Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển nhà thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ
THÔNG MINH

Giảng viên hướng dẫn :

ThS. Nguyễn Văn Định

Sinh viên thực hiện :
Mã số sinh viên :

Nguyễn Văn Thắng
56130205

Khánh Hòa, năm 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ
THÔNG MINH

GVHD :ThS. Nguyễn Văn Định
SVTH : Nguyễn Văn Thắng
MSSV : 56130205

Khánh Hòa, tháng 7 năm 2018


i
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Khoa: Cơ khí

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dùng cho CBHD và nộp cùng báo cáo ĐA/CĐTN của sinh viên)

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN VĂN ĐỊNH
Sinh viên được hướng dẫn: NGUYỄN VĂN THẮNG MSSV: 56130205
Khóa: K56

Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Lần
KT

Ngày

1

05/04/2018

Nghiên cứu tổng quan

2

10/04/2018

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

3

15/04/2018

Đưa ra phương án thiết kế

4

15/05/2018

Chế tạo mô hình

Nội dung

Nhận xét của GVHD

Kiểm tra giữa tiến độ của Trưởng BM
Ngày kiểm tra:

Đánh giá cơng việc hồn thành: ………..%

Ký tên

…………………

Được tiếp tục: ………..........Không tiếp tục: ……………

5

01/06/2018

Thử nghiệm và hiệu chỉnh

6

29/06/2018

Hoàn thiện báo cáo

Nhận xét chung (sau khi sinh viên hồn thành ĐA/CĐ):
…………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….………
…………………………………………………………………………………….………
…………………………………………………………………………………….………
…………………………………………………………………………………….………
Điểm hình thức:……/10
Điểm nội dung:......./10
Điểm tổng kết:………/10
Đồng ý cho sinh viên:

Được bảo vệ:

Khơng được bảo vệ:
Khánh Hịa, ngày … tháng … năm 2018
Cán bộ hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)


ii

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... vii
DANH MỤC VIẾT TẮT ..........................................................................................viii
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1:
1.1

TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH .......................................... 2

GIỚI THIỆU VỀ NHÀ THƠNG MINH ......................................................... 2
Nhà thơng minh điều khiển bằng hệ thống mạng LAN ............................. 3
Nhà thông minh điều khiển bằng sóng RF hoặc sóng hồng ngoại ............. 3
Nhà thơng minh LUMI Việt Nam ............................................................ 4
Nhà thông minh Bkav SmartHome........................................................... 5
Nhà thơng minh điều khiển bằng sóng Bluetooth. .................................... 6

1.2

CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG NHÀ THÔNG MINH .. 6
Hệ thống điều khiển cố định..................................................................... 6
Hệ thống điều khiển từ xa ........................................................................ 8

Hệ thống điều khiển tự động .................................................................. 10
Ứng dụng các phương pháp điều khiển vào hệ thống nhà thông minh .... 11

CHƯƠNG 2:

PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................... 14

2.1

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................. 14

2.2

YÊU CẦU HỆ THỐNG................................................................................ 14
Yêu cầu phần cứng ................................................................................. 14
Yêu cêu phần mền .................................................................................. 15
Kế thừa .................................................................................................. 15

2.3

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ............................................................................. 15
Phương án 1 ........................................................................................... 16
Phương án 2 ........................................................................................... 19

2.4

CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ. .......................................................................... 22
Thiết kế cơ khí. ...................................................................................... 22
Cơ khí chế tạo. ....................................................................................... 26
Thiết kế mạch điều khiển ....................................................................... 35

iii
Thiết kế phần mềm điều khiển ............................................................... 52
Thiết kế phần đệm điều khiển ................................................................ 60
Hoàn thiện hệ thống ............................................................................... 62
CHƯƠNG 3:
3.1

KIỂM TRA VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG .............................. 64

KIỂM TRA HỆ THỐNG .............................................................................. 64
Kiểm tra cơ khí mơ hình......................................................................... 64
Kiểm tra điện hệ thống ........................................................................... 66

3.2

THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ..................................................................... 70
Các kết quả thực nghiệm ........................................................................ 70
Điều khiển bật/tắt các thiết bị điện bằng công tắc cơ .............................. 72

Điều khiển bật/tắt các thiết bị điện bằng công tắc cảm biến chạm công
nghiệp 73
Điều khiển bật/tắt các thiết bị điện theo phương pháp mới ..................... 74
CHƯƠNG 4:
4.1

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ............................................................ 82

KẾT LUẬN .................................................................................................. 82

Cơ khí .................................................................................................... 82
Mạch điện .............................................................................................. 82
Điều khiển ............................................................................................. 83

4.2

ĐỀ XUẤT .................................................................................................... 83
Cơ khí .................................................................................................... 83
Mạch điện .............................................................................................. 83
Điều khiển ............................................................................................. 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 85
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 86
A.

