THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NHÀ THÔNG MINH


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...........................................................................VII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.....................................................................VIII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT....................................................................IX
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN..................................................................................1
1.1

GIỚI THIỆU......................................................................................................1

1.1.1
1.1.2

1.2

Lịch sử.....................................................................................................2
Ứng Dụng của IoT...................................................................................2
1.1.2.1 Quản Lý Giao Thông....................................................................2
1.1.2.2 Quản Lý Căn Hộ..........................................................................2

NGUYÊN LÝ CHUNG........................................................................................3

1.2.1
1.2.2
1.2.3

Sơ đồ chân kết nối giao thức SPI.............................................................3
Ngôn Ngữ Lập Trình HTML ....................................................................3

Giao Thức TCP/IP ..................................................................................4

CHƯƠNG 2. SƠ ĐỒ KHỐI NGUYÊN LÝ VÀ LINH KIỆN ...........................6
2.1
2.2

SƠ ĐỒ KHỐI.................................................................................................6
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ.....................................................................................7

2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.3

sơ đồ giao tiếp khối điều khiển và wedserver ..........................................7
nguyên lý vẽ trên protues........................................................................8
Sơ đồ giải thuật cảm biến và điều khiển ................................................9

MỘT SỐ LINH KIỆN CHÍNH....................................................................10

2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4

ATMEGA328 vi điều khiển....................................................................10
Ethernet Shield.......................................................................................12
cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11...........................................................13
Relay Đóng ngắt....................................................................................14

CHƯƠNG 3. THI CÔNG ĐỀ TÀI.....................................................................15
3.1
3.2
3.3

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG.....................................................................................15
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.....................................................................................15
CODE WEDSERVER........................................................................................15

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN....................................................................................20
4.1
4.2

KẾT LUẬN.....................................................................................................20
HƯỚNG PHÁT TRIỂN......................................................................................20

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................7


PHỤ LỤC A...........................................................................................................8


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

BẢNG 1-1 BẢNG KẾT NỐI DÂY ETHERNET SHIELD VÀ ARDUINO UNO
R3

...........................................................................................................8

BẢNG 2-2: NỐI DÂY LINH KIỆN......................................................................8

BẢNG 2-3: SƠ ĐỒ KẾT NỐI DHT11 VỚI ARDUINO
UNO………………………..11


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TCP
IP
UDP
SPI
SS
SCLK
MOSI
MISO
HTML
IoT

Transmission Control Protocol
Internet Protocol
User Datagram Protocol
Serial Peripheral Bus
Slave Select
Serial Clock
Master Out Slave In
Master In Slave Out
HyperText Markup Language
Internet Of Thing


Trang 1/23

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN

1.1 Giới Thiệu :
Ngày nay , với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghệ kỹ thuật , chắc
hẳn các bạn đã nghe ít hoặc nhiều người nói về IoT , vậy IoT là gì ?
Thuật ngữ ” Internet of things”( viết tắt là IOT) gần đây xuất hiện khá nhiều thu hút
sự quan tâm của giới công nghệ. IoT là Mạng lưới mọi thứ kết nối Internet hoặc
là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet là một xu hướng mới thế giới, khi mọi thứ đồ
vật có thể điều khiển một cách nhanh chóng và dễ dàng 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 phát triển từ các
công nghệ kết nối không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Đơn giản là
một tập hợp quần thể 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.

