ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH (SMART HOME CONTROL SYSTEM)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

Trình độ đào tạo: Đại Học Chính Quy
Ngành: Điện – Điện Tử
Chuyên ngành: Điện Điều Khiển & Tự Động Hóa
Giảng viên hướng dẫn: Th.s Châu Nguyễn Ngọc Lan
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Hiếu
MSSV: 15031251

Lớp: DH15TD

Vũng Tàu, 2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
(SMART HOME CONTROL SYSTEM)

KỸ SƯ NGÀNH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

Trình độ đào tạo: Đại Học Chính Quy
Ngành: Điện – Điện Tử
Chuyên ngành: Điện Điều Khiển & Tự Động Hóa
Giảng viên hướng dẫn: Th.s Châu Nguyễn Ngọc Lan
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Hiếu
MSSV: 15031251

Lớp: DH15TD

Vũng Tàu, 2019


LỜI CẢM ƠN
Sau hơn 4 năm học tập, rèn luyện, trau dồi kiến thức tại trường Đại học Bà Rịa
Vũng Tàu, được sự giảng dạy tận tâm của các thầy cô, sự hỗ trợ đắc lực từ gia đình cũng
như sự giúp đỡ nhiệt tình từ bạn bè, anh chị khóa trước, ngày hôm nay em đã bước vào
chặng cuối của hành trình - hoàn thành luận văn tốt nghiệp để ra trường.
Để được như ngày hôm nay, ngoài việc cố gắng, nổ lực từ bản thân thì còn rất nhiều
người đã giúp đỡ, khích lệ em trong suốt chặng đường. Vì vậy em muốn gửi lời cảm ơn
chân thành sâu sắc đến những người sau đây:
Lời đầu tiên, con cảm ơn ba mẹ, đã hy sinh cả đời mình để tạo điều kiện tốt nhất
cho con được học tập.
Tiếp theo, em xin cảm ơn quý thầy, cô trong khoa Điện – Điện tử đã truyền đạt cho
em những kiến thức quý giá suốt những năm học qua. Đặc biệt, em xin cảm ơn Cô Châu
Nguyễn Ngọc Lan, người đã đã tận tình hướng dẫn, góp ý để em có thể hoàn thành luận
văn này.
Mình cũng xin cảm ơn những bạn bè, anh chị đã động viên, giúp đỡ, sát cánh bên
nhau trong thời gian làm luận văn cũng như suốt 4 năm học qua.

Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe để tiếp tục truyền đạt
những kiến thức quý báu cho các thế hệ sinh viên chúng em. Con chúc ba mẹ thật nhiều
sức khỏe, niềm vui và hạnh phúc. Chúc các anh chị, các bạn thành công và vững bước trên
con đường mình đã chọn.
Xin chân thành cảm ơn!
Vũng Tàu, tháng 6 năm 2019
Sinh viên

Lê Văn Hiếu


MỤC LỤC
Chương 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .................................................................................................3
1.1. Lý do chọn đề tài luận văn: ............................................................................................3
1.2. Mục tiêu của đề tài: ...........................................................................................................3
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ..............................................................................4
1.4. Ý nghĩa của đề tài: .............................................................................................................4
Chương 2. TỔNG QUAN................................................................................................................5
2.1. Nhà thông minh là gì? ......................................................................................................5
2.2. Các thành phần cơ bản trong nhà thông minh: ........................................................6
2.2.1.

Hệ thống quản lý chiếu sáng: ............................................................................6

2.2.2.

Hệ thống kiểm soát ra vào:.................................................................................6

2.2.3.

Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc: .............................................................7

2.2.4.

Hệ thống giải trí đa phương tiện: .....................................................................7

2.2.5.

Hệ thống quản lý tiêu thụ năng lượng:...........................................................7

2.2.6.

Hệ thống cảm biến và báo động: ......................................................................7

2.2.7.

Hệ thống kiểm soát môi trường:.......................................................................8

2.2.8.

Hệ thống các công tắc điều khiển trạng thái: ...............................................8

2.2.9.

Hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển, giám sát từ xa: .............................8

2.3. Tình hình phát triển trong và ngoài nước: .................................................................9
2.3.1.

Đối với tình hình ngoài nước: ...........................................................................9

2.3.2.

Đối với tình hình trong nước: ............................................................................9

2.4. Phân tích, lựa chọn phương án thực hiện đề tài: .................................................. 10
2.4.1.

Phương án thực hiện: ........................................................................................ 10

2.4.2.

Phân tích phương án đã chọn: ........................................................................ 12


Chương 3. TÌM HIỂU VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM ............................................... 14
3.1. Kit STM32F407 Discovery: ........................................................................................ 14
3.1.1.

Các tính năng nổi bật: ....................................................................................... 14

3.1.2.

Các khối chức năng chính được sử dụng trong luận văn: .................... 15

3.2. Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU: ........................................................ 18
3.3. Các cảm biến được sử dụng: ....................................................................................... 20
3.3.1.

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11: .............................................................. 20

3.3.2.

Cảm biến sáng quang trở CDS: ..................................................................... 22

3.3.3.

Cảm biến mưa: .................................................................................................... 23

3.3.4.

Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC – SR501: ............................ 23

3.3.5.

Cảm biến khí gas MQ-2: .................................................................................. 24

3.4. Mạch RFID RC522 NFC: ............................................................................................ 25
3.5. Màn hình hiển thị LCD:................................................................................................ 26
3.5.1.

LCD text 1604 xanh dương: ........................................................................... 26

3.5.2.

LCD text 2004 xanh dương: ........................................................................... 27

3.5.3.

Mạch chuyển giao tiếp LCD 1602 và LCD 2004 sang I2C: ............... 27

3.6. Module 8 relay: ................................................................................................................ 28
3.7. Các thiết bị khác: ............................................................................................................. 29
3.7.1.

Đèn led, quạt: ....................................................................................................... 29

3.7.2.

Động cơ RC Servo 9G: ..................................................................................... 29

3.7.3.

Cảm ứng một chạm điện dung TTP223B: ................................................. 30

3.8. Các phần mềm được sử dụng: .................................................................................... 31
3.8.1.

Arduino IDE:........................................................................................................ 31

3.8.2.

Keil uVision5 và STM32CubeMX: ............................................................. 31


3.9. Giao thức MQTT : .......................................................................................................... 32
3.9.1.

Tìm hiểu giao thức MQTT: ............................................................................. 32

3.9.2.

Cloud MQTT: ...................................................................................................... 34

3.9.3.

Ứng dụng điều khiển giám sát từ xa: ........................................................... 35

3.10.

Cập nhật thời gian thực từ NTP server: .............................................................. 36

Chương 4. THIẾT KẾ, THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ HÌNH NGÔI NHÀ ..... 37
4.1. Tổng quan hệ thống: ...................................................................................................... 37
4.2. Mô hình ngôi nhà: ........................................................................................................... 38
4.3. Bộ điều khiển trung tâm: .............................................................................................. 39
4.3.1.

Thiết kế, thi công mạch điều khiển trung tâm:......................................... 40

4.3.2.

Thiết kế, thi công mạch nút nhấn: ................................................................ 42

4.3.3.

Bộ điều khiển trung tâm sau khi tích hợp: ................................................. 43

Chương 5. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ........................................................... 44
5.1. Các tính năng của hệ thống điều khiển nhà thông minh: .................................. 44

5.2. Giải thuật điều khiển: .................................................................................................... 45
5.2.1.

Đóng mở cửa bằng RFID: ............................................................................... 45

5.2.2.

Hoạt động theo các kịch bản: ......................................................................... 46

5.3. Lập trình cập nhật thời gian thực từ NTP sever: ............................................ 51
5.4. Lập trình điều khiển, giám sát từ xa: ........................................................................ 52
5.4.1.

Lập trình cho kit STM32F407 và module ESP 8266 NodeMCU: .... 52

5.4.2.

Tạo Broker MQTT trên CloudMQTT:........................................................ 54

5.4.3.

Thiết lập, tạo giao diện trên ứng dụng IoT OnOff:................................. 56

Chương 6. KẾT QUẢ, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................ 58
6.1. Kết quả và hạn chế của đề tài: .................................................................................... 58


6.1.1.

Kết quả: .................................................................................................................. 58

6.1.2.

Hạn chế: ................................................................................................................. 59

6.2. Hướng phát triển đề tài: ............................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................. 60


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống ............................................................................ 11
Hình 3.1: Kit STM32F407 Discovery [2] .............................................................................. 14
Hinh 3.2: Cấu trúc cơ bản của một chân I/O đa chức năng [3] .................................. 16
Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc khối giao tiếp USART [3] ......................................................... 17
Hình 3.4: Cấu trúc của một chân I2C [3] .............................................................................. 18
Hình 3.5: Module thu phát Wifi 8266 NodeMCU [4] ...................................................... 18
Hình 3.6: Các chân của Module Wifi 8266 NodeMCU [4] ............................................. 19
Hình 3.7: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ....................................................................... 20
Hình 3.8: Tín hiệu start từ MCU và phản hồi của DHT11 [5] ..................................... 21
Hình 3.9: Bit 0 [5] ........................................................................................................................... 21
Hình 3.10: Bit 1 [5] ........................................................................................................................ 22
Hình 3.11: Cảm biến quang trở CDS ...................................................................................... 22
Hình 3.12: Cảm biến mưa ........................................................................................................... 23
Hình 3.13: Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC – SR501 ................................. 23
Hình 3.14: Cảm biến khí gas ...................................................................................................... 24
Hình 3.15: Mach RFID RC552 NFC ......................................................................................... 25
Hình 3.16: LCD text 1604 xanh dương ................................................................................. 26
Hình 3.17: LCD text 2004 xanh dương ................................................................................. 27
Hinh 3.18: Mạch chuyển giao tiếp LCD 1602 và LCD 2004 sang I2C ...................... 27
Hình 3.19: Module 8 relay .......................................................................................................... 28

