NGHIÊN cứu THIẾT kế hệ THỐNG GIÁM sát và điều KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET sử DỤNG MODULE ARDUINO ETHERNET w5100

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ
ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG
INTERNET SỬ DỤNG MODULE ARDUINO
ETHERNET W5100

Giáo viên hướng dẫn

: TS. ĐẶNG THÁI VIỆT

Giáo viên phản biện

:

Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN ĐỨC THỊNH

HÀ NỘI, 6/2016


Đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ tên: Nguyễn Đức Thịnh.
Viện: Cơ khí
Ngành: Cơ điện tử.
Lớp: Kĩ thuật Cơ điện tử 3-K56
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Nghiên cứu hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh sử dụng mạng
internet.
CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU
Giám sát và điều khiển nhà thông minh qua mạng internet.
NỘI DUNG THUYẾT MINH
Phần 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh.
Phần 2: Tổng quan các thiết bị sử dụng.
Phần 3: Hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh.
Phần 4: Thiết kế mô hình thực nghiệm và trang web điều khiển.
Phần 5: Kết luận.
Bản vẽ

Tổng số bản vẽ: 03
Trưởng bộ môn

Cán bộ hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

(ký, ghi rõ họ tên)

(ký, ghi rõ họ tên)

(ký, ghi rõ họ tên)

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

1


Đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY:
Thuyết minh:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Bản vẽ:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

- NHẬN XÉT KHÁC:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Ngày tháng

năm 201

Giáo viên hướng dẫn (ký tên)

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

2


Đồ án tốt nghiệp
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ DUYỆT
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN:
..................................................................................................................................

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY:
Thuyết minh:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Bản vẽ:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- NHẬN XÉT KHÁC:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Ngày tháng
năm 201
Giáo viên duyệt (ký tên)

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

3


Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHÀ
THÔNG MINH..................................................................................................... 10
1. Hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng internet. ....................................... 10
1.1. Cảm biến. ................................................................................................... 10
1.2. Giám sát và điều khiển qua mạng internet................................................. 11
1.3. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống giám sát và điều khiển qua mạng
internet. ............................................................................................................. 12
1.4. Ứng dụng của hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng internet. .......... 13
1.4.1. Ứng dụng trong gia đình. .................................................................... 13
1.4.2. Ứng dụng trong công nghiệp. ............................................................. 13
1.4.3. Ứng dụng trong nông nhiệp và chăn nuôi. ......................................... 14
1.4.4. Ứng dụng trong y tế. ........................................................................... 15
1.4.5. Ứng dụng trong giao thông. ................................................................ 15
1.5. Xu hướng phát triển của điều khiển và giám sát qua mạng internet. ........ 16
2. Ngôi nhà thông minh. ....................................................................................... 17
3. Xác định mục tiêu đề tài. .................................................................................. 18
PHẦN II: TỔNG QUAN THIẾT BỊ SỬ DỤNG. ................................................ 20
1. Giới thiệu chung về Arduino. ........................................................................... 20
2. Arduino Uno. .................................................................................................... 24
3. Arduino Mega 2560. ......................................................................................... 26
4. Arduino Ethernet W5100. ................................................................................ 30
5. Khối cảm biến. .................................................................................................. 33
5.1. Cảm biến nhiệt độ LM35. .......................................................................... 33
5.1.1. Sơ đồ chân:.......................................................................................... 33
5.1.2. Các thông số chính. ............................................................................. 33
5.1.3. Cách xác định nhiệt độ từ cảm biến LM35......................................... 34
5.1.4. Ứng dụng cảm biến nhiệt trong hệ thống. .......................................... 35
5.2. Module cảm biến hồng ngoại..................................................................... 35