.
Hình 1-1 Iot Internet Of Thing
Hay một cách đơn giản IOT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau . Việc kết
nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng 3G, 4GLTE, Bluetooth, ZigBee, hồng
ngoại .Các thiết bị như là điện thoại thông minh, tủ lạnh , máy giặt, máy lạnh , bóng
đèn, tai nghe , hệ thống loa , và vô số thiết bị khác. Trong tương lai gần, tất cả các
Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 2/23

thiết bị đều được kết nối vào Internet. IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi

thứ.

hình 1-2 Iot Mọi thứ kết nối

1.1.1 Lịch sử của IoT
Thực tế, Internet of things đã manh nha từ thế kỷ trước . Tuy nhiên , mãi đến năm
1999 cụm từ IoT mới được đưa ra bởi Kevin Ashton , Ông là một nhà khoa học đã
sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi đầu tiên thiết lập các quy chuẩn
toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) .
1.1.2 Ứng dụng của IoT
IoT có vô số ứng dụng vào mọi lĩnh vực khác nhau , sau đây chỉ là một số ứng
dụng:

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 3/23

Quản lý giao thông
Ta có thể cật nhật được tin tức những con đường đang bị ùn tắt qua các app giao
thông , từ đó ta có thể đưa ra quyết định nên chọn con đường nào sẽ ít kẹt xe , sẽ rất
tiết kiệm thời gian khi ta không phải chờ hàng giờ đồng hồ vô ích.
Quản lý căn hộ
Ta có thể bật máy lạnh trước để làm mát từ lúc đang ở văn phòng làm việc , và sau
khi tôi về nhà thì căn phòng đã mát mẻ hơn. Ta có thể hẹn giờ kéo rèm cửa mỗi buổi
sáng . ta có thể làm mọi thứ chỉ thông qua thiết bị cầm tay “smart phone” để điều
khiển mọi hoạt động của thiết bị trong căn hộ .
1.2 Nguyên Lý Chung
1.2.1 Sơ đồ chân kết nối giao thức SPI
Bảng 1.1 Kết Nối Dây Ethernet Shield và Arduino Uno R3

Enthernet shield(Slave)
SCLK
MOSI
MISO
SS

Arduino Uno R3(Master)
[13] SCLK
[12] MOSI
[11] MISO
[10] SS

SPI ( Serial Peripheral Bus ) là chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do
motorola đề xuất . Đây là kiểu truyền thông Master-Slave , trong đó có 1 chip
Master điều phối quá trình truyền thông và chip Slaves được điều khiển bởi Master .
SPI là một cách truyền song công ( Full Duplex) nghĩa là tại cùng 1 thời điểm quá
trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời . SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền
thông “ 4 dây “ vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn : SCK ( Serial Clock) MISO
( Master Input Slave Output) MOSI ( Master Output Slave Input) và SS ( Slave
Select ).
1.2.2 Ngôn Ngữ Lập Trình HTML
HTML (HyperText Markup Language, hay là “Ngôn ngữ Đánh dấu Siêu văn
bản”) là ngôn ngữ đánh dấu được thiết kế ra để tạo nên các trang web với các mẩu
thông tin được trình bày trên World Wide Web. HTML được định nghĩa như là một
ứng dụng đơn giản của SGML và được sử dụng trong các tổ chức cần đến các yêu
cầu xuất bản phức tạp. HTML đã trở thành một chuẩn Internet do tổ chức World

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh

Trang 4/23

Wide Web Consortium (W3C) .Phiên bản chính thức mới nhất của HTML là HTML
4.01.

1.2.3 Giao Thức TCP/IP
TCP/IP là một giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất
với nhau. Ngày nay TCP/IP được sử dụng rộng rãi trong mạng cục bộ cũng như
mạng toàn cầu.
TCP/IP được xem như giản lược của mô hình tham chiếu OSI với 4 tầng như sau:
o Tầng Liên Kết (Datalink Layer)
o Tầng Mạng (Internet Layer)
o Tầng Giao Vận (Transport Layer)
o Tầng Ứng Dụng (Application Layer)
Tầng liên kết: là tầng thấp nhất trong mô hình TCP/IP , bao gồm các thiết bị giao
tiếp mạng và các chương trình cung cấp các thông tin cần thiết để có thể hoạt động,
truy nhập đường truyền vật lý qua các thiết bị giao tiếp mạng đó.
Tầng Internet: Tầng mạng Internet xử lý quá trình truyền gói tin trên mạng, các
giao thức của tầng này bao gồm : IP , Internet ,IGMP
Tầng giao vận: Tầng giao vận phụ trách luồng dữ liệu giữa 2 trạm thực hiện các
ứng dụng của tầng trên, tầng này có 2 giao thức chính là TCP ( Transmisson Control
Protocol) và UDP ( User Datagram Protocol )
Tầng ứng dụng : là tầng trên của mô hình TCP/IP gồm các tiến trình và các ứng
dụng cung cấp cho người sử dụng để truy cập mạng FTP dịch vụ truyền tệp tin.,
email : WWW ( Word Wide Web ) là dịch vụ truyền thư tín điện tử.

