tiểu luận môn iots công nghiệp đề tài hệ thống nhà thông minh smart home

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.28 MB, 22 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIÊP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

TIỂU LUẬN

MÔN: IOTS CÔNG NGHIỆP

Đề tài: Hệ thống nhà thông minh – Smart Home

GVHD: Thầy Cao Văn Kiên Nhóm thực hiện: IoT T3

Lớp: DTVT17B- 420300330802

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2024

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

1.3 So sánh hệ thống nhà thơng minh của nhóm với Bluetech (China) và Crestron (USA)..6

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ... 7

2.1 Sơ đồ khối toàn hệ thống ………7

2.2 Lựa chọn phần cứng phù hợp ... 8

2.2.1 Zigbee Xbee S2C ... 8

2.2.2 Raspberry Pi ... 9

2.2.3 Cảm biến nhiệt độ NTC Thermistor ... 10

2.2.4 Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC-SR501 ... 10

2.2.5 Cảm biến khí CO MQ-7 ... 11

2.2.6 Cảm biến báo khói MP-2 ... 11

2.2.7 Cảm biến lửa KY-026 ... 12

2.3 Thiết kế lưu đồ giải thuật các chương trình của hệ thống ... 13

2.3.1 Hệ thống đèn ... 13

2.3.2 Hệ thống cảm biến cửa chính và camera ... 13

2.3.3 Hệ thống camera garage ... 14

2.3.4 Hệ thống đo nồng độ khí CO garage... 14

2.3.5 Hệ thống Smart led và cửa chính ... 15

2.3.6 Hệ thống an ninh ban công ... 15

2.3.7 Hệ thống báo cháy ... 16

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN ... 17

NGUỒN TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 18

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, khái niệm Internet of Things (IoT) đã trở thành tâm điểm chú ý trên toàn cầu, mở ra cánh cửa cho một cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đầy tiềm năng. IoT không chỉ mang đến cái nhìn tồn diện về cơng nghệ và ứng dụng tương lai mà còn hứa hẹn tạo ra vô số cơ hội đột phá trong mọi lĩnh vực. Mặc dù định nghĩa chính thống cho IoT vẫn còn đang được thảo luận, nhưng về cơ bản, nó đề cập đến việc kết nối mọi vật với nhau thông qua mạng lưới Internet. Nhờ vậy, người dùng có thể dễ dàng điều khiển và quản lý các thiết bị thông qua các thiết bị di động như điện thoại thơng minh, máy tính bảng, góp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội.

Là sinh viên chuyên ngành Điện tử Viễn thông tại Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, chúng em thấu hiểu tầm quan trọng của IoT và quyết định lựa chọn đề tài "Thiết kế mạng IoT cho nhà thông minh sử dụng phần mềm Packet Tracer". Đây là đề tài học tập và thiết kế đầu tiên trong học kỳ này, nhằm mục đích ứng dụng kiến thức đã học vào thực tế một cách hiệu quả.

Mục tiêu đề tài

Nắm vững kiến thức cơ bản về IoT, bao gồm khái niệm, kiến trúc, giao thức và ứng dụng.

Hiểu rõ các công nghệ IoT liên quan đến hệ thống nhà thông minh như cảm biến, bộ điều khiển, mạng lưới và nền tảng đám mây.

Nắm được một số tiêu chuẩn và quy định liên quan đến hệ thống nhà thông minh. Rèn luyện kỹ năng giao tiếp và thuyết trình để trình bày kết quả nghiên cứu một cách hiệu quả.

Hoàn thành báo cáo tiểu luận đầy đủ, khoa học, trình bày rõ ràng các nội dung nghiên cứu, phân tích và kết quả thu được.

Đưa ra đề xuất giải pháp và định hướng phát triển cho hệ thống nhà thông minh trong tương lai.

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Định nghĩa IoT và ứng dụng

IoT (Internet of Things) là công nghệ kết nối vạn vật, biến mọi thứ xung quanh bạn thành thiết bị thông minh. Nhờ cảm biến, các vật thể có thể thu thập dữ liệu, truyền tải qua mạng và được điều khiển từ xa.

