GIẢI PHÁP TÍCH HỢP ĐIỀU KHIỂN KHÔNG DÂY CHO HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.87 MB, 85 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
====o0o====
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
GIẢI PHÁP TÍCH HỢP
ĐIỀU KHIỂN KHÔNG DÂY CHO
HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH
Giáo viên hƣớng dẫn : Th.S Đào Quý Thịnh
Sinh viên thực hiện
: Nguyễn Xuân Đại
Lớp – Khóa
: ĐK&TĐH 7 – K54
Mã số sinh viên
: 20090642
Hà Nội – 06/2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN
-------------------------------
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
---------------------
NHIỆM VỤ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ............................................................Số hiệu sinh viên:.....................
Khóa ......................Khoa/Viện....................................Ngành................................................
1. Đầu đề thiết kế:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
2. Các số liệu ban đầu:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
4. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
5. Họ tên cán bộ hướng dẫn:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:...............................................................................................
7. Ngày hoàn thành đồ án: ...................................................................................................
Ngày ....... tháng ....... năm ..….
Trưởng bộ môn
Cán bộ hướng dẫn
( Ký, ghi rõ họ, tên)
( Ký, ghi rõ họ, tên)
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày…. tháng …. năm 2012
Người duyệt
Sinh viên
( Ký, ghi rõ họ, tên)
( Ký, ghi rõ họ, tên)
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp có đề tài: GIẢI PHÁP TÍCH HỢP ĐIỀU
KHIỂN KHÔNG DÂY CHO HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH do em tự thực hiện
dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo Th.S Đào Quý Thịnh. Các số liệu và kết quả hoàn toàn
trung thực.
Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối bản đồ án em đảm bảo rằng không sao
chép các công trình hoặc TKTN của ngƣời khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều
cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội ngày 1 tháng 6 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Xuân Đại
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 : ....................................................................................................................... 3
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH .............................. 3
1.1
Đặt vấn đề ............................................................................................................. 3
1.1.1
Một số hệ thống nhà thông minh ở Việt Nam............................................. 3
1.1.2
Quan điểm thiết kế của nhóm ...................................................................... 7
1.2
Giải quyết vấn đề ................................................................................................. 8
1.2.1
Truyền thông hữu tuyến .................................................................................. 9
1.2.2
Truyền thông vô tuyến .................................................................................... 9
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI ...................................................................... 11
2.1
Phát triển ý tưởng .............................................................................................. 11
2.2
Sơ đồ cấu trúc hệ thống nhà thông minh ......................................................... 13
2.3
Nhiệm vụ thiết kế. .............................................................................................. 16
2.3.1
Thiết kế hệ thống mạng .............................................................................. 16
2.3.2
Thiết kế bộ điều khiển trung tâm .............................................................. 16
2.3.3
Thiết kế hệ thống cảm biến ........................................................................ 17
2.3.4
Thiết kế mạch chấp hành ........................................................................... 18
2.3.5
Thiết kế mô hình thực nhiệm ..................................................................... 19
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ TÍCH HỢP HỆ THỐNG .......................................................... 20
3.1
Tích hợp hệ thống mạng .................................................................................... 20
3.1.1
Thiết lập đường truyền internet WAN-LAN ............................................ 22
3.1.2
Tạo websever cho S7-1200 .......................................................................... 31
3.2
Thiết kế bộ điều khiển trung tâm ..................................................................... 34
3.2.1
Tính toán chọn thiết bị: .............................................................................. 35
3.2.2
Chương trình điều khiển của PLC S7-1200.............................................. 40
3.3
Thiết kế hệ thống chấp hành ............................................................................. 45
3.3.1
Yêu cầu thiết kế ............................................................................................. 46
3.3.2
Chọn thiết bị .................................................................................................. 47
3.3.3
Thiết kế mạch nguyên lí................................................................................. 49
3.3.4
Chương trình PIC điều khiển cơ cấu chấp hành .......................................... 52
3.4
Thiết kế tich hợp mạch đo + LCD .................................................................... 54
3.4.1
Yêu cầu thiết kế ............................................................................................. 54
3.4.2
Tính chọn thiết bị .......................................................................................... 54
3.4.3
Mạch nguyên lí .............................................................................................. 61
3.4.4
Lưu đồ thuật toán của vi xử lí ....................................................................... 62
CHƢƠNG 4: HỆ THỐNG THỰC NHIỆM ...................................................................... 64
CHƢƠNG 5: HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................. 65
5.1
Cảm biến ............................................................................................................. 65
5.2
Mạch chấp hành ................................................................................................. 65
5.3
Hướng truyền thông .......................................................................................... 66
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 68
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 69
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay chúng ta nghe nói nhiều đến nhà thông minh- SmartHome. Câu hỏi đặt ra
là: nhà thông minh là? Nó giải quyết vấn đề gì trong xã hội và cuộc sống của con ngƣời?