Phần đệm Arduino ........................................................................................ 86

B.

Phần đệm ESP8266 ...................................................................................... 98


iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Tổng quan về nhà thơng minh ....................................................................... 2
Hình 1.2 Điều khiển sử dụng mạng LAN ..................................................................... 3
Hình 1.3 Trung tâm điều khiển BroadLink RM-Pro ..................................................... 3
Hình 1.4 Nhà thơng minh LUMI Việt Nam.................................................................. 4
Hình 1.5 Sơ đồ kết nối của hệ thống ............................................................................ 5

Hình 1.6 Điều khiển thiết bị thơng qua sóng Bluetooth sử dụng Arduino ..................... 6
Hình 1.7 Cơng tắc cảm ứng chạm ................................................................................ 6
Hình 1.8 Cơng tắc thẻ từ ES – TT05 ............................................................................ 7
Hình 1.9 Hệ thống điều khiển thơng qua mạng internet................................................ 8
Hình 1.10 Bộ điều khiển từ xa có khoảng cách ............................................................ 8
Hình 1.11 Điều khiển từ xa bằng sóng Bluetooth ......................................................... 9
Hình 1.12 Điều khiển bằng sóng Wifi thơng qua mạng lưới Internet .......................... 10
Hình 1.13 Ngun lí hoạt động của cơng tắc cảm biến chuyển động .......................... 10
Hình 1.14 Hệ thống quản lý chiếu sáng hành lang ..................................................... 11
Hình 1.15 Hệ thống giám sát bằng SmartPhone ......................................................... 12
Hình 1.16 Hệ thống điều khiển điện ........................................................................... 13
Hình 1.17 Hệ thống báo động, báo cháy thơng minh .................................................. 13
Hình 2.1 Thiết kế mơ hình cơ khí............................................................................... 16
Hình 2.2 Xây dựng mơ hình điều khiển bằng sóng RF ............................................... 17
Hình 2.3 Cơng tắc cảm ứng cơng nghiệp ................................................................... 18
Hình 2.4 Mơ hình thiết kế hệ thống điện mơ phỏng ................................................... 19
Hình 2.5 Xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống ....................................................... 20
Hình 2.6 Module cảm ứng chạm và IC xử lý tín hiệu ................................................. 21
Hình 2.7 Phần mền SolidWorks 2013 ........................................................................ 22
Hình 2.8 Bản thiết kế khung cơ khí ............................................................................ 22
Hình 2.9 Bản thiết kế vị trí lắp đặt của đèn và bộ phận điều khiển ............................. 23
Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý tủ điện ............................................................................. 24
Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện .................................................................. 25
Hình 2.12 Sơ đồ tổng thể mơ hình ............................................................................. 25
Hình 2.13 Sơ đồ thiết kế chi tiết khung cơ khí mơ hình.............................................. 32
Hình 2.14 Khung cơ khí thực tế ................................................................................. 32
Hình 2.15 Sơ đồ lắp ráp Aluminium .......................................................................... 33
Hình 2.16 Bảng điều khiển và bố trí thiết bị điện thực tế............................................ 33
Hình 2.17 Tủ điện thực tế .......................................................................................... 34
Hình 2.18 Mạng lưới hệ thống điện thực tế ................................................................ 34

Hình 2.19 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ................................................................. 35


v
Hình 2.20 Bộ thu RF và khối xử lý tín hiệu đầu ra ..................................................... 36
Hình 2.21 Sơ đồ ngun lí mạch phát RF................................................................... 36
Hình 2.22 Ngun lí của cảm biến chạm TTP223 ...................................................... 37
Hình 2.23 Sơ đồ chân IC CD4013.............................................................................. 37
Hình 2.24 Sơ đồ layout khối mạch thu và xử lí tín hiệu sóng RF................................ 38
Hình 2.25 Mạch thu và xử lí tín hiệu.......................................................................... 39
Hình 2.26 Bộ phát sóng RF và xử lý tín hiệu ............................................................. 40
Hình 2.27 Sơ đồ layout khối mạch phát và xử lí tín hiệu sóng RF .............................. 41
Hình 2.28 Mạch điều khiển phát sóng RF .................................................................. 42
Hình 2.29 Board mạch Arduini UNO......................................................................... 42
Hình 2.30 Sơ đồ nguyên lý module phát RF PT2262 ................................................. 45
Hình 2.31 sơ đồ nguyên lý module thu RF PT2272 .................................................... 47
Hình 2.32 Module bluetooth HC-06 ........................................................................... 48
Hình 2.33 Sơ đồ chân của Module HC06 ................................................................... 49
Hình 2.34 sơ đồ chân DS1307 ................................................................................... 50
Hình 2.35 Sơ đồ ngun lí bộ định thời RTC-DS1307 ............................................... 50
Hình 2.36 Lưu đồ thuật tốn phần mềm điều khiển .................................................... 52
Hình 2.37 Icon APP MIT INVENTOR ...................................................................... 52
Hình 2.38 Giao diện phần mềm khi đăng nhập........................................................... 53
Hình 2.39 Các thành phần thao tác trên giao diện phần mềm ..................................... 53
Hình 2.40 Connectivity Bluetooth.............................................................................. 54
Hình 2.41 Tạo button và chỉnh thuộc tính .................................................................. 54
Hình 2.42 Hồn thiện phần giao diện thiết kế ............................................................ 55
Hình 2.43 Giao diện viết Code điều khiển.................................................................. 55
Hình 2.44 Lưu đồ thuật tốn Connect/Disconnect ...................................................... 56
Hình 2.45 Code Connect/Disconnect ......................................................................... 57