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 5/23

CHƯƠNG 2.

SƠ ĐỒ KHỐI NGUYÊN LÝ VÀ LINH KIỆN

2.1 Sơ đồ khối

Hình 2-1: Sơ đồ khối mạch điều khiển thiết bị

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 6/23

 KHỐI NGUỒN:
là trái tim của mạch cung cấp điện áp cho các linh kiện điện tử trong mạch
hoạt động .
 KHỐI CẢM BIẾN:
Cảm biến là bộ phận thu nhận dữ liệu từ môi trường sau đó gửi dữ liệu về
khối điều khiển trung tâm để điều khiển các thiết bị hoạt động theo kế hoạch
đã lập trình .
 KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM:
là khối thu nhận dữ liệu từ cảm biến rồi thực hiện các thao tác điều khiển
hoặc nhận tín hiệu điều khiển từ wedserver để điều khiển thiết bị tắt bật .
 KHỐI THIẾT BỊ:
Là khối bao gồm các thiết bị điện như : quạt , đèn , rèm cửa, tivi , máy lạnh ,
mọi thứ thiết bị có kết nối với khối điều khiển trung tâm .
 KHỐI HIỂN THỊ:
Là khối có chức năng hiển thị trạng thái bật tắt thiết bị và hiển thị giá trị thu
thập được từ cảm biến DHT11 như nhiệt độ , độ ẩm.

2.2 Sơ đồ nguyên lý
2.2.1 Sơ đồ giao tiếp khối điều khiển và wedserver

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 7/23

Hình 2-2: Sơ đồ kết nối Arduino Uno và Enthernet Shield và Cảm Biến kết nối
Internet
Theo sơ đồ khối như hình 2-2 ta có nguyên lý kết nối của khối điều khiển , khối
cảm biến giao tiếp với Internet qua cồng LAN để kết nối với wedserver thực hiện
chức năng thu thập dữ liệu , qua đó để điều khiển thiết bị như mong muốn.

2.2.2 Mạch nguyên lý vẽ trên protues

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 8/23

Hình 2-3: Sơ đồ nguyên lý mạch
nguyên lý hoạt động của mạch :
Mạch nguồn 220VAC/5VDC Cung cấp cho toàn bộ thiết bị điều khiển
DHT 11 có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường sau đó gửi tín hiệu lên mạch
điều khiển “ATMEGA328” sau đó xuất lên LCD và thông qua kết nối SPI với
Ethernet Shield để kết nối với Internet qua cỗng Lan để truyền dữ liệu lên
wedserver . wedserver hiển thị trạng thái kết nối của thiết bị “tắt” & “bật” từ đó ta
có thể điều khiển thiết bị cho phù hợp . khi ta tác động vào trạng thái “bật” “tắt”

trên wedserver thì từ wedserver sẽ truyền tín hiệu qua Ethernet kết nối với
“ATMEGA328” để có thể điều khiển thiết bị . truyền dữ liệu này gọi là “Full
duplex” hay còn gọi là truyền song công , thu nhận tín hiệu cùng 1 thời điểm.
Ngoài ra, thiết bị có thể tự điều khiển dựa vào cảm biến DHT11 môi trường
nhiệt độ, độ ẩm để điều khiển thiết bị như : quạt để làm giảm nhiệt độ.