Về kỹ thuật thì nhà thông minh có những đặc điểm gì?
Đứng ở góc độ nhà nghiên cứu, tìm hiểu về nhà thông minh, câu trả lời của em là:
Nhà thông minh là một ngôi nhà có một hệ thống kỹ thuật hoàn hảo, đƣợc lập trình tối ƣu
hoá cho việc điều khiển vận hành toàn bộ các thiết bị điện trong nhà một cách hoàn toàn
tự động hoặc bán tự động, nó kết nối tất cả các hệ thống của ngôi nhà trong cùng một
mạng và đƣơc điều khiển tập trung hoặc phân tán nhằm thay thế hoặc làm giảm các thao
tác điều khiển của con ngƣời. Hiện nay, trên thế giới nhà thông minh đƣợc nhiều doanh
nghiệp và hãng phát tham gia nghiên cứu, phát triển và đƣa ra các sản phẩm với các gói
chức năng khác nhau. Sản phẩm của họ đã đƣợc nghiên cứu và phát triển trong một thời
gian dài mang tính hệ thống rất cao và đáp ứng tốt cho đại đa số ngƣời sử dụng.
Tuy nhiên các sản phẩm này tại thị trƣờng Việt Nam vẫn còn khá xa lạ với đại đa số
khách hàng. việc áp dụng công nghệ đó vào Việt Nam thì lại gặp rất nhiều khó khăn với
những lý do từ điều kiện khí hậu, phong tục tập quán, và tài chính. Những sản phẩm này
đều đƣợc nhập từ nƣớc ngoài nên giá thành rất cao. Các thiết bị đƣợc nhập mang tính hệ
thống nên sẽ rất khó khăn trong việc linh động tích hợp thêm các lựa chọn theo ý kiến
khách hàng đó là còn chƣa kể tới việc kiến trúc khác nhau của ngôi nhà sẽ gây khó khăn
trong quá trình lắp đặt. Các hệ thống nhà thông minh nhập từ nƣớc ngoài đa phần thiết kế
cho khách hàng sử dụng là ngƣời phƣơng Tây nên có nhiều điểm không phù hợp với thói
quen sống và sinh hoạt của khách hàng là ngƣời châu Á. Việt Nam là nƣớc có khí hậu
nhiệt đới có nhiệt độ độ ẩm cao sẽ ảnh hƣởng tới việc hoạt động chính xác của các thiết
bị điện tử nếu chúng không đƣợc tính đến trong quá trình thiết kế.
Nhóm nghiên cứu chúng em lựa chọn đề tài giải pháp tích hợp điều khiển không dây
cho nhà thông minh với mong muốn góp một phần nào đó trong giải pháp phát triển hệ
thống nhà thông minh tại Việt Nam.
Nội dung đồ án nhóm nghiên cứu thực hiện bao gồm các mục chính nhƣ sau:
1
- Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống nhà thông minh.
- Chƣơng 2: Xây dựng sơ đồ khối.
- Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống.
- Chƣơng 4: Hệ thống thực nghiệm
- Chƣơng 5: Hƣớng phát triển.
Trong quá trình hoàn thành đồ án, nhóm đã đƣợc sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo
hƣớng dẫn: Th.S Đào Quý Thịnh đã tạo điều kiện để nhóm em hoàn thành sản phẩm:
Giải pháp tích hợp điều khiển không dây cho hệ thống nhà thông minh.
Hà Nội ngày 1 tháng 6 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Xuân Đại
2
CHƯƠNG 1 :
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH
1.1 Đặt vấn đề
1.1.1 Một số hệ thống nhà thông minh ở Việt Nam
Hiện nay tại Việt Nam đã và đang có những nhà sản xuất và cung cấp các ứng
dụng của hệ thống nhà thông minh. Ví dụ nhƣ là Crestron, Bkav smarthome, X10,
Homeplus, hay nhóm phát triển dự án Homeon... Sau đây ta sẽ đi sâu vào hƣớng thiết kế
của một số hãng theo tìm hiểu của cá nhân em để tìn ra những điểm mấu chốt nhất của hệ
thống nhà thông minh hiện đang đƣợc sử dụng:
Crestron
Crestron lần đầu tiên xuất hiện tại Việt Nam vào năm 2009 với nhà phân phối
chính hãng là UDICTECH JSC.
