Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.91 MB, 161 trang )
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
tháng năm 2020
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Đặng Cao Thức
MSSV: 16141300
Nguyễn Đình Trung
MSSV: 16141316
Chun ngành:
Điện tử cơng nghiệp
Mã ngành:
Hệ đào tạo:
Đại học chính quy
Mã hệ:
Khóa:
2016
Lớp:
41
1
16141DT2
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
TRONG NHÀ.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
-
Tìm hiểu các kiến thức về điều khiển thiết bị thơng qua mạng internet.
-
Tìm hiểu về các vi điều khiển phù hợp với đề tài này và phương pháp lập trình.
-
Tìm hiểu về các cảm biến đo thông số môi trường như: cảm biến nhiệt độ, cảm
biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến phát hiện lửa, cảm biến chuyển động,
cảm biến cường độ ánh sáng,…
-
Tìm hiểu về các thiết bị điện trong nhà, các hệ thống điều khiển nhà thơng minh.
-
Tìm hiểu kiến thức về lập trình website, lập trình app android.
-
Tìm hiểu về các phần mềm lập trình.
2. Nội dung thực hiện:
-
Tìm hiểu các kiến thức, tài liệu liên quan đến đề tài.
i
-
Tìm hiểu kiến thức về module Arduino Mega 2560, module ESP8266, module
ESP32-CAM, module SIM900, module bluetooth HC-06; các loại cảm biến: cảm
biến ánh sáng, cảm biến chuyển động, cảm biến khí gas, cảm biến nhiệt độ - độ
ẩm, cảm biến lửa,…
-
Tìm hiểu về: hệ thống truyền động của rèm cửa; hệ thống bảo mật cửa bằng mật
khẩu qua App điện thoại và bàn phím ma trận; cách điều khiển camera và gửi ảnh
chụp được từ ESP32-CAM.
-
Tìm hiểu các giao thức truyền thông, giao tiếp giữa Arduino Mega 2560 với
ESP8266; giữa ESP8266 với cơ sỡ dữ liệu, giữa cơ sở dữ liêu với web server,
giữa arduino Mega 2560 và app android qua bluetooth...
-
Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho toàn mạch.
-
Viết các chương trình cho khối điều khiển Arduino Mega 2560, ESP32-CAM,
ESP8266.
-
Tạo cơ sở dữ liệu, thiết kế app trên hệ điều hành Android, web server để giám sát
và điều khiển các thiết bị và các thông số trong nhà.
-
Thiết kế mạch in PCB, thi cơng mạch, thi cơng mơ hình hoàn chỉnh.
-
Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống cho ổn định.
-
Viết quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp.
-
Báo cáo đồ án tốt nghiệp.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
09/03/2020
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
01/08/2020
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. Nguyễn Trường Duy
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
ii
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o----
Tp. HCM, ngày tháng năm 2020
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Đặng Cao Thức
MSSV:
16141300
Họ tên sinh viên:
Nguyễn Đình Trung
MSSV:
16141316
Lớp: 16141DT2A
Lớp
16141DT2B
Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà.
Tuần/ngày
Nội dung
Tuần 1
(9/3 – 15/3)
-
Tuần 2
(16/3 – 22/3)
- Tìm hiểu các đề tài có liên quan, viết
đề cương đồ án.
- GVHD tiến hành xét duyệt đề tài.
Tuần 3
(23/3 – 29/3)
-
Tìm hiểu nội dung cần thực hiện.
Viết bảng phân chia công việc.
Tuần 4
(20/3 – 5/4)
-
Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải
thích chức năng các khối.
Tuần 5
(6/4 – 12/4)
-
Thiết kế sơ đồ mạch, giải thích
nguyên lý hoạt động của mạch.
Tuần 6
(13/4 – 19/4)
Tuần 7
(20/4 – 26/4)
Xác nhận GVHD
Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu
cầu làm đồ án, tiến hành chọn đề tài.
- Tìm hiểu
các module Arduino
Mega2560, module ESP8266
và
module SIM900, module ESP32CAM.
- Tìm hiểu các cảm biến và linh kiện
khác.
- Thiết kế lưu đồ giải thuật.
iii
Tuần 8
(27/4 – 3/5)
- Lập trình cho Arduino đọc cảm biến,
điều khiển các LED đơn và thu nhận
tín hiệu từ các cảm biến. Giao tiếp
ESP8266 và Arduino mega 2560.
Tuần 9
(4/5 – 10/5)
- Lập trình hệ thống khóa cửa bảo mật
dùng bluetooth và bàn phím ma trận.
- Tìm hiểu giao tiếp ESP32-CAM.
Tuần 10,11
(11/5 – 24/5)
- Tìm hiểu hệ điều hành Android, Web
Server.
- Tìm hiểu phương thức gửi dữ liệu từ
board mạch chính lên Web và App.
- Thiết kế App, giao diện Web.
