giám sát và điều khiển các thiết bị thông dụng trong gia đình từ xa qua mạng (điện thoại, internet)

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................... 5
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ KHOA HỌC SỬ DỤNG ......................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... 7
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 9
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG .................................................................... 12
1.1 Các giải pháp hệ thống hiện có trên thị trƣờng .................................................... 12
1.1.1 Hệ thống nhà thông minh GAMMA (EIB) của Siemens – Đức ................... 13
1.1.2 Hệ thống nhà thông minh SmartHome của BKAV – Việt Nam ................... 17
1.1.3 Đánh giá các sản phẩm trên thị trƣờng ......................................................... 18
1.2 Ý tƣởng về xây dựng hệ thống ............................................................................. 19
1.2.1

Chức năng giám sát.................................................................................... 19

1.2.2

Chức năng điều khiển ................................................................................ 19

1.2.3

Chức năng kết nối ...................................................................................... 20

1.3 Mô hình tổng quan hệ thống ................................................................................ 22
1.4 Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng, phạm vi của đề tài: .......................................... 23
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu:..................................................................................... 25
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN CHO TỪNG KHỐI
CỦA HỆ THỐNG .......................................................................................................... 26

1


2.1 Khối giám sát trạng thái ngôi nhà ........................................................................ 26
2.1.1 Nhận biết cửa mở ......................................................................................... 26
2.1.2 Nhận biết có cháy ......................................................................................... 27
2.1.3 Nhiệt độ môi trƣờng ..................................................................................... 27
2.1.4 Nhận biết mức nƣớc ở bể và có nƣớc chảy vào bể ...................................... 28
2.2 Khối điều khiển thiết bị ....................................................................................... 29
2.2.1 Máy bơm nƣớc .............................................................................................. 29
2.2.2 Bình nóng lạnh .............................................................................................. 30
2.2.3 Quạt điện ....................................................................................................... 31
2.2.4 Camera .......................................................................................................... 31
2.2.5 Báo động ....................................................................................................... 31
2.3 Khối kết nối ngƣời dùng ...................................................................................... 32
2.3.1 Khối giao tiếp GSM ...................................................................................... 33
2.3.2 Khối giao tiếp Internet .................................................................................. 34
2.3.3 Khối giao tiếp máy tính ................................................................................. 35
2.3.4 Khối giao diện ngƣời dùng............................................................................ 36
2.4 Khối xử lý trung tâm ............................................................................................ 36
2.5 Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................. 37
CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG .......................................... 40
3.1 Khối Ethernet – Web Server ................................................................................ 40
3.1.1 Giới thiệu Pic18F67J60 & Cổng RJ45.......................................................... 40
3.1.2 Thiết kế phần cứng khối Ethernet – Web Server .......................................... 42

2


3.2 Khối GSM/GPRS ................................................................................................. 43

3.2.1 Giới thiệu module SIM548C ......................................................................... 43
3.2.2 Ứng dụng SIM548C vào hệ thống ............................................................... 44
3.3 Khối giao tiếp PC và giao tiếp các ngoại vi ......................................................... 44
3.3.1 Mạch chuyển đổi điện áp cho giao tiếp RS-232 ........................................... 44
3.3.2 Chuyển mạch điện tử UTC4052 ................................................................... 45
3.4 Khối xử lý ảnh ...................................................................................................... 47
3.4.1 Giới thiệu module LS-Y201.......................................................................... 47
3.4.2 Kết nối LS-Y201 với hệ thống ...................................................................... 49
3.5 Khối cảm biến ...................................................................................................... 50
3.5.1 Mạch giao tiếp cảm biến khói, cửa, mực nƣớc và phát hiện có nƣớc........... 50
3.5.2 Cảm biến nhiệt độ ......................................................................................... 50
3.6 Khối điều khiển thiết bị ........................................................................................ 51
3.7 Khối xử lý trung tâm ............................................................................................ 52
3.7.1 Giới thiệu vi điều khiển dsPic30F6010A ...................................................... 52
3.7.2 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm ......................................................... 54
3.8 Khối đồng hồ thời gian thực và bộ nhớ EEPROM .............................................. 55
3.8.1 Giới thiệu đồng hồ thời gian thực DS1307 ................................................... 55
3.8.2 Giới thiệu IC EEPROM 25LC1024 .............................................................. 57
3.8.3 Ứng dụng đồng hồ thời gian thực và IC EEPROM vào hệ thống ................ 59
3.9 Khối hiển thị LCD và phím ấn ............................................................................. 59
3.9.1 Khối hiển thị LCD......................................................................................... 59

3


3.9.2 Khổi phím bấm.............................................................................................. 62
3.9.3 Mạch ghép nối khối LCD và phím bấm với mạch xử lý .............................. 62
3.10 Khối nguồn cấp .................................................................................................. 63
CHƢƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM ............................................. 65
4.1 Tổng quan hoạt động phần mềm .......................................................................... 65

