Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ TRONG NHÀ

GVHD: ThS. NGUYỄN TRƯỜNG DUY
SVTH: TRẦN HOÀNG ANH
MSSV: 16141104
SVTH: TRẦN THỊ MINH THY
MSSV: 16141301

SKL 0 0 7 8 2 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2021


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o---Tp. HCM, ngày

tháng

năm 2021

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Trần Hoàng Anh

MSSV: 16141104

Trần Thị Minh Thy

MSSV: 16141301

Chun ngành:

Điện tử cơng nghiệp

Mã ngành:

41

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

1

Khóa:

2016

Lớp:

16141DT2

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM
SÁT 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 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 bluetooth HC-05; các loại cảm biến: cảm biến ánh sáng, cảm
biến chuyển động, cảm biến khí gas, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm,…

-

Tìm hiểu về: hệ thống truyền động của mái hiên; 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 thơng, 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 ngun lý cho tồn 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 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.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

05/10/2020

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

24/01/2021

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

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày

tháng

năm 2021

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Trần Hoàng Anh

MSSV:

16141104

Họ tên sinh viên:

Trần Thị Minh Thy

MSSV:

16141301

Lớp: 16141DT2A

Lớp

16141DT2B

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM
SÁT THIẾT BỊ TRONG NHÀ.

Tuần/ngày

Nội dung
-

Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu
cầu làm đồ án, tiến hành chọn đề
tài.

Tuần 2

-

(12/10 – 18/10)

-

Tìm hiểu các đề tài có liên quan,
viết đề cương đồ án.
GVHD tiến hành xét duyệt đề tài.

(19/10 – 25/10)

-

Tìm hiểu nội dung cần thực hiện.
Viết bảng phân chia công việc.

Tuần 4

-

Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải
thích chức năng các khối.

-

Thiết kế sơ đồ mạch, giải thích
ngun lý hoạt động của mạch.

-

Tìm hiểu các module Arduino
Mega2560, module ESP8266 và
module ESP32-CAM.
Tìm hiểu các cảm biến và linh kiện
khác.

Tuần 1
(5/10 – 11/10)

Tuần 3

(26/10 – 1/11)
Tuần 5
(2/11 – 8/11)
Tuần 6
(9/11 – 15/11)

-

Tuần 7

-

Xác nhận GVHD

Thiết kế lưu đồ giải thuật.
iii


(16/11 – 22/11)
-

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.

-

Lập trình hệ thống khóa cửa bảo
mật dùng bluetooth và bàn phím ma
trận.
Tìm hiểu giao tiếp ESP32-CAM.

Tuần 8
(23/11 – 29/11)

Tuần 9
(30/11 – 6/12)
Tuần 10,11

-

(7/12 – 20/12)
Tuần 12

-

(21/12 – 27/12)

-

Tuần 13
(28/12 – 3/1)
-

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.
Tiến hành tính tốn để lựa chọn linh
kiện, vẽ PCB
Tiến hành thi cơng mạch
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.

Tuần 14

-

(4/1– 10/1)

-

Tuần 15

-

Hồn 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.

(11/1 – 17/1)
Tuần 16
(18/1 – 24/1)

Hoàn thành truyền nhận và gửi dữ
liệu lên Web và App.
Viết báo cáo.

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:
TRẦN HỒNG ANH
TRẦN THỊ MINH THY

v


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên nhóm em xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Trường Duy đã
giúp đỡ và hướng dẫn tận tình rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Và
cũng xin cảm ơn chân thành các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử đã tạo những điều
kiện tốt nhất cho nhóm, và cuối cùng cảm ơn tất đến tất cả các anh chị, bạn bè… đã chia
sẽ và góp ý để nhóm được sớm hoàn thành đồ án tốt nghiệp.

Người thực hiện đề tài:
TRẦN HOÀNG ANH
TRẦN THỊ MINH THY

vi


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP............................................................................................ i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................ iii
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................ vi
MỤC LỤC ................................................................................................................................ vii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ .................................................................................................................... x
LIỆT KÊ BẢNG VẼ ................................................................................................................ xiii
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................................... 1
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ.............................................................................................................. 1

1.2

MỤC TIÊU................................................................................................................... 1

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................................ 2

1.4

GIỚI HẠN .................................................................................................................... 2

1.5

BỐ CỤC ....................................................................................................................... 3

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................... 5
SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS .................................................................... 5

2.1

2.1.1

Giới thiệu IoT ....................................................................................................... 5