Hình 3.20: Đèn hắt sang trắng 3 bóng .................................................................................. 29
Hình 3.21: Quạt tản nhiệt 4x4x1cm ...................................................................................... 29
Hình 3.22: Động cơ RC Servo 9G ............................................................................................. 30
Hình 3.23: Cảm ứng một chạm điện dung TTP223B ................................................... 30
Hình 3.24: Mô hình publish/ subscribe ............................................................................... 33
Hình 3.25: Trang CloudMQTT .................................................................................................. 35
Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống ...................................................................................... 37


Hình 4.2: Mô hình ngôi nhà ....................................................................................................... 38
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm ....................................................... 40
Hình 4.4: Mạch in bộ điều khiển trung tâm ........................................................................ 41
Hình 4.5: Kêt quả thi công mạch điều khiển trung tâm ................................................ 41
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nút nhấn .......................................................................... 42
Hình 4.7: Mạch in nút nhấn ....................................................................................................... 42
Hình 4.8: Kết quả thi công mạch nút nhấn ......................................................................... 43
Hình 4.9: Bộ điều khiển trung tâm ......................................................................................... 43
Hình 5.1: Sơ đồ giải thuật đóng mở cửa dùng thẻ RFID ............................................... 45
Hình 5.2: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn phòng vệ sinh............................................. 46
Hình 5.3: Sơ đồ giải thuật báo động khí gas ....................................................................... 46
Hình 5.4: Sơ đồ giải thuật đóng cửa sổ khi trời mưa ..................................................... 47
Hình 5.5: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn, quạt ở Kịch bản 2 - Tiếp khách ......... 48
Hình 5.6: Sơ đồ giải thuật Kịch bản 3 – Ra khỏi nhà ...................................................... 49
Hình 5.7: Sơ đồ giải thuật điều khiển quạt Kịch bản 4 - Đi ngủ................................ 50
Hình 5.8: Sơ đồ giải thuật chống trộm Kịch bản 4 - Đi ngủ ........................................ 50
Hình 5.9: Sơ đồ giải thuật báo thức Kịch bản 4 - Đi ngủ .............................................. 51
Hình 5.10: Sơ đồ khối điều khiển giám sát từ xa qua Internet .................................. 52
Hình 5.11: Sơ đồ giải thuật lập tình STM32F407 giao tiếp ESP8266 ..................... 53
Hình 5.12: Sơ đồ giải thuật lập trình ESP8266 ................................................................. 54
Hình 5.13: Gói “Humble Hedgehog” của CloudMQTT .................................................... 55

Hình 5.14: Cung cấp thông tin broker cho ứng dụng IoT OnOff ............................... 56
Hình 5.15: Ứng dụng IoT OnOff kết nối broker ................................................................ 57
Hình 5.16: Giao diện điều khiển được tạo trên ứng dụng IoT OnOff ..................... 57
Hình 6.1: Bộ điều khiển và mô hình ngôi nhà sau khi hoàn thành .......................... 58


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Giao tiếp giữa mạch chuyển đổi LCD sang I2C với MCU .......................... 28
Bảng 4.1: Bố trí cảm biến và các thiết bị.............................................................................. 38
Bảng 4.2: Các chân vi điều khiển sử dụng ........................................................................... 40
Bảng 5.1: Các topic phải tạo ...................................................................................................... 56


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MQTT: Message Queuing Telemetry Transport
MCU: Micro-controller Unit
AI: Artificial Intelligence
NTP: Network Time Protocol


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn được trình bày thành 6 chương với những nội dung cơ bản sau:
Chương 1. Giới thiệu đề tài: Ở chương này, em trình bày lý do chọn đề tài, mục
tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu cũng như ý nghĩa của đề tài.
Chương 2. Tổng quan: Đề cập đến khái niệm nhà thông minh, những thành
phần cơ bản nhất của một hệ thống nhà thông minh. Ngoài ra còn trình bày tình hình
phát triển của lĩnh vực nhà thông minh trong và ngoài nước. Cuối cùng dựa trên
những kiến thức đó phân tích, lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài.
Chương 3. Tìm hiểu phần cứng và phần mềm: Ở chương này trình bày phần
cứng, phần mềm, và những kiến thức liên quan. Cụ thể phần cứng gồm: kit

STM32F407 Discovery, ESP8266 NodeMCU, các loại cảm biến: nhiệt độ, mưa, ánh
sáng,…Phần mềm gồm: Arduino IDE, Keil uVision 5, STM32CubeMX. Một số kiến
thức liên quan như giao thức MQTT, NTP server.
Chương 4. Thiết kế, thi công bộ điều khiển và mô hình ngôi nhà: Trình bày
trình tự thiết kế và thi công phần cứng.
Chương 5. Giải thuật điều khiển: Trong chương này trình bày những thuật toán
điều khiển gồm: thuật toán điều khiển đóng mở cửa dùng thẻ RFID, thuật toán điều
khiển theo kịch bản, thuật toán điều khiển và giám sát từ xa,…
Chương 6: Kết quả, hạn chế và hướng phát triển của đề tài: Kết quả đạt được
của đề tài, những hạn chế và hướng phát triển của hệ thống trong tương lai.