Tuần 12
(25/5 – 31/5)
- Tiến hành tính tốn để lựa chọn linh
kiện, vẽ PCB
- Tiến hành thi công mạch
Tuần 13
(1/6 – 7/6)
Tuần 14
(8/6 – 14/6)
Tuần 15
(15/6 – 21/6)
Tuần 16
(22/6 – 28/6)
-
Tổng hợp chương trình đọc tất cả
cảm biến, giao tiếp module, truyền
nhận dữ liệu qua internet.
- Hoàn thành thiết kế giao diện Web.
- Hoàn thành truyền nhận và gửi dữ
liệu lên Web và App.
- Viết báo cáo.
- Hoàn thành mạch, mơ hình.
- Kiểm tra hoạt động của hệ thống.
- Chạy thử hệ thống, kiểm tra và sửa
lỗi.
-
Hoàn thiện báo cáo.
Làm slide, báo cáo với GVHD.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
iv
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này do nhóm thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao chép
từ tài liệu hay cơng trình nghiên cứu đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài
Đặng Cao Thức
Nguyễn Đình Trung
v
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên nhóm em xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Trường Duy đã
giúp nhóm rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Đề tài được hoàn thành
theo đúng thời gian qui định đồng thời đạt được mục tiêu đề ra không chỉ là sự nỗ lực
của mỗi cá nhân trong nhóm mà cịn có sự giúp đỡ, sự chỉ dẫn và góp ý chân thành của
thầy. Cảm ơn thầy đã nhiệt tình cung cấp thông tin hướng dẫn và hỗ trợ kiểm tra, khắc
phục các thơng tin chưa chính xác. Để nhóm em có thể hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử đã
tạo những điều kiện tốt nhất cho nhóm hồn thành đề tài.
Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn lớp 16141DT2 đã có những chia sẻ
hiểu biết của mình để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài lần này.
Lời cảm ơn sau cùng nhóm xin gửi đến gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất, hỗ trợ
về mặt kinh tế củng như tinh thần, để từng thành viên trong nhóm chuyên tâm thực
hiện đề tài.
Người thực hiện đề tài
Đặng Cao Thức
Nguyễn Đình Trung
vi
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................................ i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................ iii
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................................... v
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................ vi
MỤC LỤC ................................................................................................................................ vii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ .................................................................................................................... x
LIỆT KÊ BẢNG VẼ ................................................................................................................. xv
TĨM TẮT ................................................................................................................................ xvi
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.............................................................................................................. 1
1.2 MỤC TIÊU................................................................................................................... 2
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................................ 2
1.4 GIỚI HẠN .................................................................................................................... 3
1.5 BỐ CỤC ....................................................................................................................... 4
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................... 5
2.1 SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS .................................................................... 5
2.1.1 Giới thiệu IoT ....................................................................................................... 5
2.1.2 Ứng dụng IoT ........................................................................................................ 6
2.2 SƠ LƯỢC VỀ MẠNG WIFI ....................................................................................... 7
2.2.1 Giới thiệu wifi ....................................................................................................... 7
2.2.2 Một số chuẩn kết nối wifi phổ biến ...................................................................... 8
2.3 SƠ LƯỢC VỀ NHÀ THÔNG MINH .......................................................................... 8
2.3.1 Giới thiệu nhà thông minh .................................................................................... 8
2.3.2 Cơ chế hoạt động của nhà thông minh .................................................................. 9
2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của nhà thông minh........................................................... 10
2.4
CÁC CHUẨN VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU ..................................... 13
2.4.1
Chuẩn truyền thông UART ................................................................................. 13
2.4.2 Giao thức HTTP và HTTPS ............................................................................... 14
a.
Giao thức HTTP ..................................................................................................... 14
b.
Giao thức HTTPS ............................................................................................... 16
2.4.3
Phương thức GET và POST............................................................................... 16
a.
Phương thức GET ................................................................................................... 17
vii
b.
2.5
Phương thức POST ............................................................................................. 17
PHẦN CỨNG ............................................................................................................ 17
2.5.1
Vi điều khiển ....................................................................................................... 17
a. Giới thiệu về Arduino ............................................................................................. 17
b. Giới thiệu Arduino Mega 2560 .............................................................................. 18
2.5.2 Module wifi ESP8266 ......................................................................................... 23
2.5.3
Module Wifi ESP32-CAM ................................................................................. 24
2.5.4 Module SIM900 mini .......................................................................................... 27
2.5.5
Module bluetooth HC-06 .................................................................................... 29
2.5.6
Động cơ servo SG90 ........................................................................................... 30
2.5.7
Relay tiếp điểm cơ khí ........................................................................................ 31
2.5.8 Bàn phím ma trận 4x4 (Keypad 4x4) .................................................................. 32
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ................................................................................. 34
3.1
GIỚI THIỆU .............................................................................................................. 34
3.2TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................... 34
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ............................................................................... 34
3.2.2 Tính tốn và thiết kế mạch .................................................................................. 36
a. Khối điều khiển trung tâm ...................................................................................... 36
b.