IoT - Nâng tầm cuộc sống với công nghệ kết nối thông minh IoT (Internet of Things) đang thay đổi thế giới của chúng ta, kết nối mọi thứ từ nhà cửa, xe cộ đến thiết bị y tế và máy móc cơng nghiệp. Nhờ IoT, cuộc sống trở nên tiện lợi, an toàn và hiệu quả hơn bao giờ hết.

Dưới đây là một số ví dụ về ứng dụng của IoT:

- Nông nghiệp: Theo dõi và điều khiển hệ thống tưới tiêu, phân bón, thu hoạch để nâng cao năng suất cây trồng.

- Chăm sóc sức khỏe: Giám sát sức khỏe bệnh nhân từ xa, theo dõi các dấu hiệu sinh tồn và hỗ trợ chẩn đoán bệnh.

- Năng lượng: Quản lý hiệu quả việc sử dụng năng lượng trong nhà cửa và các tòa nhà. - Giao thông vận tải: Giảm tắc nghẽn giao thơng, cải thiện an tồn giao thơng và tối ưu hóa

chuỗi cung ứng.

- Thành phố thơng minh: Giám sát chất lượng khơng khí, quản lý rác thải và cung cấp dịch vụ cho người dân một cách hiệu quả.

- Nhà thông minh: Điều khiển các thiết bị điện tử trong nhà từ xa, đảm bảo an ninh và mang lại sự tiện lợi cho cuộc sống.

- Xe thông minh: Kết nối xe cộ với nhau và với cơ sở hạ tầng để cải thiện an tồn giao thơng, hỗ trợ lái xe tự động và cung cấp các dịch vụ giải trí.

IoT đang mở ra những cơ hội to lớn cho sự đổi mới và phát triển trong nhiều lĩnh vực. Với khả năng kết nối và thu thập dữ liệu từ mọi nơi, IoT hứa hẹn sẽ mang đến một tương lai tốt đẹp hơn cho tất cả mọi người.

Hình 1.1: Ứng dụng IoT

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

1.2 Nhà thơng minh là gì ?

Nhà thông minh (Smart Home) là ngôi nhà được trang bị các thiết bị điện tử thơng minh có khả năng kết nối với nhau và được điều khiển từ xa qua Internet hoặc bằng giọng nói. Nhờ vậy, bạn có thể dễ dàng quản lý và điều khiển mọi thứ trong nhà một cách tiện lợi và an toàn.

Đặc điểm nhận biết một Smart Home;

- Tính tự đơng hóa: Các thiết bị tự động hoạt động theo lịch trình hoặc ngữ cảnh cụ thể. VD: Rèm cửa tự động đóng mở theo giờ đặt trước, độ sáng tối phù hợp,… - Tính kết nối; Mọi thiết bị trong nhà kết nối với nhau qua Internet, bạn có thể điều khiển từ xa qua điện thoại, laptop, giọng nói. VD: Chỉnh góc quay camera, tắt đèn từ xa bằng điện thoại,…

- Sự tiện nghi: Các thiết bị được điều chỉnh từ xa theo ý bạn, giúp bạn tận hưởng tối đa thời gian rảnh.

- An ninh và bảo mật: Nâng cao an ninh cho ngôi nhà của bạn với hệ thống camera, báo động, và khóa thơng minh.

- Tiết kiệm năng lượng: Các thiết bị được bạn kiểm sốt, tránh tình trạng bật khi khơng sử dụng.

Nhiều Smart Home tích hợp ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy để dự đốn các thói quen sử dụng của gia đình, dần thích nghi để tối ưu hóa trải nghiệm. AI có khả năng học hỏi và cải thiện liên tục theo thời gian, nâng cao hiệu quả cho Smart Home. Nhà thông minh đang ngày càng phổ biến và trở thành xu hướng của tương lai. Với những lợi ích thiết thực, nhà thơng minh hứa hẹn sẽ mang đến cho bạn cuộc sống tiện nghi, an tồn và tiết kiệm hơn.