4.2 Phần mềm cho vi điều khiển xử lý Ethernet – Web server .................................. 66
4.2.1 Giới thiệu TCP/IP Stack của Microchip ....................................................... 66
4.2.2 Chƣơng trình ứng dụng Web server trên cơ sở Microchip TCP/IP Stack .... 67
4.2.3 Giới thiệu dịch vụ Dynamic DNS - Thay thế IP tĩnh.................................... 72
4.3 Phần mềm cho vi điều khiển trung tâm................................................................ 73
4.3.1 Nhiệm vụ của vi điều khiển trung tâm .......................................................... 73
4.3.2 Phân tích và lựa chọn công cụ lập trình ....................................................... 74
4.3.3 Các lƣu đồ và code thực hiện trên vi xử lý trung tâm ................................... 74
4.4 Phần mềm cho máy tính ....................................................................................... 79
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 84
PHỤ LỤC 1. MỘT SỐ HÌNH ẢNH MẠCH IN THIẾT BỊ .......................................... 85
PHỤ LỤC 2. TẬP LỆNH AT ........................................................................................ 92
PHỤ LỤC 3. GIAO THỨC GIAO TIẾP CAMERA ..................................................... 95

4


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu, từ viết
tắt
AT

Viết đầy đủ

Nghĩa

Attention

Tên một loại tập lệnh giao tiếp

Complementary metal-oxide

Một công nghệ mới tốn ít năng

semiconductor

lƣợng

DMA

Direct Memory Access

Truy cập bộ nhớ trực tiếp

DNS

Domain Name System

Hệ thống phân giải tên miền

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

HTTP

Hyper-Text Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản

CMOS

IEEE

MIPS

Institude of Electrical and

Một tổ chức về điện, điện tử có

Electronics Engineers

uy tín trên thế giới

Million instructions per
second

Triệu lệnh trên giây

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

SMS

Short Message Service

Dịch vụ tin nhắn ngắn

SMSC

Short Message Service Center

Trung tâm dịch vụ tin nhắn ngắn

SPI

Serial Peripheral Interface

Một giao thức truyền song công

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ KHOA HỌC SỬ DỤNG
Thuật ngữ

Nghĩa tiếng Việt

Client

Máy khách

Server

Máy chủ

Web-server

Máy phục vụ cho Web

5


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các chân cổng RJ45........................................................................................ 41
Bảng 3.2 LED chỉ thị cổng RJ45 ................................................................................... 41
Bảng 3.3 Cách điều khiển các chuyển mạch trong IC 4052 .......................................... 47
Bảng 3.4 Chức năng các chân của IC DS1307 .............................................................. 56
Bảng 3.5 Chức năng các chân của IC 25LC1024 .......................................................... 58
Bảng 3.6 Chức năng các chân của LCD 2 dòng 16 cột ................................................. 60
Bảng 3.7 Các lệnh điều khiển LCD 2 dòng 16 cột ........................................................ 61

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình hệ thống nhà thông minh GAMMA ................................................. 13
Hình 1.2 Mô hình nhà thông minh SmartHome của BKAV.......................................... 17
Hình 1.3 Mô hình hoạt động của hệ thống ..................................................................... 22
Hình 2.1 Mô hình cụ thể khối kết nối ngƣời dùng ......................................................... 33
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................ 38
Hình 3.1 Cấu tạo cổng RJ45 .......................................................................................... 41
Hình 3.2 Sơ đồ mạch khối Ethernet – Web Server ........................................................ 42
Hình 3.3 Hình dạng Sim548C ....................................................................................... 43
Hình 3.4 Mạch ứng dụng của Module Sim548C ........................................................... 44
Hình 3.5 IC MAX232 và mạch chuyển đổi điện áp sử dụng IC MAX232 ................... 45
Hình 3.6 IC chuyển mạch điện tử 4052 ......................................................................... 46

Hình 3.7 Module LS-Y201 ............................................................................................ 48
Hình 3.8 Mạch kết nối với module camera .................................................................... 49
Hình 3.9 Mạch giao tiếp với các cảm biến đầu vào ....................................................... 50
Hình 3.10 Mạch giao tiếp với cảm biến nhiệt độ ........................................................... 51
Hình 3.11 Mạch dùng Role điều khiển thiết bị .............................................................. 52
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối với dsPic30F6010A ...................................... 54
Hình 3.13 IC thời gian thực DS1307 ............................................................................. 56
Hình 3.14 Kết nối IC DS1307 với vi điều khiển............................................................ 57
Hình 3.15 IC EEPROM 25LC1024 ............................................................................... 57
Hình 3.16 Mạch ghép nối với IC RTC và IC EEPROM ................................................ 59
Hình 3.17 Mạch ghép nối khối LCD và phím bấm........................................................ 62
Hình 3.18 LDA10-48S5 và mạch cấp nguồn +5V ......................................................... 63
Hình 3.19 Mạch cấp nguồn 3.3V ................................................................................... 64

7


Hình 3.20 Mạch tạo điện áp tham chiếu ........................................................................ 64
Hình 4.1 Sơ đồ hoạt động tổng quát của phần mềm ...................................................... 65
Hình 4.2 So sánh mô hình TCP/IP với cấu trúc Microchip TCP/IP Stack .................... 67
Hình 4.3 Quá trình khởi tạo Camera .............................................................................. 74
Hình 4.4 Chụp ảnh JPEG ............................................................................................... 75
Hình 4.5 Biểu đồ thời gian giao tiếp với IC nhiệt độ DS18B20 .................................... 76