Khối cảm biến ......................................................................................................... 37
c.
Khối cảnh báo ......................................................................................................... 40
d. Khối ngõ ra công suất ............................................................................................. 42
e.
Khối nút nhấn ......................................................................................................... 46
f. Khối đóng – mở cửa ............................................................................................... 47
g. Khối truyền dữ liệu ................................................................................................. 50
h. Khối điều khiển camera .......................................................................................... 52
i.
Khối nguồn ............................................................................................................. 53
3.2.3 Sơ đồ nguyên lí tồn mạch ....................................................................................... 55
a. Sơ đồ ngun lí tồn mạch ......................................................................................... 55
b. Giải thích ngun lý hoạt động tồn mạch ................................................................ 56
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................................ 57
4.1
GIỚI THIỆU .............................................................................................................. 57
4.2THI CƠNG HỆ THỐNG ........................................................................................... 57
4.2.1
Thi cơng board mạch .......................................................................................... 57
a. Mạch điều khiển chính ............................................................................................... 57
viii
b. Mạch điều khiển camera ............................................................................................ 59
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................................. 62
a. Mạch điều khiển chính ........................................................................................... 62
b. Mạch điều khiển camera ......................................................................................... 63
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ................................................................... 64
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển ....................................................................................... 64
4.3.2 Thi cơng mơ hình ................................................................................................ 65
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .......................................................................................... 67
4.4.1 Lưu đồ giải thuật...................................................................................................... 67
a. Lưu đồ giải thuật của Arduino Mega 2560 ............................................................ 67
b. Lưu đồ chương trình ESP8266 ............................................................................... 73
c. Lưu đồ chương trình ESP32-CAM ......................................................................... 74
4.4.2 Phần mềm lập trình Arduino ............................................................................... 75
4.4.3 Lập trình phần mềm Android với MIT App Inventor ......................................... 76
4.4.4 Phần mềm lập trình web Sublime Text ............................................................... 79
4.4.5 Giới thiệu về Hostinger ....................................................................................... 80
4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN .......................................................................................... 85
Chương 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .............................................................
93
5.1 GIỚI THIỆU .............................................................................................................. 93
5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ............................................................................................. 93
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 94
5.3.1 Mơ hình ............................................................................................................... 94
5.3.2 Đóng – mở cửa chính và chụp ảnh người bấm chuông ...................................... 96
5.3.3
5.4
Điều khiển thiết bị và giám sát môi trường bằng web server ........................... 105
NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................................................. 113
5.4.1
Nhận xét ............................................................................................................ 113
5.4.2
Đánh giá ............................................................................................................ 114
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................ 115
6.1
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 115
6.2
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................................... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 117
PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 119
ix
LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình 2.1 Internet of things.................................................................................................................. 5
Hình 2.2 Smart industry...................................................................................................................... 6
Hình 2.3 Đồng hồ thơng minh Apple Watch.................................................................................. 7
Hình 2.4 Wifi là gì?.............................................................................................................................. 7
Hình 2.5 Nhà thơng minh.................................................................................................................... 9
Hình 2.6 Mini Google Home.............................................................................................................. 10
Hình 2.7 Google Home........................................................................................................................ 11
Hình 2.8 Apple Homekit..................................................................................................................... 12
Hình 2.9 Amazon Alexa...................................................................................................................... 12
Hình 2.10 Gói dữ liệu truyền của UART........................................................................................ 13
Hình 2.11 Sóng truyền UART............................................................................................................ 14
Hình 2.12 Quá trình truyền UART................................................................................................... 14
Hình 2.13 Quá trình nhận UART...................................................................................................... 14
Hình 2.14 Giao thức HTTP................................................................................................................ 15
Hình 2.15 Arduino mega 2560........................................................................................................... 18
Hình 2.16 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560.................................................................................... 21
Hình 2.17 Module ESP8266............................................................................................................... 23
Hình 2.18 Sơ đồ chân ESP8266........................................................................................................ 24