Hình 2.46 Code button điều khiển hệ thống ............................................................... 57
Hình 2.47 Code button chức năng ............................................................................. 58
Hình 2.48 Xuất code mã QR APP và cài đặt lên smartphone ..................................... 58
Hình 2.49 Giao diện App điều khiển trên SmartPhone ............................................... 59
Hình 2.50 Lưu đồ thuật tốn ESP8266 ....................................................................... 60
Hình 2.51 Lưu đồ thuật tốn chương trình chính rút gọn ............................................ 61
Hình 2.52 Kết nối phần điều khiển với hệ thống điện................................................. 62
Hình 2.53 Lắp đặt cơng tắc cảm ứng vào hệ thống điện ............................................. 62
Hình 2.54 Lắp đặt tủ điện vào mơ hình ...................................................................... 63
Hình 3.1 Kiểm tra cơ khí mơ hình .............................................................................. 64
Hình 3.2 Kiểm tra việc lắp đặt các thiết bị và hộp điều khiển vào hệ thống điện ........ 65


vi
Hình 3.3 Kiểm tra việc lắp đặt tủ điện và hệ thống ..................................................... 65
Hình 3.4 Kiểm tra nguồn tủ điện ................................................................................ 67
Hình 3.5 Kiểm tra thiết bị chiếu sáng ......................................................................... 68
Hình 3.6 Kiểm tra nguồn module và cảm biến ........................................................... 69
Hình 3.7 Kiểm tra nguồn vào của mạch phát tín hiệu và ESP8266 ............................. 69
Hình 3.8 Điều khiển bật/tắt thiết bị bằng cơng tắc cơ ................................................. 72
Hình 3.9 Điều khiển bật/tắt thiết bị bằng công tắc cảm ứng công nghiệp ................... 73
Hình 3.10 Điều khiển bật/tắt thiết bị bằng cơng tắc cảm ứng ..................................... 74
Hình 3.11 : Giao diện điều khiển tất cả thiết bị điện của hệ thống .............................. 75
Hình 3.12 Giao diện điều khiển tắt và trạng thái từng thiết bị .................................... 76
Hình 3.13 Giao diện điều khiển bật và trạng thái của tất cả thiết bị ............................ 76
Hình 3.14 Thiết lập hẹn giờ bật/tắt thiết bị trên giao diện điều khiển bằng wifi .......... 77
Hình 3.15 Giao diện trước và sau kết nối bluetooth ................................................... 78
Hình 3.16 Chuyển giao diện điều khiển bằng bluetooth ............................................. 78
Hình 3.17 Giao diện điều khiển Bluetooth và trạng thái tắt thiết bị ............................ 79
Hình 3.18 Thiết lập hẹn giờ bật/tắt thiết bị trên giao diện bluetooth ........................... 79

Hình 3.19 Nút start/stop để khởi động và dừng hệ thống............................................ 80
Hình 3.20 Nút dừng khẩn cấp .................................................................................... 81


vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Danh sách các thiết bị và dụng cụ chế tạo mơ hình .......................................... 26
Bảng 2.2 Chức năng cơ bản của 1 flip-flop ..................................................................... 38
Bảng 2.3 Danh sách linh kiện khối mạch thu và xử lý tín hiệu của cả hệ thống ............... 39
Bảng 2.4 Danh sách linh kiện mạch điều khiển trung tâm MCU ..................................... 41
Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật Arduino .............................................................................. 43
Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của Module HC – 06 ........................................................... 49
Bảng 2.7 Bảng giá trị chức năng của các mã truyền của App Bluetooth .......................... 56
Bảng 3.1 Kiểm tra chi tiết hệ thống điện ......................................................................... 66
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