8


MỞ ĐẦU

Hiện nay các thiết bị cơ bản nhƣ quạt điện, bình nóng lạnh, điều hòa, bếp ga, tủ

lạnh, bình chứa nƣớc, máy bơm nƣớc… trong các gia đình chiếm một số lƣợng đáng
kể, đặc biệt là ở các thành phố lớn nhƣ Hà Nội hay thành phố Hồ Chí Minh. Bên cạnh
đó, các hộ gia đình nhỏ với số lƣợng ngƣời ít giờ đây chiếm số lƣợng nhiều. Ngôi nhà
với nhiều trang thiết bị, tài sản cá nhân trong đó không có ai trông giữ trong thời gian
mọi ngƣời vắng nhà, đặc biệt là lúc cả nhà đi nghỉ, du lịch hay dịp về quê ăn tết. Nếu
trong thời gian này mà có kẻ gian đột nhập, hoặc có vấn đề gì về điện gây chập cháy,
thiệt hại thế nào? Và bản thân ngƣời đi làm có thật sự an tâm hoàn toàn? Nếu có một
hệ thống có thể giám sát đƣợc trạng thái ngôi nhà của bạn lúc bạn vắng nhà, hay lúc
ban đêm bạn ngủ say, để khi có gì bất thƣờng, lập tức báo cho bạn biết ngay, chắc chắn
bạn sẽ yên tâm hơn rất nhiều, tập trung hết sức cho việc khác. Đó chắc chắn là điều mà
nhiều ngƣời cần.
Có một thực tế rằng, trong rất nhiều ngôi nhà ở chính Hà Nội này, mọi ngƣời có
nhiều lần bực mình với cái máy bơm nƣớc của gia đình mình. Khi giữa đêm đang ngủ
ngon, bỗng cái máy bơm lại chạy, kêu ầm ĩ, làm mất giấc ngủ ngon. Đó là trƣờng hợp
ở trong ngôi nhà có bể nƣớc ngầm, khi nƣớc thùng chứa trên cao hết, máy bơm tự hoạt
động để bơm nƣớc từ bể ngầm lên thùng chứa nƣớc trên cao. Trong tình huống đó, bạn
sẽ dậy và rút máy bơm, tiếp tục ngủ. Sáng hôm sau dậy đi làm nhƣ thƣờng ngày. Đến
tối về đến nhà, chủ nhà than phiền không hiểu sao hôm nay nƣớc lại hết. Bạn sức nhớ
ra cái máy bơm đêm qua bạn đã rút. Một câu chuyện cũng về cái bơm nƣớc, trƣờng
hợp đối với căn hộ không có bể nƣớc ngầm, mà chỉ có hai bể nƣớc, một cái to, một cái
nhỏ trên tầng. Lúc nào thành phố có nƣớc, cắm máy bơm vào sẽ có nƣớc chảy lên bể.
Nếu máy đang bơm, mà nguồn nƣớc của thành phố đến giờ cắt, nếu không biết để tắt
máy bơm thì nó cứ chạy không, nóng máy, dẫn đến hỏng máy bơm. Nên bắt buộc lúc
9


chạy máy bơm, thỉnh thoảng lại phải xem nƣớc còn chảy hay không. Nhiều khi lại
quên cắm máy bơm, lúc nƣớc hết mới biết, nhƣng lúc đó đâu phải là giờ có nƣớc đâu
mà bơm… Đó chỉ là hai trƣờng hợp điển hình về cái máy bơm nƣớc. Giá nhƣ máy bơm
nƣớc thông minh cái thì tốt hơn không?

Tiếp tục với một câu chuyện về cái bình nóng lạnh. Sau một ngày làm việc căng
thẳng và mệt mỏi, về nhà cái là bạn muốn tắm rửa luôn cho sảng khoái. Nhƣng lại phải
chờ 10 đến 15 phút mới có nƣớc ấm từ bình nóng lạnh để tắm. Nếu có ai đó bật trƣớc
đi, để lúc mình về là có nƣớc dùng có phải tốt hơn không nhỉ? Vậy ai sẽ làm điều đó
khi nhà thì ít ngƣời, mọi ngƣời đều đi vắng hết?
Trên đây là vài trƣờng hợp thực tế cuộc sống thƣờng ngày ta phải đối mặt. Xung
quanh ta, giá mọi thứ đều “thông minh” hơn, theo ý muốn của ta hơn, thì cuộc sống có
phải tốt hơn nhiều không. Nhƣng nó không phải là không làm đƣợc. Khoa học kĩ thuật
đang phát triển mạnh, nền kinh tế đang tăng trƣởng cao, điều kiện sống của ngƣời dân
khởi sắc. Sử dụng Internet, sử dụng điện thoại không còn ở thời kì gọi là xa xỉ nữa, mà
trở nên rất phổ biến. Rất nhiều ứng dụng từ mạng Internet, từ điện thoại đƣợc ra đời,
đem lại cho con ngƣời nhiều tiện ích đáng kể. Do vậy từ thực tế đó, với mục đích trƣớc
mắt là phục vụ chính gia đình mình trƣớc tiên, sau đó là cơ hội để tìm hiểu, nâng cao
kiến thức, để mở rộng ra với nhiều ứng dụng khác, em quyết định chọn đề tài: “GIÁM
SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ THÔNG DỤNG TRONG GIA ĐÌNH TỪ
XA QUA MẠNG (ĐIỆN THOẠI, INTERNET)”. Thiết bị thông dụng ở đây trƣớc
mắt mới chỉ giới hạn ở cái bình nóng lạnh, cái bơm nƣớc, cái quạt điện, cái còi hú để
báo động. Còn giám sát ở mức độ là báo khói, cửa ra vào bị mở hay đóng, hay nhiệt độ
trong phòng, và thêm chức năng có camera để giám sát, chụp lại ảnh trong những thời
điểm có sự kiện xảy ra.