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

4


Đồ án tốt nghiệp
5.2.1. Sơ đồ chân. .......................................................................................... 35
5.2.2. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động. ......................................................... 36
5.2.3. Ứng dụng của module cảm biến hồng ngoại. ..................................... 36
5.3. Module cảm biến khí gas MQ2.................................................................. 37
5.3.1. Giới thiệu module cảm biến khí gas MQ2 .......................................... 37
5.3.2. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động của module. ............................ 38
5.3.3. Ứng dụng của module. ........................................................................ 39
5.4. Cảm biến chuyển động HC-SR510............................................................ 39
5.5. Khối Relay. ................................................................................................ 41
5.6. Loa cảnh báo. ............................................................................................. 41
PHẦN III: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH........ 43
1. Hệ thống tự động. ............................................................................................. 43
1.1. Hệ thống tự động báo cháy. ....................................................................... 43
1.2. Hệ thống báo rò rỉ khí gas. ......................................................................... 44
1.3. Hệ thống cảnh báo xâm nhập. .................................................................... 45
1.4. Hệ thống tự động bật đèn bếp. ................................................................... 45
2. Hệ thống giám sát và điều khiển qua mạng internet. ....................................... 46
2.1. Tổng quan về mạng internet, giao thức TCP/IP. ....................................... 46
2.1.1. Mạng internet(Ethernet). ..................................................................... 46
2.1.2. Bộ giao thức TCP/IP. .......................................................................... 47
2.2. Module Arduino Ethernet W5100 trong điều khiển qua mạng internet. ... 51
2.2.1. Giới thiệu chip Ethernet W5100. ........................................................ 51
2.2.2. Module Arduino Etthernet W5100. .................................................... 54
2.3. Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển qua internet. ............................. 57
2.3.1. HTML. ................................................................................................ 58

2.3.2. CSS...................................................................................................... 59
2.3.3. Thư viện Ethernet cho arduino. .......................................................... 60
2.3.4. Kĩ thuật NAT port. .............................................................................. 62
PHẦN IV: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, TRANG WEB ĐIỀU
KHIỂN. ................................................................................................................. 66

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

5


Đồ án tốt nghiệp
1. Ý tưởng ngôi nhà. ............................................................................................. 66
2. Mô hình thực tế................................................................................................. 66
3. Giao diện giám sát và điều khiển. .................................................................... 68
4. Sơ đồ mạch điên của hệ thống. ......................................................................... 71
5. Kết quả đạt được. .............................................................................................. 71
PHẦN V: KẾT LUẬN. ........................................................................................ 73
1. Kết quả đạt được của đồ án. ............................................................................. 73
2. Hướng phát triển của đề tài. ............................................................................. 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO. ................................................................................... 74

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

6


Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình I-1: Cảm biến siêu âm.................................................................................. 11

Hình I-2: Mô hình nhà thông minh....................................................................... 13
Hình I-3: Hệ thống trồng rau sạch tự động........................................................... 14
Hình I-4: Hệ thống chăn nuôi tự động.................................................................. 15
Hình I-5: Internet of Things(IoT). ........................................................................ 16
Hình I-6: Mô hình Smart home Eco-Future-World............................................. 18
Hình I-7: Nhà thông minh của BKAV. ................................................................ 18
Hình II-1: Board mạch Arduino Uno. .................................................................. 20
Hình II-2: Hệ thống xe 2 bánh tự cân bằng. ......................................................... 22
Hình II-3: Hệ thống cánh tay robot và xe tự hành................................................ 23
Hình II-4: Máy in 3D. ........................................................................................... 23
Hình II-5: Board mạch Arduino Uno. .................................................................. 24
Hình II-6: Board mạch Arduino Mega 2560. ....................................................... 26
Hình II-7: Sơ đồ chân board Arduino Mega 2560. .............................................. 28
Hình II-8: Board mạch Arduino ethernet W5100. ............................................... 30
Hình II-9: Sơ đồ mạch Arduino Ethernet W5100. ............................................... 31
Hình II-10: Kết nối Arduino Mega 2560 và Arduino Ethernet W5100. .............. 32
Hình II-11: Sơ đồ chân cảm biến LM35. ............................................................. 33
Hình II-12: Module cảm biến hồng ngoại. ........................................................... 35
Hình II-13: Cấu tạo cảm biến hồng ngoại. ........................................................... 36
Hình II-14: Module cảm biến khí gas MQ2. ........................................................ 37
Hình II-15: Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2. ........................................... 38
Hình II-16: Module cảm biến chuyển động HC-SR510. ..................................... 39
Hình II-17: Sơ đồ chân cảm biến chuyển động HC-SR510. ................................ 40
Hình II-18: Khối relay. ......................................................................................... 41
Hình II-19: Còi báo động...................................................................................... 42
Hình III-1: Sơ đồ hê thống báo cháy. ................................................................... 43
Hình III-2: Sơ đồ nối cảm biến khí gas MQ2 ....................................................... 44
Hình III-3: Sơ đồ nối dây cảm biến hồng ngoại. .................................................. 45