Hình 2.19 Module ESP32-CAM....................................................................................................... 25
Hình 2.20 Cấu tạo ESP32-CAM....................................................................................................... 25
Hình 2.21 Sơ đồ chân ESP32-CAM................................................................................................. 27
Hình 2.22 Module SIM900 mini....................................................................................................... 27
Hình 2.23 Các chân của module SIM900....................................................................................... 29
Hình 2.24 Module bluetooth HC-06................................................................................................. 29
Hình 2.25 Sơ đồ chân module bluetooth HC-06........................................................................... 30
Hình 2.26 Động cơ servo SG90......................................................................................................... 30
Hình 2.27 Relay..................................................................................................................................... 31
Hình 2.28 Keypad 4x4......................................................................................................................... 32
Hình 2.29 Sơ đồ nguyên lý keypad 4x4........................................................................................... 33
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống............................................................................................................ 34
x
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối nguồn cho Arduino Mega 2560.............................................................. 37
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối giữa Arduino với các cảm biến............................................................... 39
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối giữa Arduino với module SIM900 mini và buzzer............................ 41
Hình 3.5 Relay SRD 5VDC................................................................................................................ 42
Hình 3.6 Opto cách ly quang PC817................................................................................................ 43
o
Hình 3.7 Bảng đặc tính điện tại mơi trường 25 C của transistor C945.................................... 43
o
Hình 3.8 Bảng đặc tính điện tại mơi trường 25 C......................................................................... 44
Hình 3.9 Sơ đồ ngun lý khối ngõ ra cơng suất........................................................................... 45
Hình 3.10 Nút nhấn chạm cảm ứng điện dung TTP223.............................................................. 46
Hình 3.11 Sơ đồ kết nối giữa Arduino với các nút nhấn.............................................................. 47
Hình 3.12 Sơ đồ ngun lý khối khóa cửa...................................................................................... 49
Hình 3.13 Sơ đồ kết nối giữa Arduino Mega 2560 với ESP8266.............................................. 51
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển camera..................................................................... 52
Hình 3.15 Sơ đồ ngun lý mạch nguồn dự phịng 5V................................................................ 55
Hình 3.16 Sơ đồ ngun lí tồn mạch.............................................................................................. 55
Hình 4.1 Sơ đồ mạch in của mạch chính......................................................................................... 57
Hình 4.2 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch chính............................................................................ 58
Hình 4.3 Sơ đồ 3D bố trí linh kiện của mạch chính...................................................................... 58
Hình 4.4 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển camera......................................................................... 59
Hình 4.5 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển camera............................................................ 59
Hình 4.6 Sơ đồ 3D bố trí linh kiện mạch điều khiển camera...................................................... 60
Hình 4.7 Hình ảnh mặt trên của board mạch chính...................................................................... 62
Hình 4.8 Hình ảnh mặt sau của board mạch chính....................................................................... 63
Hình 4.9 Mặt trước mạch điều khiển camera................................................................................. 63
Hình 4.10 Mặt sau mạch điều khiển camera.................................................................................. 64
Hình 4.11 Hộp bảo vệ bộ điều khiển chính của hệ thống............................................................ 64
Hình 4.12 Hộp bảo vệ bộ điều khiển camera................................................................................. 65
Hình 4.13 Ảnh chụp mặt trước mơ hình nhà.................................................................................. 66
Hình 4.14 Ảnh chụp mặt trên mơ hình nhà..................................................................................... 67
Hình 4.15 Lưu đồ chương trình chính của Arduino...................................................................... 68
Hình 4.16 Lưu đồ chương trình con đọc dữ liệu UART.............................................................. 69
Hình 4.17 Lưu đồ chương trình con mở cửa bằng bàn phím...................................................... 71
xi
Hình 4.18 Chương trình con kiểm tra và cảnh báo rị rỉ khí gas................................................ 72
Hình 4.19 Lưu đồ chương trình ESP8266....................................................................................... 73
Hình 4.20 Lưu đồ chương trình điều khiển camera...................................................................... 74
Hình 4.21 Logo phần mềm Arduino................................................................................................. 75
Hình 4.22 Giao diện phần mềm Arduino IDE................................................................................ 76
Hình 4.23 App Inventor....................................................................................................................... 76
Hình 4.24 Giao diện quản lý dự án................................................................................................... 77
Hình 4.25 Giao diện thiết kế.............................................................................................................. 78
Hình 4.26 Giao diện lập trình............................................................................................................. 78
Hình 4.27 Logo Sublime text............................................................................................................. 79
Hình 4.28 Giao diện lập trình của phần mềm Sublime text........................................................ 80
Hình 4.29 Trang chủ của Hostinger.................................................................................................. 81
Hình 4.30 Trang đăng nhập vào tài khoản Hostinger................................................................... 82
Hình 4.31 Chọn gói hosting phù hợp và đăng kí........................................................................... 82
Hình 4.32 Trang quản lý tên miền và website................................................................................ 83
Hình 4.33 Giao diện chính quản lý trang web................................................................................ 83
Hình 4.34 Trang quản lý tất cả các file tạo website...................................................................... 84
Hình 4.35 Quản trị cơ sở dữ liệu MYSQL thông qua giao diện web....................................... 84