10


Trong quá trình làm đồ án, có những vƣớng mắc nhất định, không chỉ về mặt
định hƣớng mà còn về mặt kiến thức, nhờ đã đƣợc tiếp thu sự giảng dạy, chỉ bảo nhiệt
tình của các thầy cô giáo trong quá trình đào tạo, đã giúp em vƣợt qua đƣợc những khó
khăn, hoàn thành đƣợc mục tiêu đề ra. Em xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô trong
khoa Điện Tử - Viễn Thông, đặc biệt là TS. Nguyễn Nam Quân đã giúp đỡ em rất
nhiều trong quá trình thực hiện và hoàn thiện đồ án này.

Nội dung của đồ án bao gồm những phần sau đây:
 Chƣơng 1: Giới thiệu những giải pháp ở thị trƣờng hiện có cũng nhƣ nhận xét,
đánh giá các sản phẩm đó. Tiếp đó nêu ra tổng quan hệ thống cần xây dựng.
 Chƣơng 2: Nêu những giải pháp, đánh giá và lựa chọn phƣơng án khả thi để
thực hiện cho chức năng từng khối của hệ thống.
 Chƣơng 3: Trên cơ sở phƣơng án đã lựa chọn cho từng khối thực hiện của hệ
thống, nội dung chƣơng này phân tích, tìm hiểu và thực hiện việc kết nối, lắp
ráp các linh kiện điện tử tạo thành hệ thống phần cứng hoàn chỉnh của hệ thống.
 Chƣơng 4: Dựa trên nhiệm vụ hoạt động từng khối chức năng, nội dung chƣơng
này tìm hiểu những giải pháp, thuật toán, cách thực hiện bằng phần mềm trên cơ
sở phần cứng đƣợc thiết kế ở trên.
 Kết luận: Nêu ra những đánh giá, nhận xét kết quả thu đƣợc cũng nhƣ hƣớng
phát triển tiếp tục của đề tài.

11


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG

Nội dung chƣơng này giới thiệu hai giải pháp trên thị trƣờng đang có về hệ
thống tòa nhà thông minh của GAMMA (EIB) của hãng SIEMENS (Đức) và giải pháp
nhà thông minh SmartHome của BKAV (Việt Nam), đồng thời đƣa ra nhận xét, đánh
giá về hai giải pháp này. Tiếp đó, trình bày một cách tổng quan về hệ thống, các chức
năng mà hệ thống có.
1.1 Các giải pháp hệ thống hiện có trên thị trường
Hiện nay trên thị trƣờng, có vài giải pháp về ngôi nhà thông minh đƣợc thực
hiện bởi một số công ty của Việt Nam cũng nhƣ nƣớc ngoài. Ví dụ “Hệ thống nhà
thông minh GAMMA (EIB)” của hãng Siemens, hiện đang có tại Hà Nội, hoạt động
theo ý muốn của ngƣời sử dụng, chức năng điều khiển đa dạng, có khả năng đáp ứng

các yêu cầu của chủ nhà. Tính linh hoạt cao, có thể thay đổi chức năng sử dụng cũng
nhƣ chức năng điều khiển rất đơn giản bất cứ lúc nào mà không cần đi lại dây. Điều
khiển và phối hợp nhiều chức năng trong nhà với nhau theo các kịch bản phong phú.
Một hệ thống khác là hệ thống nhà thông minh SmartHome của công ty BKAV Việt
Nam, là tổng thể các giải pháp nhƣ hệ thống chiếu sáng thông minh, hệ thống cảnh báo
an ninh, hệ thống giám sát môi trƣờng, giải trí và tiện ích... mang lại cho chủ nhân ngôi
nhà sự thoải mái, an toàn và tiết kiệm năng lƣợng. Hệ thống cũng đầy đủ các chức
năng, với khả năng cảnh báo tới ngƣời sử dụng qua điện thoại, hoặc cho phép ngƣời
dùng truy cập vào hệ thống qua mạng Internet

12


1.1.1 Hệ thống nhà thông minh GAMMA (EIB) của Siemens – Đức
Công nghệ Nhà thông minh GAMMA là hệ thống điều khiển tiên tiến, không
cần bộ xử lý trung tâm đã đƣợc hãng Siemens liên tục nghiên cứu và phát triển từ năm
1985. Hệ thống thông minh này đáp ứng đƣợc tất cả các yêu cầu mà những công trình
sang trọng và hiện đại cần phải có.

Hình 1.1 Mô hình hệ thống nhà thông minh GAMMA

Các đặc điểm:
 An toàn cao nhất cho ngƣời sử dụng điện. Các công tắc điện dùng nguồn cấp
24VDC là điện áp an toàn, không nguy hiểm (SELV) theo tiêu chuẩn của Châu
Âu
 Điều khiển và phối hợp nhiều chức năng trong nhà với nhau theo các kịch bản
phong phú. Các kịch bản chiếu sáng, báo cháy, chống trộm, điều khiển cửa ra