1


MỞ ĐẦU
Nếu như trước đây, nhà thông minh chỉ toàn nằm trong trí tưởng tượng cũng
như trên phim ảnh mà thôi, thì hiện nay nhà thông minh đã rất phát triển và trở nên
phổ biến. Ở nước ta, thuật ngữ này đã không còn quá xa lạ với người dân. Hàng loạt
các công ty nghiên cứu, cung cấp giải pháp nhà thông minh ra đời, nhiều căn hộ cao
cấp được lắp đặt và sử dụng công nghệ này. Tuy nhiên để sở hữu một căn nhà với
những chức năng hiện đại như điều khiển chiếu sáng, điều khiển rèm cửa, hệ thống
an ninh báo trộm, báo cháy... hay gần đây là công nghệ trợ lý ảo thì người dùng phải
bỏ ra một số tiền không hề nhỏ, mà không phải ai cũng đủ khả năng chi trả. Với mục
đích vận dụng những kiến thức đã được học để tạo ra bộ thiết bị điều khiển cho chính
ngôi nhà của mình với những tính năng cơ bản, giá phải chăng, em đã chọn đề tài “Hệ
thống điều khiển nhà thông minh”. Đề tài tập trung xây dựng bộ điều khiển on/off
các thiết bị trong nhà, hoạt động theo các kịch bản, đọc và hiển thị cảm biến, chống
trộm, điều khiển giám sát ngôi nhà từ xa thông qua mạng Internet.

2

Chương 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài luận văn:
Em chọn “Hệ thống điều khiển nhà thông minh” làm đề tài luận văn tốt nghiệp vì
những lý do sau đây:
 Thứ nhất, nhà thông minh đang là xu hướng phổ biến trên thế giới khi hỗ trợ
tiết kiệm thời gian và công sức nhờ áp dụng công nghệ hiện đại. Tại Việt
Nam, công nghệ này cũng ngày càng được lòng người dùng và trở thành lựa
chọn ưu tiên.
 Thứ hai, em có thể áp dụng được nhiều kiến thức đã được học vào đề tài như
kiến thức lập trình vi điều khiển, kiến thức về các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,
ánh sáng,.. hoặc kiến thức về giao tiếp giữa 2 vi điều khiển,…Đây cũng là cơ
hội để em tìm hiểu thêm kiến thức mới, rèn luyện tính tự chủ và tinh thần
trách nhiệm trong công việc.
 Thứ ba, dưới sự phổ biến của công nghệ nhà thông minh hiện nay, thì nhu cầu
tìm hiểu và phát triển càng trở nên cấp thiết.
 Cuối cùng, với mục đích tạo ra được một bộ điều khiển với những tính năng
cơ bản, áp dụng được cho chính ngôi nhà của mình đã tạo thêm động lực thúc
đẩy cho em thực hiện đề tài này.
1.2. Mục tiêu của đề tài:
Hiểu rõ đặc điểm, tính năng và cấu trúc của ngôi nhà thông minh. Nắm vững
những tính năng của hệ thống chiếu sáng, hệ thống báo cháy, báo trộm... trong nhà
thông minh.
Thiết kế và gia công bộ điều khiển ngôi nhà với những tính năng cơ bản sau:
 Có khả năng bật, tắt các thiết bị trong nhà bằng tay hoặc tự động theo các
kịch bản.
 Đọc và xử lý tín hiệu từ các cảm biến.
 Đóng mở cửa bán tự động sử dụng thẻ RFID.
 Báo trộm, rò khí gas.

 Cập nhật thời gian thực, hẹn giờ báo thức.
 Có thể điều khiển, giám sát từ xa bằng điện thoại kết nối mạng Internet.
Xây dựng mô hình ngôi nhà để có thể vận hành thử nghiệm bộ điều khiển trên.

3


1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi của nhà thông minh rất rộng, từ cơ sở hạ tầng cho đến các chức năng,
chế độ hoạt động.
Trong luân văn tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống bật tắt các thiết bị trong
nhà theo kịch bản, báo trộm, báo rò khí gas, hẹn giờ báo thức. Điều khiển, giám sát
từ xa thông qua Internet.
1.4. Ý nghĩa của đề tài:
Là tài liệu hữu ích cho những ai mới bắt đầu tìm hiểu về hệ thống nhà thông
minh. Đặc biệt là tài liệu tham khảo cho những ai muốn tự thiết kế, chế tạo một bộ
điều khiển ngôi nhà với những tính năng cơ bản.

4


Chương 2. TỔNG QUAN
2.1. Nhà thông minh là gì?
Nhà thông minh hay hệ thống nhà thông minh là một ngôi nhà/căn hộ được trang
bị các hệ thống tự động thông minh cùng với cách bố trí hợp lý, các hệ thống này có
khả năng tự điều phối các hoạt động trong ngôi nhà theo thói quen sinh hoạt và nhu
cầu cá nhân của gia chủ. Chúng ta cũng có thể hiểu ngôi nhà thông minh là một hệ
thống chỉnh thể mà trong đó, tất cả các thiết bị điện tử gia dụng đều được liên kết với
thiết bị điều khiển trung tâm và có thế phối hợp với nhau để cùng thực hiện một chức
năng. Các thiết bị này có thể tự đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước,

hoặc là được điều khiển và giám sát từ xa nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày
càng tiện nghi, an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên.
Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống
kiểm soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với
khung cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối. Hệ thống
cũng có thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera
giám sát, hệ thống khóa cửa tự động, hệ thống phòng ngừa trộm.
Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ
thống điều khiển giải trí tại gia – loa công suất khác nhau, hệ thống điện thoại, liên
lạc nội bộ, hệ thống tưới nước...
Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ các thiết bị trong nhà được kết
nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các
quyết định điều khiển phù hợp.
Nhà thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng
từ nhiều năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng
rãi của điện và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin. Công nghệ nhà
thông minh là hiện thực và nó ngày càng trở nên tinh vi. Các tín hiệu được mã hóa
được gửi đi qua hệ thống dây dẫn, mạng không dây đến các bộ chuyển mạch, ổ điện
được lập trình sẵn để vận hành các đồ gia dụng và thiết bị điện tử ở trong ngôi nhà.

5


Sự tự động hóa của ngôi nhà đặc biệt có ích cho người lớn tuổi và người tàn tật, những
người muốn sống tự lập.
Việc lắp đặt các sản phẩm thông minh đem lại cho ngôi nhà và chủ nhân của nó
rất nhiều lợi ích – tương tự như những lợi ích mà công nghệ và máy tính cá
nhân đã đem lại cho chúng ta nhiều năm qua - bao gồm: sự tiện nghi, tiết kiệm thời
gian, tiền bạc và năng lượng.
2.2. Các thành phần cơ bản trong nhà thông minh:

2.2.1.

Hệ thống quản lý chiếu sáng:

Các thiết bị chiếu sáng như bóng đèn sợi đốt, đèn neon, đèn ngủ, trang
trí…được sử dụng rất nhiều. Vì vậy nếu phối hợp chiếu sáng không hợp lý sẽ dẫn
tới bị “ô nhiễm” ánh sáng. Ngoài ra, việc chiếu sáng như vậy còn gây lãng phí điện,
giảm tuổi thọ thiết bị. Bên cạnh đó số lượng đèn dùng để chiếu sáng là khá lớn, gia
chủ sẽ gặp những bất tiện nhỏ trong việc bật tắt, điều chỉnh độ sáng cho phù hợp.
Hệ thống chiếu sáng sẽ được tích hợp chung với các hệ thống khác hoặc sẽ
được tách riêng ra để điều khiển độc lập. Các giải pháp đều nhằm tối ưu hóa hệ
thống và giúp gia chủ điều khiển dễ dàng hơn. Các giải pháp kết hợp sẽ được tính
đến để tự động hóa tới mức tối đa.
2.2.2.

Hệ thống kiểm soát ra vào:

Khi gia chủ đi vắng, việc kiểm soát các hệ thống vào ra trong ngôi nhà là rất
quan trọng, giúp đề phòng trộm v.v… Ngôi nhà thông minh cung cấp hệ thống
kiểm soát vào ra cho phép chủ nhà quản lý và cấp quyền “đăng nhập” cho các thành
viên trong gia đình và người thân.
Hệ thống cửa ra vào sẽ được lắp đặt các khóa vân tay hoặc thẻ từ… nhằm nhận
dạng người trong nhà hoặc khách để cấp quyền “đăng nhập”. Ngoài ra, còn có thể
dùng hệ thống nhận diện khuôn mặt hay giọng nói.
Mỗi khi có sự kiện mới, hệ thống kiểm soát ra vào này cũng sẽ kích hoạt các
hệ thống khác để lưu giữ các thay đổi do người dùng tạo ra.

6

2.2.3.

Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc:

Một ngôi nhà bình thường sẽ có từ 4 đến 5 phòng kín, và do vậy sẽ có một vài
vấn đề khó khăn khi giao tiếp từ phòng này sang phòng khác. Một hệ thống thông
tin liên lạc nội bộ có thể giúp giải quyết vấn đề này.
Hệ thống liên lạc nội bộ đơn giản có thể là các điện thoại cố định. Ngoài chức
năng liên lạc trong nhà, hệ thống này cần được kết nối với mạng điện thoại để tiện
cho việc giao tiếp và công việc hơn, để làm việc này cần đến một bộ chuyển kênh.
Hệ thống quan sát sẽ giúp việc kiểm soát an ninh, người vào/ra ngôi nhà…giúp
cho gia chủ nhận diện khách nhanh chóng thông qua camera.
2.2.4.

Hệ thống giải trí đa phương tiện:

Ngôi nhà là nơi sinh hoạt của một gia đình có thể gồm nhiều thế hệ và mỗi thế
hệ lại có nhu cầu giải trí khác nhau. Do đó, một hệ thống giải trí đa phương tiện sẽ
cung cấp cho các thành viên những hoạt động giải trí phù hợp…
2.2.5.

Hệ thống quản lý tiêu thụ năng lượng:

Đối với một ngôi nhà bình thường thì việc cung cấp và đo lường các chỉ số
điện nước đều phải thông qua các cơ quan nhà nước.
Ngôi nhà thông minh cung cấp giải pháp nhằm đo lường và báo lại các thông
số điện, nước thường xuyên, kết hợp với bộ xử lý trung tâm và các hệ thống khác
để tiết kiệm năng lượng.
2.2.6.

Hệ thống cảm biến và báo động:

Hệ thống các cảm biến là thành phần quan trọng trong bất kì hệ thống nào của
ngôi nhà, các cảm biến có nhiệm vụ gửi các thông số đo được về cho bộ xử lý trung
tâm để có giải pháp phù hợp với từng gói dữ liệu và xử lý từng tình huống tương
ứng.
Các cảm biến cơ bản như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến gas, cảm biến
áp suất, cảm biến hồng ngoại…

7


2.2.7.

Hệ thống kiểm soát môi trường:

Môi trường sống là nhân tố rất quan trong trong cuộc sống. Nó ảnh hưởng trực
tiếp đến sức khỏe của mỗi thành viên trong gia đình. Trong thời đại công nghiệp
hóa thì độ ô nhiễm môi trường ngày càng cao. Vì vậy việc bảo vệ môi trường sống
được các nhà khoa học rất chú trọng.
Hệ thống kiểm soát môi trường sẽ đảm bảo môi trường trong nhà luôn ở tình
trạng tốt nhất cho con người. Hệ thống kiểm soát môi trường có thể gồm các thiết
bị như: máy điều hòa, hệ thống quạt thông gió...
2.2.8.

Hệ thống các công tắc điều khiển trạng thái:

Hệ thống các công tắc và bảng hiển thị sẽ cung cấp thông tin cũng như nhận
lệnh điều khiển từ gia chủ. Đảm bảo sự tương tác hai chiều giữa các thành viên và
hệ thống tự động. Hệ thống bao gồm: các điều khiển từ xa, các công tắc gắn tường,

các bảng điều khiển tương tác HMI, điện thoại thông minh…
2.2.9.

Hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển, giám sát từ xa:

Ngôi nhà thông minh được đánh giá cao và khác hẳn những ngôi nhà bình
thường là do nó được trang bị một hệ thống điều khiển và toàn bộ các thay đổi và
điều khiển tự động trong ngôi nhà được xử lý đồng nhất thông qua hệ thống xử lý
trung tâm. Nó có vai trò quan trọng, làm nhiệm vụ liên kết các hệ thống khác trong
ngôi nhà lại với nhau, điều phối của hệ thống chấp hành một cách nhịp nhàng theo
các điều kiện tác động được lập trình từ trước. Chúng ta gọi đó là các kịch bản –
hay là các điều kiện môi trường trong ngôi nhà. Gần đây với sự phát triển của trí
tuệ nhân tạo (AI) thì quá trình điều khiển ngôi nhà càng trở nên tinh vi hơn. Một
vài sự kết hợp tiêu biểu:
 Hệ thống chiếu sáng với Hệ thống xử lý trung tâm có thể học và thực hiện
theo thói quen của người sử dụng. Hay các thiết bị chiếu sáng sẽ hoạt động
theo chu trình thời gian đặt trước.
 Hệ thống chiếu sáng kết hợp với Hệ thống cảm biến cung cấp khả năng tự
động điều khiển ánh sáng như: đèn tự động tắt khi không có người trong
phòng...

8


 Hệ thống cảnh báo kết hợp với hệ thống chiếu sáng: khi có vấn đề xảy ra
như cháy nổ, phát hiện ăn trộm…các bóng đèn sẽ chớp sáng liên tục, đồng
thời sẽ có tiếng còi báo hiệu.
 Hệ thống cảm biến kết hợp với hệ thống xử lý trung tâm báo cáo tình trạng
lưu trữ điện trong các UPS, báo cáo mực nước trong bồn chứa…nhằm đảm
bảo nguồn cung cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày.

 Hệ thống giải trí đa phương tiện kết hợp với hệ thống chiếu sáng nhằm đem
lại những giây phút thư giãn cho thành viên trong gia đình.
2.3. Tình hình phát triển trong và ngoài nước:
2.3.1.

Đối với tình hình ngoài nước:

Trên phạm vi toàn cầu, nhà thông minh được xem là một lĩnh vực có dư địa
phát triển rất lớn. Các đại gia công nghệ như Microsoft, Apple, Google,
Samsung...tỏ ra sốt sắng với xu hướng này thông qua hàng loạt những dự án liên
quan. Google mua lại Nest (hãng sản xuất bộ điều khiển nhiệt độ thông minh và
thiết bị báo khói), Samsung ra mắt hệ thống nhà thông minh khép kín trong các
thiết bị của hãng, Apple giới thiệu nền tảng phát triển ứng dụng nhà thông minh
HomeKit [1].
Ngoài ra, nhắc đến những thương hiệu nhà thông minh đến từ nước ngoài,
không thể không kể đến: hãng Schneider của Pháp, Smartg4 của Mỹ, Gamma của
Đức,... Các sản phẩm thiết bị nhà thông minh đến từ nước ngoài đều mang trong
mình những ưu điểm vượt trội về thiết kế, tính năng với những giải pháp tiên tiến
và hiện đại.
2.3.2.

Đối với tình hình trong nước:

Các doanh nghiệp Việt Nam vẫn không ngừng bám đuổi công nghệ trên thế
giới, không ngừng nghiên cứu về nhà thông minh. Thực tế, đã có nhiều doanh
nghiệp của chúng ta cho ra mắt sản phẩm nhà thông minh “Made in Vietnam”.
Ta có thể kể tới:
 Nhà thông minh BKAV:
- BKAV hiện đang cung cấp 2 sản phẩm Nhà thông minh là BKAV
SmartHome thế hệ 2 và BKAV Smarthome Luxury.

9


-

-

-

-


-

-

BKAV SmartHome kết nối tất cả các thiết bị điện trong ngôi nhà thành một
hệ thống mạng, để có thể điều khiển chúng theo các kịch bản thông minh,
bao gồm: hệ thống đèn chiếu sáng, rèm cửa, điều hoà nhiệt độ, tivi, âm
thanh, khoá cửa, bình nóng lạnh, quạt thông gió, camera an ninh, chuông
cửa có hình, hệ thống bơm tưới nước tiểu cảnh, bể cá.
Các thiết bị thông minh của BKAV SmartHome được đầu tư và chăm chút
khá tỉ mỉ về vật liệu, thiết kế với mức giá tương đương với các nhà cung
cấp nước ngoài như Seimens và Schneider. Chi phí cho hệ thống nhà thông
minh của BKAV được coi là khá đắt so với mặt bằng chung do hướng tới
thị trường cao cấp. Cụ thể BKAV SmartHome thế hệ 2 được chào bán với
mức giá từ 30 – 50 triệu đồng, BKAV Smarthome Luxury khoảng từ 200
- 300 triệu đồng.
Về tính năng, nhà thông minh của BKAV có thể điều khiển trực tiếp thông

qua thiết bị gắn trên tường hoặc dùng smartphone, máy tính bảng, có chức
năng điều khiển bằng giọng nói, tích hợp các kịch bản ngữ cảnh thông minh
và sử dụng hệ điều hành SmartHome OS do BKAV phát triển.
Ngoài ra mới đây BKAV vừa cho ra mắt bộ thiết bị an ninh cao cấp BKAV
SmartHome Security, bảo vệ ngôi nhà theo nhiều lớp, từ tường rào, sân
vườn, các cửa tới từng khu vực, phòng ốc. Khác với các thiết bị hiện có
trên thị trường, BKAV SmartHome Security tích hợp trí tuệ nhân tạo (công
nghệ AI) giúp phát hiện thông minh, loại bỏ các hiện tượng cảnh báo sai,
nhầm các xâm nhập ngoài mong muốn đối với ngôi nhà.
Nhà thông minh Lumi:
Lumi tập trung vào cung cấp các giải pháp chiếu sang thông minh, điều
hòa, rèm cửa, bình nóng lạnh điều khiển tự động, âm thanh đa vùng, hệ
thống an ninh, kiểm soát môi trường cho nhà ở…
Lumi SmartHome được hết nối và điều khiển qua các thiết bị điện thông
minh như công tắc cảm ứng, chiết áp cảm ứng, cảm biến, bộ điều khiển
hồng ngoại... Người sử dụng có thể điều khiển giám sát bằng smartphone/
máy tính bảng, điều khiển bằng giọng nói.

Nhìn chung, các hệ thống này đã đáp ứng được phần lớn nhu cầu của người
sử dụng. Tuy nhiên giá thành của chúng còn khá cao, những người có thu nhập vừa
và thấp thì khó có khả năng sở hữu được một hệ thống như vậy. Vì vậy, yêu cầu
đặt ra là phải giảm được giá thành sản phẩm để nhà thông minh ngày càng được
phổ biến hơn.
2.4. Phân tích, lựa chọn phương án thực hiện đề tài:
2.4.1.

Phương án thực hiện:

Căn cứ vào những hiểu biết về hệ thống nhà thông minh đã tìm hiểu và trình
bày ở trên, luận văn sẽ xây dựng nhà thông minh gồm các thành phần sau đây:

10


 Khối chiếu sáng: gồm các đèn led, và hệ thống cửa sổ có thể đóng mở nhờ
động cơ.
 Khối kiểm soát vào ra, báo động: Sử dụng thẻ từ RFID để kiểm soát người
ra vào, kết hợp với hệ thống cửa bán tự động. Báo động bằng còi điện.
 Khối cảm biến: Sử dụng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, mưa, ánh sáng, thân
nhiệt chuyển động, gas để cung cấp thông tin cho bộ điều khiển.
 Khối điều hòa không khí: gồm quạt thông gió, cửa sổ.
 Khối xử lý trung tâm: Sử dụng kit STM32F407 Discovery làm bộ xử lý
trung tâm, bên cạnh đó còn sử dụng thêm module Wifi ESP8266 NodeMCU
để kết nối mạng Internet đưa dữ liệu lên CloudMQTT và cập nhật thời gian
thực. Ngoài ra để điều khiển được các thiết bị điện gia dụng thì cần tích hợp
thêm hệ thống relay, phím bấm và LCD cũng được trang bị để dễ dàng điều
khiển trực tiếp.

Khối điều
hòa không
khí

Khối kiểm soát ra
vào

Khối xử lý trung tâm

Khối cảm
biến

Relay

Khối chiếu
sáng
Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống

Với giới hạn đề tài là xây dựng mô hình nhà thông minh, nên các thiết bị quạt,
đèn thực tế sẽ được thay thế bằng đèn led và quạt tản nhiệt 12V. Tuy nhiên các
thiết bị vẫn sẽ được điều khiển thông qua relay để đảm bảo tính ứng dụng thực tế
của đề tài.

11


2.4.2.

Phân tích phương án đã chọn:

Để đảm bảo cho nhu cầu sử dụng của người dùng và hệ thống hoạt động tốt,
ổn định thì việc lựa chọn vi điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển trung tâm đóng
vai trò rất quan trọng. Vi điều khiển được dùng trong đề tài phải có những yêu cầu
bắt buộc sau:






Hỗ trợ số lượng IO lớn.
Có hỗ trợ các giao tiếp UART, I2C, SPI.

Có bộ chuyển đổi ADC.
Tốc độ xử lý cao, ổn định.
Giá thành hợp lí.

Căn cứ vào những yêu cầu trên em quyết định chọn kit STM32F407 Discovery
làm bộ xử lý trung tâm.
Bên cạnh việc sử dụng kit STM32F407 Discovery cho đề tài , em còn sử dung
ESP8266 NodeMCU để truyền nhận dữ liệu giữa hệ thống và Cloud. Một vài ưu
điểm của nó như trang bị chip nạp và giao tiếp UART mới và ổn định là CP2102,
nhờ vậy mà có thể lập trình và nạp chương trình trực tiếp từ IDE của Arduino, điều
này khiến việc lập trình ứng dụng trở nên đơn giản hơn. Ngoài ra giá thành của nó
không quá cao.
Để giao tiếp giửa kit STM32F407 Discovery và ESP8266 NodeMCU thì có
thể sử dụng các giao thức như UART, SPI hay I2C. Do khi thực hiện khoảng cách
giữa 2 hai vi điều khiển không xa, không yêu cầu tốc độ quá cao nên để đơn giản
em quyết định chọn giao thức UART.
Hiện nay có nhiều giao thức giúp điều khiển thiết bị qua Internet mỗi giao thức
có ưu nhược điểm riêng. Trong luận văn em đã sử dụng giao thức MQTT, một số
ưu điểm nổi bật của nó như: băng thông thấp, độ tin cậy cao và có thể sử dụng ngay
cả khi hệ thống mạng không ổn định, tốn rất ít byte cho việc kết nối với server và
connection có thể giữ trạng thái open xuyên suốt, có thể kết nối nhiều thiết bị
(MQTT client) thông qua một MQTT server (broker). Bởi vì giao thức này sử dụng

12


băng thông thấp trong môi trường có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng
cho các ứng dụng IoT.
Để thực hiện giao thức MQTT ta cần có một MQTT server (hay broker), có 2
cách để có được một broker MQTT đó là:

 Tự tạo broker MQTT trên máy tính, raspberry, ...cách này tốn kém thêm
chi phí, phức tạp.
 Sử dụng các dịch vụ MQTT broker có sẵn.
Do khả năng còn hạn chế nên em quyết định chọn cách thứ hai là sử dụng
MQTT broker có sẵn. Ở đây em dùng broker được cung cấp bởi CloudMQTT
( />Ngoài ra, để cập nhật thời gian thực cho hệ thống em sử dụng ESP8266
NodeMCU kết nối Internet để đồng bộ thời gian từ server NTP ( Network Time
Protocol). Phương pháp này có thể giúp tiết kiệm phần cứng khi không cần phải
dùng những module thời gian thực như thông thường.

13


Chương 3. TÌM HIỂU VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
3.1. Kit STM32F407 Discovery:
STM32F407VG là chip của STMicroelectronics, là dòng vi điều khiển 32- bit
dựa trên nền lõi ARM Cortex-M. Dòng ARM Cortex™-M là thế hệ mới, thiết lập các
tiêu chuẩn mới về hiệu suất, chi phí, ứng dụng cho các thiết bị cần tiêu thụ năng lượng
thấp, và đáp ứng yêu cầu thời gian thực khắc khe.
Bộ kit STM32F4 Discovery cho phép người dùng dễ dàng phát triển các ứng
dụng với vi điều khiển có hiệu suất cao STM32F407VG. Kit được tích hợp sẵn công
cụ ST-LINK giúp nạp chương trình, kiểm tra lỗi nhanh chóng.

Hình 3.1: Kit STM32F407 Discovery [2]
3.1.1.

Các tính năng nổi bật:

Một số tính năng của kit [2]:
 Bộ vi điều khiển STM32F407VGT6 có lõi ARM Cortex® 32-bit với lõi

FPU, bộ nhớ Flash 1-Mbyte, RAM 192Kbyte trong gói LQFP100, tần số
hoạt động 168MHz.
 Cổng USB 2.0 tốc độ cao.
 Ethernet LAN 10/100Mb.

14