều nhất để chọn ra những linh kiện
hợp lý nhất để pháp triển sản phẩm trong thời gian ngắn nhất nhưng vẫn đảm bảo được
độ ổn đinh.

5. Kết cấu của đề tài
Chương 1: “Tổng quan về nhà thông minh” Giới thiệu về IoT nhà thông minh.
Chương 2: “Nghiên cứu các công nghệ và giải pháp an tồn cho nhà thơng minh” Tìm
hiểu về các cảm biến thiết bị và mơ hình giải pháp an tồn cho nhà thơng minh.
Chương 3: “Nghiên cứu các công nghệ và giải pháp an ninh cho nhà thơng minh” Tìm
hiểu về các cảm biến thiết bị và mơ hình giải pháp an ninh cho nhà thơng minh.
Chương 4: “Nghiên cứu xây dựng giải pháp an ninh an tồn tổng thể cho nhà thơng
minh” Đưa ra mơ hình giải pháp an ninh, an tồn tổng thể cho nhà thông minh.

iii

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023
Sinh viên thực hiện
Vũ Hữu Định

iv

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................i
LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................ii
MỤC LỤC ...............................................................................................................v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT...........................................ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU.....................................................................................x
DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ NHÀ THÔNG MINH.......................1
1.1 Giới thiệu về IoT ...............................................................................................1
1.2 Lợi ích khi sử dụng cơng nghệ IoT.....................................................................2
1.3 Ứng dụng của IoT...............................................................................................3

1.3.1 Nhà thông minh..........................................................................................3
1.3.2 Thành phố thông minh...............................................................................4
1.3.3 Xe được kết nối..........................................................................................5
1.3.4 Bán lẻ thông minh......................................................................................6
1.3.5 Chuỗi cung ứng thông minh.......................................................................6
1.3.6 Chăn nuôi thông minh................................................................................7
1.4 Tổng quan về nhà thông minh.............................................................................8
1.4.1 Khái niệm nhà thông minh.........................................................................8
1.4.2 Lợi ích khi sử dụng nhà thơng minh.......................................................... 9

1.4.2.1 Điều khiển chiếu sáng......................................................................9
1.4.2.2 Điều khiển mảnh rèm cửa cổng........................................................11
1.4.2.3 Âm thanh đa vùng thông minh.........................................................11
1.4.2.4 Hệ thống an ninh thông minh...........................................................12

v

1.4.2.5 Điều khiển nhà thơng minh bằng giọng nói.....................................13
1.5 Một số thương hiệu nhà thơng minh đã có mặt trên thị trường...........................14
1.6 Kết luận chương ...............................................................................................16

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHỆ GIẢI PHÁP AN TỒN CHO NHÀ

THƠNG MINH........................................................................................................17
2.1 An tồn chống cháy.............................................................................................17

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống báo cháy..............................................18
2.1.2 Bộ báo cháy thơng minh.............................................................................19
2.2 An tồn rị rỉ khí gas............................................................................................19
2.2.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống rị rỉ khí gas..........................................20
2.3 An tồn chống chập điện.....................................................................................21
2.4 An toàn chống ngập nước....................................................................................22
2.5 Kết luận chương ...............................................................................................23

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHỆ GIẢI PHÁP AN NINH CHO NHÀ

THÔNG MINH........................................................................................................25
3.1 An ninh ra và ngôi nhà........................................................................................25

3.1.1 Chng cửa màn hình thơnh minh...............................................................25
3.1.2 Cửa cổng tự động.........................................................................................26
3.1.3 Khóa cửa thơng minh...................................................................................27
3.1.4 Cảm biến chuyển động.................................................................................27
3.1.5 Camera giám sát...........................................................................................29
3.2 Kết luận chương ...............................................................................................31

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG GIẢI PHÁP AN NINH AN TOÀN TỔNG

THỂ CHO NHÀ THƠNG MINH..........................................................................32
4.1 Thiết kế mơ hình ...............................................................................................32
4.2 Thiết kế phần cứng..............................................................................................35

