Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện trong

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
--------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG QUA
AMAZON ALEXA VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM

GVHD: ThS. Võ Đức Dũng
SVTH: Phạm Duy Thanh
Nguyễn Thị Hạ

Tp. Hồ Chí Minh - 3/2019

15141282
15141150


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH

Tp. HCM, ngày 3 tháng 3 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Phạm Duy Thanh

MSSV: 15141282

Nguyễn Thị Hạ

MSSV: 15141150

Điện tử công nghiệp
Đại học chính quy
2015

Mã ngành:
Mã hệ:
Lớp:

141
1
15141DT1C

TÊN ĐỀ TÀI

I.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ
THÔNG QUA AMAZON ALEXA VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM
1. Các số liệu ban đầu:
Trước khi thực hiện đề tài, nhóm đã tham khảo và đọc các tài liệu sau để có các số liệu
ban đầu:
-

Nguyễn Văn Lem, “Thiết kế và xây dựng hệ thống mô hình nhà thông minh”,
Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT Tp.HCM, 2015.

-

Espressif Systems IOT Team, “ESP8266 Datasheet”, Espressif Systems, 2015.

-

Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình Vi xử lí”, Trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2013.

-

Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, “Giáo trình: Kỹ thuật số”, Nhà xuất bản
ĐH Quốc Gia, Tp.HCM, 2013.

-

Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, “Giáo trình điện tử cơ bản”, Nhà xuất bản ĐH

Quốc Gia, Tp.HCM, 2013.

2. Nội dung thực hiện:
-

Nghiên cứu tài liệu về ESP8266 Node MCU và Arduino Nano V3, giao
tiếp không dây và mạng Internet.

-

Nghiên cứu các mô hình nhà thông minh.

-

Thiết kế và tính toán thiết kế mạch phần cứng cho thiết bị.
i


-

Thi công phần cứng, thử nghiệm và hiệu chỉnh phần cứng.

-

Thử nghiệm và chỉnh sửa hệ thống cũng như chương trình để hệ thống
được tối ưu. Đánh giá kết quả đạt được với thông số đề ra.

-

Viết báo cáo thực hiện.

-

Bảo vệ luận văn.

II.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
11/02/2019
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019

IV.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: THS. VÕ ĐỨC DŨNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

ii


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 4 tháng 1 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Phạm Hưng Thịnh
Lớp: 14141DT3B

MSSV: 14141303

Họ tên sinh viên: Khổng Hữu Duy
Lớp: 14141DT3B

MSSV: 14141037

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
THIẾT BỊ NHÀ CÓ HỖ TRỢ GOOGLE ASSISTANT
Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1 (01/10 - 07/10)

Gặp gỡ GVHD và trao đổi về đề tài tốt nghiệp.

Tuần 2 (08/10 - 14/10)

Tìm hiểu các đề tài nghiên cứu có liên quan.

GVHD

Gặp và báo cáo với GVHD về đề tài sẽ

Tuần 3 (15/10 - 21/10)

thực hiện.
-

Tìm hiểu về các linh kiện sẽ sử dụng
-

Tìm hiểu về giao tiếp giữa các cảm biến,
module và các thiết bị với Arduino và

Tuần 4 (22/10 - 28/10)

Tuần 5 (29/10 - 04/11)

Xác nhận

Node MCU.
-

Tìm hiểu về board Node MCU ESP8266.

-

Lập trình cho Arduino và Node MCU đọc
cảm biến, điều khiển các LED đơn và thu

nhận tín hiệu từ các cảm biến.

iii


Tuần 6 (05/11 - 11/11)

-

Báo cáo tiến độ cho GVHD

-

Tìm hiểu về lập trình Web, App Blynk

-

Tìm hiểu phương thức gửi dữ liệu từ
board mạch chính lên Web và App Blynk.

Tuần 7 (12/11 - 18/11)

-

Tìm hiểu về IFTTT và Adafruit.

-

Tìm hiểu về Google Assistant.

-

Kết nối giữa Google Assistant, IFTTT và
Adafruit.

Tuần 8, 9 (19/11 - 02/12)

-

Báo cáo tiến độ cho GVHD.

-

Hoàn thành điều khiển thiết bị bằng hỗ trợ
Google Assistant.

-

biến, giao tiếp module, truyền nhận dữ liệu

Tuần 10, 11(03/12 - 09/12)

và gửi dữ liệu qua internet.
-

Hoàn thành thiết kế giao diện web.

-

Hoàn thành truyền nhận và gửi giữ liệu lên

Tuần 12 (17/12 - 23/12)

Tuần 13 (24/12 - 30/12)

Tuần 14 (31/12 - 06/01)

Tổng hợp chương trình đọc tất cả cảm

web, app Blynk.
-

Viết báo cáo.