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 9/23

2.2.3 Sơ đồ giải thuật cảm biến và điều khiển :
Bắt đầu
Khai báo & khởi tạo giá trị cho biến
webserver
Đọc giá trị từ cảm biến, biến trở
Nhận tín hiệu điều khiển từ webserver

S

Bật thiết bị

Tắt thiết bị

Đ

S

Đ

ĐK bật đèn

ĐK tắt đèn

Hiển thị lên webserver
Hình 2-4: Lưu đồ giải thuật cảm biến và wedserver
Lưu đồ giải thuật mô tả quá trình thu thập dữ liệu tử cảm biến nhiệt độ độ ẩm và
hiển thị giá trị lên wedserver và LCD . Hệ thống hoạt động khi có tín hiệu từ
wedserver gửi xuống khối điều khiển thiết bị để bật tắt thiết bị rồi sau đó hiển thị
trạng thái của thiết bị lên wedserver .
2.3 Một số Linh Kiện Chính
2.3.1 ATMEGA328 Vi Điều Khiển

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh

Tắt động cơ


Trang 10/23

Hình 2-5: ATMEGA328 Vi Điều Khiển
ATmega328 có tên đầy đủ là ATmega328P-PU. ATmega328 là linh hồn của board
mạch Arduino, sức mạnh phần cứng mà Arduino Uno có được là từ đây.
Nếu bạn có vi điều khiển ATmega328, bạn hoàn toàn có thể tạo ra 1 Arduino board
đơn giản cho những dự án của mình.
Arduino là một board mạch vi điều khiển dung để lập trình các ứng dụng.
Bảng 2-1 Thông số kỉ thuật ATmega328P

Vi điều khiển
Điện áp hoạt động

Điện áp đầu vào (được đề nghị)
Điện áp đầu vào (giới hạn)
Số chân I / O kĩ thuật số
PWM Digital I / O Pins
Analog Input Pins
Dòng điện DC mỗi I / O
Dòng điện DC với chân 3.3V
Bộ nhớ flash

ATmega328P
5V
7-12V
6-20V
14 (trong đó có 6 cung cấp đầu ra PWM)
6
6
20 mA
50 mA
32
KB
(ATmega328P)
trong đó 0,5 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 11/23

SRAM
EEPROM

Tốc độ đồng hồ
Chiều dài
Bề rộng
Cân nặng

động
2 KB (ATmega328P)
1 KB (ATmega328P)
16 MHz
68,6 mm
53,4 mm
25 g

2.3.2 Enthernet shield
Ethernet shield là một mạch mở rộng cho arduino, giúp arduino có thể kết nối với
thế giới internet rộng lớn. Ứng dụng của shield này là truyền nhận thông tin giữa
arduino với thiết bị bên ngoài sử dụng internet, shield này đặc biệt hữu ích cho các
ứng dụng IoT, điều khiển và kiểm soát hệ thống vì internet luôn liên tục, dữ liệu
truyền đi nhanh, khoảng cách là vô tận( trong Trái Đất thôi, với phải có mạng nữa)
ăn đứt sóng RF , rẻ hơn với cách truyền từ xa bằng tin nhắn.

Hình 2-6 Enthernet Shield kết nối với Arduino Uno R3

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 12/23

Arduino Ethernet Shield sử dụng chip W5100 cho tốc độ và khả năng kết nối ổn
định nhất, bộ thư viện đi kèm và phần cứng với cách kết nối dễ dàng khiến cho việc

kết nối Arduino với Ethernet đơn giản hơn bao giờ hết , thích hợp để làm các ứng
dụng điều khiển qua Ethernet , Wedserver .
Thông Số Kỉ Thuật:
 Tương thích Arduino
 Điện áp hoạt động: 5V (được cấp từ Arduino Board)
 Chip điều khiển Ethernet: W5100 (với 16KB buffer nội)
 Tốc độ ethernet: 10/100Mb
 Kết nối với Arduino thông qua cổng SPI
 Tích hợp khe cắm thẻ nhớ micro-SD để mở rộng bộ nhớ cho Arduino khi cần
Kết nối với mạng internet để nhận tín hiệu từ webserver truyền về cho Arduino Uno
thông qua giao tiếp SPI.