3.2 Phương thức giao tiếp wifi .............................................................................. 70
3.3 Phương thức giao tiếp bluetooth ..................................................................... 70
3.4 Thực nghiệm khoảng cách truyền nhận sóng RF ............................................. 71
3.5 Thực nghiệm công tắc cảm ứng ...................................................................... 71


viii

DANH MỤC VIẾT TẮT
1. IC: Integrated Circuit

2. CB: Circuit Breaker


1

LỜI MỞ ĐẦU
Cơ điện tử được nhận định là ngành học khơng bao giờ lỗi thời và có tầm quan trọng
trong sự nghiệp phát triển cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước. Ngày nay với những
ứng dụng của khoa học kĩ thuật tiên tiến, thế giới chúng ta đã và đang ngày một thay đổi,
văn minh và hiên đại hơn. Sự phát triển của kĩ thuật cơ điện tử đã tạo ra hàng loạt những
thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu
tố rất cần thiết cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao. Cơ điện tử đang trở thành
một ngành công nghiệp đa nhiệm vụ. Cơ điện tử đã đáp ứng những đòi hỏi không ngừng từ
các lĩnh vực công nông lâm ngư nghiệp cho đến các nhu cầu thiết bị trong đời sống hàng
ngày.
Một trong những ứng dụng quan trọng trong công nghệ cơ điện tử là kỹ thuật điều
khiển từ xa. Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa hay những thiết
bị mà con người không thể trực tiếp chạm vào để vận hành điều khiển. Xuất phát từ ứng
dụng trên em đã quyết định “Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển nhà thông minh”.
Mục tiêu nghiên cứu: Thay thế các bảng điện bằng cơ trong nhà thành bảng có thể
điều khiển được.
Đối tượng nghiên cứu: Điều khiển sóng RF qua Blutooth, mạng wifi hoặc SMS, thay
công tắc cơ thành công tắc cảm ứng.
Phạm vi nghiên cứu: Sóng RF, Blutooth, Wifi, SMS, các bảng điện trong nhà.
Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS. Nguyễn Văn Định đã tận tình hướng dẫn em
hồn thành đề tài này. Tuy đề tài đã được hoàn thành nhưng cịn nhiều thiếu sót, rất mong
nhận được sự chỉ bảo của các thầy cơ để đề tài hồn thiện hơn nữa. Xin cảm ơn tồn thể
q thầy cơ trong bộ mơn Cơ điện tử đã hết lịng chỉ bảo và truyền đạt cho em những kiến
thức vô cùng q báu, tạo điều kiện để em hồn thành khóa học.
Em chân thành cảm ơn !

SINH VIÊN THỰC HIỆN

NGUYỄN VĂN THẮNG


2

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ NHÀ THƠNG MINH

Hình 1.1 Tổng quan về nhà thơng minh
1.1 GIỚI THIỆU VỀ NHÀ THƠNG MINH
Trong các ngôi nhà hiện đại ngày nay, số lượng trang thiết bị điện, điện tử đang không
ngừng tăng. Tuy nhiên, do khác nhau về kiến trúc, việc điều khiển các thiết bị đơi khi bất
cập. Thêm vào đó điều khiển các thiết bị một cách thủ công với khoảng các địa lý lớn khơng
dễ. Vì vậy, việc áp dụng cơng nghệ điều khiển tự động nhằm giải quyết tương tác giữa môi
trường và các thiết bị trong nhà cách linh hoạt, dễ dàng là điều tất yếu, khái niệm nhà thông
minh ra đời. [1]
Nhà thông minh hiểu đơn giản là ngơi nhà mà các thiết bị gia dụng trong nó như: Hệ
thống sáng, sưởi ấm, máy lạnh, TV, camera an ninh,…có khả năng tự động hóa và giao tiếp
với nhau theo lịch trình hay kịch bản định sẵn. Nguyên lý hoạt động của các hệ thống điều
khiển tự động chung, hệ thống nhà thơng minh nói riêng tập trung chủ yếu vào việc giải
quyết tương tác giữa hệ thống với mơi trường. Thơng qua các cảm biến các tín hiệu được
thu nhận, các tín hiệu này sẽ được lưu trữ, xử lí và tùy theo yêu cầu của từng điều kiện đặt
ra mà điều khiển các thiết bị theo mục đích cụ thể. Hiện nay, có rất nhiều ngơi nhà thông
minh sử dụng các cách điều khiển khác nhau. [5]