Hãng đã thiết kế đƣợc hệ thống chiếu sáng (lighting), hệ thống hình ảnh âm thanh
đa vùng (A/V) chuẩn HDMI, công nghệ Digital media với những tính năng mạnh mẽ về
âm thanh cũng nhƣ hình ảnh. Điểm đáng chú ý đó là Crestron còn tƣơng thích với Apple
tạo cho công nghệ những hệ thống giải trí khá hài hòa, kiểm soát âm thanh, video, đèn
chiếu sáng, rèm và cảm biến nhiệt trực tiếp từ Ipad, Iphone. Đó chính là công nghệ giải
trí tên là Home theatre.
Bộ điều khiển trung tâm của Crestron là iLux, một giải pháp tích hợp chiếu sáng,
thiết kế dạng gắn tƣờng, ứng dụng linh hoạt từ các phòng họp, phòng hòa nhạc, tới phòng
giải trí, phòng khách gia đình, hay bất cứ loại phòng nào với mức đầu tƣ phù hợp.
iLux có 2 dòng sản phẩm là:
-
CLSI-C6M: có kèm theo cảm biến chuyển động (motion detector) – cảm biến sự
tồn tại của sự kiện (occupancy sensing); tự động bật sáng khi phát hiện chuyển
động; tự động tắt đèn sau một khoảng thời gian không cảm nhận chuyển động
trong phòng.
3
-
CLSI-C6: không gắn kèm cảm biến chuyển động.
Qua tìm hiểu thì ta có ý tƣởng thiết kế điển hình của Crestron:
Hình 1. 1 Sơ đồ điển hình của crestron
Và cách đấu dây trong hệ thống:
Hình 1. 2 Cách bố trí đấu dây của Crestron
4
-
Ưu điểm: Có sự đồng bộ trong hệ thống, khi mà bộ điều khiển cũng nhƣ phƣơng
pháp thiết kế của cùng 1 hãng sản xuất và tích hợp. Nhƣ vậy ta có thể kết hợp dễ
dàng giữa các thiết bị với nhau. Cùng với đó, sự tƣơng thích với các hãng lớn khác
cũng là điểm mạnh của Crestron. Khi mà tính ứng dụng trên nền tảng Web cũng
đƣợc tích hợp vào. Tạo khả năng thích ứng hơn với nhiều đối tƣợng, nhất là các
khách hàng đòi hỏi yêu cầu cao.
-
Nhược điểm: Sử dụng hữu tuyến toàn bộ hệ thống khiến cho việc thiết kế phải
đƣợc tiến hành trƣớc khi công trình cần thiết kế hoàn thành. Nó sẽ là trở ngại lớn
khi ứng dụng vào những ngôi nhà đã xây xong hoặc đang ở. Cộng với việc phụ
thuộc thiết kế của chính hãng nên khả năng thay đổi không mang tính linh hoạt
cao.
Bkav smarthome
Công ty đầu tƣ và phát triển công nghệ ngôi nhà thông minh smarthome có trụ sở
tại khu đô thị Yên Hòa – Cầu Giấy. Ra đời năm 2004, Smarthome đến nay đã xây dựng
đƣợc cơ sở hạ tầng vật chất hiện đại, có đội ngũ các nhân viên kỹ sƣ hùng hậu trong lĩnh
vực nghiên cứu và phát triển các thiết bị điện tử thông minh.
Có năng lực phát triển sản phẩm từ giai đoạn nghiên cứu, thiết kế, sản xuất cho tới
phân phối sản phẩm ra thị trƣờng. Smarthome đã nghiên cứu sản xuất và đƣa ra thị
trƣờng một số các sản phẩm nhƣ van cảm ứng, bật đèn thông minh, máy sấy tay siêu tốc
và tiến tới là toàn bộ hệ thống ngôi nhà thông minh…
Hệ thống ngôi nhà thông minh SmartHome sử dụng công nghệ tùy biến kịch bản,
cho phép cấu hình hệ thống hoạt động theo những kịch bản bất kỳ. Việc thêm các thiết bị
theo nhu cầu sử dụng của chủ nhà có thể thực hiện bằng việc khai báo trên hệ thống.