-

Thiết kế, đi dây và hoàn thiện mô hình
nhà.

-

Kiểm tra và chỉnh sửa hệ thống.

-

Viết báo cáo.

-

Chạy thử hệ thống, kiểm tra và sửa lỗi.

-

Đánh giá kết quả đạt được.

-

Viết và hoàn thiện cuốn báo cáo.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
iv


Chương 1. TỐNG QUAN

LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm sinh viên chúng em tự thực hiện, dựa vào một số tài liệu
trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 21/05/2019
Người thực hiện đề tài
Phạm Duy Thanh

Nguyễn Thị Hạ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
1


Chương 1. TỐNG QUAN

LỜI CẢM ƠN
Khóa luận tốt nghiệp là chương trình học cuối cùng của khóa đào tạo đại học.
Đây là cơ hội cho sinh viên ứng dụng các kiến thức đã được giảng dạy và làm quen với
công việc sau này. Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được
sự giúp đỡ và ủng hộ rất lớn của các thầy, cô, người thân và bạn bè. Đó là động lực rất
lớn giúp chúng em hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp.
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Võ Đức Dũng. Thầy
là người hướng dẫn nhiệt tình, luôn đưa ra những nhận xét đúng đắn để chúng em hoàn
thành được đề tài tốt nghiệp kịp thời và hoàn thiện nhất có thể.
Sau cùng, tuy có nhiều nỗ lực, nhưng do thời gian thực hiện đề tài không nhiều
và kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp còn nhiều thiếu sót. Do đó,
chúng em kính mong quý thầy cô, bạn bè thông cảm và rất mong nhận được ý kiến từ
mọi người để hoàn thiện đề tài tốt hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngày 10/06/2019
Người thực hiện đề tài
Phạm Duy Thanh

Nguyễn Thị Hạ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
2


Chương 1. TỐNG QUAN

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................................................................i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP............................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 1

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 2
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 3
DANH SÁCH HÌNH ...................................................................................................... 8
TÓM TẮT .................................................................................................................... 13
Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 14
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................. 14

1.2

MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN ............................................................................ 16

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................ 16

1.4

GIỚI HẠN........................................................................................................ 16

1.5

BỐ CỤC ........................................................................................................... 17

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 18
2.1

SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS .................................................... 18

2.1.1

Định nghĩa IoTs ............................................................................................ 18

2.1.2

Ứng dụng của IoTs ....................................................................................... 18

2.1.3

Đặc điểm công nghệ IoTs ............................................................................. 18

2.2

TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIFI ..................................................................... 19

2.3

PHẦN CỨNG .................................................................................................. 19

2.3.1.
a.

Vi điều khiển ................................................................................................ 19
Giới thiệu về Arduino ...................................................................................... 19

b. Giới thiệu về Arduino Nano V3 ....................................................................... 20
2.3.2

Module Wifi ESP8266 Node MCU .............................................................. 21

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
3


Chương 1. TỐNG QUAN

2.3.3

Loa thông minh Amazon Echo Dot Gen ...................................................... 23

2.3.3.1 Mô tả .......................................................................................................... 23
2.3.3.2
2.3.4

Hướng dẫn kết nối Echo Dot với điện thoại Android.............................. 24

Bàn phím ma trận 4x3 .................................................................................. 30

2.3.5 Giới thiệu về LCD 16x2 .................................................................................. 31
2.3.6 Nút nhấn .......................................................................................................... 33
2.3.7 Logitech HD Webcam C270 ........................................................................... 34
2.3.8 Động cơ Servo ................................................................................................. 34
2.3.9 Module Relay .................................................................................................. 35
2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG .................................................................... 36
2.4.1 Chuẩn truyền thông UART ............................................................................... 36
2.4.2

Chuẩn truyền thông I2C ............................................................................... 37

2.4.3

Chuẩn truyền thông SPI ................................................................................ 41

2.5

GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG XỬ LÍ ẢNH ................................................... 41

2.5.1

Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition) .................................................... 43

2.5.2

Tiền xử lý (Image Processing) .................................................................. 43

2.5.3

Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh ......................................... 43

2.5.4

Biểu diễn ảnh (Image Representation) ...................................................... 43

2.5.5

Nhận dạng và nôi suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) ......... 44

2.5.6

Cơ sở tri thức ............................................................................................. 44

2.5.7

Các thành phần cơ bản của hệ thống xử lí ảnh.......................................... 45

2.6

NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG XỬ LÍ ẢNH....................................... 45