Hình 1.2: Minh họa các kết nối Smart home

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

1.2.3 So sánh hệ thống nhà thơng minnh của nhóm với Bluetech (China) và Crestron (USA)

Smart Bluetech là một công ty Trung Quốc chuyên cung cấp các giải pháp nhà thơng minh tích hợp và hệ thống an ninh cho gia đình.

Ưu điểm:

- Sản phẩm đa dạng, phong phú: Smart Bluetech cung cấp nhiều loại sản phẩm và dịch vụ khác nhau để đáp ứng nhu cầu đa dạng của khách hàng.

- Chất lượng tốt: Sản phẩm của Smart Bluetech được sản xuất theo tiêu chuẩn chất lượng cao và được kiểm tra nghiêm ngặt trước khi đưa ra thị trường.

- Giá cả cạnh tranh: Smart Bluetech cung cấp các sản phẩm và dịch vụ với giá cả cạnh tranh so với các nhà cung cấp khác trên thị trường. - Dịch vụ khách hàng tốt: Smart Bluetech có đội ngũ nhân viên chăm

sóc khách hàng chuyên nghiệp và nhiệt tình, ln sẵn sàng hỗ trợ khách hàng mọi lúc mọi nơi.

Nhược điểm:

- Hiện tại, sản phẩm chỉ bán tại thị trường Trung Quốc và chưa được phân phối ở các quốc gia khác.

- Giao diện ứng dụng tiếng Trung: Giao diện ứng dụng điều khiển nhà thơng minh của Smart Bluetech chỉ có tiếng Trung, có thể gây khó khăn cho người dùng không biết tiếng Trung.

Crestron là một công ty Mỹ chuyên cung cấp các giải pháp nhà thông minh cao cấp cho biệt thự, nhà phố và các tòa nhà thương mại.

Ưu điểm:

- Hệ thống cao cấp và linh hoạt: Hệ thống nhà thông minh của Crestron được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của những khách hàng cao cấp nhất. Hệ thống này rất linh hoạt và có thể được tùy chỉnh để phù hợp với nhu cầu cụ thể của từng khách hàng.

- Chất lượng tốt: Sản phẩm của Crestron được sản xuất theo tiêu chuẩn chất lượng cao và được kiểm tra nghiêm ngặt trước khi đưa ra thị trường.

- Dịch vụ khách hàng tốt: Crestron có đội ngũ nhân viên chăm sóc khách hàng chun nghiệp và nhiệt tình, ln sẵn sàng hỗ trợ khách hàng mọi lúc mọi nơi.

Nhược điểm:

- Giá thành cao: Hệ thống nhà thông minh của Crestron có giá thành khá cao so với các hệ thống nhà thông minh khác trên thị trường. - Phức tạp: Hệ thống nhà thông minh của Crestron có thể khá phức tạp

để sử dụng đối với những người không rành về công nghệ.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Qua phân tích, nhóm em có thể đưa ra một số phân tích về ưu và nhược điểm so với sản phẩm đến từ hai công ty trên như sau:

Ưu điểm:

- Giá thành rẻ: Do được thiết kế và sản xuất trogn nước nên sản phẩm của nhóm nếu được triển khai gia cơng sẽ rẻ hơn các hệ thống nhập khẩu từ nước ngoài.

- Dễ sử dụng: Giao diện, ngơn ngữ được nhóm tìm hiểu và điều chỉnh phù hợp với thị trường.

Nhược điểm:

- Tính năng hạn chế: Hệ thống của nhóm tính năng kém đa dạng do phụ thuộc vào kinh phí và trình độ nghiên cứu.

- Tính ổn định: Là chưa cao, do chưa được kiểm chứng về chất lượng thực tế.

- Hỗ trợ khách hàng: Còn hạn chế do các hệ thống được phát triển bởi các nhóm nhỏ.