3

Nhà thơng minh điều khiển bằng hệ thống mạng LAN

Hình 1.2 Điều khiển sử dụng mạng LAN
Công nghệ Internet of Things (IoT) đang trở lên phổ biến, hàng tỷ thiết bị được kết
nối chung với nhau bằng internet. Với IoT mỗi đồ vật, thiết bị, con người được cung cấp
một định danh của riêng mình, 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. Bên cạnh đó, IoT có thể triển khai một mạng lưới các thực thể thơng
minh, có khả năng tự tổ chức và hoạt động tùy theo tình huống, mơi trường, đồng thời
chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thông tin, dữ liệu. Với khả năng định danh
cao, số lượng các thực thể trong hệ thống được định danh chính xác, duy nhất, đảm bảo tốt
khả năng quản lý, điều khiển của hệ thống. Nhưng với cách điều khiển này thì tốn kinh phí
và phụ thuộc vào đường truyền của chất lượng mạng LAN. [2]
Nhà thông minh điều khiển bằng sóng RF hoặc sóng hồng ngoại

Hình 1.3 Trung tâm điều khiển BroadLink RM-Pro


4
Trung tâm điều khiển nhà thơng minh Broadlink RM-Pro có khả năng điều khiển
mọi thiết bị trong gia đình, với khả năng học lệnh từ các remote hồng ngoại của TV, điều
hòa, set-top box, HD player, quạt,… đến các remote sóng radio điều khiển cửa cuốn, rèm
tự động. Với trung tâm điều khiển Broadlink RM-Pro kết hợp với các thiết bị thích hợp như
ổ cắm, cơng tắc điều khiển từ xa, gần như khơng hạn chế, thiết bị này có khả năng điều
khiển toàn bộ các thiết bị điện trong nhà bạn. Hơn thế nữa, hồn tồn có thể thiết lập theo
kịch bản bật-tắt các thiết bị trong nhà. Trung tâm nhà thông minh Broadlink RM-Pro là
trung tâm điều khiển ngang hàng, có nghĩa là có thể dùng nhiều thiết bị RM-Pro trong 1
căn nhà mà việc lắp đặt vẫn rất dễ dàng, đây là 1 thiết bị mạnh mẽ và ổn định, hỗ trợ các
thiết bị sóng hồng ngoại IR 38khz (TV, điều hòa, quạt,…) hoặc radio RF 315/433Mhz (công
tắc đèn, rèm cửa…). [5]

Nhà thông minh LUMI Việt Nam
Nhà thơng minh Lumi bao gồm các tính năng điều khiển hệ thống chiếu sáng, rèm cửa
tự động, hẹn giờ bật tắt các thiết bị điện thông minh, kết nối không dây tới thiết bị di động,
cảm biến phát hiện chuyển động, cảm biến mơi trường, cảm biến phát hiện đóng mở cửa,
cảm biến hồng ngoại, hệ thống ấm thanh đa vùng, tích hợp camera quan sát, ổ cắm thơng
minh. Từ đó hình thành các hệ thống thơng minh sau: [5]
-

Hệ thống chiếu sáng thông minh.
Hệ thông rèm cửa tự động.
Hệ thống điều hịa khơng khí.
Chủ động điều khiển bình nóng lạnh.

-

An tồn tuyệt đối với hệ thống an ninh 24/7.

Hình 1.4 Nhà thông minh LUMI Việt Nam


5
Nhà thông minh Bkav SmartHome
Nhà thông minh Bkav Smarthome kết nối tất cả các thiết bị 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 hòa nhiệt độ, ti vi, giàn âm thanh, bình nóng lạnh, quạt
thơng gió, máy hút ẩm, cảm biến mơi trường, chng cửa có hình, camera an ninh, hàng
rào điện tử, cảnh báo rị rỉ khí gas, thiết bị báo cháy, hệ thống tưới nước sân vườn,…Với
các đặc điểm nổi bật: [5]
-

Chỉ một nút bấm
Chạm để điều khiển

-

Ra lệnh bằng giọng nói
Hệ thống ánh sáng thơng minh
Hệ thống điều khiển rèm mành

-

An toàn với hệ thống an ninh thơng minh

Hình 1.5 Sơ đồ kết nối của hệ thống


6
Nhà thơng minh điều khiển bằng sóng Bluetooth.

Hình 1.6 Điều khiển thiết bị thơng qua sóng Bluetooth sử dụng Arduino
Cơng nghệ Bluetooth phổ biến trên nhiều thiết bị, đặc biệt điểm mới của đề tài so với
các sản phẩm hiện có là điều khiển thơng qua hệ điều hành Android giúp tận dụng những
thiết bị sử dụng hệ điều hành Android có sẵn của người dùng giúp giảm giá thành sản phẩm,
ngồi ra với màn hình hiển thị lớn của điện thoại cho phép hiển thị nhiều thông tin hơn.
Cách điều khiển này được dùng phổ biến và có giá thành thấp vì hiện tại hệ thống điện thoại
thơng minh (Smartphone) đa phần đều chạy trên nền tảng Android nên thuận tiện cho việc
thiết kế cũng như sử dụng. [4]
1.2 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG NHÀ THÔNG MINH
Hệ thống điều khiển cố định
 Cơng tắc cảm ứng