13

vào, gara, cửa sổ, rèm che cửa, bơm nƣớc, hệ thống camera quan sát, hệ thống
nghe-nhìn (audio-video) trong nhà.
Nguyên lý hoạt động và cấu trúc hệ thống:
Với công nghệ nhà thông minh GAMMA, các thiết bị theo tiêu chuẩn EIB
(European Installation Bus), một tiêu chuẩn của Châu Âu, đƣợc liên kết với nhau thông
qua một dây cáp đôi duy nhất với điện áp 24VDC (cáp EIB). Các thiết bị liên lạc với
nhau bằng cách gửi tin theo địa chỉ định trƣớc (mỗi thiết bị đƣợc thiết lập một địa chỉ).
Các thiết bị nhận tín hiệu (công tắc, cảm ứng chuyển động, cảm nhận sự hiện diện,
remote control...) nhận lệnh và chuyển tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành
(switch loader, dimmer…) để đóng mở đèn, quạt, bình nóng lạnh, rèm cửa và các thiết
bị điện khác theo ý muốn. Ngoài ra, các thiết bị này còn có thể tự động hoạt động mang
lại hiệu quả tối ƣu thông qua các bộ điều khiển (logic control, timer, scenes control…).
Công nghệ Nhà thông minh GAMMA hoạt động theo cấu trúc điều khiển phân
tán, nghĩa là không cần một bộ điều khiển trung tâm, các thiết bị trong hệ thống đều có
khả năng xử lý thông tin và hoạt động một cách độc lập. Điều này đảm bảo tính vận
hành liên tục của toàn hệ thống mà không bị phụ thuộc vào bất cứ thiết bị trung tâm
nào.
Điều khiển theo kịch bản – Scene control
Hệ thống thiết kế chủ yếu dành cho các biệt thự, tòa nhà sang trọng. Biệt thự
đƣợc thiết kế gồm các khu vực nhƣ: phòng khách, phòng ăn, phòng ngủ master, phòng
sinh hoạt chung. Các phòng này đƣợc lập trình điều khiển chiếu sáng theo kịch bản
(scene) phù hợp với các chức năng sử dụng khác nhau.
Điều khiển theo thời gian – Timer control
Chức năng này đƣợc thiết kế cho:
14


 Đèn hành lang, đèn ban công, đèn chiếu sáng sân vƣờn.
 Bình nƣớc nóng các phòng ngủ (tuỳ chọn).

 Hệ thống bơm nƣớc bể cảnh (nếu có).
Các hệ thống này sẽ đƣợc lập trình để tự động vận hành theo thời gian đặt trƣớc theo
đúng lịch sinh hoạt của gia chủ giúp cho cuộc sống trong nhà tiện nghi hơn và tiết kiệm
năng lƣợng điện.
Cảm biến chuyển động – Motion detector
Các cảm biến chuyển động đƣợc lắp tại các vị trí:
 Khu vực sân vƣờn.
 Khu vực cầu thang, khu vực hành lang.
 Các khu WC các phòng ngủ.
Cảm biến chuyển động này sẽ tự động bật đèn chiếu sáng hay quạt hút gió trong khu
vực giám sát của cảm biến đó ngay khi có ngƣời xuất hiện và sẽ tự động tắt sau một
thời gian định trƣớc khi không có ngƣời sử dụng.
Hệ thống báo cháy
Hệ thống báo cháy tự động bao gồm các bộ cảm biến khói và nhiệt độ. Khi kết
hợp với quạt hút, hệ thống báo động hoặc hệ thống cảnh báo qua điện thoại sẽ kịp thời
cảnh báo sự cố tại chỗ hoặc từ xa.
Cảm biến khói – smoke detector đƣợc đặt tại khu vực bếp và có thể phát triển
thêm tại một số khu vực có nguy cơ cháy cao trong quá trình sử dụng sau này.
Khi phát hiện có khói hoặc nhiệt độ tăng quá mức, quạt hút khói sẽ tự động bật
để hút hết khói ra ngoài, đèn và còi báo cháy sẽ đƣợc kích hoạt, đồng thời một cuộc gọi
khẩn cấp đến các số điện thoại cần thiết sẽ đƣợc thực hiện.
15


Hệ thống máy bơm nƣớc cứu hỏa (nếu có) sẽ tự động bật ngay khi có tín hiệu
cháy nhằm tạo áp suất nƣớc cao giúp cho việc chữa cháy kịp thời. Sự phối hợp hoạt
động của các thiết bị trong nhà cho mỗi trƣờng hợp đều có thể thay đổi theo thực tế và
yêu cầu cụ thể của gia chủ.
Hệ thống cảnh báo đột nhập
Hệ thống cảnh báo đột nhập tự động ngăn chặn và cảnh báo cho gia chủ những xâm

phạm của kẻ gian. Hệ thống này bao gồm các cảm biến chuyển động, đèn chiếu sáng,
các rơ le cửa ra vào và mạng điện thoại trong nhà (tuỳ chọn).
Chức năng điều khiển từ xa
Biệt thự đƣợc trang bị chức năng điều khiển từ xa tại mọi vị trí trong và ngoài nhà. Với
06 bộ điều khiển từ xa cầm tay (remote control), gia chủ có thể điều khiển tổng cộng
tới hơn 90 thiết bị, chức năng, trong khoảng cách từ 30m - 100m và không bị cản trở
bởi tƣờng gạch, kính, gỗ hay bất cứ vật cản nào.

16


1.1.2 Hệ thống nhà thông minh SmartHome của BKAV – Việt Nam
Công ty Đầu tƣ Phát triển Công nghệ Ngôi nhà thông minh SmartHome là
doanh nghiệp đầu tiên tại Việt Nam đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu và sản
xuất thiết bị điện tử thông minh, phục vụ các công trình dân dụng và công nghiệp.
Hệ thống nhà thông minh SmartHome là tổng thể các giải pháp nhƣ hệ thống
chiếu sáng thông minh, hệ thống cảnh báo an ninh, hệ thống giám sát môi trƣờng, giải
trí và tiện ích... sẽ mang lại cho chủ nhân ngôi nhà sự thoải mái, an toàn và tiết kiệm
năng lƣợng.