- Tính tương thích: Tùy vào mơi trường ứng dụng, mơ hình có thể ứng dụng tốt với các thiết bị phổ biến đơn giản, nhưng tương thích kém với các hệ thống cao cấp.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối tồn hệ thống

Hình 2.1 Sơ đồ tồn hệ thống

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Phân tích sơ đồ khối:

- Gateway: Các thiết bị Zigbee kết nối với Gateway thông qua Zigbee Coordinator kết nối với mạng internet.

- Server (máy chủ): Cung cấp kho dữ liệu an toàn và dịch vụ cho người dùng. - Ứng dụng di động: Cho phép người dùng quản lý và điều khiển mọi thứ từ xa - Zigbee Coordinator: Zigbee Coordinator đóng vai trị trung gian, kết nối các

thiết bị Zigbee với mạng Internet thông qua Gateway.

- Cloud: Lưu trữ và phân tích dữ liệu hệ thống, cập nhật phần mềm, bảo mật. - Nguồn: Cung cấp năng lượng cho các thiết bị và hệ thống điện.

- Đầu vào của hệ thống (khối cảm biến) gồm: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến thân nhiệt chuyển động, cảm biến khí CO, cảm biến khói, cảm biến lửa.

+ Cảm biến nhiệt độ: Phát hiện sự thay đổi bất thường về nhiệt độ, báo hiệu nguy cơ hỏa hoạn hoặc sự cố hệ thống điện.

+ Cảm biến thân nhiệt chuyển động: Phát hiện chuyển động của người hoặc vật thể, báo hiệu sự xâm nhập trái phép hoặc sự cố an ninh.

+ Cảm biến khí CO: Phát hiện khí CO độc hại trong mơi trường, có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe và tính mạng con người.

+ Cảm biến khói: Phát hiện khói do hỏa hoạn, giúp phát hiện sớm và có biện pháp xử lý kịp thời.

+ Cảm biến lửa: Phát hiện tia hồng ngoại do lửa hoặc vật liệu nóng phát ra, giúp cảnh báo sớm nguy cơ hỏa hoạn.

- Đầu ra của hệ thống bao gồm: Đèn, quạt, vòi cứu hỏa, máy lạnh, còi báo động,…

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

2.2 Lựa chọn phần cứng phù hợp

2.2.1 Module Zigbee Xbee S2C:

Nâng tầm hệ thống IoT với module Zigbee Xbee S2C của Digi International: Là giải pháp kết nối khơng dây mạnh mẽ, dễ dàng tích hợp, giúp bạn xây dựng hệ thống IoT hiệu quả, thường được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT như giám sát và điều khiển thiết bị thơng minh qua mạng khơng dây.

Hình 2.2 Module thu phát Zigbee Xbee S2C.

Vai trò: Là trung tâm giao tiếp chính của hệ thống, cho phép giao tiếp không

dây, thu thập dữ liệu cảm biến, điều khiển các thiết bị.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

2.2.2 Raspberry Pi:

Raspberry Pi là một máy tính bo mạch đơn (SBC) được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và dễ dàng sử dụng. Thiết bị được trang bị bộ vi xử lý mạnh mẽ, dung lượng RAM lớn và nhiều cổng kết nối đa dạng, cho phép bạn thực hiện nhiều dự án sáng tạo như điều khiển đèn, quạt, robot,... thông qua các cổng GPIO.

Raspberry được ứng dụng để tạo các ứng dụng IoT, máy chủ, vận hành các hệ thống giám sát,…

Hình 2.3 Mạch Raspberry Pi

Vai trị: Là bộ não của hệ thống, xử lý dữ liệu thu thập được từ các cảm biến và đưa ra quyết định điều khiển các thiết bị khác.

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

2.2.3 Cảm biến nhiệt độ NTC Thermistor

NTC Thermistor là một loại cảm biến nhiệt độ điện trở âm, đóng vai trị quan trọng trong việc đo lường nhiệt độ.

NTC Thermistor là một loại cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của NTC Thermistor sẽ giảm và ngược lại. Nhờ đặc điểm này, NTC Thermistor có thể đo lường chính xác nhiệt độ môi trường xung quanh.