Hình 2-7: Ethernet Shield 2
Kết nối với mạng internet để nhận tín hiệu từ webserver truyền về cho Arduino
Uno thông qua giao tiếp SPI.

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 13/23

2.3.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

Đặc tính kĩ thuật
Dòng sử dụng: 2.5 mA.
Đo tốt ở độ ẩm 20 đến 80 %RH với sai số 5 %.
Đo tốt ở nhiệt độ 0 đến 50 °C sai số ±2 °C.
Tần số lấy mẫu 1 Hz.
Sơ đồ kết nối với Arduino Uno
Bảng 2-2: Sơ đồ kết nối DHT11 với Arduino Uno

Arduino Uno
Vcc
GND
Digital 2

DHT11
Vcc
GND
DATA

2.3.4 Relay đóng ngắt mạch
Dùng để bật tắt thiết bị theo tín hiệu của vi điều khiển. Rơ le (relay) là một công
tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện. Nói là một công tắc vì rơ le có 2 trạng thái ON
và OFF. Rơ le ở trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le
hay không.

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 14/23

Hình 2-8 Relay 5VDC
Thông số kỉ thuật:





Điện áp hoạt động: 5 VDC.
Dòng điện tiêu thụ: 200 mA.

Điện áp tải: 220 V.
Dòng tải: 10 A.

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 15/23

CHƯƠNG 3.
3.1 Giao diện wedserver
3.2 Mạch thực tế và mô hình mạch

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 16/23

3.3 Code wedserver

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 17/23

CHƯƠNG 4.

KẾT LUẬN

4.1 Kết luận
Sau khi hoàn thành đề tài “THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NHÀ THÔNG

MINH” và hoàn thành theo đúng tiến độ và yêu cầu của đề tài. Đề tài được thực
hiện như sau:
Mạch nguồn được thiết kế chung với mạch để giúp giảm số lượng bus kết nối
làm giảm nhiễu cho mạch.
Mạch relay sử dụng nguồn 5VDC chung với thiết kế của mạch chứ không dùng
nguồn 12VDC như các mạch khác, giúp làm giảm phần thiết kế mạch nguồn riêng
dành cho relay.

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 18/23

Hệ thống cảm biến gửi tín hiệu về wedserver để giúp người dùng biết được các
thông số của môi trường và đưa ra các quyết định để điều khiển thiết bị như máy
lạnh , quạt.
Đề tài chỉ làm một phần nhỏ là điều khiển thiết bị, chưa đạt tới mục đích nhà
thông minh do vấn đề thời gian thực hiện và thời gian nghiên cứu có hạn .
Nhận xét còn chưa hoàn thiện về yêu cầu đặt ra cho đề tài nhà thông minh .

4.2 Hướng phát triển
Đề tài nhà thông minh rất rộng về hướng phát triển , sau đây là những hướng phát
triển nhà thông minh
Cảm biến chuyển động khi có chuyển động sẽ bật đèn , ứng dụng này cho trẻ em
vào toilet không cần bật đèn .
Mở rộng giao diện wed, phân cấp quyền cho những IP truy cập vào wedserver
để hạn chế truy cập không mong muốn của người lạ
Tịch hợp thêm điều khiển qua RF hoặc Bluetooth .

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh

Trang 19/23

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1]
[2]
[3]
[4]


/>www.vnpro.vn
Làm sao để thiết lập DDNS ( No-IP ) trên Wireless Router của TP-Link
/>
[5]

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh


Trang 20/23

NGUỒN HÌNH ẢNH
[1]
[2]
[3]
[4]

Hình ảnh lấy từ />Hình ảnh lấy từ />Hình ảnh lấy từ
Hình ảnh lấy từ

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh