Xây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn học thực hành vi điều khiển nâng cao

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
-----o0o-----

Tên giải pháp

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM NHÀ THÔNG MINH ỨNG
DỤNG TRONG MÔN HỌC THỰC HÀNH VI ĐIỀU KHIỂN NÂNG
CAO


TÓM TẮT
Đề tài “Xây dựng mô hình thí nghiệm nhà thông minh ứng dụng trong môn
học thực hành vi điều khiển nâng cao” được nghiên cứu nhằm mục đích hỗ trợ môn
học “Vi điều khiển nâng cao” giúp sinh viên có thể tự học, nghiên cứu và điều khiển
được các thiết bị cảm biến, các module điều khiển trên mô hình thí nghiệm để biến
mô hình nhà kit thí nghiệm thành một mô hình nhà thông minh như thực tế, sinh
viên có thể ứng dụng và mang những thiết bị đó vào đời sống của chính mình, xã
hội… từ những gì đã học trên mô hình kit thí nghiệm. Trọng tâm đề tài là thiết kế
mô hình kit thí nghiệm gồm phần khung mô hình nhà, các board kit thí nghiệm. Mô
hình được điều khiển bởi các thiết bị tự động từ các cảm biến PIR, Gas, Mưa, Nhiệt
độ, Độ ẩm… các module chính SIM900, Ethernet, RFID. Các module thí nghiệm
được điều khiển độc lập từ cho mỗi phòng và được giao tiếp với nhau qua chuẩn
giao tiếp UART về với board chủ. Mô hình kit thí nghiệm được thiết kế bắt mắt với
nhiều module, cảm biến đa dạng gần giống với các thiết bị công nghệ thật trong nhà
thông minh thực tế và thực hành được 4 sinh viên trên kit thí nghiệm một lúc.

MỤC LỤC
2

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, trên thế giới và cả Việt Nam đang có sự phát triển không ngừng về
mặt khoa học kĩ thuật, điện - điện tử và công nghệ thông tin, nó đã đem lại nhiều sự
tiện lợi giúp cho đời sống con người càng ngày càng hiện đại và tiên tiến hơn, một
cuộc sống hoàn thiện hơn như : tiện ích, tiện nghi và an toàn khi chủ nhà vắng nhà
là mong ước của nhiều hộ gia đình.
Hiện nay, các thiết bị công nghệ thông minh đã được vào đời sống con người,
nhất là trong sinh hoạt hằng ngày. Do đó, con người đã dần làm quen đến các thiết bị
thông minh này. Tại Việt Nam, đã có nhiều công ty cho ra đời các dự án nhà thông
minh, nhưng giá thành quá cao so với khoản thu nhập của họ hàng tháng nên càng
ngày các thiết bị thông minh trở nên xa lạ với các gia đình có thu nhập thấp.
Quá trình học môn lập trình vi điều khiển hiện nay chỉ dựa trên các phần
mềm mô phỏng, kit thí nghiệm đơn giản hạn chế, không trực quan sinh động khiến
sinh viên không hình dung được môi trường thực tế khi học tập. Ở trường, học vi
điều khiển nâng cao sẽ bổ sung thêm kiến thức chuyên sâu hơn cho sinh viên nhưng
chỉ học dựa trên lý thuyết thì sinh viên sẽ không hiểu và nhanh quên mà trường chưa
có mô hình thí nghiệm vi điều khiển nâng cao dẫn đến sinh viên dễ quên và không
nắm hết kiến thức.
Mô hình nhà thông minh được trang nhiều loại thiết bị điện tử, các loại
module và cảm biến thông qua nhiều chuẩn giao tiếp khác nhau, việc thực hiện điều
3


khiển mô hình nhà thông minh sẽ ôn lại cho sinh viên các nền tảng kiên thức cơ bản
và phát triển thêm các kiến thức nâng cao, qua đó sinh viên sẽ hiểu rõ hơn quy trình
điều khiển nhà thông minh là như thế nào.

Chương 1 TỔNG QUAN
1.1.Mục đích của đề tài

1) Xây dựng một mô hình nhà thông minh với các hệ thống tự động hóa và các hệ
thống thông minh như: hệ thống điều khiển thiết bị, hệ thống mở cửa bằng thẻ từ, hệ
thống cảnh báo trộm... giá thành phù hợp với nền kinh tế Việt Nam hiện nay.
2) Thiết kế mô hình thí nghiệm cho môn thực hành vi điều khiển nâng cao, đa dạng các
thiết bị điện, cảm biến, module thực tế ngoài thị trường để sinh viên có cơ hội tiếp
cận và học tập.

1.2.Giới thiệu tổng quan kit thí nghiệm nhà thông minh
Cuối những năm 1990, nhà thông minh vẫn được xem là một thứ xa xỉ của
nhà giàu. Tuy nhiên, với sự ra đời và phổ biến của công nghệ vi điện tử và chi phí
ngày càng giảm của chúng, chi phí của các thiết bị điện tử thông minh cũng đã giảm
đáng kể cho phép các công nghệ điều khiển thông minh có thể được ứng dụng rộng
rãi.
Nhà thông minh (Smart Home) là ngôi nhà được trang bị các hệ thống thông
minh tự động điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, an ninh, tuyển thông đa phương
tiện, rèm cửa và một số tính năng khác nhằm làm cho cuộc sống con người ngày
càng hiện đại hơn, tiện nghi hơn, an toàn hơn và góp phần tiết kiệm được nhiều
nguồn tài nguyên.
Để được gọi là nhà thông minh ( Smart Home ) ngôi nhà phải được xây dựng
kết hợp với nhiều công nghệ tiện ích hiện đại, giúp ích cho dời sống được cải thiện
và nâng cao chất lượng. Nhà thông minh được chia ra rất nhiều cấp mức độ khác
nhau tùy vào công nghệ mình sử dụng, giá thành, các tập đoàn cung cấp… Nhu cầu
của mỗi gia đình và tài chính là khác nhau vì thế để sở hữu những căn hộ thông
4


minh là một ước mơ của nhiều gia đình chưa có mức thu nhập thấp. Để sở hữu được
những công nghệ đó những gia đình có thể lựa chọn mục đích riêng cho gia đình
mình là: điều khiển được các thiết bị trong nhà một cách an toàn và tiện ích, cao cấp
hơn là điều khiển qua điện thoại, các thiết bị không dây Bluetooth, mạng internet

( IoT )… Hay ngôi nhà của mình cần được trang bị nhiều thiết bị công nghệ khác
liên quan đến an toàn và an ninh là: cảnh báo ra vào đóng cửa, cảnh báo cháy, cảnh
báo mưa, hiển thị nhiệt độ và cảnh báo trộm cướp để đối phó và điều khiển được các
thiết bị tương ứng xử lý.

Hình 1.2.1.1.1.1.1: Nhà thông minh
Vài năm trở lại đây, khi thế giới đang dần tiến vào kỷ nguyên Internet of
Things (IoT), kết nối mọi vật qua Internet, nhà thông minh trở thành một xu hướng
công nghệ tất yếu, là tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại. Tại triển lãm lớn nhất thế giới về
công nghệ điện tử và tiêu dùng diễn ra đầu tháng 1/2015 tại Las Vegas (Mỹ), nhà
thông minh là một trong những chủ đề “nóng” nhất.

5


1.3.Những giải pháp khoa học đã được thực hiện trong và ngoài nước
1.3.1. Mô hình nhà thông minh của Đại học Hertfordshire
“Số lượng người già ngày tăng theo từng năm và nhiều thống kê cho thấy tỷ
lệ người già sống độc thân cũng tăng dần”, Discovery dẫn lời ông Johann Siau,
giảng viên bộ môn hệ thống liên lạc kỹ thuật số của Đại học Hertfordshire tại Anh.
Discovery cho biết, Siau và các đồng nghiệp đang thực hiện dự án nhà thông
minh mang tên InterHome. Mục tiêu ban đầu của dự án là cho phép chủ nhân điều
khiển các thiết bị trong nhà bằng máy tính hoặc điện thoại di động. Ngoài ra nó còn
giúp chủ nhà giảm lượng điện tiêu thụ hàng ngày.
Nhóm của Siau cũng xem xét việc bổ sung nhiều dịch vụ khác vào hệ thống
nhà thông minh, như chức năng gửi thông điệp cảnh báo khi một người mắc bệnh
mất trí nhớ lạc đường và không về nhà.

Hình 1.3.1.1.1.1.1: Một mô hình nhà thông minh của Đại học Hertfordshire.
Ưu điểm: nhà thông minh có thế nhận biết được người trong nhà bị ốm và

thông báo cho người thân qua các thiết bị di dộng, internet để người thân biết và
theo dõi từ xa.

6


1.3.2. Mô hình nhà thông minh Đại học Bách Khoa TP.HCM
Đề tài thiết kế bởi 3 sinh viên Đại học Bách Khoa TP.HCM, Đạt giải nhất
trong cuộc thi “thiết kế hệ thống với chip vi điều khiển (MCU) lần thứ hai do Texas
Intruments (TI)- công ty điện tử bán dẫn và công nghệ xử lý tín hiệu số tổ chức.
Ý tưởng của đề tài xuất phát từ thực tiễn khi thấy xã hội mình ngày càng tiến
bộ, công nghệ ngày càng tiên tiến thì đời sống con người phải được cải thiện hơn.
Mà nhà chính là nơi gắn bó với con người nhất, chia sẻ nhiều điều với con người
nhất. Hơn nữa, đề tài này khá rộng và phải làm nhiều và cũng muốn thử sức mình ở
một đề tài khó như vậy.

Hình 1.3.2.1.1.1.1: Mô hình nhà thông minh của sinh viên Đại học Bách Khoa
Ưu điểm: điều khiển được các thiết bị đèn, cửa trong nhà qua thiết bị tự
động, mã khóa bằng mật khẩu..

7


Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH KIT THÍ NGHIỆM
THỰC TẾ
2.1.Nghiên cứu thiết kế mô hình
Qua tìm hiểu các ngôi nhà thực tế, kết hợp với yêu cầu thực tế giảng dạy tại
khoa Cơ điện – Điện tử trường đại học Lạc Hồng, nhóm đã xây dựng và thiết kế lại
mô hình nhà cho riêng mình để làm đề tài.
Mô hình được thiết kế 4 phòng gồm phòng khách, 2 phòng ngủ và 1 phòng

bếp. Trong mỗi phòng đều được trang bị nhiều loại cảm biến và board điều khiển để
sinh viên có đầy đủ thiết bị thực hành trên mô hình nhà thông minh.
Mô hình nhà được thiết kế trên phần mềm SolidWorks và sử dụng gỗ gia
công trên máy phay CNC để dựng lên khung mô hình.
Mô hình nhà có kích thước: 100 x 80 x 40 cm.

Hình 2.1.1.1.1.1.1: Mô hình nhà thông minh trên phần mềm SOLIDWORK.

8


2.2.Thi công mô hình và thực tế

Hình 2.2.1.1.1.1.1: Khung mô hình nhà thông minh hoàn thiện.
Qua việc thiết kế và nhóm đã tiến hành thi công gia công mô hình kit thành
công và hoàn thành sản phẩm:

•
•
•
•
•
•

Thông tin về mô hình:
Chất liệu gia công tường nhà: ván gỗ bột 4mm
Chất liệu gia công sàn nhà: ván gỗ thông 10mm
Chất liệu gia công hộp chân nhà: gỗ xoan đào 15mm
Kích thước mô hình: 1000 x 800 x 20mm
Độ bền: bền

Mô hình được lắp các thiết bị điều khiển ngõ ra: đèn LED, màn hình
LCD, động cơ sevor, quạt mini.

9


Chương 3 MODULE ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUYÊN LÝ
KẾT NỐI
3.1. Giới thiệu board mạch, module và cảm biến
3.1.1. Arduino Mega 2560

1

Arduino mega 2560

Mô hình thí nghiệm nhà thông minh sử dụng chíp ATmega 2560 được tích
hợp Board Arduino mega 2560.
Tuy sử dụng phần cứng trên nền tảng board Arduino mega 2560 nhưng vẫn
lập trình dựa trên trên phần mềm CodevisionAVR.

•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

•

Thông số kĩ thuật:
Vi điều khiển: ATmega 2560
Điện áp hoạt động: 5V
Nguồn ngoài: 7-9V
54 chân Digital (15 chân PWM).
16 chân analog.
4 bộ UART.
1 bộ SPI.
1 bộ I2C.
6 chân ngắt ngoài.
Bộ nhớ Flash: 256KB, 8KB sử dụng cho Bootloader
SRAM:8 KB
10


•
•

EEPROM: 4 KB
Xung clock: 16 MHz

3.1.2. Module SIM900 shield

1

Module

SIM900

shield
SIM900

Shield
mở

là

board

rộng

GMS/GPRS cho Arduino sử dụng module SIM900 Quad-band GSM / GPRS nó
được điều khiển thông qua tập lệnh AT (AT Commands) hoàn toàn tương thích với
các board Arduino và Mega.
 Thông số kĩ thuật:
• Quad-Band 850/900/1800/1900MHz
• GPRS multi-slot calss 10/8
• GPRS mobile station class B
• Compliant to GSM phase 2/2+
• Class 4 (2W@850/900MHz)
• Class 1 (1W@1800/1900MHz)
• Điều khiển và các tập lệnh (GSM 07.07, 07.05 and SIMCOM
•
•
•
•

enhanced AT Commands)

Dịch vụ tin nhắn ngắn.
Chỉ số: PWR, status LED, net status LED
Nguồn cấp: 9~20V, compatible with Arduino
Giao thức truyền thông: UART

11


3.1.3. Module RFID

Hình 3.1.3.1.1.1.1: Module RFID RC522
Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 cảu phillip dùng để đọc và ghi
sữ liệu cho thể NFC tần số 13.56mhz.
 Thông số kĩ thuật:
• Dòng chế độ chờ: 1013mA.
• Dòng chế độ nghỉ: <80uA.
• Tần số sóng mang: 13.56MHZ.
• Khoảng cách hoạt động: 0~60mm.
• Giao tiếp: SPI.
• Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s.
• Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare
•

UltraLight, mifare Pro, mifare Defire.
Kích thước: 40mm x 60mm.

12


3.1.4. Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR

1

C

ả
m

Biến Thân Nhiệt Chuyển Động PIR
Cảm biến PIR phát hiện chuyển động bằng cách đo những thay đổi trong bức
xạ hồng ngoại phát ra bởi các đối tượng. Khi phát hiện chuyển động cảm biến PIR
sẽ xuất ra 1 xung ở mức cao, xung này được đọc bởi 1 vi điều khiển để thực hiện
chức năng mong muốn.
 Thông số kỹ thuật:
•
•
•
•
•
•
•

Phạm vi phát hiện: góc 360 độ hình nón, độ xa tối đa 6m.
Nhiệt độ hoạt động: 32-122oF(50oC)
Điện áp hoạt động: DC 3.8V – 5V
Mức tiêu thụ dòng: <50uA
Thời gian báo: 30s có thể chỉnh bằng biến trở.
Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở.
Kích thước: 1.27 x 0.96 x1.0

13

3.1.5. Mạch thời gian thực RTC DS1307

1

Mạch Thời Gian Thực RTC DS1307

Module thời gian thực DS1307 có chức năng lưu trữ thông tin ngày tháng
năm cũng như giờ phút giây, nó sẽ hoạt động như một chiếc đồng hồ và có thể xuất
dữ liệu ra ngoài qua giao thức I2C. Module được thiết kế kèm theo một viên pin
đồng hồ có khả năng lưu trữ trũ thông tin lên đến 10 năm mà không cần cấp nguồn
5V từ bên ngoài.module đi kèm với EEPROM AT24C32 có khả năng lưu trữ thêm
thông tin lên đến 32Kbit.
 Thông tin kĩ thuật:
•
•
•
•
•
•
•

Nguồn cung cấp: 5VDC
Khả năng lưu trữ 32K bit với EEPROM AT24C32
Sử dụng giao thức 2 dây I2C.
Lưu trữ thông tin chính xác đến năm 2100.
Có pin đồng hồ lưu trữ thông tin.
Có ngõ ra tần số 1Hz
Kích thước: 16x22x23mm

14


3.1.6. Cảm biến DHT11

Hình 3.1.6.1.1.1.1: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11
Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi
phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire. Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp
trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kì tính
toán nào.
 Thông số kỹ thuật:
•
•
•
•

Nguồn: 3~5VDC.
Dòng sử dụng: 2.5mA max
Đo tốt hơn ở nhiệt độ 0 – 50oC.
Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz

15


3.1.7. Cảm biến mưa

1

Cảm biến mưa

 Thông số kĩ thuật:
•
•
•
•

Điện áp:5V
Đầu ra: đầu ra kĩ thuật số (0 và 1)
Đầu ra TTL, tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp.
Đọ nhảy có thể điều chỉnh thông qua biến trở

3.1.8.

Cảm

biến

Gas

MQ-2

16


Hình 1.1.1.1.1.1.1: Cảm biến Gas MQ-2
 Thông số kỹ thuật:
• Nguồn điện áp: 5v
• Ngõ ra tín hiệu: Digital và Analog
• Có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở

3.2.Thiết kế mạch và thực nghiệm
3.2.1. Khối điều khiển trung tâm
Khối xử lý trung tâm được sử dụng chip ATmega 2560 tích hợp trong board
Arduino Mega 2560.
Tận dụng board có sẵn trong thị trường, dễ thay thế, giá thành rẻ,.....
Tuy sử dụng board Arduino nhưng nền tảng lập trình vẫn dựa trên phần mềm
CodevisionAVR.

1

Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm.

3.2.2. Khối shield SIM900
Module shield SIM900 sử dụng chuẩn giao tiếp UART để giao tiếp với chip
điều khiển

17


Hình 3.2.2.1.1.1.1: Sơ đồ nguyên lý khối Module shield SIM900

3.2.3. Khối nguồn
Sự dụng nguồn điện áp 5V và 12V trên bộ nguồn máy tính, sự dụng thêm
mạch giảm áp DC LM2596 3A để giảm áp từ 12VDC xuống còn 9VDC, cấp nguồn
cho board Arduino Mega 2560 hoạt động.

1

Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

3.2.4. Khối hiển thị
Sử dụng LCD 16x02 để hiện thị thông tin như hiển thị thời gian, hiện thị
những cài đặt mà người dùng muốn cài.

18


1

Sơ đồ nguyên lý khối hiện thị.

3.2.5. Khối cảm biến nhiệt độ - độ ẩm
Về hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm cho nhà thông minh thì mô hình sử dụng 2
cảm biến đó là DHT11 chuẩn giao tiếp 1 wire và cảm biến LM35 đọc giá trị ADC
về.

1

Sơ đồ nguyên lý khối nhiệt độ LM35

3.2.6. Khối cảm biến thẻ từ
Sự dụng loại Module RFID RC522 với chuẩn giao tiếp SPI để giao tiếp với
khối trung tâm.
19


1

Sơ đồ nguyên lý cảm biến thẻ từ RFID.

3.2.7. Khối cảm biến chuyển động
Khối cảm biến chuyển động sử dụng loại cảm biến thân nhiệt PIR để nhận
biết sự chuyển động của môi trường xung quanh.

1

sơ đồ nguyên lý khối cảm biến chuyển động.

3.2.8. Khối đồng hồ thời gian thực
Sử dụng chức năng đếm và lưu thời gian thực của module RTC DS1307 trên
chuẩn giao tiếp I2C để phục vụ 1 số hệ thống thông minh.

20


1

Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực.

21


Chương 4 SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT
4.1.Sơ đồ kết nối

Hình 4.1.1.1.1.1.1: Sơ đồ nguyên lý kết nối chân giữa các module

22

Hình 4.1.1.1.1.1.2: Sơ đồ hệ thống nhà thông minh
Ứng với mô hình học, nhóm đã xây dựng riêng hệ thống phù hợp cho mô
hình gồm nhiều khối kết hợp:
23


 Khối nguồn: cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống mô hình
 Khối điều khiển trung tâm: giao tiếp các khối và xử lý điều khiển thiết bị
tương ứng.
 Khối an ninh ra vào RFID: đảm nhận việc cho phép quét mã xác nhận tín
hiệu đúng đưa về bộ xử lý trung tâm xử lý.
 Cảm biến chuyển động PIR: xác nhận có người hiện diện đưa về bộ xử lý
trung tâm xử lý.
 Cảm biến GAS: xác nhận có khí gas hay hỏa hoạn đưa về bộ xử lý trung
tâm xử lý.
 Cảm biến mưa: xác nhận có mưa đưa vê bộ xử lý trung tâm xử lý.
 Cảm biến nhiệt độ DHT11: đo nhiệt độ trong nhà và đưa tín hiệu về bộ xử lý
trung tâm xử lý.
 Khối điều khiển thiết bị di dộng & internet: đảm nhận vai trò truyền tín hiệu
điều khiển về bộ xử lý trung tâm xử lý và hiển thị thông tin khi có cảnh báo
từ bộ xử lý trung tâm.
 Khối hiển thị LCD được hiển thị thông tin từ bộ xử lý trung tâm xuất ra và
định dạng ngày giờ, nhiệt độ, cảnh báo...
 Khối điều khiển: là khối các thiết bị được điều khiển khi bộ xử lý trung tâm
xuất tín hiệu điều khiển tương ứng.

24

4.2. Lưu đồ giải thuật
4.2.1. Lưu đồ điều khiển SIM900

1

Lưu đồ điều khiển SIM900

25