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

7


Đồ án tốt nghiệp
Hình III-4: Sơ đồ nối dây cảm biến chuyển động. ............................................... 46
Hình III-5: Các tầng trong giao thức TCP/IP. ...................................................... 48
Hình III-6: Quá trình đóng gói và mở gói dữ liệu trong giao thức TCP/IP. ........ 50
Hình III-7: Chip Ethernet W5100.\ ...................................................................... 52
Hình III-8: Sơ đồ khối chip W5100...................................................................... 53
Hình III-9: Sơ đồ mạch của board Arduino Ethernet W5100. ............................. 54
Hình III-10: Sơ đồ chân module Arduino Ethernet W5100. ................................ 55
Hình III-11: Kết nối chân điều khiển cho board mạch Arduino Ethernet W5100.
.............................................................................................................................. 56
Hình III-12: Sơ đồ khối hệ thống giám sát và điều khiển. ................................... 57
Hình III-13: Giao diện sử dụng NAT. .................................................................. 63
Hình III-14: Giao diện đăng nhập modem GPON. .............................................. 64
Hình III-15: Thiết lập thông số cho port. ............................................................. 64
Hình III-16: Kiểm tra và lấy địa chỉ IP cho module............................................. 65
Hình III-17: Kết quả sau khi nhập địa chỉ IP. ...................................................... 65
Hình IV-1: Động cơ Servo SG90. ........................................................................ 67
Hình IV-2: Sơ đồ cấp xung cho Servo SG90. ...................................................... 67
Hình IV-3: Giao diện giám sát và điều khiển. ...................................................... 68
Hình IV-4: Sơ đồ mạch điện của hệ thống. .......................................................... 71

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

8

Đồ án tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU
“Ngôi nhà thông minh” là một cụm từ không còn xa lạ đối với nền công nghệ
phát triển hiện nay. Lúc đầu, ý tưởng được thực hiện nhờ vào tia hồng ngoại để
điều khiển từ xa, nhưng khoảng cách là hạn chế. Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm
cải thiện khoảng cách điều khiển mang lại nhiều thành công và có ý nghĩa thực
tiễn như điều khiển thông qua đường dây điện thoại. Khi công nghệ wireless phát
triển, người ta lại nghĩ đến điều khiển qua mạng không dây, điều khiển từ xa dùng
máy tính ra đời. Không dừng lại ở đó, khi mà các mạng điện thoại đang cạnh tranh
gay gắt, chiếc điện thoại trở nên vật dùng không thể thiếu với mỗi cá nhân, người
ta lại nghĩ về một chiếc điện thoại tích hợp khả năng điều khiển từ xa. Đặc biệt,
với sự phát triển chóng mặt của SmartPhone và công nghệ 3G hiện nay, việc tích
hợp các chức năng này vào SmartPhone đang trở thành một giải pháp tối ưu và
mang lại nhiều ưu điểm. Đi cùng xu hướng đó, bài viết này giới thiệu một giải phát
điều khiển và giám sát ngôi nhà một cách thông minh thông qua internet và có thể
sử dụng điện thoại để giám sát các thiết bị, báo cháy, báo trộm. Giải pháp này được
đưa ra rất khả khi với cơ chế hoạt động chính xác và mang tính ổn định để tạo bước
phát triển một thiết bị nhỏ gọn tham gia một mảng của nhà thông minh giá rẻ.
Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao, được nghiên cứu, chế tạo dựa
trên những kiến thức đã học, kế thừa và phát triển những kết quả của các công
trình nghiên cứu trước đây.
Em xin chân thành cảm ơn:
Giảng viên hướng dẫn: TS. Đặng Thái Việt
Giảng viên phản biện:
Cùng tập thể thầy cô trong bộ môn Máy và Ma sát học đã tận tình chỉ bảo
để em hoàn thành đề tài nghiên cứu này.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Sinh viên thực hiện