Hình 4.36 Trang đăng nhập................................................................................................................ 85
Hình 4.37 Trang đăng ký tài khoản.................................................................................................. 86
Hình 4.38 Giao diện trang chủ........................................................................................................... 86
Hình 4.39 Hình ảnh tab điều khiển trên máy tính......................................................................... 86
Hình 4.40 Hình ảnh tab điều khiển trên điện thoại thơng minh................................................. 87
Hình 4.41 Trạng thái thiết bị.............................................................................................................. 87
Hình 4.42 Trang đăng nhập app Door Control............................................................................... 88
Hình 4.43 Trang đổi mật khẩu của app Door Control.................................................................. 89
Hình 4.44 Cho phép ứng dụng truy cập Bluetooth....................................................................... 89
Hình 4.45 Tên và địa chỉ IP của module bluetooth HC-06......................................................... 90
Hình 4.46 Kết nối thành cơng............................................................................................................ 90
Hình 4.47 Nhấn nút Unlock để mở cửa........................................................................................... 91
Hình 4.48 Nhấn nút Lock để khóa cửa............................................................................................ 91
Hình 4.49 Trang đăng nhập................................................................................................................ 92
xii
Hình 4.50 Hình ảnh tab Cài đặt trên máy tính............................................................................... 92
Hình 5.1 Hình ảnh mơ hình mặt trước............................................................................................. 94
Hình 5.2 Hình ảnh mơ hình từ phía trên.......................................................................................... 94
Hình 5.3 Hình ảnh phịng chính......................................................................................................... 95
Hình 5.4 Hình ảnh phịng bếp............................................................................................................ 95
Hình 5.5 Nhấn vào Mở hoặc Đóng................................................................................................... 96
Hình 5.6 Cửa chính mở....................................................................................................................... 96
Hình 5.7 Cửa chính đóng.................................................................................................................... 97
Hình 5.8 Kích hoạt nút khẩn cấp cho phép sử dụng bàn phím................................................... 97
Hình 5.9 Nhập mật khẩu bằng bàn phím ma trận.......................................................................... 98
Hình 5.10 Nhập mật khẩu................................................................................................................... 98
Hình 5.11 Cửa mở................................................................................................................................. 99
Hình 5.12 Đổi mật khẩu...................................................................................................................... 100
Hình 5.13 Nhập lại mật khẩu cũ........................................................................................................ 100
Hình 5.14 Nhập mật khẩu mới........................................................................................................... 101
Hình 5.15 Xác nhận mật khẩu mới................................................................................................... 101
Hình 5.16 Mật khẩu đã được đổi....................................................................................................... 102
Hình 5.17 Nhấn vào Unlock để mở cửa chính............................................................................... 103
Hình 5.18 Nhấn Lock để khóa cửa chính........................................................................................ 103
Hình 5.19 Vị trí của các thiết bị chụp ảnh....................................................................................... 104
Hình 5.20 Mail báo có khách............................................................................................................. 104
Hình 5.21 Hình ảnh do ESP-32 CAM chụp lại.............................................................................. 105
Hình 5.22 Giao diện của web............................................................................................................. 105
Hình 5.23 Giao diện điều khiển và giám sát trạng thái thiết bị.................................................. 106
Hình 5.24 Bật đèn phịng chính......................................................................................................... 106
Hình 5.25 Giao diện web khi đang bật đèn phịng chính............................................................. 107
Hình 5.26 Bật đèn phịng bếp............................................................................................................. 107
Hình 5.27 Các nút nhấn điều khiển thiết bị ở phịng chính......................................................... 108
Hình 5.28 Các nút nhấn để điều khiển thiết bị ở phịng bếp....................................................... 108
Hình 5.29 Kích hoạt chế độ điều khiển tự động............................................................................ 109
Hình 5.30 Các kịch bản điều khiển thiết bị..................................................................................... 110
Hình 5.31 Thông số môi trường........................................................................................................ 111
xiii
Hình 5.32 Thơng số nhiệt độ và độ ẩm............................................................................................ 112
Hình 5.33 Nhiệt độ và độ ẩm trong phòng theo từng giờ............................................................ 112
xiv
LIỆT KÊ BẢNG VẼ
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật ESP32 – CAM................................................................................... 19
Bảng 2.2 Sơ đồ chân module SIM900 mini.................................................................................... 21
Bảng 3.1 Bảng tính dịng điện của các linh kiện dùng nguồn 5V............................................. 53
Bảng 3.2 Bảng tính dịng điện của các linh kiện dùng nguồn 12V........................................... 54
Bảng 4.1 Bảng thống kê linh kiện..................................................................................................... 60
Bảng 5.1 Chế độ điều khiển tự động................................................................................................ 109
Bảng 5.2 Chế độ điều khiển theo kịch bản..................................................................................... 110
Bảng 5.3 Số liệu thực nghiệm............................................................................................................ 114
xv
TĨM TẮT
Trong sự chuyển dịch nhanh chóng và nhộn nhịp của khoa học kỹ thuật, công nghệ
IoT đã và đang phát triển mạnh mẽ góp phần cung cấp nhiều giải pháp hiện đại giúp nâng
cao chất lượng sống. Ngày nay, các hệ thống điều khiển thông minh được sử dụng phục vụ
đời sống con người ngày một rộng rãi, điển hình như các hệ thống thơng minh điều khiển
thiết bị trong nhà. Xu hướng này làm cho sự tương tác giữa con người và các thiết bị được
tối ưu hóa, đồng thời giúp người sử dụng có thể giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị
hay các thông số môi trường của căn nhà từ xa một cách dễ dàng.