NTC Thernistor được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử như: Điều hịa nhiệt độ, nhiệt kế, máy lọc khơng khí, pin, xe hơi,… Đây là loại cảm biến rất chắc chắn, đáng tin cậy và ổn định.

Hình 2.4 Cảm biến nhiệt độ NTC Thermistor

Vai trò: Đo lường nhiệt độ môi trường và truyền dữ liệu thu thập được đến Module Zigbee.

Đặc điểm:

Dải đo rộng, phù hợp với nhiều môi trường khác nhau.

Độ chính xác cao, cho phép ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ một cách chính xác. Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

2.2.4 Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC-SR501:

PIR HC-SR501 là cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR) có khả năng phát hiện sự thay đổi bức xạ hồng ngoại do con người hoặc vật thể di chuyển gây ra. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh mức độ bức xạ hồng ngoại của mơi trường xung quanh, khi có sự thay đổi đột ngột, cảm biến sẽ kích hoạt tín hiệu báo hiệu chuyển động.

PIR HC-SR501 thường được ứng dụng trong các hệ thống báo trộm, camera giám sát để phát hiện sự xâm nhập trái phép. Ngoài ra cảm biến còn được sử dụng theo dõi hoạt động của vật nuôi hoặc sử dụng để tự động bật/tắt đèn, quạt, camera hoặc các thiết bị khác khi phát hiện chuyển động.

Hình 2.5. Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC-SR501

Vai trò: Phát hiện sự hiện diện của con người hoặc vật thể di chuyển và truyền dữ liệu thu thập được đến Module Zigbee.

Đặc điểm:

Góc cảm biến rộng, phạm vi phát hiện xa. Có thể điều chỉnh độ nhạy, tránh báo động giả.

Tiết kiệm năng lượng, chỉ hoạt động khi có chuyển động.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

2.2.5 Cảm biến khí CO MQ-7:

MQ-7 là cảm biến khí bán dẫn có khả năng đo nồng độ khí CO (Carbon Monoxide) trong phạm vi từ 20 đến 2000 ppm (parts per million). Khi khí CO tiếp xúc với bề mặt cảm biến, nó sẽ tạo ra phản ứng hóa học, dẫn đến thay đổi điện trở của cảm biến. Giá trị điện trở này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện, giúp người dùng theo dõi nồng độ khí CO một cách dễ dàng.

CO MQ-7 được sử dụng rỗng rãi: các hệ thống báo động khí CO, hệ thống giám sát chất lượng khơng khí, thiết bị gia dụng thông minh,…Cảm biến CO MQ-7 là công cụ thiết yếu để bảo vệ bạn và gia đình khỏi nguy cơ ngộ độc khí CO.

Hình 2.6 Cảm biến khí CO MQ-7

Vai trị: Phát hiện khí CO trong mơi trường và truyền dữ liệu thu thập được đến Module Zigbee.

Đặc điểm:

Độ nhạy cao, có thể phát hiện nồng độ CO thấp.

Thời gian phản hồi nhanh, giúp cảnh báo kịp thời nguy cơ ngộ độc CO. Dễ dàng sử dụng và bảo trì.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

2.2.6 Cảm biến khói MP-2:

MP-2 là cảm biến báo khói quang điện, sử dụng tia hồng ngoại để phát hiện sự hiện diện của khói. Khi khói xâm nhập vào buồng cảm biến, nó sẽ làm giảm cường độ tia hồng ngoại, dẫn đến thay đổi độ dẫn điện của các lớp vật liệu. Thay đổi này được chuyển đổi thành tín hiệu điện, kích hoạt báo động báo cháy.

Cảm biến được sử dụng trong các hệ thống báo cháy, nhà ở, tịa nhà, khu cơng nghiệp,…

Hình 2.7 Cảm biến khói MP-2

Vai trị: Phát hiện khói và truyền dữ liệu thu thập được đến Module Zigbee. Đặc điểm:

Có thể phát hiện nhiều loại khói khác nhau.

Cịi báo động tích hợp, thông báo nguy hiểm kịp thời. Dễ dàng lắp đặt và sử dụng.

</div>