4.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống................................................................................35

vi

4.2.2 Thiết kế khối xử lý.......................................................................................36
4.2.1.1 Tổng quan về ESP32.............................................................................36
4.2.2.2 Tổng quan về Arduino Uno R3.............................................................37
4.2.2.3 Mạch replay Opto Cách ly.....................................................................39

4.2.3 Thiết kế khối cảm biến...................................................................................41
4.2.3.1 Cảm biến khí gas MQ5..........................................................................41
4.2.3.2 Mạch RFID NFC...................................................................................42
4.2.3.3 Cảm biến nước......................................................................................44

4.2.4 Thiết kế khối thiết bị......................................................................................45
4.2.4.1 Động cơ RC Servo.................................................................................45
4.2.4.2 Công tắc ...............................................................................................46
4.2.4.3 Module còi chip.....................................................................................47
4.2.4.4 Module hạ áp LM2596..........................................................................48
4.2.4.5 Cảm biến đo cường độ dòng điện..........................................................49
4.2.4.6 Máy bơm nước hìm mini DC................................................................50
4.2.4.7 Camera IP..............................................................................................51

4.3 Thiết kế mạch……..............................................................................................53
4.3.1 Nguyên lý của xử lý thông minh..................................................................53
4.3.2 Nguyên lý của phần xử lý tự động...............................................................53

4.4 Thiết kế phần mềm..............................................................................................55
4.4.1 Lưu đồ thuật toán.........................................................................................55
4.4.1.1 Lưu đồ của khối xử lý tự động.............................................................57
4.4.1.2 Lưu đồ của cảnh báo rị rỉ khí gas........................................................58
4.4.1.3 Lưu đồ của điều khiển chống ngập......................................................59
4.4.1.4 Lưu đồ của điều khiển chống ngắn mạch.............................................60
4.4.1.5 Lưu đồ của điều khiển tự động.............................................................61
4.4.2 Lựa chọn phần mềm ....................................................................................62

vii

4.4.2.1 Phần mềm Flatform Sinricpro..............................................................62
4.4.2.2 Phần mềm Google Home.....................................................................62
4.4.2.3 Phần mềm Arduino IDE.............................................................................64
4.5 Thiết kế phần cứng .............................................................................................67
4.6 Hình ảnh thực tế sản phẩm..................................................................................73
4.7 Kết luận chương..................................................................................................78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................81
PHỤ LỤC.................................................................................................................82

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tên Viết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

RFID Radio Frequency Nhận dạng tần số vô

IOT Identification tuyến điện
AC/DC Internet of things Internet kết nối vạn vật
Alternatin current/Direct
ESP Dòng điện xoay
current chiều/Dòng điện một
GND
GPIO Embedded System chiều
Platform Nền tảng nhúng hệ thống
MCB Ground
RTOS Đất
General Purpose Tín hiệu Đầu vào/đầu ra
CCTV Input/Output
SDK có mục đích
Miniature Circuit Breaker Bộ ngắt mạch
Real-Time Operating Hệ điều hành thời gian
System
thực
Closed Circuit Television Camera giám sát
Software Development Công cụ phát triển phần
Kit
mềm

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Thông số kĩ thuật Modue Ardunio.............................................................39
Bảng 4.2 Thơng số kĩ thuật cảm biến khí gas MQ5..................................................41

Bảng 4.3 Thông số kĩ thuật Module RFID................................................................43
Bảng 4.4 Thông số ki thuật động cơ servo................................................................46
Bảng 4.5 Thông số kĩ thuật Modue cịi chip.............................................................47
Bảng 4.6 Thơng số kĩ thuật Module LM2596...........................................................48
Bảng 4.7 Thơng số kĩ thuật máy bơm nước chìm.....................................................50
Bảng 4.8 Thơng số kĩ thuật camera IP......................................................................52