Với mục đích tiếp cận xu hướng trên, nhóm quyết định thực hiện đề tài “Thiết
kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà”.
Nội dung chính của đề tài
•
Sử dụng Arduino Mega 2560 làm khối điều khiển trung tâm, ESP8266 làm khối
truyền dữ liệu và ESP32-CAM làm khối điều khiển camera.
•
Điều khiển và giám sát trạng thái hoạt động của thiết bị thơng qua web server có
thể truy cập bằng laptop hay điện thoại thơng minh.
•
Bảo mật ngơi nhà bằng hệ thống đóng mở cửa thơng qua app android, web
server hoặc bàn phím cứng. Đồng thời chụp ảnh người bấm chuông cửa gửi cho
người sử dụng.
xvi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Xã hội phát triển kéo theo những cải tiến không ngừng về công nghệ và sự ra
đời của nhiều giải pháp hiện đại giúp nâng cao chất lượng sống. Ngày nay, các hệ
thống điều khiển thông minh được sử dụng phục vụ đời sống con người ngày một rộng
rãi, điển hình như các hệ thống thông minh điều khiển thiết bị trong nhà.
Nhà thông minh là xu hướng tiên tiến, hướng con người đến cuộc sống tiện nghi
và thoải mái nhờ áp dụng công nghệ hiện đại. Tại Việt Nam, ứng dụng này cũng ngày
càng được nhiều người tin dùng và trở thành lựa chọn ưu tiên[1]. Thị trường nhà thông
minh Việt Nam theo thống kê của Statista cho đến tháng 4/2018 đã đạt doanh thu
khoảng 45 triệu USD. Các chuyên gia dự đốn con số này có thể đạt mức 319 triệu
USD từ nay đến 2022 với tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 67%. Đặc biệt,
Statista đánh giá thị trường nhà thơng minh Việt Nam có tiềm năng rất lớn và quy mô
lớn hơn cả Thái Lan[2].
Hiện nay có rất nhiều bài nghiên cứu là các đồ án tốt nghiệp làm về hệ thống
thông minh này, như đề tài của Phạm Duy Thanh – Nguyễn Thị Hạ năm 2019 “Thiết kế
và thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà thông qua Amazon Alexa và
cảnh báo chống trộm”[3], trong đề tài này, nhóm tác giả đã điều khiển các thiết bị điện
trong nhà bằng 2 chế độ: chế độ bằng tay và chế độ tự động bằng giọng nói thơng qua
loa thơng minh của thương hiệu Amazon. Ngồi ra, hệ thống nhà cịn được bảo mật
bằng nhận diện khuôn mặt hoặc nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận. Hay “Thiết kế và
thi cơng mơ hình điều khiển thiết bị điện”[4] của Nguyễn Tri Phương – Võ Duy Tâm
vào năm 2019, đã điều khiển các thiết bị điện trong một phòng học trên ứng dụng
android và giao diện web thông qua internet đồng thời giám sát trạng thái hoạt động
của thiết bị qua web server.
Từ thực tế trên, cùng với kiến thức đã được trang bị, nhóm em kiến nghị được thực
hiện đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà” kế thừa các
tính năng hữu dụng từ các đồ án trước như điều khiển hai chế độ: bằng tay hoặc tự
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
động; kết hợp với các tính năng chưa được khai thác như hệ thống an ninh cửa chính
đóng mở kết hợp giữa web server, bàn phím ma trận và app android, ngồi ra cịn có
camera cỡ nhỏ chụp ảnh những người bấm chuông cửa và gửi đến gmail của chủ nhà,
giúp chủ nhà có thể biết được ai đang bấm chng cửa nhà mình. Đề tài cịn có hệ
thống rèm cửa tự động đóng mở theo điều kiện môi trường hoặc điều khiển trực tiếp.
1.2
MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà sử dụng module Arduino
Mega 2560, module ESP32-CAM, module ESP8266, module bluetooth HC-06, module
SIM900 và các loại cảm biến: cảm biến nhiệt độ – độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến lửa,
cảm biến chuyển động, cảm biến ánh sáng, cảm biến vật cản. Có hai chế độ điều khiển. Ở
chế độ tự động, hệ thống thu thập các tín hiệu dữ liệu từ các cảm biến để xử lí, tính tốn tự
động bật – tắt các thiết bị phù hợp theo yêu cầu của người sử dụng như: rèm cửa, quạt,
đèn,... Chế độ thủ công, các thiết bị trong nhà được điều khiển thơng qua web có thể truy
cập bằng laptop, điện thoại thông minh hoặc nút nhấn cảm ứng.