Hình 1.2 Mô hình nhà thông minh SmartHome của BKAV

 Hệ thống chiếu sáng thông minh: đƣợc thiết kế để có khả năng hoạt động tự
động hoàn toàn, tùy biến ánh sáng, màu sắc với công nghệ LED đáp ứng mọi
nhu cầu, kịch bản mong muốn của chủ nhân ngôi nhà.
 Hệ thống an ninh: sẽ kiểm soát đƣợc sự xâm nhập trái phép, nguy cơ cháy nổ.
Hệ thống các cảm biến, camera sẽ giúp kiểm soát ngôi nhà ở bất cứ đâu.
17

 Hệ thống kiểm soát môi trường: Với hệ thống sensor cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,
nồng độ oxy... thông tin về môi trƣờng của toàn bộ ngôi nhà sẽ đƣợc hệ thống
kiểm soát môi trƣờng phân tích, xử lý để tạo ra môi trƣờng sống tốt nhất.
 Giải trí và tiện ích: Hệ thống đa phƣơng tiện với các thƣ viện hình ảnh, âm
nhạc, phim ảnh... Ngoài ra, hệ thống còn có nhiều tiện ích, giúp bạn nấu một
món ăn ngon hay nhắc bạn các công việc hàng ngày.

1.1.3 Đánh giá các sản phẩm trên thị trƣờng
Trên đây là hai giải pháp của hai công ty thực hiện hệ thống ngôi nhà thông
minh. Về cơ bản các chức năng đều nhằm giám sát trạng thái của hệ thống, giám sát an
ninh, để phát hiện những sự cố, cũng nhƣ giám sát các thông số môi trƣờng xung
quanh. Chức năng điều khiển cũng nhằm điều khiển các thiết bị trong gia đình. Hệ
thống cũng có chức năng cảnh báo tới ngƣời sử dụng, cho phép ngƣời sử dụng có thể
truy cập vào hệ thống để điều khiển. Tuy nhiên đây là những giải pháp đã đƣợc thƣơng
mại hóa, là sản phẩm áp dụng cho hệ thống căn nhà hiện đại, lớn với trang thiết bị
đƣợc lắp đặt đồng bộ, đa dạng. Chi phí cho hệ thống cũng cao tƣơng ứng. Đối với hệ
thống SmartHome của BKAV giá tối thiểu cũng đã là 200 triệu, còn với hệ thống
GAMMA giá thành cho hệ thống phải ở con số 25 ngàn USD. Những giải pháp này
khó có thể áp dụng cho những ứng dụng thông thƣờng đƣợc.
Trên thị trƣờng cũng có vài giải pháp của các công ty khác, nhƣng nhìn chung
giá thành cũng tƣơng đối cao, khó áp dụng linh hoạt cho những ứng dụng nhỏ lẻ mà đa
số nhiều ngƣời cần đƣợc.

18


1.2 Ý tưởng về xây dựng hệ thống
Từ nhu cầu thực tế cần thiết xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống các
thiết bị, vật dụng trong gia đình nhƣ trên, cộng với khả năng đáp ứng trên thị trƣờng
còn hạn chế, bên cạnh nền khoa học kĩ thuật phát triển với nhiều công nghệ mới, cho

phép ta hình thành ý tƣởng và xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển theo các
chức năng mà mình cần.
Về cơ bản, thành phần chính của hệ thống gồm 3 chức năng:
 Chức năng giám sát (các trạng thái của căn hộ)
 Chức năng điều khiển (điều khiển các thiết bị, vật dụng)
 Chức năng kết nối (kết nối tới ngƣời sử dụng bằng điện thoại, Internet hay kết
nối máy tính trực tiếp)
1.2.1 Chức năng giám sát
 Giám sát sự an toàn của ngôi nhà, khi có sự cố nhƣ bị chập cháy, hay bị kẻ gian
đột nhập thì hệ thống phải biết đƣợc. Để phát hiện đƣợc chập cháy thì cần phát
hiện đƣợc có khói trong ngôi nhà. Còn khi có kẻ gian đột nhập vào, cách thông
thƣờng là căn cứ vào trạng thái cửa.
 Giám sát đƣợc nhiệt độ trong phòng. Nhiệt độ luôn biến đổi theo thời gian, theo
không gian. Căn cứ vào nhiệt độ từng thời điểm, để hệ thống có những xử lý
khác nhau.
 Giám sát mực nƣớc ở bể nƣớc, và xác định tình trạng nƣớc lúc máy bơm hoạt
động.
1.2.2 Chức năng điều khiển
 Điều khiển hoạt động của máy bơm nƣớc. Máy bơm nƣớc hoạt động khi nƣớc
trên bể đã sắp hết, và lúc máy bơm hoạt động phải là trong thời gian thành phố
cấp nƣớc, (bài toán ở đây đang áp dụng cho trƣờng hợp căn hộ không có bể
19


nƣớc ngầm, mà chỉ có thùng nƣớc lắp trên đỉnh căn hộ, máy bơm sẽ bơm trực
tiếp từ hệ thống nƣớc của thành phố lên bể luôn, nên hoạt động phải phụ thuộc
là lúc nào có nƣớc mới bơm đƣợc).
 Thiết bị thứ hai cần điều khiển là camera giám sát. Với mục đích là xây dựng
nhiều camera, nhƣng để đơn giản, trƣớc mắt hệ thống chỉ sử dụng 1 camera.
 Thiết bị thứ ba cần điều khiển là bình nóng lạnh. Bình nóng lạnh sẽ đóng cắt khi