Ngoài ra, SmartHome còn sử dụng các công nghệ truyền thông nhƣ PLC (truyền dữ liệu
qua đƣờng điện) và Zigbee (truyền dữ liệu vô tuyến) cho phép việc triển khai hệ thống dễ
dàng trên các ngôi nhà đã xây từ trƣớc mà không phải sửa lại ngôi nhà.
Trong đó một số thông tin về mạng Zigbee:
Zigbee là một tiêu chuẩn đƣợc định nghĩa: là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng
vô tuyến khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp.
Các thiết bị vô tuyến dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915
MHz và 2.4GHz.
5
Với những đặc điểm chính :
-
Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps.
-
Sử dụng công suất thấp.
-
Ít tiêu hao điện năng.
-
Mức chi phí đầu tƣ khá thấp.
Zigbee chủ yếu đƣợc nhắm tới cho các ứng dụng chạy pin có tốc độ dữ liệu thấp,
chi phí nhỏ, và thời gian sử dụng pin dài. Trong nhiều ứng dụng của Zigbee, tổng thời
gian mà thiết bị vô tuyến thực sự hoạt động rất ít; thiết bị sử dụng hầu hết thời gian của
nó trong chế độ tiết kiệm năng lƣợng, hay chế độ ngủ (sleep mode). Kết quả là, Zigbee
cho phép các thiết bị có khả năng hoạt động trong nhiều năm trƣớc khi cần phải nạp lại
pin hoặc thay pin mới.
-
Ưu điểm: Sử dụng công nghệ tiên tiến, tiết kiệm điện năng khi sử dụng chuẩn
giao thức Zigbee. Với Power line communication thì việc hạn chế đi dây lại trong
tòa nhà sẽ là 1 lợi thế nhƣng chỉ với trong trƣờng hợp nhiễu đƣờng truyền trong
mức chấp nhận đƣợc. Công nghệ Bkav smarthome đang đuổi kịp dần với thế giới
hiện nay nhƣ sử dụng mạng internet để điều khiển thông qua những smartphone.
-
Nhược điểm: Nhiễu đƣờng truyền chính là cản trở lớn nhất cho dự án này khi
hoạt động. Bởi khi đã chôn dây trong tƣờng thì việc kiểm tra và đo đạc lại sẽ là 1
bài toán cực khó. Hơn thế nữa ở Việt Nam chƣa có một chuẩn nào cho việc đi dây
khi thiết kế nhà dân cũng nhƣ chung cƣ cao cấp. Việc sử dụng bừa bãi cách đấu
dây, chọn dây đấu đã khiến công nghệ Power line communication khó đi vào ứng
dụng tại Việt Nam. Ngoài ra Zigbee dù là 1 công nghệ giá rẻ và dễ dàng trong việc
thực hiện nhƣng nó có khả năng hoạt động không cao, nhất là khả năng xuyên
tƣờng thì yếu, không phù hợp cho địa hình phức tạp.
X10 và UPB&PLCBUS
Ra đời vào những thập niên 80 của thế kỷ 20, công nghệ truyền tín hiệu trên
đƣờng dây điện đƣợc đầu tiên đƣợc nghiên cứu và phát triển tại mỹ với dự án mang tên
X10. Kể từ đó X10 trở thành tên thƣơng mại của hàng loạt các sản phẩm điều khiển tự
động sử dụng công nghệ này.
Năm 2002 đánh dấu một bƣớc ngoặt lớn của công nghệ PLC khi chuẩn UPB &
PLCBUS ra đời. Công nghệ UPB & PLCBUS sử dụng sóng mang có dải tần từ 4-40Khz,
6
điện áp tín hiệu 40V để truyền tín hiệu điều khiển. Không giống nhƣ X10 sử dụng tần số
sóng mang cố định 120Khz, các thiết bị sử dụng công nghệ UPB & PLCBUS sẽ chọn ra
trong dải tần 4-40Khz một tần số ít bị can nhiễu từ đƣờng truyền nhất tại thời điểm truyền
để truyền tín hiệu điều khiển.
Sau đây là sơ đồ tổng quan của hệ thống X10:
Hình 1. 3 Sơ dồ tổng quan của X10
-
Ưu điểm: Phát triển lâu đời. Có nền tảng công nghệ. Và sử dụng luôn hệ thống
dây điện có sẵn trong gia đình. Nhƣ vậy sẽ tiết kiệm chi phí cũng nhƣ việc chỉnh
sửa lại căn nhà.