Hệ thống cửa chính được bảo mật bằng cách đăng nhập web server để đóng –
mở cửa, ngồi ra, có thể mở cửa bằng bàn phím ma trận sau khi đã kích hoạt nút cho
phép trên web server. Trong trường hợp wifi gặp vấn đề, không thể kết nối được
internet thì có thể đóng – mở cửa chính thơng qua app android kết nối bluetooth trên
điện thoại. Trên cửa chính có camera sẽ chụp lại hình những người bấm chng và gửi
đến gmail của chủ nhà, giúp chủ nhà có thể biết được ai đang đứng trước cửa nhà
mình. Hệ thống rèm cửa tự động đóng – mở theo nhu cầu của người sử dụng, đồng thời
kết hợp với cảm biến để đóng – mở hợp lý. Cảnh báo rị rỉ khí gas, báo cháy được gửi
từ module SIM900 đến điện thoại. Ngồi ra, trạng thái các thiết bị, thơng tin nhiệt độ,
độ ẩm,.. trong phòng được hiển thị trên web server.
1.3
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và thi công hệ thống điều
khiển thiết bị trong nhà”, nhóm thực hiện đề tài tập trung vào hồn thành những nội
dung sau:
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-
Tìm hiểu các kiến thức, tài liệu liên quan đến đề tài.
-
Tìm hiểu kiến thức về module Arduino Mega 2560, module ESP8266, module
ESP32-CAM, module SIM900, module bluetooth HC-06; các loại cảm biến:
cảm biến ánh sáng, cảm biến chuyển động, cảm biến khí gas, cảm biến nhiệt độ
– độ ẩm, cảm biến lửa,…
-
Tìm hiểu về: hệ thống truyền động của rèm cửa; hệ thống bảo mật cửa bằng mật
khẩu qua App điện thoại và bàn phím ma trận; cách điều khiển camera và gửi
ảnh chụp được từ ESP32-CAM.
-
Tìm hiểu các giao thức truyền thông, giao tiếp giữa Arduino Mega 2560 với
ESP8266; giữa ESP8266 với cơ sỡ dữ liệu, giữa cơ sở dữ liêu với web server,
giữa Arduino Mega 2560 và app android qua bluetooth...
-
Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho tồn mạch.
-
Viết các chương trình cho khối điều khiển Arduino Mega2560, ESP32-CAM,
ESP8266.
-
Tạo cơ sở dữ liệu, thiết kế app trên hệ điều hành Android, web server để giám
sát và điều khiển các thiết bị và các thông số trong nhà.
-
Thiết kế mạch in PCB, thi công mạch, thi cơng mơ hình hồn chỉnh.
-
Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống cho ổn định.
-
Viết quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp.
-
Báo cáo đồ án tốt nghiệp.
1.4
GIỚI HẠN
Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà” có những
giới hạn sau:
-
Mơi trường điều khiển cần phải có sóng 3G hoặc wifi để truy cập internet.
-
Mơ hình giới hạn trong 2 phịng: phịng chính và phịng bếp.
-
Kích thước mơ hình: 40 x 25 x 22 (dài x rộng x cao).
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-
Điều khiển thiết bị trực tiếp bằng công tắc cảm ứng hoặc qua web server.
-
App điều khiển đóng mở cửa chính chỉ dùng trên điện thoại chạy hệ điều hành
android.
-
Hệ thống không thể đáp ứng ngay lập tức yêu cầu của người dùng do phụ thuộc
vào tốc độ mạng, tốc độ xử lý của vi điều khiển và thời gian truyền tín hiệu giữa
các thiết bị trong hệ thống.
-
Điều khiển các thiết bị công suất nhỏ như quạt, bóng đèn, rèm cửa.
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.
Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ
dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.
Chương 3: Thiết kế và tính tốn.
Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, đưa ra sơ đồ nguyên lí của các khối trong hệ
thống và thực hiện tính tốn thiết kế.
Chương 4: Thi cơng hệ thống.
Chương này trình bày về thiết kế lưu đồ, đưa ra giải thuật và viết chương trình.
Thi cơng mơ hình hệ thống hồn 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 đề ra hướng phát triển cho hệ thống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
4
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1
SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS
2.1.1 Giới thiệu IoT
Internet vạn vật, hay cụ thể hơn là mạng lưới vạn vật kế nối internet hoặc là
mạng lưới thiết bị kết nối internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) là một
liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là “thiết bị kết nối” và
“thiết bị thơng minh”), phịng 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 mà không phụ thuộc
vào sự tương tác của con người với máy tính hay giữa con người với nhau[5].
Hình 2.1 Internet of things
Việc kết nối có thể thực hiện qua wifi, mạng viễn thơng băng rộng (3G, 4G),
bluetooth,… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy giặt, tai nghe, bóng đèn
và nhiều thiết bị khác. Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu dự báo:
đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này cịn
gia tăng nhiều hơn nữa[6].