2.6.1

Điểm ảnh (Picture Element) ......................................................................... 45

2.6.2

Độ phân giải của ảnh ................................................................................... 46

2.6.3

Mức xám của ảnh ......................................................................................... 46

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
4


Chương 1. TỐNG QUAN

Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................... 47
3.1

TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT NHẬN BIẾT MÀU DA DỰA TRÊN TÍNH

CHẤT ĐIỂM ẢNH .................................................................................................... 47
3.1.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 47
3.1.2 Không gian màu sử dụng cho mô hình hóa màu da .................................... 47
3.1.2.1 Không gian màu RGB ................................................................................ 47
3.1.2.2 Không gian RGB chuẩn hóa ....................................................................... 48
3.1.2.3 Không gian màu HIS, HSV, HSL ............................................................... 49
3.1.2.4 Không gian màu HIS .................................................................................. 49
3.1.2.5 Không gian màu HSV ................................................................................. 50
3.1.2.6 Không gian màu HSL ................................................................................. 50
3.1.2.7 Không gian màu TSL.................................................................................. 51
3.1.2.8 Không gian màu 𝒀𝑪𝒓𝑪𝒃............................................................................. 52
3.1.2.9 Các hệ tọa độ không gian màu khác ........................................................... 52
3.1.3 Mô hình hóa màu da ...................................................................................... 52
3.1.3.1 Xác định ngưỡng cụ thể một điểm ảnh là màu da ...................................... 52
3.1.3.2 Phương pháp mô hình hóa màu da sử dụng phân phối không tham số ...... 53
3.1.3.3 Bảng tra cứu chuẩn cứu (LUT – Lookup Table) ........................................ 53
3.1.3.4 Phân lớp Bayes (Bayes Classifier).............................................................. 54
3.1.3.5 Tổng kết phương pháp không tham số ....................................................... 54
3.1.3.6 Mô hình hóa phân phối màu da có tham số ................................................ 55
3.1.3.7 Mô hình dựa trên phân phối Gauss đơn...................................................... 55
3.1.3.8 Mô hình kết hợp dựa trên phân phối Gauss ................................................ 56
3.1.3.9 Đa phân phối Gaus...................................................................................... 56
3.1.3.10 Tổng kết các phương pháp mô hình hóa theo tham số ............................. 56
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
5

Chương 1. TỐNG QUAN

3.1.4 So sánh kết quả các mô hình.......................................................................... 57
3.1.5 Đánh giá phương pháp ................................................................................... 58
3.1.6 Chọn lựa không gian màu và phương pháp mô hình hóa dùng để nhận biết
màu da cho đồ án .................................................................................................... 58
3.2 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH PCA ....................................................... 59
3.2.1 Tổng quan về phương pháp PCA .................................................................. 59
3.2.2 Trích chọn đặc trưng khuôn mặt người dựa trên phương pháp PCA ............ 62
3.3 PHÂN TÍCH HOG ............................................................................................... 65
3.3.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 65
3.3.2 Chuẩn hóa hình ảnh trước khi xử lý .............................................................. 65
3.3.3 Tính toán gradient .......................................................................................... 66
3.3.4 Lấy votes trong mỗi cell ................................................................................ 66
3.3.5 Chuẩn hóa các block ...................................................................................... 67
3.4

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..................................................... 67

3.4.1

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ........................................................................ 68

3.4.2

Tính toán và thiết kế mạch ........................................................................... 69

3.4.3

Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch .................................................................... 74

Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ...................................................................... 76
4.1

GIỚI THIỆU .................................................................................................... 76

4.2

THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................. 76

4.2.1

Thi công board mạch .................................................................................... 76

a. Mạch điều khiển trung tâm (chính) ..................................................................... 76
b. Mạch nút nhấn điều khiển thiết bị ...................................................................... 78
c. Mạch module relay 4 kênh .................................................................................. 79
4.2.2

Lắp ráp và kiểm tra ....................................................................................... 81

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
6


Chương 1. TỐNG QUAN

a. Lắp ráp mạch điều khiển trung tâm (chính) ........................................................ 81
b. Lắp ráp mạch Mạch module relay 4 kênh .......................................................... 82
4.3

THI CÔNG MÔ HÌNH .................................................................................... 83

4.3.1 Đóng gói nơi chứa trung tâm điều khiển ....................................................... 83
4.3.2 Thi công mô hình ........................................................................................... 84
4.4

LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG ...................................................................... 86

4.4.1

Lưu đồ giải thuật........................................................................................... 86

4.4.2

Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ........................................................106

4.4.3 Phần mềm lập trình giao diện điều khiển (nhận dạng khuôn mặt) ..............107
4.5

VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN ...................................................................108