-
Nhược điểm: Khó ứng dụng ở Việt Nam khi nhiễu đƣờng truyền lớn. Cộng với
nhiễu từ lƣới điện tác động vào. Do đó khi thiết kế bắt buộc phải chỉnh định ngay
từ lúc mới xây nhà. Điều này làm mất đi tính linh hoạt của hệ thống.
1.1.2
Quan điểm thiết kế của nhóm
7
Để có thể phát triển đƣợc một sản phẩm hệ thống nhà thông minh có tính chất
cạnh tranh cao. Bƣớc đầu ta đã đi sâu nghiên cứu những hãng đã và đang có mặt tại Việt
Nam để tìm hiểu ƣu nhƣợc điểm của họ. Từ đó mà nhóm xây dựng một hệ thống với tƣ
tƣởng thiết kế mới nhằm đáp ứng đƣợc với nhu cầu thị trƣờng và hạn chế đƣợc những
khuyết điểm hiện đang tồn tại. Sau đây là một số vấn đề mà ta cần giải quyết:
-
Việc thiết kế hệ thống là phải gắn liền với thực tiễn. Hiện nay có những ngƣời chủ
của căn hộ chung cƣ cao cấp, biệt thự hay lâu đài muốn đƣợc sở hữu một nét mới
của nền khoa học đƣơng đại. Họ tìm đến cách thức tích hợp vào ngôi nhà của
mình sao cho hiện đại và dễ dàng sử dụng hơn. Do vậy mà đề xuất nhà thông minh
đƣợc nhóm phát triển nhằm đánh trúng tƣ tƣởng này. Tức là việc thiết kế này
không dành cho đại đa số ngƣời dân mà chỉ phục vụ nhu cầu cho một số bộ phận
trong xã hội. Nhƣng cũng từ yếu tố này mà nảy sinh vấn đề: hầu hết những căn hộ
cao cấp mà những chủ sở hữu muốn nâng cấp lên đều đã đƣợc xây xong hoặc hoàn
thành phần điện lƣới. Thế nên việc đi dây lại toàn bộ phần điều khiển tích hợp là
một vấn đề khó khăn cũng nhƣ không tạo ra sự khác biệt. Nhóm đã và đang hƣớng
đến việc thiết kế hệ thống nhà thông minh với điều khiển các thiết bị bằng không
dây
-
Giảm giá thành hệ thống để tính cạnh tranh cao nhất có thể. Vì trong khi một số
hãng hoạt động tại Việt Nam đang thầu nhà thông minh hiện nay, các thiết bị phụ
thuộc hoàn toàn vào một hãng cụ thể nên giá thành rất đắt và không có khả năng
sáng tạo khi không thiết kế đƣợc phần mềm và nguyên lý điều khiển. Do vậy mà
nhóm phát triển đến việc tích hợp nhiều nhà sản xuất, nhiều chuẩn truyền thông và
linh hoạt hơn trong sử dụng linh kiện, thiết bị các hãng nhằm hạn chế sự phụ thuộc
đồng thời tăng tính linh hoạt khi xây dựng hệ thống nhà thông minh
-
Khả năng ứng dụng cao của hệ thống cho những ngôi nhà cụ thể. Với việc làm hài
lòng khách hàng đƣợc đặt lên hàng đầu, tiêu chí đƣợc đặt ra phải là thực hiện lắp
đặt nhanh gọn nhẹ. Tránh chỉnh sửa trong nhà cũng nhƣ thay đổi kết cấu đƣờng
điện.
1.2 Giải quyết vấn đề
Từ những yêu cầu thiết yếu của cuộc sống nhƣ đã phân tích ở trên mà hệ thống do
nhóm thiết kế đi theo hai hƣớng cụ thể là:
8
-
Truyền thông hữu tuyến.
Truyền thông vô tuyến.