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các thành phần chính trong một hệ thống IoT[4]:
-
Thiết bị: Mỗi thiết bị sẽ bao gồm một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện các
thông số của ứng dụng và gửi chúng đến Platform.
-
IoT – Platform: Nền tảng này là một phần mềm được lưu trữ trực tuyến cịn
được gọi là điện tốn đám mây, các thiết bị được kết nối với nhau thông qua nó.
Nền tảng này thu thập dữ liệu từ thiết bị, tồn bộ dữ liệu được phân tích, xử lý,
phát hiện nếu có lỗi phát sinh trong q trình hệ thống vận hành.
-
Kết nối internet: Để giao tiếp được trong IoT, kết nối internet của các thiết bị là một
điều bắt buộc. Wifi là một trong những phương thức kết nối internet phổ biến.
-
Ứng dụng: Là giao diện để người dùng sử dụng.
2.1.2 Ứng dụng IoT
IoT 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 kỹ 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 qn 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.
Hình 2.2 Smart industry
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH
6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
-
Các thiết bị đeo thông minh như các loại kính, đồng hồ, vịng đeo tay được cài đặt
cảm biến thu thập thông tin người dùng như huyết áp, bước đi bộ mỗi ngày,…
Hình 2.3 Đồng hồ thông minh Apple Watch
-
Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện có thể được điều
khiển bằng tay hoặc bán tự động hoặc tự động, thay thế con người trong thực
hiện quản lý, điều khiển,…
2.2 SƠ LƯỢC VỀ MẠNG WIFI
2.2.1 Giới thiệu wifi
Wifi là mạng kết nối không dây, là từ viết tắt của Wireless Fidelity, sử dụng
sóng vơ tuyến để truyền tín hiệu. Loại sóng vơ tuyến này tương tự như sóng điện thoại,
truyền hình và radio. Và trên hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay như máy tính,
laptop, điện thoại,… đều có thể kết nối wifi.
Hình 2.4 Wifi là gì?
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
7
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Kết nối wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE 802.11, và chủ yếu hiện nay
wifi hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách gần
31 mét[7].
2.2.2 Một số chuẩn kết nối wifi phổ biến
Về bản chất kỹ thuật, tín hiệu wifi hoạt động gửi và nhận dữ liệu ở tần số 2.5GHz
đến 5GHz, cao hơn khá nhiều so với tần số của điện thoại di động, radio,… do vậy tín hiệu
wifi có thể chứa nhiều dữ liệu nhưng lại bị hạn chế ở phạm vi truyền – khoảng cách.
Sóng wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE (Institute of
Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm 4 chuẩn chính nhỏ hơn là a,
b, g và n.
-
Chuẩn 802.11b là phiên bản yếu nhất, hoạt động ở mức 2.4GHz và có thể xử lý
đến 11Megabit/giây.
-
Chuẩn 802.11g nhỉnh hơn đôi chút so với chuẩn b, tuy nó hoạt động ở tần số
2.4GHz nhưng nó có thể xử lý 54Megabit/giây.
-
Chuẩn 802.11a phát ở tần số cao hơn là 5GHz và tốc độ xử lý đạt 54Megabit/giây.
-
Cuối cùng là chuẩn 802.11n, nó hoạt động ở tần số 2.4GHz nhưng tốc độ xử lý
lên đến 300Megabit/giây.
Và một số chuẩn mới khác nữa.
2.3
SƠ LƯỢC VỀ NHÀ THÔNG MINH
2.3.1 Giới thiệu nhà thông minh
Trước đây, nhà thông minh (smart home) được xem là một tiện nghi siêu cao
cấp, thường chỉ xuất hiện trong phim ảnh hay trong dinh thự của giới thượng lưu, tỉ
phú. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là sự xuất hiện của IoT, các
thiết bị nhà thông minh dần trở nên phổ biến và dễ tiếp cận hơn với mọi người.
Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều
khiển bằng 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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bẳng
hoặc một giao diện web.
Hình 2.5 Nhà thơng minh
2.3.2 Cơ chế hoạt động của nhà thông minh
Hệ thống tự động của nhà thông minh được dựa trên 2 cơ chế chính: sự kiện
thời gian và sự kiện tương tác.
•
Sự kiện thời gian:
Hệ thống nhà thơng minh giống như một chiếc đồng hồ báo thức cao cấp. Nó
ln nắm rõ thời gian trong ngày và kích hoạt thiết bị vào đúng thời điểm cần thiết mà
chủ nhà đã thiết lập trước đó.
Một số ví dụ:
-
Bật đèn ở hiên nhà 10 phút trước khi trời tối.
-
Mở rèm cửa vào lúc 6h sáng.
-
Kích hoạt hệ thống báo động lúc 12h đêm để chống trộm.
•
Sự kiện tương tác
Sự kiện tương tác kích hoạt hệ thống nhà thông minh dựa vào cơ chế cảm biến.
Nó hoạt động nhờ vào các cảm biến trong nhà của bạn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
9