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

9


Đồ án tốt nghiệp
PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT NHÀ THÔNG MINH
1. Hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng internet.
1.1. Cảm biến.
Cảm biế n – sensor: xuấ t phát từ chữ “ sense” nghiã là giác quan – do đó nó
như các giác quan trong cơ thể con người. Nhờ cảm biế n mà ma ̣ch điên,
̣ hê ̣ thố ng
điêṇ có thể thu nhân thông tin từ bên ngoài. Từ đó, hê ̣ thố ng máy móc, điê ̣n tử tự
đô ̣ng mới có thể tự đô ̣ng hiể n thi ̣thông tin về đối tượng hay điề u khiể n quá triǹ h
đinh
̣ trước có khả năng thay đổ i mô ̣t cách uyể n chuyể n theo môi trường hoa ̣t đô ̣ng.
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các
đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử
lý được.
Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường
và điều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại
lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền
các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp chúng ta nhận dạng đánh
giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng.

Hiện nay, con người đã sản xuất được rất nhiều các loại cảm biến khác nhau
như: cảm biến ánh sang, cảm biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độ, cảm biến bức xạ, cảm
biến quang, cảm biến cơ ……
Các cảm biến có ứng dụng rộng rãi, và phạm vi sử dụng lớn, ví dụ như: công
nghiệp, khoa học kĩ thuật, giám sát thiết bị, viễn thông, dân dụng, giao thông, vũ
trụ, quân sự…..

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

10


Đồ án tốt nghiệp

Hình I-1: Cảm biến siêu âm.
1.2. Giám sát và điều khiển qua mạng internet.
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật,
công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò
quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp
thông tin ... Do đó, chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu
quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và
trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự
phát triển của nền kinh tế nước nhà. Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết
bị trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi
thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của
người sử dụng. Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu. Nhưng
đối với hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet thì lại khác. Ở
đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn
chỉnh qua một một thiết bị trung tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu.
Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng

Ethernet gồm có các thiết bị đơn giản như bóng đèn, quạt máy, lò sưởi đến các
thiết bị tinh vi, phức tạp như tivi, máy giặt, hệ thống báo động … Nó hoạt động
như một ngôi nhà thông minh. Nghĩa là tất cả các thiết bị này có thể giao tiếp với
nhau về mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm. Đầu não trung tâm ở đây có
thể là một máy vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một bộ xử lí đã được lập trình sẵn
tất cả các chương trình điều khiển. Bình thường, các thiết bị trong ngồi nhà này có
thể được điều khiển từ xa thông qua mạng Ethernet của chủ nhà. Chẳng hạn như

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

11


Đồ án tốt nghiệp
việc tắt quạt, đèn điện … khi người chủ nhà quên chưa tắt trước khi ra khỏi nhà.
Hay chỉ với một thao tác kích, người chủ nhà có thể bật máy điều hòa để làm mát
phòng trước khi về nhà trong một khoảng thời gian nhất định. Bên cạnh đó nó cũng
gửi thông báo cho người điều khiển biết nhiệt độ trong phòng hiện tại là bao nhiêu,
đồng thời phát tín hiệu cảnh báo khi nhiệt độ phòng vượt quá. Từ những yêu cầu
thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộng với sự hợp tác, phát triển
mạnh mẽ của mạng di động nên chúng tôi đã chọn đề tài “Điều khiển và giám sát
thiết bị điện thông qua mạng internet" để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của
con người và góp phần vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà.Ứng dụng
của giám sát và điều khiển qua mạng internet.
Trong những năm gần đây việc ứng dụng internet vào giám sát và điều khiển
đang là một xu thế phát triển tại các nước có khoa học kĩ thuật hiện đại. Việc giám
sát và điều khiển qua internet giúp nâng cao năng suất công việc, giảm thiểu chi
phí phát sinh, tăng độ chính xác cho công việc…..
1.3. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống giám sát và điều khiển qua