x

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Internet of Things.......................................................................................2
Hình 2.1 Thành phần hệ thống báo cháy...................................................................17
Hình 2.2 Hệ thống báo cháy......................................................................................18
Hình 2.3 Thiết bị cảnh báo rị rỉ khí gas....................................................................20
Hình 2.4 Thiết bị chống chập điện ...........................................................................22
Hình 2.5 Hệ thống cảnh báo ngập nước....................................................................23
Hình 3.1 Chng cửa thơng minh.............................................................................26
Hình 3.2 Cổng tự động..............................................................................................26
Hình 3.3 Khóa cửa thơng minh.................................................................................27
Hình 3.4 Cảm biến chuyển động...............................................................................28
Hình 3.5 Hệ thống camera quan sát..........................................................................30
Hình 4.1 Bản thiết kế nhà thơng minh.......................................................................32
Hình 4.2 Bản thiết kế phịng bếp...............................................................................33
Hình 4.3 Bản thiết kế phịng khách ..........................................................................34
Hình 4.4 Thiết kế giàn phơi đồ tự động và cửa tự động............................................34
Hình 4.5 Module ESP32............................................................................................36
Hình 4.6 Module Arduino.........................................................................................38
Hình 4.7 Module relay...............................................................................................40
Hình 4.8 Module cảm biến khí gas............................................................................41

Hình 4.9 Module RFID.............................................................................................43
Hình 4.10 Cảm biến nước.........................................................................................44
Hình 4.11 Động cơ servo...........................................................................................45
Hình 4.12 Cơng tắc....................................................................................................46
Hình 4.13 Module cịi chip........................................................................................47
Hình 4.14 Module Lm2596.......................................................................................48
Hình 4.15 Cảm biến đo cường độ dịng điện.............................................................49

xi

Hình 4.16 Máy bơm nước chìm................................................................................51
Hình 4.17 Camera IP.................................................................................................52
Hình 4.18 Nền tảng sinricpro....................................................................................62
Hình 4.19 Ứng dụng google home............................................................................63
Hình 4.20 Mơ hình sản phẩm hồn thiện..................................................................75
Hình 4.21 Hình ảnh camera chạy trên phần mềm VLC............................................76
Hình 4.22 Hình ảnh giao diện trên app.....................................................................77
Hình 4.23 Hình ảnh cảm biến trên phần mềm sinricPro..........................................78

xii

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH

1.1 Giới thiệu về IoT

Ngày nay, sự phổ biến rộng rãi của các thiết bị thông minh với cảm biến
nhúng và giao diện không dây đã tạo điều kiện cho sự phát triển nhanh
chóng của Internet of Things (IoT), loT đóng một vai trị đáng kể trong việc
cải thiện chất lượng cuộc sống và phát triển nền kinh tế thế giới. Nó tạo điều
kiện cho kết nối toàn cầu qua các đối tượng vật lý trên toàn thế giới (ví dụ:

cảm biến, điện thoại thông minh, xe cộ, thiết bị) để phục vụ mọi người theo
cách cộng tác tự động và thông minh. IoT giúp nhiều thứ khác nhau sẽ được
kết nối và sẽ được kiểm soát trên Internet. Các lĩnh vực ứng dụng của loT
bao gồm nhà thơng minh, chăm sóc sức khỏe thông minh, lưới điện thông
minh, giao thông thông minh, thành phố thông minh, tự động hóa cơng
nghiệp và giảm sát. Mạng lưới vạn vật kết nối là một kịch bản của thế giới,
khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh riêng của mình,
và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy
nhất mà không cần sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người
với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, cơng
nghệ vì cơ điện tử và internet. Nó đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả
năng kết nối với nhau, với internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện
một cơng việc nào đó. Hiểu một cách đơn giản loT là tất cả các thiết bị có
thể kết nối với nhau. Việc kết nối có thể thực hiện qua wifi, kết nối băng
rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại... Các thiết bị có thể là đện
thoại thông minh, máy máy tính bảng, điều hịa, bóng đèn, máy giặt và nhiều

1

thiết bị khác. Cisco nhà cung cấp giải pháp thiết bị hàng đầu hiện nay dự
báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ
vật kết nối internet, thậm chí con số này cịn gia tăng nhiều hơn nữa. loT sẽ
là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ bao gồm cả con người và sẽ tồn tại
các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị.