Trong đó việc hài hòa cả hai phƣơng thức truyền thông này cũng là bƣớc tiến lớn
trong việc tích hợp hệ thống nhà thông minh. Với khả năng vô tuyến hóa hệ thống, tính
linh hoạt với nhiều đối tƣợng của nhà thông minh hơn. Sau đây là một số những đặc điểm
của cả hai phƣơng thức truyền thông trên:
1.2.1
Truyền thông hữu tuyến
Truyền thông hữu tuyến là phƣơng pháp cổ điển nhất để điều khiển hệ thống điện
trong nhà. Nó cũng là 1 bài toán sử dụng những thiết bị vào ra xử lý số nhằm điều khiển
các thiết bị điện nhƣ đèn, rèm cửa, door… Việc sử dụng hữu tuyến nhƣ vậy sẽ rất thích
hợp với những ngôi nhà đang trong quá trình hoàn thiện. Hệ thống sẽ cực kỳ ổn định và
gần nhƣ không có khả năng hƣ hỏng. Giá thành sẽ rất rẻ và cực kỳ phù hợp với những
căn hộ chung cƣ cao cấp.
Nhƣợc điểm cũng là vấn đề đi song hành với ƣu điểm, bởi khi đã đi dây trong nhà
nhƣ thế thì tất cả các cảm biến cũng đều bị gắn cứng trong nhà, rất khó để di chuyển vị trí
khi bị gặp vật cản. Tại trong nhiều trƣờng hợp gia chủ kê thêm đồ đạc nên sẽ khó tránh
khỏi việc cảm biến mất tác dụng. Hơn nữa nếu đi dây thì tính linh hoạt sẽ giảm đi nhiều.
Từ đó suy ra việc đi dây hoàn bộ hệ thống không phải là giải pháp tiên tiến nên áp dụng
hiện nay. Dẫn đến nhu cầu thiết yếu cần thiết kế tích hợp hệ thống điều khiển truyền
thông vô tuyến cho nhà thông minh
1.2.2 Truyền thông vô tuyến
Truyền thông vô tuyến là hƣớng mà nhiều hệ thống tân tiến hiện nay đang hƣớng
đến. Nó sẽ phù hợp với cả những ngôi nhà đang ở cũng nhƣ chƣa xây xong. Việc truyền
thông gặp khó khăn nhất là địa hình cũng nhƣ mức độ nhiễu trong ngôi nhà. Nhƣng nếu
sử dụng những công nghệ không dây hiện đại nhƣ ngày nay thì thực sự ta có khả năng
đáp ứng nhu cầu này.
Với Wifi ngƣời dùng sẽ thoải mái trong việc sử dụng tính năng mà hầu hết các
thiết bị nhƣ smartphone hiện nay tích hợp. Ta chỉ cần truy cập vào mạng trung tâm của
căn nhà là có thể điều khiển các thiết bị điện mà không cần phải di chuyển.
Sóng radio RF không phải là giả pháp mới nhƣng hiệu quả của nó thì rất đáng kể.
Việc sử dụng sóng radio trong việc thiết kế thay cho đƣờng dây điện điều khiển truyền
9
thống sẽ là giải pháp khả thi cho mục đích của nhóm. Công suất phát không cần lớn,
không cần duy trì liên tục và chỉ cần gửi những gói tin mang dữ liệu nhỏ dạng đóng cắt,
tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm hay phát hiện ngƣời đến bộ phận điều khiển trung tâm… Khi tích
hợp đƣợc RF vào hệ thống sẽ linh hoạt hơn trong việc điều khiển hệ thống đèn, hệ thống
rèm và các vật dụng điện khác mà không cần quá quan tâm tới việc chúng ở vị trí nào
trong tòa nhà. Hoặc cũng có thể tùy biến khi các đồ đạc bị thay đổi theo ý gia chủ.
10
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI
2.1 Phát triển ý tưởng
Hình 2. 1 Mô hình lí tưởng
Hƣớng giải quyết: Từ yêu cầu bài toán nhƣ ở trên, tức là hệ thống nhà thông mình
đƣợc nhóm chủ yếu đi sâu vào vấn đề truyền thông không dây. Và cụ thể ở đây, bài toán
11
đặt ra của nhóm em là liên kết các phân tầng với nhau để đƣa ra đƣợc một hệ thống hoàn
chỉnh từ cấp quản lý giám sát đến cấp hiện trƣờng.
Một hệ thống nhà thông minh sẽ đƣợc ứng dụng bƣớc đầu dựa trên sơ đồ này.