mạng internet.
Do ngày nay hệ thống internet đang rất phát triển, giúp việc tiếp cận internet
ngày càng dễ dàng hơn bao giờ hết. Việc phát triển hệ thống giám sát và điều khiển
quan internet cho thấy nhiều lợi thế:
- Chỉ cần có kết nối mạng internet là bạn đã có thể truy cập vào hệ thống giám
sát và điều khiển nơi mình muốn.
- Thông tin giám sát và điều khiển được hiển thị trên màn hình thuận lợi cho
việc giám sát va điều khiển hệ thống.
- Không mất thời gian di chuyển để thực hiện việc giám sát hay điều khiển hệ
thống.
- Việc kết nối lên hệ thống internet tạo điều kiện cho việc chia sẻ thông tin mà
hệ thống thu thập được với hệ thống khác.
- Khả năng làm việc liên tục, độ chính xác cao, và làm việc thay thế cho con
người tại những nơi có điều kiện không phù hợp.
- Mang đến sự thoải mái và tiện nghi cho người sử dụng.
Bên cạnh những ưu điểm trên thì hệ thống này có một số nhược điểm như:
- Cần cơ sở hạ tầng internet ổn định.
- Tốc độ đáp ứng giám sát và điều khiển phụ thuộc vào tốc độ internet của hệ
thống.
- Bảo dưỡng và sửa chữa cần kĩ sư có chuyên môn.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

12


Đồ án tốt nghiệp
1.4. Ứng dụng của hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng internet.
1.4.1. Ứng dụng trong gia đình.
Ngôi nhà thông minh là ứng dụng nổi bật trong mảng này, căn nhà được trang

bị hệ thống các cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí
gas, cảm biến báo cháy, biến vật cản…. đồng thời các thiết bị như: bóng đèn, điều
hòa, ti vi, tủ lạnh,….. cũng đều được kết nối tới mạng internet. Người sử dụng chỉ
cần có một thiết bị kết nối internet là có thể theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và
điều khiển các thiết bị trong nhà theo ý muốn của bản thân. Nhà thông minh giúp
chúng ta giám sát được mức tiêu thụ điện, nước…. Hệ thống giám sát an ninh, báo
cháy, báo rò rỉ khí gas sẽ tự động báo trạng thái của ngôi nhà qua mạng internet.
Một ngôi nhà thông minh giúp con người chúng ta đơn giảm hóa quá trình giám
sát và điều khiển ngôi nhà.

Hình I-2: Mô hình nhà thông minh.
1.4.2. Ứng dụng trong công nghiệp.
Việc giám sát và điều khiển qua internet có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp.
Hệ thống giám sát này giúp chúng ta có thể quan sát được tình trạng làm việc, tình
trạng thiết bị sử dụng, điều kiện môi trường làm việc, cảnh báo các điều kiện bất
lợi, theo dõi sản xuất sau đó dữ liệu truyền qua mạng LAN tới màn hình theo dõi

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

13


Đồ án tốt nghiệp
và điều khiển.
1.4.3. Ứng dụng trong nông nhiệp và chăn nuôi.
Trong nông nghiệp, hệ thống giám sát và điều khiển trồng rau trong nhà giúp
con người dễ dàng quản lí các thông số nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phát triển, an toàn
vệ sinh…hệ thống có thể tự động điều chỉnh độ ẩm, nhiệt độ theo các tiêu chí đặt
ra, người vận hành có thể thay đổi các thông số đặt vào sao cho phù hợp với từng
loại rau khác nhau. Việc sử dụng điều khiển và giám sát giúp giảm chi phí nhân

công cho quá trình chăm sóc cây trồng.