Hình 1.1. Internet of Things
1.2 Lợi ích của sử dụng cơng nghệ IoT

- Tiết kiệm thời gian và năng lượng: IoT giúp giảm thiểu việc thủ công điều

khiển các thiết bị. Ví dụ, bạn có thể sử dụng các thiết bị IoT để tự động bật tắt
đèn, điều chỉnh nhiệt độ phòng hoặc tưới cây, giúp bạn tiết kiệm thời gian và
năng lượng.
- Tiện lợi hơn: IoT cho phép các thiết bị được kết nối với nhau và tương tác
thông qua internet, giúp người dùng có thể điều khiển các thiết bị từ xa thơng
qua điện thoại, máy tính hoặc các thiết bị khác.

2

- An toàn hơn: IoT cho phép bạn giám sát các thiết bị trong nhà của mình, như
hệ thống báo động, camera an ninh, cảm biến khí độc hoặc hệ thống chống
cháy, giúp bạn cảm thấy an toàn hơn.

- Tiết kiệm chi phí: IoT có thể giúp tiết kiệm chi phí cho người tiêu dùng. Ví dụ,
hệ thống điều khiển nhiệt độ thông minh giúp tiết kiệm điện năng và tiền điện,
hệ thống tưới cây thông minh giúp tiết kiệm nước và tiền nước.

- Tăng hiệu suất sản xuất: IoT có thể được áp dụng trong sản xuất để giám sát
các dòng sản phẩm và tăng hiệu quả sản xuất.

1.3 Ứng dụng của IoT

1.3.1 Nhà thông minh
Bất cứ khi nào chúng ta nghĩ về các hệ thống IoT, ứng dụng quan trọng, hiệu

quả và nổi bật nhất được nhắc đến chính là Smart Home - ứng dụng IOT xếp hạng cao
nhất trên tất cả các kênh.Số người tìm kiếm nhà thơng minh tăng mỗi tháng với khoảng
60.000 người và con số chưa hề có dấu hiệu dừng lại.
Một điều thú vị nữa là cơ sở dữ liệu về nhà thông minh cho IoT Analytics bao gồm 256
công ty và công ty khởi nghiệp. Nhiều cơng ty hiện đang tích cực tham gia vào các ngôi

nhà thông minh hơn là các ứng dụng tương tự khác trong lĩnh vực IoT.
Số tiền tài trợ ước tính cho các phần khởi động Smart Home đã vượt quá 2,5 tỷ đô la và
ngày càng tăng. Danh sách các công ty khởi nghiệp bao gồm các tên công ty khởi nghiệp
nổi bật như AlertMe hoặc Nest cũng như một số tập đoàn đa quốc gia như Philips, Haier
hoặc Belkin, v.v.

3

1.3.2 Thành phố thông minh
Thành phố thông minh như tên gọi là một sự đổi mới rất lớn và mở rộng nhiều trường
hợp sử dụng, từ phân phối nước đến quản lý giao thông, quản lý chất thải, giám sát môi
trường và an ninh đô thị. Lý do tại sao nó rất phổ biến là nó cố gắng để loại bỏ sự khó
chịu và vấn đề của những người dân sống ở thành phố.

Các giải pháp IoT được cung cấp trong khu vực Smart City giải quyết các vấn đề liên
quan đến thành phố bao gồm giao thơng, giảm ơ nhiễm khơng khí và tiếng ồn và giúp
các thành phố an toàn hơn.

4

1.3.3 Xe được kết nối
Công nghệ xe được kết nối là một mạng lưới rộng lớn và rộng lớn gồm nhiều cảm biến,
ăng-ten, phần mềm nhúng và công nghệ hỗ trợ giao tiếp để điều hướng trong thế giới
phức tạp của chúng tơi. Nó có trách nhiệm đưa ra quyết định với sự nhất quán, chính xác
và tốc độ.

Nó cũng phải đáng tin cậy. Những yêu cầu này sẽ trở nên quan trọng hơn khi con
người từ bỏ hồn tồn việc kiểm sốt tay lái và phanh cho các phương tiện tự động hoặc
tự động đang được thử nghiệm thành công trên đường cao tốc của chúng ta hiện tại.

5