xảy ra một trong hai điều kiện. Thứ nhất là khi có ngƣời ở nhà dùng tay bật nhƣ
khi nó hoạt động bình thƣờng. Và điều kiện thứ hai khi do hệ thống bật. Lúc này
bình nóng lạnh sẽ hoạt động
 Thiết bị thứ tƣ cần điều khiển là cái quạt điện, sử dụng trong thời điểm nóng
bức. Về đêm, lúc nào mà nhiệt độ xuống thấp thì tắt quạt đi, còn nếu không vẫn
để trạng nhƣ nhƣ bình thƣờng.
 Và cuối cùng là điều khiển cái thiết bị báo động. Thiết bị này không phải tùy
tiện lúc nào cũng có thể kêu đƣợc, mà nó chỉ kêu khi hệ thống tác động vào thì
nó mới đƣợc phép kêu, mà hệ thống tác động khi nào có yêu cầu của ngƣời chủ
mới đƣợc phép.
1.2.3 Chức năng kết nối
Mục đích của chức năng này là kết nối với ngƣời dùng. Để kết nối với ngƣời
dùng có nhiều cách để tiếp cận. Kết nối bằng điện thoại, kết nối thông qua Internet, kết
nối thông qua máy tính của chủ căn hộ khi máy tính đấu trực tiếp vào thiết bị ở nhà,
hay kết nối với ngƣời dùng bằng tƣơng tác bàn phím, màn hiển thị LCD ngay trên hệ
thống. Với 2 trƣờng hợp cuối khi ngƣời dùng ở nhà, sử dụng trực tiếp vào hệ thống.
Ở cách kết nối thông qua điện thoại, có hai chiều tác động. Thứ nhất là chiều từ
hệ thống tới ngƣời sử dụng. Trƣờng hợp này xảy ra khi hệ thống nhận biết đƣợc căn
nhà có sự cố (ví dụ có chập cháy, nhiệt độ phòng quá cao, hay có kẻ đột nhập vào), lúc
này hệ thống sẽ gửi tin nhắn thông báo tới chủ nhân của nó. Còn trƣờng hợp thứ hai là
20


chiều từ ngƣời dùng tác động lên hệ thống. Tác động bằng cách gửi tin nhắn để điều
khiển một thiết bị nào đó,
Ở cách kết nối thứ hai là kết nối thông qua Internet. Để thực hiện đƣợc điều này,
trƣớc hết trong căn hộ phải lắp mạng Internet. Khi đã có mạng rồi, cắm thiết bị vào
mạng để thiết bị kết nối với mạng. Lúc này ngƣời dùng ở một địa điểm khác, chẳng
hạn ở cơ quan, ở nhà hàng, khách sạn, quán café… sẽ dùng máy tính để bàn, hoặc xách
tay hay điện thoại truy cập web để truy cập vào thiết bị. Khi đã truy cập đƣợc vào, các

thống tin trạng thái của căn hộ nhƣ trạng thái cửa là đóng hay mở, trạng thái chập cháy
có vấn đề gì không? Nhiệt độ hiện giờ ở nhà là bao nhiêu. Và cũng thông qua giao diện
web, ngƣời dùng có thể bật tắt đƣợc các thiết bị ở nhà thông qua các nút ấn trên giao
diện màn hình.
Ở cách kết nối thứ ba là dùng máy tính cá nhân ở nhà kết nối trực tiếp vào thiết
bị thông qua truyền thông nối tiếp RS232. Sử dụng cách này với trƣờng hợp ngƣời
dùng ở nhà không có mạng Internet. Lúc này ngƣời dùng cũng có đƣợc các thông tin
về căn hộ cũng nhƣ có những tác động lên hê thống. Trƣờng hợp này nhằm với mục
đích là thiết đặt các tham số cho hệ thống khi chủ nhân muốn thay đổi, chẳng hạn nhƣ
thay đổi ngƣỡng bật tắt quạt từ 28 độ lên 30 độ chẳng hạn, hay thay đổi thời gian kích
hoạt hệ thống báo động từ 11 giờ đêm đến 6h sáng hôm sau chẳng hạn…
Và cách tƣơng tác cuối cùng là tƣơng tác trực tiếp với ngƣời sử dụng bằng phim
bấm và màn hiển thị LCD. Mục đích chính của tƣơng tác này là giúp ngƣời dùng thay
dổi các tham số cấu hình cho hệ thống cho phù hợp với từng thời điểm ,từng chức
năng, tùy sở thích từng ngƣời. Ngoài ra, cũng cho phép ngƣời dùng biết đƣợc trạng thái
hiện tại của hệ thống, và cũng có những tác động điều khiển lên hệ thống thông qua
giao diện trên màn hình chỉ thị LCD

21


1.3 Mô hình tổng quan hệ thống
Từ những chức năng cơ bản nêu trên, ta hình dung đƣợc mô hình hoạt động của hệ
thống nhƣ sau:

Ngƣời dùng
Khối
cảm biến vào
M
GS

S/
R
GP

Giám sát
Xử lý
trung
tâm

Kết
nối

Internet

Điều khiển

Khối
chấp hành

Ngƣời dùng

Hệ thống

Ngƣời dùng

Ngƣời dùng

Hình 1.3 Mô hình hoạt động của hệ thống

22

Hệ thống có 3 khối tƣơng tác:
 Khối giám sát hoạt động trên cơ sở thông qua trạng thái các cảm biến vào nhƣ
cửa, khói, nhiệt độ, mực nƣớc ở bể và trạng thái có nƣớc chảy vào bể lúc máy
bơm hoạt động hay không.
 Khối tƣơng tác thứ hai, điều khiển là tƣơng tác với các thiết bị nhƣ máy bơm
nƣớc, Camera, bình nóng lạnh, quạt điện và báo động để điều khiển chúng hoạt
động theo sự tác động của chủ nhân hoặc theo chu trình đã cài đặt sẵn.
 Và khối tƣơng tác thứ 3 là tƣơng tác với ngƣời dùng. Có 4 hình thức trao đổi
với ngƣời dùng, biểu hiện bằng 4 hình ngƣời trên hình vẽ, đó là qua điện thoại,
qua mạng Internet, qua máy tính cá nhân kết nối trực tiếp với thiết bị, hoặc qua
giao diện phím bấm, màn LCD chỉ thị.
Nhƣ vậy, xem qua mô hình hoạt động của hệ thống, ta thấy rõ hệ thống tạo ra đƣợc cầu
nối giữa các thiết bị trong gia đình với chủ nhân của nó, xóa bỏ khoảng cách về không
gian và thời gian. Giúp cho ngƣời dùng có đƣợc sự kiểm soát đƣợc căn hộ của mình
bất cứ lúc nào, lúc ở nhà hay lúc vắng nhà, tạo sự an tâm, thoải mái cũng nhƣ sự chủ
động trong công việc, cuộc sống. Bên cạnh đó, hoạt động hệ thống giúp bạn giảm thiểu
sự lãng phí năng lƣợng, về thời gian, tiền bạc…

1.4 Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi của đề tài:
Mục đích nghiên cứu trƣớc tiên là làm ra đƣợc sản phẩm để sử dụng cho ngay
tại gia đình mình, cho bố mẹ mình ở nhà, cho bạn bè ngƣời thân. Sản phẩm giúp ta có
thể quản lý đƣợc tình trạng ngôi nhà thông qua bản tin cảnh báo gửi tới điện thoại khi
có sự cố nhƣ kẻ gian đột nhập, khi bị chập cháy…, bên cạnh đó sản phẩm còn giúp ta
có thể điều khiển đƣợc một số việc nhƣ bật tắt một số thiết bị trong nhà qua tin nhắn từ

23

điện thoại. Ngoài ra, bất cứ chỗ nào có Internet cũng cho phép ta có thể truy cập đƣợc
hệ thống ở nhà mình, và cũng đƣợc điều khiển bằng giao diện trên web.
Với một hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh là một đề tài lớn,
để làm đƣợc đòi hỏi nhiều thời gian, kiến thức và công sức. Trong phạm vi của đề tài
này, em chỉ tập trung vào một số vấn đề sau:
 Phát hiện đƣợc những sự cố nhƣ bị cháy, bị trộm đột nhập, nhiệt độ cao để báo
cho chủ nhân biết.
 Ghi lại đƣợc hình ảnh vào thời điểm xảy ra sự cố nhƣ bị cháy, bị kẻ gian đột
nhập
 Gửi tin nhắn SMS tới số điện thoại chủ nhân trong trƣờng hợp xảy ra sự cố,
cũng nhƣ cho phép chủ nhân sử dụng điện thoại để điều khiển thiết bị cũng nhƣ
nghe đƣợc âm thanh trong ngôi nhà của mình.
 Cho phép ngƣời sử dụng trình duyệt web (firefox, chrome, IE …) thông qua
Internet có thể truy cập vào hệ thống để biết đƣợc trạng thái, thông tin hệ thống
của mình. Đồng thời cho phép chủ nhân điều khiển các thiết bị thông qua giao
diện Web.
 Trong trƣờng hợp chủ nhân không có điều kiện sử dụng Internet, hệ thống cũng
cho phép chủ nhân dùng máy tính kết nối trực tiếp với thiết bị để điều khiển,
hoặc biết đƣợc thông tin trạng thái của hệ thống.
 Hệ thống có khả năng điều khiển một số thiết bị thông dụng trong gia đình nhƣ
bật tắt bình nóng lạnh, điều chỉnh bật tắt quạt điện tùy nhiệt độ môi trƣờng.
Ngoài ra hệ thống có khả năng kích hoạt hệ thống báo động trong trƣờng hợp
xảy ra sự cố hoặc kẻ gian đột nhập

24


1.5 Phương pháp nghiên cứu:
 Tham khảo tài liệu: thu thập thông tin kiến thức từ sách, báo, tài liệu, các tạp
chí, và sử dụng Internet để tìm hiểu về điện, điện tử, viễn thông, tự động hóa…

 Phƣơng pháp khảo sát: khảo sát nhu cầu thực tế, khả năng tài chính cũng nhƣ hạ
tầng đi kèm, vật tƣ trang thiết bị… Khảo sát các sản phẩm hiện đang có trên thị
trƣờng, công dụng, chức năng cũng nhƣ giá thành, chi phí sản phẩm.
 Phƣơng pháp thực nghiệm: từ nhu cầu thực tế nảy sinh những ý tƣởng để thực
hiện, kết hợp với vốn kiến thức đã đƣợc trang bị và tìm hiểu, cộng với sự hƣớng
dẫn, chỉ bảo của giảng viên hƣớng dẫn, ngƣời thực hiện đã thiết kế, thử nghiệm
những giải pháp khác nhau, nhiều cách tiếp cận, hƣớng đi để cuối cùng chọn lọc
ra đƣợc phƣơng án khả thi nhất.

25