Hình I-3: Hệ thống trồng rau sạch tự động.
Trong chăn nuôi công nghiệp, mô hình trang trại thông minh đang mang lại
nhiều lợi ích kinh tế rõ rệt, chỉ cần một người quản lí trang trại từ máy tính còn lại
các công đoạn khác hoàn toàn tự động. Hệ thống kiểm soát tốt nhiệt độ, ánh sáng,
vệ sinh, độ ẩm, duy trì và cân bằng sức khỏe cho đàn gà; thông báo tự động các sự
cố mất điện, thiếu nước hoặc thức ăn.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

14


Đồ án tốt nghiệp

Hình I-4: Hệ thống chăn nuôi tự động.
1.4.4. Ứng dụng trong y tế.
Các thiết bị theo dõi sức khỏe có thể dao động từ huyết áp và nhịp tim màn với
các thiết bị tiên tiến có khả năng giám sát cấy ghép đặc biệt, chẳng hạn như máy
điều hòa nhịp hoặc trợ thính tiên tiến cảm biến đặc biệt cũng có thể được trang bị
trong không gian sống để theo dõi sức khỏe và thịnh vượng chung là người già,
trong khi cũng bảo đảm xử lý thích hợp đang được quản trị và hỗ trợ người dân
lấy lại mất tính di động thông qua điều trị là tốt. thiết bị tiêu dùng khác để khuyến
khích lối sống lành mạnh.
1.4.5. Ứng dụng trong giao thông.
Kiểm soát và xử lý thông tin qua nhiều hệ thống giao thông vận tải. Ứng dụng
của IOT mở rộng đến tất cả các khía cạnh của hệ thống giao thông, tức là xe, cơ
sở hạ tầng, và người lái xe hoặc sử dụng. Năng động, tương tác giữa các thành
phần của một hệ thống giao thông vận tải cho phép truyền thông giữa nội và xe cộ,

điều khiển giao thông thông minh, bãi đậu xe thông minh, hệ thống thu phí điện
tử, quản lý đội xe, điều khiển xe, an toàn và hỗ trợ đường bộ. Các đối tượng tham
gia giao thông được kết nối với mạng internet sẽ chia sẻ những thông tin giao thông
với nhau từ đó đưa ra được lộ trình phù hợp cho người tham gia giao thông.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

15


Đồ án tốt nghiệp
1.5. Xu hướng phát triển của điều khiển và giám sát qua mạng internet.

Hình I-5: Internet of Things(IoT).
Trong những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng của internet con
người mong muốn mọi thứ đều có thể kết nối với internet và chúng ta có thể giám
sát và điều khiển những thứ đó thông qua internet. Một thuật ngữ mới được ra đời
là IOT(Internet of Things). IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật,
con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng
truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến 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, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói 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 công việc nào đó. Cụm từ IoT được đưa ra bởi
Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm
Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một
phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến
khác. IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà
phân tích.
Nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

16


Đồ án tốt nghiệp
định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP. Mỗi thiết bị sẽ có một IP riêng biệt không
nhầm lẫn. Sự xuất hiện của IPv6 với không gian địa chỉ cực kì rộng lớn sẽ giúp
mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau.
2. Ngôi nhà thông minh.
Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu của con
người đòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất. Cùng với đó là sự mở rộng
không ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnh thổ làm
cho việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tất yếu. Từ
những yêu cầu và điều kiện thực tế đó hình thành ý tưởng về ngôi nhà thông minh
nơi mà ngoài sự ấm áp của tình yêu và hạnh phúc, mọi hoạt động của con người
đều phải được hỗ trợ và giúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài ra ngôi nhà còn có thể
tự động quản lí một cách thông minh nhất.
Nhà thông minh (tiếng Anh: smart home hoặc Intellihome) là kiểu nhà được
lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc bán tự
động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều
khiển.
Trên phạm vi toàn cầu, nhà thông minh được xem là một lĩnh vực có dư địa
phát triển rất lớn. Các đại gia công nghệ như Microsoft, Apple, Google,
Samsung… tỏ ra sốt sắng với xu hướng này bằng một loạt vụ thâu tóm. Google
mua lại Nest (hãng sản xuất bộ điều khiển nhiệt độ thông minh và thiết bị báo
khói), Samsung ra mắt hệ thống nhà thông minh khép kín trong các thiết bị của
hãng, Apple giới thiệu nền tảng phát triển ứng dụng nhà thông minh HomeKit.
Tại Việt Nam, cùng với xu hướng tăng trưởng mạnh của thị trường, nhà thông