Xuyên suốt từ điều khiển đến chấp hành đều đƣợc mô tả lại bằng hình ảnh trực quan. Sau
đây là giải thích cụ thể cho từng thành phần:
-
Phân tầng 1: Cấp quản lý, thực hiện quản lý tổng thể mọi hoạt động giám sát và
điều khiển của hệ thống. Cấp này có chức năng thu thập dữ liệu từ cấp dƣới, định
dạng, lƣu trữ và xử lý dữ liệu tổng hợp đảm bảo tập trung cơ sở dữ liệu phục vụ
giám sát và quản lý; bên cạnh đó, cấp quản lý của nhà tự động thực hiện thêm
chức năng truyền thông, trao đổi thông tin với các hệ thống phụ khác.
Cấp quản lý bao gồm máy chủ (Server PC) lƣu trữ webserver có địa chỉ IP tĩnh,
tên miền động và thuê bao của nhà mạng. Chính là địa chỉ mà ngƣời dùng cần truy cập từ
xa vào hệ thống để điều khiển thiết bị điện của ngôi nhà.
Trong đó: thiết bị điều khiển ở đây là các smartphone, tablet mà thị trƣờng có sẵn.
Chúng có kết nối internet thông qua 3G, wifi công cộng…
-
Phân tầng 2: Cấp điều hành giám sát, là các trạm vận hành (Webserver Client)
chứa dữ liệu hệ thống nhằm cung cấp giao diện cho ngƣời vận hành trong quá
trình sử dung. Cấp này thực hiện hiển thị trạng thái hoạt động của toàn bộ hệ
thống thông qua các giao diện điều khiển và đối tƣợng đồ họa; các giao diện đƣợc
hiển thị bằng các hình ảnh,đồ họa, đồ thị, mô tả hoạt động của toàn bộ quá trình
một cách sinh động và trực quan.
Cấp điều hành giám sát gồm toàn bộ mạng LAN và cầu kết nối BRIGDE, bao gồm
các bộ wifi router có chức năng định tuyến trong mạng LAN và Wifi. Có cả switch để mở
rộng hệ thống mạng trong nhà bằng cách đi dây mạng LAN (RJ45).
-
Phân tầng 3: Cấp điều khiển trung tâm. cấp này thực hiện việc điều khiển các quá
trình công nghệ và thực hiện việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển
logic khả trình PLC. Bên cạnh đó, cấp điều khiển thực hiện chức năng truyền
thông với cấp cảm biên chấp hành để lấy dữ liệu từ đầu vào; sau đó xử lý tín hiệu
thực hiện thuật toán điều khiển vừa gửi tín hiệu điều khiển ra các đầu ra và đến các
thiết bị chấp hành ở cấp trƣờng thông qua mạng truyền thông. Các bộ điều khiển
có thể đọc, trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng truyền thông ở cấp điều
12
khiển. Đồng thời, các bộ điều khiển - cấp điều khiển đƣa thông tin về cấp cao hơn
- cấp vận hành giám sát.
Bao gồm các thiết bị nhƣ PLC, máy tính làm server tổng nhằm lƣu trữ dữ liệu. Với
PLC xử lý các tín hiệu logic cùng với đó là việc chứa webserver trong bộ nhớ ngoài.
-
Phân tầng 4 và 5: Cấp trƣờng này bao gôm các cảm biến/ mạng cảm biến và các
chấp hành. Cụ thể là các bộ vào ra để ghép nối với các sensor, các cơ cấu chấp
hành có chức năng kết nối vào/ ra cà xử lí sơ bộ trƣớc khi chuyển lên cấp điều
khiển.
Thiết bị cảm biến nhận giá trị giúp ngƣời lập trình có thể tổng hợp dữ liệu liên
quan đến việc:
-
Phát hiện ngƣời trong phạm vi theo dõi.
-
Nhiệt độ phòng.
Độ ẩm phòng.
Mức độ ánh sáng trong phòng.
Các thiết bị chấp hành bao gồm bộ đóng mở cho:
-
Đèn led.
Quạt.
-
Rèm cửa.
Chính là bƣớc phát triển trong việc tách rời công đoạn đi dây thành không dây, sẽ
dễ dàng và nhanh gọn hơn khi thiết kế lắp đặt cho những căn nhà đang có nhà chủ sinh
sống. Hơn nữa, những thiết bị đƣợc chấp hành hầu hết là có sẵn trong nhà, ta chỉ việc tích
hợp hệ thống của mình vào đồng thời tƣ vấn khách hàng nên dùng loại thiết bị nào cho
phù hợp nhất với hệ thống cũng nhƣ không bị ảnh hƣởng lẫn nhau.