2.1.2

Ứng dụng IoT........................................................................................................ 6

SƠ LƯỢC VỀ MẠNG WIFI ....................................................................................... 7

2.2

2.2.1

Giới thiệu wifi ....................................................................................................... 7

2.2.2

Một số chuẩn kết nối wifi phổ biến ...................................................................... 7

SƠ LƯỢC VỀ NHÀ THƠNG MINH .......................................................................... 9

2.3

2.3.1

Giới thiệu nhà thơng minh .................................................................................... 9

2.3.2

Cơ chế hoạt động của nhà thông minh................................................................ 10

2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của nhà thông minh........................................................... 11
2.3.4 Các nền tảng nhà nhà thông minh phổ biến hiện nay……………………………….11
CÁC CHUẨN VÀ PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DỮ LIỆU ..................................... 13

2.4

2.4.1

Chuẩn truyền thông UART ................................................................................. 13

2.4.2

Giao thức HTTP và HTTPS............................................................................... 15

a.

Giao thức HTTP ..................................................................................................... 15

b.

Giao thức HTTPS ............................................................................................... 16

2.4.3

Phương thức GET và POST............................................................................... 17
vii


a.

Phương thức GET ................................................................................................... 17

b.

Phương thức POST ............................................................................................. 18

2.5

PHẦN CỨNG ............................................................................................................ 18

2.5.1

Vi điều khiển ....................................................................................................... 18

a.

Giới thiệu về Arduino ............................................................................................. 18

b.

Giới thiệu Arduino Mega 2560 .............................................................................. 18

2.5.2

Module wifi ESP8266 ......................................................................................... 23

2.5.3

Module Wifi ESP32-CAM ................................................................................. 25

2.5.4

Module bluetooth HC-05 .................................................................................... 28

2.5.5

Động cơ servo SG90 ........................................................................................... 29

2.5.6

Relay tiếp điểm cơ khí ........................................................................................ 30

2.5.7

Bàn phím ma trận 4x4 (Keypad 4x4).................................................................. 31

Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ................................................................................. 33
3.1

GIỚI THIỆU .............................................................................................................. 33

3.2

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................... 33

3.2.1

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống............................................................................... 33

3.2.2

Tính tốn và thiết kế mạch .................................................................................. 35

a.

Khối điều khiển trung tâm ...................................................................................... 35

b.

Khối cảm biến......................................................................................................... 36

c.

Khối ngõ ra cơng suất ............................................................................................. 38

d.

Khối nút nhấn ......................................................................................................... 42

e.

Khối đóng – mở cửa ............................................................................................... 44

f.

Khối truyền dữ liệu ................................................................................................. 46

g.

Khối điều khiển camera .......................................................................................... 47

i.

Khối nguồn ............................................................................................................. 48

3.2.3 Sơ đồ ngun lí tồn mạch ....................................................................................... 50
a. Sơ đồ ngun lí tồn mạch ......................................................................................... 50
b. Giải thích ngun lý hoạt động tồn mạch ................................................................ 52
Chương 4. THI CƠNG HỆ THỐNG ........................................................................................ 53
4.1

GIỚI THIỆU .............................................................................................................. 53

4.2

THI CƠNG HỆ THỐNG ........................................................................................... 53

4.2.1

Thi cơng board mạch .......................................................................................... 53

a. Mạch điều khiển chính ............................................................................................... 53
b. Mạch điều khiển camera ............................................................................................ 54
viii


4.2.2

Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................................. 61

a.

Mạch điều khiển chính ........................................................................................... 61

b.

Mạch điều khiển camera ......................................................................................... 61

4.3

THI CƠNG MƠ HÌNH ............................................................................................. 64

4.4

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG.......................................................................................... 65

4.4.1 Lưu đồ giải thuật...................................................................................................... 61
a.

Lưu đồ giải thuật của Arduino Mega 2560 ............................................................ 61

b.

Lưu đồ chương trình ESP8266 ............................................................................... 71

c.