Hình 1.7 Công tắc cảm ứng chạm


7
-

Công nghệ điện dung được sử dụng trên tất cả các công tắc điện cảm ứng chạm. Các
công tắc điện thông minh này mang lại cho người sử dụng rất nhiều những trải
nghiệm thú vị với những cách sử dụng thơng thường như bật tắt điện, đóng mở rèm
cửa sổ, đóng mở cửa cuốn, bật tắt quạt,…

-

Với cấu tạo mỏng manh, âm tường, dễ dàng sử dụng bằng những thao tác bật tắt
thông thường hoặc điều khiển từ xa bằng các thiết bị smartphone, tablet những chiếc
công tắc cảm ứng chạm trở thành những đồ vật trang trí cho những ngôi nhà thông

-

minh hiện nay.
Giúp tiết kiệm điện năng hiệu quả, người dùng không phải bận tâm về việc lãng phí
điện năng từ việc quên tắt đèn khi ra khỏi phịng. Theo số liệu thống kê, với thiết bị
cơng tắc cảm ứng, công tắc điều khiển từ xa này, điện năng có thể được tiết kiệm từ
15% và lên tới 25%, tùy đặc trưng hộ gia đình. [3]

 Cơng tắc thẻ từ
Ngồi việc đem lại sự sang trọng cịn đem lại lại sự tiện lợi và tiết kiệm cho các hệ thống
nhà thông minh. Đơn giản với chiếc thẻ từ có thể bật tắt tồn bộ điện trong căn phịng và
không cần quá nhiều loại công tắc lắp đặt trong phịng. Khi con người khơng có trong phịng

mọi thiết bị điện đều được tắt và ngắt điện toàn bộ, giúp hệ thống khơng bị lãng phí q
nhiều điện năng. [6]

Hình 1.8 Công tắc thẻ từ ES – TT05


8
Hệ thống điều khiển từ xa

Hình 1.9 Hệ thống điều khiển thông qua mạng internet
Với hệ thống này các thiết bị sử dụng sẽ được lắp cố định trong ngôi nhà, nhưng việc
điều khiển thì có thể đi bất cứ đâu trong ngôi nhà hoặc rộng hơn là đi đến một nơi xa khác,
mà chẳng phải quan tâm đến chuyện mình đã quên tắt thiết bị nào ở nhà hay chưa.Việc điều
khiển ấy thông qua các thiết bị chẳng hạn như: điện thoại, laptop,… sẽ được kết nối với
thiết bị ở nhà và chỉ cần một nút nhấn là có thể thay đổi hoạt động của các hệ thống đang
sử dụng.
1.2.2.1 Bộ điều khiển từ xa có khoảng cách
 Sóng RF

Hình 1.10 Bộ điều khiển từ xa có khoảng cách


9
Với bộ điều khiển này thì người sử dụng có thể không cần đi lại hay di chuyển đến thiết
bị cần điều khiển nhưng chỉ cần dùng tay bấm các nút lệnh trên remote là đã ra lệnh cho các
thiết bị theo ý muốn. Tuy vậy, hạn chế của nó chính là giới hạn về khoảng cách đơi khi có
thể là trong phịng, xa hơn là ngồi phịng và rộng hơn là khuôn viên ngôi nhà. Tầm hoạt
động cho phép của remote từ 50 - 100m với tần số 315MHz. [1]
 Sóng Bluetooth
Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s. Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền

tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m–100 m. Khác với kết nối hồng ngoại (IrDA),
kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4 GHz. [3]

Hình 1.11 Điều khiển từ xa bằng sóng Bluetooth


10
1.2.2.2 Bộ điều khiển từ xa khơng khoảng cách

Hình 1.12 Điều khiển bằng sóng Wifi thơng qua mạng lưới Internet
Với hệ thống này các thiết bị được điều khiển không bị giới hạn bởi khoảng cách,
bởi một cấu trúc mạng lưới internet đã đăng ký. Các bộ phận được kết nối với nhau và để
hiểu được nhau thì có một bộ phận trung gian giao tiếp giữa các thiết bị. Nó đóng vai trị là
bộ phận thu nhận tín hiệu từ đối tượng điều khiển và đối tượng bị điều khiển, tốc độ xử lý
nhanh hay chậm của nó phụ thuộc vào tốc độ nhà mạng. [2]
Hệ thống điều khiển tự động
Có rất nhiều phương pháp điều khiển tự động cho các hệ thống như: cửa, rèm cửa,
chiếu sáng, điều hịa khơng khí. Thơng thường, thường dùng các loại cảm biến cũng như
các loại module thời gian để tự động hóa các hệ thống đó.
Từ đó con người chế tạo ra các loại thiết bị như công tắc cảm biến, module cảm biến
để phục vụ cho tự động hóa cho các thiết bị điện trong hệ thống nhà thông minh. Mặt khác
để thuận lợi cho việc lắp đặt và sử dụng thì các thiết bị như cơng tắc cảm biến được thiết
kế một cách hợp lí và phù hợp với từng vị trí sử dụng trong ngơi nhà: đèn cầu thang, hành
lang, nhà vệ sinh, nhà kho, nhà để xe, phịng làm việc,…