Chương 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................121
5.1

GIỚI THIỆU ..................................................................................................121

5.2

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ................................................................................121

5.3

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .........................................................................122

5.2

NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ..........................................................................127

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .........................................128
6.1

KẾT LUẬN ....................................................................................................128

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................................................128

PHỤ LỤC .........................................................................................................................................129

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
7


Chương 1. TỐNG QUAN

DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1 Board Arduino Nano V3 ............................................................................. 20
Hình 2.2 Sơ đồ chân Node MCU ............................................................................... 22
Hình 2.3 Loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 2 .................................................. 23

Hình 2.4 Kết nối nguồn cho loa ................................................................................. 24
Hình 2.5 Dowload và tạo tài khoản ứng dụng Echo Dot ........................................... 25
Hình 2.6 Kết nối Echo Dot với điện thoại ................................................................. 27
Hình 2.7 Kết nối Echo Dot với điện thoại thành công ............................................... 28
Hình 2.8 Thiết lập Wifi .............................................................................................. 29
Hình 2.9 Giao diện hoàn thành các bước cài đặt ....................................................... 30
Hình 2.10 Bàn phím ma trận 4x3 ............................................................................... 31
Hình 2.11 Hình ảnh LCD 16x2 .................................................................................. 33
Hình 2.12 Quá trình đọc ghi của LCD ....................................................................... 34
Hình 2.13 Hình ảnh thực tế của nút nhấn .................................................................. 34
Hình 2.14 Hình ảnh thực tế của Webcam .................................................................. 34
Hình 2.15 Động cơ Servo ........................................................................................... 35
Hình 2.16 Module Relay 4 kênh ................................................................................ 35
Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý cơ bản ............................................................................. 36
Hình 2.18 Giản đồ truyền dữ liệu UART................................................................... 37
Hình 2.19 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi ................................................................ 38
Hình 2.20 Trình tự truyền bit trên đường truyền ....................................................... 39
Hình 2.21 Điều kiện start stop ................................................................................... 40
Hình 2.22 Truyền dữ liệu I2C .................................................................................... 40
Hình 2.23 Giao diện kết nối 4 dây chuẩn SPI ............................................................ 41
Hình 2.24 Các bước cơ bản trong xử lí ảnh ............................................................... 43
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
8


Chương 1. TỐNG QUAN

Hình 2.25 Các thành phần chính của hệ thống xử lí ảnh ........................................... 45
Hình 3.1 Không gian màu RGB ................................................................................. 48
Hình 3.2 Không gian màu HSV ................................................................................. 50

Hình 3.3 Ý tưởng chính của PCA .............................................................................. 62
Hình 3.4 Biểu đồ dựa trên Gy,Gx .............................................................................. 66
Hình 3.5 Các cell trong một block ............................................................................. 67
Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................... 68
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển board Arduino ....................................... 70
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí nối dây module Node MCU8266...................................... 71
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lí module relay 4 kênh.......................................................... 72
Hình 3.10 Biểu tượng và giao diện ứng dụng Amazon Alexa ................................... 73
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch ........................................................................ 75
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển trung tâm (chính) ......................... 77
Hình 4.2 Sơ đồ đi dây mạch điều khiển trung tâm (chính) ....................................... 77
Hình 4.3 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch nút nhấn điều khiển thiết bị ............................ 78
Hình 4.4 Sơ đồ đi dây mạch điều khiển thiết bị ......................................................... 78
Hình 4.5 Sơ đồ bố trí linh kiện ................................................................................... 79
Hình 4.6 Sơ đồ đi dây của mạch module relay 4 kênh .............................................. 80
Hình 4.7 Hình ảnh thực tế mạch điều khiển trung tâm (chính) ................................. 82
Hình 4.8 Hình ảnh thực tế mạch module relay 4 kênh .............................................. 83
Hình 4.9 Hộp bảo vệ bộ điều khiển của hệ thống ...................................................... 84
Hình 4.10 Hình thành ý tưởng thiết kế mô hình ....................................................... 85
Hình 4.11 Trang trí và lắp ráp hoàn thiện mô hình .................................................... 86
Hình 4.12 Lưu đồ chương trình Arduino Nano ......................................................... 87
Hình 4.13 Lưu đồ chương trình con nhận dữ liệu từ Nodemcu và xử lý ................... 89
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
9


Chương 1. TỐNG QUAN

Hình 4.14 Lưu đồ chương trình con nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính ............... 91
Hình 4.15 Lưu đồ chương trình con nhận tín hiệu điều khiển từ bàn phím ma trận . 93