Lưu đồ chương trình ESP32-CAM......................................................................... 65

4.4.2

Phần mềm lập trình Arduino ............................................................................... 65

4.4.3

Lập trình phần mềm Android với MIT App Inventor......................................... 66

4.4.4

Phần mềm lập trình web Sublime Text............................................................... 69

4.4.5

Giới thiệu về Hostinger ....................................................................................... 71

Chương 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................. 75
5.1

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

5.2

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC............................................................................................. 76

5.3

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................................................... 76

5.3.1

Nhận xét .............................................................................................................. 79

5.3.2

Đánh giá .............................................................................................................. 79

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................. 82
6.1

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

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................................. 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 83
PHỤ LỤC ................................................................................................................................. 84

ix


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình 2.1 Internet of things .................................................................................................. 6
Hình 2.2 Đồng hồ apple watch .......................................................................................... 7
Hình 2.3 Wifi là gì? ............................................................................................................ 7
Hình 2.4 Nhà thơng minh ................................................................................................... 10
Hình 2.5 Google Home ....................................................................................................... 12
Hình 2.6 Apple Homekit ..................................................................................................... 12
Hình 2.7 Amazon Alexa ..................................................................................................... 13
Hình 2.8 Gói dữ liệu truyền của UART .............................................................................. 14
Hình 2.9 Sóng truyền UART .............................................................................................. 15
Hình 2.10 Quá trình truyền UART ..................................................................................... 15
Hình 2.11 Quá trình nhận UART........................................................................................ 15
Hình 2.12 Giao thức HTTP................................................................................................. 16
Hình 2.13 Giao thức HTTPS .............................................................................................. 17
Hình 2.14 Arduino mega 2560 ........................................................................................... 19
Hình 2.15 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 ........................................................................ 21
Hình 2.16 Module ESP8266 ............................................................................................... 24
Hình 2.17 Sơ đồ chân ESP8266 .......................................................................................... 25
Hình 2.18 Module ESP32-CAM ......................................................................................... 25
Hình 2.19 Cấu tạo ESP32-CAM ......................................................................................... 25

Hình 2.20 Sơ đồ chân ESP32-CAM ................................................................................... 26
Hình 2.21 Module bluetooth HC-05 ................................................................................... 28
Hình 2.22 Động cơ servo SG90 .......................................................................................... 29
Hình 2.23 Relay .................................................................................................................. 30
Hình 2.24 Keypad 4x4 ........................................................................................................ 30
Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý keypad 4x4 .............................................................................. 32
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................. 32
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối nguồn cho Arduino Mega 2560 ..................................................... 33
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối giữa Arduino với các cảm biến ...................................................... 36
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý module relay 1 kênh 5VDC ...................................................... 38
Hình 3.5 Bảng đặc tính điện tại môi trường 25oC của transistor C945 .............................. 39
x


Hình 3.6 Bảng đặc tính điện tại mơi trường 25oC .............................................................. 40
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối ngõ ra cơng suất ................................................................ 40
Hình 3.8 Nút nhấn đơn........................................................................................................ 42
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối giữa Arduino với các nút nhấn ...................................................... 43
Hình 3.10 Sơ đồ ngun lý khối khóa cửa.......................................................................... 43
Hình 3.13 Sơ đồ kết nối giữa Arduino Mega 2560 với ESP8266 ...................................... 45
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển camera ........................................................... 47
Hình 3.15 Sơ đồ ngun lí tồn mạch................................................................................. 48
Hình 4.1 Sơ đồ mạch in của mạch chính ............................................................................ 51
Hình 4.2 Sơ đồ 3D bố trí linh kiện của mạch chính ........................................................... 53
Hình 4.3 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển camera .............................................................. 54
Hình 4.4 Sơ đồ 3D bố trí linh kiện mạch điều khiển camera.............................................. 54
Hình 4.5 Hình ảnh mặt trên của board mạch chính ............................................................ 55
Hình 4.6 Hình ảnh mặt sau của board mạch chính ............................................................. 58
Hình 4.7 Mặt trước mạch điều khiển camera...................................................................... 58
Hình 4.8 Ảnh chụp mặt trước mơ hình nhà ........................................................................ 59

Hình 4.9 Ảnh chụp mặt trên mơ hình nhà........................................................................... 60
Hình 4.10 Lưu đồ chương trình chính của Arduino ........................................................... 60
Hình 4.11 Lưu đồ chương trình con mở cửa bằng bàn phím .............................................. 61
Hình 4.12 Chương trình con kiểm tra và cảnh báo rị rỉ khí gas......................................... 62
Hình 4.13 Lưu đồ chương trình ESP8266 .......................................................................... 63
Hình 4.14 Lưu đồ chương trình điều khiển camera ............................................................ 64
Hình 4.15 Logo phần mềm Arduino ................................................................................... 65
Hình 4.16 Giao diện phần mềm Arduino IDE .................................................................... 66
Hình 4.17 App Inventor ...................................................................................................... 67
Hình 4.18 Giao diện quản lý dự án ..................................................................................... 67
Hình 4.19 Giao diện lập trình ............................................................................................. 68
Hình 4.20 Logo Sublime text.............................................................................................. 69
Hình 4.21 Giao diện lập trình của phần mềm Sublime text ................................................ 70
Hình 4.22 Trang chủ của Hostinger .................................................................................... 71
Hình 4.23 Trang đăng nhập vào tài khoản Hostinger ......................................................... 72
Hình 4.24 Chọn gói hosting phù hợp và đăng kí ................................................................ 72
xi