Hình 1.13 Ngun lí hoạt động của cơng tắc cảm biến chuyển động


11
Ứng dụng các phương pháp điều khiển vào hệ thống nhà thông minh

 Hệ thống chiếu sáng thông minh
Ánh sáng là một trong những thành phần quan trọng nhất của ngôi nhà. Ngày nay, mọi
người đều giành phần lớn thời gian của mình ở nhà vào buổi tối. Bởi vậy, ánh sáng phù hợp
với tâm trạng và bối cảnh là một yếu tố quan trọng tạo nên sự hài hòa trong ngơi nhà. Nếu
trong phịng có nhiều thiết bị chiếu sáng, được cài đặt điện theo cách thông thường sẽ trở
nên vô cùng phức tạp. Phải tự tay đi bật từng đèn hay điều chỉnh chỉnh từng đèn. Nhưng
với giải pháp điều khiển thông minh chẳng hạn: bật/tắt hay tăng giảm độ sáng tự động...thì
điều đó sẽ khơng gây bất cứ một khó khăn nào. Ngược lại, hệ thống đem lại sự tiện lợi vơ
cùng hữu ích giúp cho người sử dụng khơng mất thời gian, chi phí, hiệu quả sử dụng.
Đối với những nơi trong ngôi nhà không sử dụng thường xuyên như hành lang, toilet.
Có thể cài đặt thiết bị phát hiện chuyển động hay thân nhiệt. Mục đích chủ yếu là chỉ bật/tắt
đèn hoặc bật ánh yếu tại một nơi cụ thể. Tại hành lang thiết lập hai vùng sáng là điều nên
làm.Ví dụ: Ánh sáng sẽ được giảm khi khơng có ai ở đó và khi có người đi qua thì ánh sáng
sẽ được tăng độ sáng tối đa. Điều này giúp tiết kiệm được chi phí năng lượng rất lớn.

Hình 1.14 Hệ thống quản lý chiếu sáng hành lang
Các thiết bị chiếu sáng được kết nối với nhau và được điểu khiển thông qua hệ thống
thơng minh được lập trình sẵn. Các thiết bị điều khiển dễ gần như điện thoại, máy tính là
một trong những thiết bị hàng đầu được dùng để điều khiển hệ thống thông minh này.Tuy
nhiên, nếu việc không điều khiển bằng các thiết bị từ xa như vậy hệ thống thơng minh vẫn
trang bị tự động kích hoạt bằng các cảm biến, các IC đã được kích hoạt tự động trực tiếp để
phù hợp với đối tượng sử dụng.


12
 Hệ thống giám sát bằng SmartPhone

Hình 1.15 Hệ thống giám sát bằng SmartPhone
Trong trường hợp, mọi người trong gia đình đều vắng nhà, nhưng quên tắt một số thiết
bị chiếu sáng do quá vội, thì hệ thống sẽ báo lên bộ phận điều khiển điện thoại hoặc máy

tính thiết bị nào đang được bật hoặc tắt và chỉ cần nút nhấn là có thể giải quyết việc lãng phí
năng lượng ấy mà không cần mất thời gian hay sợ dẫn đến một số thiệt hại về tài sản.
 Hệ thống quản lý cấp điện, nước
Điện là nguồn năng lượng để duy trì hoạt động tất cả các thiết bị trong ngơi nhà. Nếu
điện lưới hoạt động bình thường thì không sao nhưng nếu xảy ra các sự cố chập điện, cháy
nổ, thì sẽ rất nguy hiểm cho các thiết bị và hơn hết là tính mạng con người vì thế hệ thống
quản lý điện luôn là vấn đề cấp thiết nhất. Hệ thống là một chuỗi các thiết bị động ngắt được
mắc có khoa học nhằm đảm bảo có thể cung cấp điện khi có hoặc mất điện hơn hết là việc
xảy ra các sự cố cháy nổ, thì hệ thống vẫn đảm bảo sự an tồn cho ngơi nhà.