minh đang dần trở thành một lĩnh vực hấp dẫn mà không “đại gia" công nghệ nào
muốn bỏ qua, trong đó có các doanh nghiệp công nghệ Việt. Một số công ty lớn
như: công ty Cổ phần Lumi Việt Nam, Smart Home của BKAV, nhà thông minh
UDIC, nhà thông minh Arkos……
-

Các chức năng chính trong ngôi nhà thông minh:
Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic,...).
Điều khiển mành, rèm, cửa cổng.
HT An ninh, báo động, báo cháy.
ĐK Điều hòa, máy lạnh.
HT Âm thanh đa vùng.
Camera, chuông hình.
Hệ thống bảo vệ nguồn điện.
Hệ thống quản lí sử dụng điện, nước.
Hệ thống bù công suất trong giờ cao điểm.
Kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời với sử dụng năng lượng điện hóa thạch.
Điều khiển và giám sát thiết bị từ xa.
Các tiện ích và ứng dụng khác.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

17


Đồ án tốt nghiệp
Một số mô hình nhà thông minh trên thế giới và ở Việt Nam:

Hình I-6: Mô hình Smart home Eco-Future-World.

Hình I-7: Nhà thông minh của BKAV.

3. Xác định mục tiêu đề tài.
Vì nhà thông mình là một đề tài rộng và có nhiều vấn đề đặt ra. Tùy theo mục
đích sử dụng của chủ nhân để thiết kế ngôi nhà. Một phần quan trọng trong hệ
thống nhà thông minh là hệ thống điều khiển và giám sát. Hiện nay, hệ thống điều
khiển, giám sát qua internet và nhà thông minh ở nước ta mới đang bước vào giai

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

18


Đồ án tốt nghiệp
đoạn phát triển.Nhưng hết các giải pháp nhà thông minh hiện tại đều được cung
cấp bởi các nhà phát triển nước ngoài nhưu Siemens của Đức, Schneider (Pháp),….
Mục tiêu của để tài thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông
minh:
- Thiết kế mô hình cơ khí ngôi nhà.
- Xây dựng hệ thống tự động báo cháy, rỏ rỉ khí gas, báo xâm nhập trái phép vào
ngôi nhà.
- Hệ thống giám sát ngôi nhà qua mạng internet.
- Điều khiển thiết bị qua mạng internet.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

19


Đồ án tốt nghiệp

PHẦN II: TỔNG QUAN THIẾT BỊ SỬ DỤNG.
1. Giới thiệu chung về Arduino.

Hình II-1: Board mạch Arduino Uno.
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác
với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board
mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM
Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6
chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng
khác nhau.
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang
đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh
viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi
trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến
cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển
nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển
tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người
dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++
Arduino cơ bản là một nền tảng tạo mẫu mở về điện tử (open-source electronics

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

20


Đồ án tốt nghiệp
prototyping platform) được tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm. Về mặt kĩ thuật
có thể coi Arduino là 1 bộ điều khiển logic có thể lập trình được. Đơn giản hơn,
Arduino là một thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thông qua các cảm biến và
hành vi được lập trình sẵn. Với thiết bị này, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị

điện tử sẽ dễ dàng hơn bao giờ hết. Một điều không hề dễ dàng cho những ai đam
mê công nghệ và điều khiển học nhưng là người ngoại đạo và không có nhiều thời
gian để tìm hiểu sâu hơn về về kĩ thuật lập trình và cơ điện tử.
Hiện tại có rất nhiều loại vi điều khiển và đa số được lập trình bằng ngôn ngữ
C/C++ hoặc Assembly nên rất khó khăn cho những người có ít kiến thức sâu về
điện tử và lập trình. Nó là trở ngại cho mọi người muốn tạo riêng cho mình một
món đồ mang tính công nghệ. Do vậy đó là lí do Arduino được phát triển nhằm
đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng như lập trình trên vi xử lí
và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn với thiết bị điện tử mà không cần nhiều
về kiến thức điện tử và thời gian. Sau đây là nhưng thế mạnh của Arduino so với
các nền tảng vi điều khiển khác:
- Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thể thực hiện trên các hệ
điều hành khác nhau như Windows, Mac Os, Linux trên Desktop, Android trên
di động.
- Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu.
- Nền tảng mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm chạy
trên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau.
- Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên
việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn.
- Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị.
- Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo
lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng.
Arduino có rất nhiều module, mỗi module được phát triển cho một ứng dụng.
Về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo mạch
chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính. Các
bo mạch chính về cơ bản là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình
như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có sự khác nhau. Một số bo
có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth. Các bo mở rộng
chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính. Ví dụ như tính năng
kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ.

Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến
phức tạp. Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội
của Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp. Sau đây
là danh sách một số ứng dụng nổi bật của Arduino như trong công nghệ in 3D,
robot dò đường theo hướng có nguồn nhiệt, tạo một thiết bị nhấp nháy theo âm
thanh và đèn laser hay là một thiết bị báo cho khách hàng biết khi nào bánh mì ra
lò.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

21


Đồ án tốt nghiệp
Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng
tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng
trong cộng đồng nguồn mở (open-source). Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn
còn chưa được biết đến nhiều.
Một số ứng dụng của arduino trong thực tế:

Hình II-2: Hệ thống xe 2 bánh tự cân bằng.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

22


Đồ án tốt nghiệp

Hình II-3: Hệ thống cánh tay robot và xe tự hành.

Hình II-4: Máy in 3D.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

23


Đồ án tốt nghiệp
2. Arduino Uno.

Hình II-5: Board mạch Arduino Uno.
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega328. Nó có
14 chân vào ra bằng tín hiệu số, trong đó có 6 chân có thể sử dụng để điều chế đô
rộng xung. Có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép chúng ta kết nối với các
bộ cảm biến bên ngoài để thu thập số liệu, sứ dụng một dao động thạch anh tần số
dao động 16MHz, có một cổng kết nối bằng chuẩn USB để chúng ta nạp chương
trình vào bo mạch và một chân cấp nguồn cho mạch, một ICSP header, một nút
reset. Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, nguồn cung cấp
cho Arduino có thể là từ máy tính thông qua cổng USB hoặc là từ bộ nguồn chuyên
dụng được biến đổi từ xoay chiều sang một chiều hoặc là nguồn lấy từ pin.
Arduino có thể được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc với một nguồn cung
cấp điện bên ngoài. Các nguồn năng lượng được lựa chọn tự động. Hệ thống vi
điều khiển có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên ngoài từ 6V đến 20V.
Tuy nhiên, nếu cung cấp với ít hơn 7V, chân 5V có thể cung cấp ít hơn 5V và hệ
thống vi điều khiển có thể không ổn định. Nếu cấp nhiều hơn 12V, bộ điều chỉnh
điện áp có thể quá nóng và gây nguy hiểm cho bo mạch. Phạm vi khuyến nghị là
7V đến 12V.
- Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài
(khác với nguồn 5V lấy từ USB hoặc nguồn thông qua jack cắm nguồn riêng).

Chúng ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này.

SVTH: Nguyễn Đức Thịnh

24