2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống nhà thông minh
Trong sơ đồ này ta sẽ đi sâu vào nội dung của đồ án mà nhóm em thực hiện. Với
sơ đồ ý tƣởng nhƣ trên hoàn toàn có thể ứng dụng vào một phân khu nhỏ khi bộ điều
khiển trung tâm chỉ phải đảm nhiệm với một số các thiết bị. Khi phát triển với một quy
mô lớn hơn, hệ thống sẽ không chỉ gói gọn trong việc điều khiển tập trung mà sẽ phát
triển thành điều khiển lai, nơi đó bao gồm nhiều bộ điều khiển với chức năng độc lập và
có sự trao đổi dữ liệu với nhau nhƣ hình vẽ sau:
13
Hình 2. 2 Sơ đồ điều khiển lai
Số lƣợng bộ điều khiển ở các nút mạng trong cùng một lớp mạng là có giới hạn
theo tiêu chuẩn. Những nút mạng này liên kết với nhau trong mạng LAN thông qua
chuẩn ethernet. Do vậy mà chỉ có tối đa 255 địa chỉ IP cung cấp ở lớp mạng C.
Mỗi một zone đƣợc triển khai thành từng hệ thống riêng biệt. Nhƣng lại có chung
cơ sở dữ liệu lƣu trữ trên internet và webbase.
Việc sử dụng linh hoạt các loại truyền thông khiến hệ thống tuy phúc tạp trong quá
trình thực hiện nhƣng sẽ tiện lợi khi nâng tầm hệ thống, mở rộng ra phạm vi lớn.
14
Từ phân tích này, ta có sơ đồ cấu trúc tổng thể của hệ thống. Với những yếu tố đƣợc hình
thành trên cơ sở các nút mạng:
Hình 2. 3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tích hợp nhà thông minh
15
2.3 Nhiệm vụ thiết kế.
2.3.1
Thiết kế hệ thống mạng
Internet
Modem
Các thiết bị cần sử dụng:
- Modem wifi kết nối internet
- Các thiết bị kết nối internet nhƣ laptop, smartphone,…
Nhiệm vụ thiết kế:
-
Cài đặt cấu hình cho moderm wifi kết nối internet
-
Phần cổng trong modem cho webserver của PLC để có thể đƣa webserver của PLC
lên internet , từ đó có thể truy cập chúng thông qua các thiết bị kết nối internet.
2.3.2
Thiết kế bộ điều khiển trung tâm
Hình 2. 4 Sơ đồ bộ điều khiển trung tâm
Các thiết bị cần sử dụng:
-
PLC S7-1200
16
-
Mạch chuyển đổi enthernet/232
Mạch thu phát sóng RF
-
Router wifi
Dây cáp enthernet
-
Nguồn nuôi thiết bị
Nhiệm vụ thiết kế
-
Lập trình PLC giao tiếp enthernet
-
Lập trình PLC locgic xử lý dữ liệu nhận về và truyền dữ liệu điều khiển
Cấu hình router và PLC
-
Lâp trình webserver giao diện ngƣời dùng
2.3.3
Thiết kế hệ thống cảm biến
Hình 2. 5 Sơ đồ hệ thống cảm biến
Các thiết bị cần sử dụng:
-
Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến độ ẩm
Cảm biến nhận diện chuyển động
Cảm biến ánh sáng
Vi điều khiển
-
Module RF
17
-
Nguồn nuôi
Nhiệm vụ thiết kế:
-
Viết chƣơng trình vi điều khiển đọc giá trị từ cảm biến, sắp xếp, đồng bộ khung
bản tin
-
Viết chƣơng trình vi điều khiển truyền nhận khung bản tin với bộ điều khiển trung
tâm bằng UART
-
Thiết kế mạch in
2.3.4
Thiết kế mạch chấp hành
Hình 2. 6 Sơ đồ bộ chấp hành
Các thiết bị cần sử dụng:
-
Đèn led
Quạt
Rèm cửa
Module RF
Vi điều khiển
Relay đóng cắt
-
Nguồn nuôi
18
Nhiệm vụ thiết kế:
-
Lập trình vi điều khiển giao tiếp UART để truyền nhận dữ liệu từ PLC
-
Lập trình giải mã khung bản tin và điều khiển các thiết bị chấp hành
Thiết kế mạch in
2.3.5
Thiết kế mô hình thực nhiệm
Nhiệm vụ: làm mô hình thu nhỏ của hệ thống, có đầy đủ các chức năng đã nêu
trên
sao cho giống với thực tế.
19