Hình 4.16 Lưu đồ chương trình con đổi Password ................................................... 95
Hình 4.17 Lưu đồ chương trình ESP8266 Nodemcu ................................................. 97
Hình 4.18 Lưu đồ chương trình con nhận dữ liệu từ server Sinric ............................ 99
Hình 4.19 Lưu đồ chương trình kiểm tra nút nhấn và xử lý ....................................101
Hình 4.20 Lưu đồ chương trình Matlab nhận dạng khuôn mặt ...............................103
Hình 4.21 Lưu đồ chương trình con thiết lập đồ thị, hiển thị hình ảnh Webcam ....105
Hình 4.22 Logo phần mềm Arduino IDE ................................................................106
Hình 4.23 Giao diện phần mềm Arduino IDE .........................................................107
Hình 4.24 Logo Matlab ............................................................................................107
Hình 4.25 Giao diện phần mềm Matlab ...................................................................108
Hình 4.26 Các bước thay đổi mật khẩu Wifi cho hệ thống .....................................109
Hình 4.27 Giao diện điều khiển thiết bị bằng tay hoặc giọng nói ...........................110
Hình 4.28 Giao diện chương trình nhận diện khuôn mặt .........................................111
Hình 4.29 Giao diện chương trình nhập mật khẩu người quản trị ...........................111
Hình 4.30 Đăng nhập sai mật khẩu người quản trị ..................................................112
Hình 4.31 Giao diện chương trình Option ...............................................................112
Hình 4.32 Giao diện chương trình Option ...............................................................113
Hình 4.32 Giao diện phát hiện khuôn mặt ...............................................................114
Hình 4.33 Chọn vùng ảnh có khuôn mặt và lưu lại tên ...........................................114
Hình 4.34 Thông báo lựa chọn training dữ liệu .......................................................115
Hình 4.35 Thông báo hoàn tất training dữ liệu ........................................................115
Hình 4.36 Xóa hết dự liệu hệ thống .........................................................................116
Hình 4.37 Cửa sổ tổng hợp thời gian nhận diện ......................................................116
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
10


Chương 1. TỐNG QUAN

Hình 4.38 Cửa sổ chọn ảnh và xóa trong bộ nhớ đã lưu ..........................................117

Hình 4.39 Cửa sổ xem ảnh người lạ nhận diện ........................................................117
Hình 4.40 Giao diện chương trình Recognition .......................................................118
Hình 4.41 Kết nối cổng COM thành công với hệ thống phần cứng ........................119
Hình 4.42 Phát hiện khuôn mặt người có trong dữ liệu ...........................................119
Hình 4.43 Phát hiện khuôn mặt người không có trong dữ liệu ................................120
Hình 5.1 Mô hình nhà ở trạng thái khóa ..................................................................122
Hình 5.2 Nhập mật khẩu để mở cửa.........................................................................123
Hình 5.3 Nhập password thành công cửa đã mở .....................................................123
Hình 5.4 Phát hiện đúng khuôn mặt và mở cửa .......................................................124
Hình 5.5 Phát hiện sai khuôn mặt, thông báo và khóa cửa ......................................125
Hình 5.6 Bật đèn ......................................................................................................126

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
11


Chương 1. TỐNG QUAN

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1 Kết quả nhận biết đúng sai của các phương pháp .......................................... 57
Bảng 3.2 Tổng dòng điện của các linh kiện .................................................................. 74
Bảng 4.1 Bảng thống kê linh kiện ................................................................................. 80
Bảng 5.1 Thống kê số lần khi điều khiển ....................................................................127
Bảng 5.2 Thống kê các phương án thực hiện ..............................................................127

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
12


Chương 1. TỐNG QUAN

TÓM TẮT
Hiện nay với sự phát triển rất mạnh mẽ về khoa học và công nghệ, các hệ thống
thông minh ứng dụng IoT tuy không mới nhưng rất thịnh hành. Thế giới chúng ta đã và
đang thay đổi mạnh mẽ, văn minh và hiện đại hơn. Điều đó khiến các công cụ ứng dụng
công nghệ mới xuất hiện ngày càng nhiều. Một trong số đó là công cụ hỗ trợ điều khiển
bằng giọng nói, nó giúp chúng ta điều khiển một số thiết bị một cách tiện lợi và nhanh
chóng.
Đồ án tốt nghiệp này thiết kế và thi công một mô hình hệ thống điều khiển các
thiết bị điện và giám sát ngôi nhà. Người sử dụng có thể điều khiển các thiết bị điện ở
bất cứ nơi nào có Internet, Wifi, 3G, 4G trên ứng dụng Amazon Alexa. Các trạng thái
thiết bị điện của ngôi nhà cũng được cập nhật lên giao diện này. Hệ thống có tích hợp
thêm camera để tăng thêm tính bảo mật cho ngôi nhà, camera nhận diện khuôn mặt và
so sánh khuôn mặt đã quét với kho dữ liệu để đưa ra hướng xử lí có mở cửa hay không.
Nội dung chính của đề tài

• Sử dụng kit Arduino Nano V3 và module ESP8266 Node MCU làm khối điều
khiển trung tâm.

• Điều khiển và giám sát thiết bị qua loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 2 và
ứng dụng Amazon Alexa.

• Cảnh báo khi có người lạ vào nhà bằng buzzer.
• Điều khiển các thiết bị điện trong nhà như đèn chiếu sáng, quạt bằng giọng nói.
Ngoài ra còn có chế độ điều khiển bằng tay.

• Bảo mật ngôi nhà bằng hệ thống tự động đóng mở cửa dùng động cơ servo bằng
cách nhận diện khuôn mặt hoặc nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

13


Chương 1. TỐNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, thế giới đang trong làn sóng của “cuộc cách mạng công nghiệp 4.0”.

Do đó, công nghệ về điều khiển thông minh và điều khiển tự động cũng phát triển theo,
được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong công nghiệp và đời sống.[1]
Đặc biệt, các hệ thống nhà thông minh được phát triển mạnh mẽ và ngày càng
phổ biến. Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được
điều khiển hoặc tự động hóa hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một
hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng
thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính
bảng hoặc một giao diện web. Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng
ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối
với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc
lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch. Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể
hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau. [2]
Không chỉ hạn chế với những tính năng nêu trên, ngày càng có nhiều nghiên cứu
đề xuất phát triển ngôi nhà thông minh bám kịp theo sự phát triển của công nghệ, tối ưu
hóa hiệu năng sử dụng cũng như giá cả hợp lý. Việc cung cấp các thông số lên Internet
cho phép người dùng dễ dàng kiểm soát được các thiết bị trong gia đình cũng như nhận
biết được những cảnh báo một cách kịp thời nhất.[3]
Hiện nay cũng có rất nhiều bài nghiên cứu của sinh viên cũng làm về nhà thông
minh, như: Tác giả Phạm Văn Huy nghiên cứu đề tài “Hệ thống điều khiển và giám sát

các thiết bị trong nhà” sử dụng module Arduino Uno R3, ESP8266 Node MCU và
Module Bluetooth HC-06, sử dụng App trên Android để SmartPhone nhận tín hiệu từ
giọng nói con người, xử lý và đưa tín hiệu đến vi điều khiển, điều khiển 4 thiết bị và 1
động cơ và đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà hiển thị lên App Android.[4]
Tác giả Nguyễn Ngọc Lực nghiên cứu đề tài “Thiết kế, thi công mô hình hệ thống
điều khiển thiết bị điện và giám sát nhà” sử dụng board Arduino Mega 2560 làm trung
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
14


Chương 1. TỐNG QUAN

tâm điều khiển chính, ESP8266 Node MCU và module Sim900A, sử dụng App Android
và Websever để điều khiển và giám sát 4 thiết bị trong nhà, đo nhiệt độ, độ ẩm, báo động
khi có rò rỉ khí gas và có người đột nhập vào nhà bằng chuông báo và gửi tin nhắn qua
tin nhắn đến người sử dụng, khi mất điện sẽ chuyển sang sử dụng pin dự phòng (Acqui)
và báo tin nhắn về người sử dụng là bị mất điện.[5]
Tác giả Huỳnh Xuân Dũng và Trần Nhật Minh nghiên cứu đề tài “Hệ thống IoT
điều khiển và giám sát ngôi nhà” sử dụng Board STM32F407VGT6 làm khối điều khiển
trung tâm chính, board Arduino Mega làm khối điều khiển trung tâm phụ. Sử dụng Web
Server, App Android và WPF đề điều khiển 8 thiết bị, có hệ thống tự động tưới cây theo
lịch trình, đo nhiệt độ, độ ẩm, đồng thời báo động khi có rò rỉ khí gas và có người đột
nhập vào nhà bằng chuông báo và gửi tin nhắn qua tin nhắn đến người sử dụng, ứng
dụng công nghệ RFID vào việc đóng mở cửa và ngoài ra có thể đóng mở cửa bằng cách
nhập mật khẩu.[6]
Tác giả Trần Minh Luân và Lâm Thành Đạt nghiên cứu đề tài “Thiết kế và thi
công hệ thống thiết bị điều khiển nhà thông minh” sử dụng module ESP8266 NodeMCU
làm khối điều khiển trung tâm, thông qua OpenHab và MQTT để điều khiển và giám sát
2 thiết bị, sử dụng Google Assistant và IFTTT để điều khiển thiết bị bằng giọng nói.
Thiết bị có thể thu phát hồng ngoại và RF, đo nhiệt độ và độ ẩm trong nhà.[7]

Qua tóm tắt trên, chúng em quyết định làm “Thiết kế và thi công hệ thống điều
khiển thiết bị điện trong nhà bằng giọng nói thông qua Amazon Alexa và cảnh báo chống
trộm”. Trong đó, hệ thống sử dụng vi điều khiển trung tâm là module Arduino Nano V3
và module Wifi ESP8266 Node MCU, màn hình LCD 16x2, bàn phím ma trận 4x3 và
module relay, camera logitech HD Webcam C270. Người dùng có thể điều khiển và
giám sát các thiết bị bằng smartphone sử dụng ứng dụng Amazon Alexa hay truy cập
trang web điều khiển bất cứ nơi đâu có Wifi hoặc Internet. Hệ thống có khả năng giám
sát nhà từ xa, hiển thị trạng thái các thiết bị điện, tự động đóng mở cửa bằng hệ thống
nhận diện khuôn mặt sử dụng webcam hay nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận, có
chuông báo khi phát hiện có người lạ đột nhập vô nhà, có thể sử dụng giọng nói để điều
khiển các thiết bị điện trong nhà hoặc có thể sử dụng chế độ điều khiển bằng tay
(Manual) để điều khiển.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
15


Chương 1. TỐNG QUAN

1.2

MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN
Thiết kế và thi công mô hình điều khiển các thiết bị sử dụng điện trong nhà là các

đèn, quạt trên ứng dụng điện thoại Amazon Alexa và Website thông qua mạng internet
và Wifi. Ngoài ra hệ thống này còn có khả năng giám sát nhà từ xa, hiển thị trạng thái
các thiết bị điện, tự động đóng mở cửa bằng hệ thống nhận diện khuôn mặt hoặc nhập
mật khẩu và có chuông cảnh báo khi nhận diện sai hoặc nhập mật khẩu không đúng. Có
thể sử dụng giọng nói để điều khiển thiết bị điện trong nhà và có chế độ điều khiển bằng
tay.
1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

-

Tìm hiểu cách thức hoạt động của các mô hình nhà IoT.

-

Tìm hiểu các chuẩn truyền thông như UART, I2C, SPI.

-

Tìm hiểu về Board mạch Arduino Nano V3 và module ESP8266 Node MCU.

-

Thiết kế giao diện để điều khiển và giám sát: Web server, App android.

-

Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển gồm các chế độ: Manual, điều khiển

bằng giọng nói thông qua loa Amazon Echo Dot Gen 2 và app Amazon Alexa .
-

Thiết kế và thi công hệ thống bảo mật ngôi nhà: nhập mật khẩu qua bàn phím ma

trận 4x3 hoặc nhận diện khuôn mặt thông qua camera HD Webcam C270 và hiển thị
trạng thái làm việc trên LCD 16x2.

-

Thiết kế và thi công mô hình nhà có các chức năng thông minh.

-

Viết chương trình điều khiển cho Arduino và ESP8266, nạp code và chạy thử

nghiệm sản phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống.
-

Thực hiện viết sách luận văn báo cáo.

-

Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp.

1.4

GIỚI HẠN

-

Thiết kế mô hình nhà ở, trong đó chiều cao khoảng 30cm, rộng 20cm, dài 50cm.

-

Điều khiển các thiết bị như: 3 đèn chiếu sáng 220VAC-5W, 1 quạt 5V/0.2A, 1

cửa chính sử dụng Servo SG90.

-

Dùng chuông buzzer cảnh báo khi có người đột nhập.

-

Nhận diện khuôn mặt bằng camera logitech HD Webcam C270 sử dụng giao diện

Matlab với độ chính xác khoảng 80%.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
16


Chương 1. TỐNG QUAN

-

Nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận 4x3 và hiển thị trạng thái làm việc trên LCD

16x2.
-

Điều khiển các thiết bị điện thông qua loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 2

và app Amazon Alexa bằng tiếng anh.
1.5

BỐ CỤC

Chương 1: Tổng quan.

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Giới thiệu các cơ sở lý thuyết liên quan đến hệ thống; lựa chọn linh kiện, thiết bị
sử dụng để thiết kế hệ thống và trình bày các chuẩn truyền, giao thức.
Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống.
Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, đưa ra sơ đồ nguyên lí của các khối trong hệ
thống và thực hiện tính toán thiết kế.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
Chương này trình bày về thiết kế lưu đồ, đưa ra giải thuật và viết chương trình.
Thi công mô hình hệ thống hoàn chỉnh.
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá.
Đưa ra kết quả đạt được sau thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống,
đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Trình bày những kết luận về hệ thống những phần đã làm và chưa làm, đồng thời
nếu ra hướng phát triển cho hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
17


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS

2.1

2.1.1 Định nghĩa IoTs

Internet của vật dụng (Internet of Things - IoTs) là mạng lưới vạn vật kết nối
Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet là một liên mạng, trong đó các thiết
bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng
ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến,
cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có
thể thu thập và truyền tải dữ liệu.
2.1.2 Ứng dụng của IoTs
IoTs được sử dụng trong nhiều lĩnh vực:
-

Thành phố thông minh bao gồm giám sát thông minh, vận chuyển tự động, hệ
thống quản lý năng lượng thông minh hơn, phân phối nước, an ninh đô thị và
giám sát môi trường…

-

Internet công nghiệp là hỗ trợ kĩ thuật công nghiệp với các cảm biến, phần mềm
lớn để tạo ra những cỗ máy vô cùng thông minh. Máy móc sẽ có tính chính xác
và nhất quán hơn con người trong giao tiếp thông qua dữ liệu. Từ những dữ liệu
thu thập được giúp các công ty, nhà quản lí giải quyết các vấn đề sớm hơn, đạt
hiệu quả cao hơn…

-

Các thiết bị đeo thông minh như các loại kính, ba lô, vòng tay được cái đặt cảm
biến thu thập thông tin người dùng như huyết áp, bước đi bộ mỗi ngày,…

-

Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được

điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực
hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển…

2.1.3 Đặc điểm công nghệ IoTs
Điểm quan trọng của IoTs đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định
dạng (identifiable). Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được “đánh dấu” để phân biệt
bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
18


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

được nó thông qua máy tính. Việc đánh dấu này có thể được thực hiện thông qua
nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, … Mạng kết nối thì có
thể là qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth.
Ngoài những kĩ thuật nói trên, nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng
địa chỉ IP để xác định từng vật. Mỗi thiết bị sẽ có một IP riêng biệt không nhầm lẫn. Do
đó mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau.
2.2

TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIFI
WiFi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây

sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. Hệ thống
cho phép truy cập Internet tại những khu vực có sóng của hệ thống này, hoàn toàn không
cần đến cáp nối.
Sóng WiFi: Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến
sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển
và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược

lại.
Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ:
chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.5 GHz hoặc 5GHz. Tần số này cao hơn so với
các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số
cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.
2.3

PHẦN CỨNG

2.3.1. Vi điều khiển
Để thực hiện dự án này, nhóm sử dụng các vi điều khiển là Arduino Nano V3 và
ESP8266 Node MCU. Sau đây là giới thiệu chi tiết về các vi điều khiển nhóm sử dụng.
a. Giới thiệu về Arduino
Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình, tương tác với các thiết
bị phần cứng như: cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của
Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, sử dụng ngôn ngữ lập
trình có thể học rất dễ dàng và nhanh chóng. Arduino được bán ra với mức giá rất thấp.
Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
19


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

megaAVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại thường được
trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số
tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.[8]
Được giới thiệu vào năm 2005, Arduino được ra đời để mang đến một cách thức
tiếp cận dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên
nghiệp để tạo ra những sản phẩm lập trình. Những ví dụ phổ biến khi mơi bắt đầu học

Arduino bao gồm: làm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động.
b. Giới thiệu về Arduino Nano V3
Board Arduino Nano V3 (hình 2.1) là một trong những phiên bản nhỏ gọn của
board Arduino. Arduino Nano có đầy đủ các chức năng và chương trình có trên Arduino
Uno do cùng sử dụng MCU Atmega328P. Nhờ việc sử dụng IC dán của ATmega328P
thay vì IC chân cắm nên Arduino Nano có thêm 2 chân Analog so với Arduino Uno.

Hình 2.1 Board Arduino Nano V3
Thông số kĩ thuật:
-

Vi điều khiển Atmega328P, 32 KB flash memory với 2 KB dùng bởi bootloader,
2 KB bộ nhớ SRAM, 1 KB EEPROM.

-

Điện áp hoạt động: 5V - DC

-

Điện áp vào: 7- 12V – DC

-

Dòng điện tiêu thụ: 30mA

-

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 40mA.

-

14 chân digital (trong đó có 6 chân có thể được sử dụng như những chân PWM
là D3, D5, D6, D9, D10, D11).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
20