13

Hình 1.16 Hệ thống điều khiển điện
 Hệ thống báo động, báo cháy
Một hệ thống được tích hợp một cách thông minh với các cảm biến phát hiện như: báo
cháy, báo xì ga, phát hiện vượt rào, báo vỡ kiếng, phát hiện chuyển động, phát hiện mở cửa,
dò chấn động,... Và được báo động trực tiếp hoặc gửi đến điện thoại người sử dụng để báo
sự cố. Với các lý do bất kỳ có thể xâm phạm đến sự an tồn của ngơi nhà thì hệ thống đã
đưa ra các trường hợp và tính tốn xử lý, lắp đặt hệ thống một cách khoa học.

Hình 1.17 Hệ thống báo động, báo cháy thông minh


14

CHƯƠNG 2:

PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài được nghiên cứu theo phương pháp kế thừa và thực nghiệm, phù hợp với yêu
cầu thực tế, có tính ứng dụng thực tế. Sản phẩm phải được thiết kế đảm bảo dễ dàng vận
hành, sửa chữa và lắp ráp. Theo đó em tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:
-

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống đèn chiếu sáng và các thiết bị điện có
trong ngơi nhà.

-

Tìm hiểu các phương pháp lắp đặt hệ thống một cách khoa học và thẩm mỹ.
Tìm hiểu một số kiểu dáng mơ hình ngơi nhà thơng minh trong nước và quốc tế.

-

Tìm hiểu các mạch điều khiển hệ thống đèn và phần đệm tương ứng.
Tìm hiểu loại cảm biến ứng dụng trong hệ thống nhà thông minh.

-

Nghiên cứu về các phương thức truyền nhận dữ liệu từ xa đáp ứng với hệ thống.

2.2 YÊU CẦU HỆ THỐNG
Yêu cầu phần cứng
Phần cứng là phần thơ bề ngồi, để mơ hình hoạt động chính xác thì phần cứng phải
chính xác, các phần lắp đặt đường điện cũng như bố trí đèn phải tuân thủ các yêu cầu về độ
bền, tính an tồn và tính thẩm mĩ.
-

Đảm bảo mơ hình vững chắc trong quá trình thiết bị hoạt động, các thiết bị được kết
nối cố định không chập chờn khi hoạt động.
Đảm bảo an tồn, khơng gây tai nạn cho người sử dụng.
Tháo lắp dễ dàng, thuận lợi cho việc sửa chữa và bảo trì mơ hình và thiết bị.
Nhỏ gọn, khơng quá nhiều chi tiết phụ, đảm bảo kết cấu thẩm mĩ và thích hợp với
tên gọi là mơ hình.
Mạch điều khiển hoạt động ổn định, đảm bảo luôn hoạt động ở mức độ vừa phải,
không vượt quá công suất tối đa của mạch.
Các kết nối dây điện phải đảm bảo chắc chắn và được bảo vệ cẩn thận, tránh trường
hợp bị ảnh hưởng do tác động của môi trường.
Nguồn điện cần được kết nối chính xác và an tồn, khơng gây chập trong quá trình
sử dụng.


15
Yêu cêu phần mền
Phần mềm là bộ não xử lý và ra các điều hướng để thiết bị trong mô hình hoạt động,
trực tiếp điều khiển các thiết bị thơng qua các mạch điện tử. Để mơ hình hoạt động chính
xác yêu cầu phần mềm phải đảm bảo chính xác về các lệnh điều khiển, giao diện dễ sử dụng,
đẹp mắt và thuận tiện trong việc cài đặt và thiết lập các thơng số, tương thích với phần lớn
các hệ điều hành phổ biến ở Việt Nam.

-

Kế thừa
Module thu RF 4 kênh PT2272.

-

Module phát RF 4 kênh PT2262.

Module Bluetooth HC06.

-

Module wifi ESP8266.
Board điều khiển Arduino Uno R3.

-

Module cảm biến chạm TTP2232.

2.3 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Sau khi tham khảo và nghiên cứu các sản phẩm đang có trên thị trường như nhà thông
minh LUMI, Brav SmartHome, Broadlink RM-Pro dùng internet để điều khiển giám sát
mọi thiết bị có trong ngơi nhà và làm cho những thiết bị trong ngôi nhà trở nên thông minh
phục vụ nhu cầu hàng người của người dùng nhưng những sản phẩm này chỉ áp dụng cho
ngôi nhà đang trong q trình hồn thiện cịn những ngơi nhà đang trong q trình sử dụng
đang có nhu cầu thay thế các thiết bị bình thường trở nên thơng minh thì buộc phải đi dây
lại tồn bộ hệ thống mới có thể thay thế được, như vậy thì rất tốn thời gian và cơng sức.
Từ đó em đưa ra ý tưởng thiết kế và chế tạo bộ điều khiển có thể thay thế các bộ điều
khiển bằng cơ có trong taplo gia đình thành những bộ điều khiển có thể điều khiển thông
minh qua Smartphone mà không cần phải đi dây.