Hình 4.25 Trang quản lý tên miền và website .................................................................... 73
Hình 4.26 Giao diện chính quản lý trang web .................................................................... 73
Hình 4.27 Trang quản lý tất cả các file tạo website ............................................................ 74
Hình 4.28 Quản trị cơ sở dữ liệu MYSQL thơng qua giao diện web ................................. 74
Hình 5.1 Hình ảnh mơ hình mặt trước ................................................................................ 75
Hình 5.2 Hình ảnh nhận được từ ESP32-CAM .................................................................. 76
Hình 5.3 Hình ảnh bật đèn phịng khách thơng qua app Bluetooth .................................... 77
Hình 5.4 Hình ảnh mở cửa bằng nhập mật khẩu hiển thị lên LCD .................................... 77
Hình 5.5 Hình ảnh tắt tồn bộ thiết bị bằng web ................................................................ 78
Hình 5.6 Hình ảnh thơng số hoạt động trên web ................................................................ 79

xii


LIỆT KÊ BẢNG VẼ
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật ESP32 – CAM ....................................................................... 26
Bảng 3.1 Bảng tính dịng điện của các linh kiện dùng nguồn 5V....................................... 49
Bảng 3.2 Bảng tính dòng điện của các linh kiện dùng nguồn 12V..................................... 50
Bảng 4.1 Bảng thống kê linh kiện....................................................................................... 55
Bảng 5.1 Bảng thống kê linh kiện....................................................................................... 79

xiii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Với Sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ đang đem tới rất nhiều bất ngờ và

sự tiện nghi cho con người. 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.
Nhà thông minh là ngôi nhà được lắp đặt các thiết bị tự động hóa hiện đại nhằm
mục đích chính là cho người ở có thể tăng tính tiện nghi và quản lý giám sát ngơi nhà
một cách dễ dàng. Một trong số những thiết bị đó cần phải được kể đến trong một ngôi
nhà thông minh là: Điều khiển đèn từ xa, mở đèn tự động, Camera giám sát, hệ thống an
ninh…Và đến thời điểm hiện tại các mơ hình nhà thơng minh đã được thực hiện bởi
nhiều nhóm trước đó, có những đề tài rất hồn chỉnh nhưng cũng có những đề tài chưa

được tối ưu.
Chính vì vậy, nhóm thực hiện đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và thi công hệ
thống điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà” để kế thừa các tính năng hữu dụng
từ các đồ án của các nhóm trước và phát triền nó lên với nhiều tính năng hơn như: điều
khiển thiết bị bằng giọng nói qua app, hoặc điều khiển qua web tự tạo ….

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-05
và các loại cảm biến: cảm biến nhiệt độ – độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến chuyển
động, cảm biến ánh sáng.
Hệ thống thiết bị được điều khiển trực tiếp bằng các nút nhấn hoặc thông qua điều
khiển từ web server, trong trường hợp wifi gặp vấn đề, khơng thể kết nối được internet
thì có thể đóng – mở cửa chính thơng qua app android kết nối bluetooth trên điện thoại.
Cửa chính được đóng mở thơng qua mật khẩu được nhập từ phím nhấn ma trận. Trên
cổng chính có camera sẽ ghi lại hình những người bấm chuông và mở cổng khi nhận
1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
diện được gương mặt chủ nhà. Hệ thống mái hiên tự động đóng – mở theo nhu cầu của
người sử dụng, đồng thời kết hợp với cảm biến mưa để đóng – mở hợp lý. Cảnh báo rị
rỉ khí gas được báo động bằng chng báo. Ngồi ra, trạng thái các thiết bị, thông tin
nhiệt độ, độ ẩm, ... trong phòng được hiển thị trên web server.

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nhóm thực hiện đề tài tập trung vào hồn thành những nội dung sau:

-

Tìm hiểu kiến thức về module Arduino Mega 2560, module ESP8266, module
ESP32-CAM, module bluetooth HC-05; các loại cảm biến: cảm biến ánh sáng,
cảm biến chuyển động, cảm biến khí gas, cảm biến nhiệt độ – độ ẩm,.

-

Tìm hiểu về: hệ thống bảo mật cửa bằng mật khẩu bàn phím ma trận, bảo mật
bằng ESP32 CAM

-

Tìm hiểu các giao thức truyền thông, giao tiếp giữa Arduino Mega 2560 với
ESP8266 và HC-05 giữa ESP8266 với cơ sỡ dữ liệu, giữa cơ sở dữ liêu với web
server, giữa Arduino Mega 2560 và App thông qua module Bluetooth HC-05…

-

Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho toàn 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 cơng 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:
2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

-

Mơ hình giới hạn trong phạm vi nhỏ.

-

App điều khiển đóng mở cửa chính chỉ dùng trên điện thoại chạy hệ điều hành
android.

-

Chưa đồng bộ được hết các tính năng của các module…

-

Hệ thống khơng 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.

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
3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
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.

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 thông
minh”) 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.

Hình 2.1 Internet of things

Việc kết nối có thể thực hiện qua wifi, mạng viễn thơng băng rộng (3G, 4G, 5G),
bluetooth… Các thiết bị có thể là điện thoại thơng minh, máy giặt, tai nghe, bóng đèn và
nhiều thiết bị khác.
Các thành phần chính trong một hệ thống IoT:

5


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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 thơng 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.

-

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,…

6


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.2 Đồng hồ 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 2.3 Wifi là gì?
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.

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.

-

Chuẩn 802.11ac: là chuẩn được IEEE giới thiệu vào đầu năm 2013, hoạt động

ở băng tầng 5 GHz. Chuẩn ac có thể mang đến cho người dùng trải nghiệm tốc
độ cao nhất lên đến 1730 Mpbs.
Do vấn đề giá thành cao nên các thiết bị phát tín hiệu cho chuẩn này chưa phổ
biến dẫn đến các thiết bị này sẽ bị hạn chế sự tối ưu do thiết bị phát.

8


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
-

Chuẩn 802.11ad: được giới thiệu năm 2014, chuẩn wifi 802.11ad được hỗ
trợ băng thông lên đến 70 Gbps và hoạt động ở dải tần 60GHz.
Nhược điểm của chuẩn này là sóng tín hiệu khó có thể xuyên qua các bức tường,
đồng nghĩa với việc chỉ cần Router khuất khỏi tầm mắt, thiết bị sẽ không còn kết
nối tới Wifi được nữa.

-

Chuẩn 802.11ax: Wi-Fi 6 là bản cập nhật mới nhất cho chuẩn mạng không
dây. Wi-Fi 6 dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11ax, với tốc độ nhanh hơn, dung
lượng lớn hơn và hiệu suất năng lượng được cải thiện tốt hơn so với các kết nối
không dây trước đây. Tên gọi mới Wifi 6 này sẽ chính thức được áp dụng từ năm
2019.
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
thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bẳng
hoặc một giao diện web.

9


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4 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 thông 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:
-

Mở 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.
Một số ví dụ về tác động lên cảm biến:
-

Mở hay đóng cửa.

-

Bấm nút.

-

Nhiệt độ.
10

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
-

Độ ẩm.

-

Chuyển động.

-

Giọng nói.

2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của nhà thông minh


Ưu điểm:

-

Mang đến sự tiện nghi và thoải mái cho căn nhà.

-

Cung cấp sự an tâm cho chủ nhà, cho phép họ giám sát nhà từ xa.

-

Có thể thích ứng với sở thích của người dùng.

-

Tiết kiệm điện.



Nhược điểm và trở ngại khiến nhà thông minh chưa phổ biến:

-

Rào cản tâm lý hàng trăm năm để lại của người tiêu dùng.

-

Giá cả chưa bình dân để phổ cập.

-

Sự phức tạp khi lắp đặt và sử dụng.

2.3.4 Các nền tảng nhà nhà thông minh phổ biến hiện nay


Nền tảng Google Home
Google Home là loa thơng minh của Google, có thể kết nối wifi và được tích hợp

một trợ lý ảo. Nó bao gồm một micro để nhận lệnh thoại của người dùng. Loa Google
Home hoạt động trong toàn bộ thời gian chúng được cấp nguồn. Tuy nhiên, chúng ở chế

độ ngủ cho đến khi bạn đánh thức chúng bằng cụm từ “OK, Google”. Google Home cũng
có thể kiểm sốt các tiện ích thơng minh trong nhà.

11