(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà thông qua amazon alexa và cảnh báo chống trộm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.17 MB, 143 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ
THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG QUA
AMAZON ALEXA VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM
GVHD: Võ Đức Dũng
SVTH: Phạm Duy Thanh
MSSV: 15141282
SVTH: Nguyễn Thị Hạ
MSSV: 15141150
SKL006090
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2019
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
--------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG QUA
AMAZON ALEXA VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM
GVHD: ThS. Võ Đức Dũng
SVTH: Phạm Duy Thanh
Nguyễn Thị Hạ
Tp. Hồ Chí Minh - 3/2019
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP Y SINH
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chun ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:
TÊN ĐỀ TÀI
I.
THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
TRONG NHÀ THÔNG QUA AMAZON ALEXA VÀ CẢNH BÁO CHỐNG
TRỘM
1. Các số liệu ban đầu:
Trước khi thực hiện đề tài, nhóm đã tham khảo và đọc các tài liệu sau để có các
số liệu ban đầu:
Nguyễn Văn Lem, “Thiết kế và xây dựng hệ thống mơ hình nhà thơng
-
minh”, Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT Tp.HCM, 2015.
-
Espressif Systems IOT Team, “ESP8266 Datasheet”, Espressif Systems,
2015.
-
Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình Vi xử lí”, Trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2013.
-
Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, “Giáo trình: Kỹ thuật số”, Nhà
xuất bản
ĐH Quốc Gia, Tp.HCM, 2013.
-
Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, “Giáo trình điện tử cơ bản”, Nhà xuất
bản ĐH
Quốc Gia, Tp.HCM, 2013.
2. Nội dung thực hiện:
-
Nghiên cứu tài liệu về ESP8266 Node MCU và Arduino Nano
V3, giao tiếp không dây và mạng Internet.
-
Nghiên cứu các mơ hình nhà thơng minh.
-
Thiết kế và tính tốn thiết kế mạch phần cứng cho thiết bị.
i
-
Thi công phần cứng, thử nghiệm và hiệu chỉnh phần cứng.
-
Thử nghiệm và chỉnh sửa hệ thống cũng như chương trình để hệ thống
được tối ưu. Đánh giá kết quả đạt được với thông số đề ra.
-
Viết báo cáo thực hiện.
-
Bảo vệ luận văn.
II.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
BI.
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019
IV. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: THS. VÕ ĐỨC DŨNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Phạm Hưng Thịnh
Lớp: 14141DT3B
MSSV: 14141303
Họ tên sinh viên: Khổng Hữu Duy
Lớp: 14141DT3B
MSSV: 14141037
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
THIẾT BỊ NHÀ CÓ HỖ TRỢ GOOGLE ASSISTANT
Tuần/ng
Tuần 1 (01/10
Tuần 2 (08/10
Tuần 3 (15/10
Tuần 4 (22/10
Tuần 5 (29/10
iii
Tuần 6 (05/11
Tuần 7 (12/11
Tuần 8, 9 (19/1
Tuần 10, 11(03/1
Tuần 12 (17/12
Tuần 13 (24/12
Tuần 14 (31/12
iv
Chương 1. TỐNG QUAN
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm sinh viên chúng em tự thực hiện, dựa vào một số tài liệu
trước đó và khơng sao chép từ tài liệu hay cơng trình đã có trước đó.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 21/05/2019
Người thực hiện đề tài
Phạm Duy Thanh
Nguyễn Thị Hạ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
1
Chương 1. TỐNG QUAN
LỜI CẢM ƠN
Khóa luận tốt nghiệp là chương trình học cuối cùng của khóa đào tạo đại học.
Đây là cơ hội cho sinh viên ứng dụng các kiến thức đã được giảng dạy và làm quen với
công việc sau này. Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được
sự giúp đỡ và ủng hộ rất lớn của các thầy, cô, người thân và bạn bè. Đó là động lực rất
lớn giúp chúng em hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp.
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Võ Đức Dũng.
Thầy là người hướng dẫn nhiệt tình, ln đưa ra những nhận xét đúng đắn để chúng
em hoàn thành được đề tài tốt nghiệp kịp thời và hoàn thiện nhất có thể.
Sau cùng, tuy có nhiều nỗ lực, nhưng do thời gian thực hiện đề tài không nhiều
và kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp cịn nhiều thiếu sót. Do đó,
chúng em kính mong quý thầy cô, bạn bè thông cảm và rất mong nhận được ý kiến từ
mọi người để hoàn thiện đề tài tốt hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngày 10/06/2019
Người thực hiện đề tài
Phạm Duy Thanh
Nguyễn Thị Hạ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
2
Chương 1. TỐNG QUAN
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP............................................................................ i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP............................................... iii
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ 1
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................. 2
MỤC LỤC.................................................................................................................... 3
DANH SÁCH HÌNH.................................................................................................... 8
TĨM TẮT.................................................................................................................. 13
Chương 1. TỔNG QUAN.......................................................................................... 14
1.1
ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................ 14
1.2
MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN........................................................................... 16
1.3
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU........................................................................... 16
1.4
GIỚI HẠN...................................................................................................... 16
1.5
BỐ CỤC......................................................................................................... 17
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................................... 18
2.1
SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS................................................... 18
2.1.1
Định nghĩa IoTs........................................................................................... 18
2.1.2
Ứng dụng của IoTs...................................................................................... 18
2.1.3
Đặc điểm công nghệ IoTs............................................................................ 18
2.2
TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIFI.................................................................... 19
2.3
PHẦN CỨNG................................................................................................ 19
2.3.1.
Vi điều khiển............................................................................................... 19
a. Giới thiệu về Arduino..................................................................................... 19
b. Giới thiệu về Arduino Nano V3...................................................................... 20
2.3.2
Module Wifi ESP8266 Node MCU............................................................. 21
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
3
Chương 1. TỐNG QUAN
2.3.3
Loa thông minh Amazon Echo Dot Ge
2.3.3.1 Mô tả ..........................................................................................................
2.3.3.2 Hướng dẫn kết nối Echo Dot với điện thoại Android ..............................
2.3.4
Bàn phím ma trận 4x3 ........................
2.3.5
Giới thiệu về LCD 16x2 ............................................
2.3.6
Nút nhấn ....................................................................
2.3.7
Logitech HD Webcam C270 .....................................
2.3.8
Động cơ Servo ...........................................................
2.3.9
Module Relay ............................................................
2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG ....................................................................
2.4.1 Chuẩn truyền thông UART ...............................................................................
2.4.2
Chuẩn truyền thông I2C .....................
2.4.3
Chuẩn truyền thơng SPI ......................
2.5 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG XỬ LÍ ẢNH ...................................................
2.5.1
Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition
2.5.2
Tiền xử lý (Image Processing) ............
2.5.3
Phân đoạn (Segmentation) hay phân v
2.5.4
Biểu diễn ảnh (Image Representation)
2.5.5
Nhận dạng và nôi suy ảnh (Image Rec
2.5.6
Cơ sở tri thức ......................................
2.5.7
Các thành phần cơ bản của hệ thống x
2.6 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG XỬ LÍ ẢNH.......................................
2.6.1
Điểm ảnh (Picture Element) ...............
2.6.2
Độ phân giải của ảnh ..........................
2.6.3
Mức xám của ảnh ...............................
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
4
Chương 1. TỐNG QUAN
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ.............................................................. 47
3.1
TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT NHẬN BIẾT MÀU DA DỰA TRÊN TÍNH
CHẤT ĐIỂM ẢNH.................................................................................................. 47
3.1.1 Giới thiệu................................................................................................... 47
3.1.2 Khơng gian màu sử dụng cho mơ hình hóa màu da.................................... 47
3.1.2.1 Khơng gian màu RGB............................................................................... 47
3.1.2.2 Khơng gian RGB chuẩn hóa..................................................................... 48
3.1.2.3 Không gian màu HIS, HSV, HSL.............................................................. 49
3.1.2.4 Không gian màu HIS................................................................................ 49
3.1.2.5 Không gian màu HSV............................................................................... 50
3.1.2.6 Không gian màu HSL............................................................................... 50
3.1.2.7 Không gian màu TSL................................................................................ 51
3.1.2.8 Không gian màu........................................................................................ 52
3.1.2.9 Các hệ tọa độ không gian màu khác.......................................................... 52
3.1.3 Mơ hình hóa màu da.................................................................................... 52
3.1.3.1 Xác định ngưỡng cụ thể một điểm ảnh là màu da..................................... 52
3.1.3.2 Phương pháp mơ hình hóa màu da sử dụng phân phối không tham số......53
3.1.3.3 Bảng tra cứu chuẩn cứu (LUT – Lookup Table)........................................ 53
3.1.3.4 Phân lớp Bayes (Bayes Classifier)............................................................ 54
3.1.3.5 Tổng kết phương pháp khơng tham số...................................................... 54
3.1.3.6 Mơ hình hóa phân phối màu da có tham số............................................... 55
3.1.3.7 Mơ hình dựa trên phân phối Gauss đơn.................................................... 55
3.1.3.8 Mơ hình kết hợp dựa trên phân phối Gauss............................................... 56
3.1.3.9 Đa phân phối Gaus.................................................................................... 56
3.1.3.10 Tổng kết các phương pháp mơ hình hóa theo tham số............................56
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
5
Chương 1. TỐNG QUAN
3.1.4 So sánh kết quả các mô hình........................................................................ 57
3.1.5 Đánh giá phương pháp................................................................................. 58
3.1.6 Chọn lựa khơng gian màu và phương pháp mơ hình hóa dùng để nhận biết
màu da cho đồ án.................................................................................................. 58
3.2 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH PCA...................................................... 59
3.2.1 Tổng quan về phương pháp PCA................................................................. 59
3.2.2 Trích chọn đặc trưng khn mặt người dựa trên phương pháp PCA............62
3.3 PHÂN TÍCH HOG............................................................................................. 65
3.3.1 Giới thiệu..................................................................................................... 65
3.3.2 Chuẩn hóa hình ảnh trước khi xử lý............................................................. 65
3.3.3 Tính toán gradient........................................................................................ 66
3.3.4 Lấy votes trong mỗi cell............................................................................... 66
3.3.5 Chuẩn hóa các block.................................................................................... 67
3.4
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG.................................................... 67
3.4.1
Thiết kế sơ đồ khối hệ thống....................................................................... 68
3.4.2
Tính tốn và thiết kế mạch.......................................................................... 69
3.4.3
Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch................................................................... 74
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG.................................................................... 76
4.1
GIỚI THIỆU.................................................................................................. 76
4.2
THI CÔNG HỆ THỐNG................................................................................ 76
4.2.1
Thi công board mạch................................................................................... 76
a. Mạch điều khiển trung tâm (chính)................................................................... 76
b. Mạch nút nhấn điều khiển thiết bị..................................................................... 78
c. Mạch module relay 4 kênh................................................................................ 79
4.2.2
Lắp ráp và kiểm tra..................................................................................... 81
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
6
Chương 1. TỐNG QUAN
a. Lắp ráp mạch điều khiển trung tâm (chính)...................................................... 81
b. Lắp ráp mạch Mạch module relay 4 kênh......................................................... 82
4.3
THI CƠNG MƠ HÌNH................................................................................... 83
4.3.1 Đóng gói nơi chứa trung tâm điều khiển...................................................... 83
4.3.2 Thi cơng mơ hình......................................................................................... 84
4.4
LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG..................................................................... 86
4.4.1
Lưu đồ giải thuật......................................................................................... 86
4.4.2
Phần mềm lập trình cho vi điều khiển....................................................... 106
4.4.3 Phần mềm lập trình giao diện điều khiển (nhận dạng khn mặt)..............107
4.5
VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN.................................................................. 108
Chương 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ........................................ 121
5.1
GIỚI THIỆU................................................................................................. 121
5.2
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC............................................................................... 121
5.3
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM........................................................................ 122
5.2
NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ......................................................................... 127
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN........................................ 128
6.1
KẾT LUẬN.................................................................................................. 128
6.2
HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................................................................................................... 128
PHỤ LỤC............................................................................................................................................ 129
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
7
Chương 1. TỐNG QUAN
DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1 Board Arduino Nano V3................................................................................................ 20
Hình 2.2 Sơ đồ chân Node MCU.................................................................................................. 22
Hình 2.3 Loa thơng minh Amazon Echo Dot Gen 2.............................................................. 23
Hình 2.4 Kết nối nguồn cho loa..................................................................................................... 24
Hình 2.5 Dowload và tạo tài khoản ứng dụng Echo Dot...................................................... 25
Hình 2.6 Kết nối Echo Dot với điện thoại................................................................................. 27
Hình 2.7 Kết nối Echo Dot với điện thoại thành cơng.......................................................... 28
Hình 2.8 Thiết lập Wifi..................................................................................................................... 29
Hình 2.9 Giao diện hồn thành các bước cài đặt..................................................................... 30
Hình 2.10 Bàn phím ma trận 4x3.................................................................................................. 31
Hình 2.11 Hình ảnh LCD 16x2...................................................................................................... 33
Hình 2.12 Quá trình đọc ghi của LCD........................................................................................ 34
Hình 2.13 Hình ảnh thực tế của nút nhấn................................................................................... 34
Hình 2.14 Hình ảnh thực tế của Webcam................................................................................... 34
Hình 2.15 Động cơ Servo................................................................................................................. 35
Hình 2.16 Module Relay 4 kênh.................................................................................................... 35
Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý cơ bản................................................................................................ 36
Hình 2.18 Giản đồ truyền dữ liệu UART................................................................................... 37
Hình 2.19 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi................................................................................ 38
Hình 2.20 Trình tự truyền bit trên đường truyền..................................................................... 39
Hình 2.21 Điều kiện start stop........................................................................................................ 40
Hình 2.22 Truyền dữ liệu I2C......................................................................................................... 40
Hình 2.23 Giao diện kết nối 4 dây chuẩn SPI.......................................................................... 41
Hình 2.24 Các bước cơ bản trong xử lí ảnh.............................................................................. 43
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
8
Chương 1. TỐNG QUAN
Hình 2.25 Các thành phần chính của hệ thống xử lí ảnh...................................................... 45
Hình 3.1 Khơng gian màu RGB..................................................................................................... 48
Hình 3.2 Khơng gian màu HSV..................................................................................................... 50
Hình 3.3 Ý tưởng chính của PCA................................................................................................. 62
Hình 3.4 Biểu đồ dựa trên Gy,Gx.................................................................................................. 66
Hình 3.5 Các cell trong một block................................................................................................ 67
Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống......................................................................................................... 68
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển board Arduino................................................. 70
Hình 3.8 Sơ đồ ngun lí nối dây module Node MCU8266............................................... 71
Hình 3.9 Sơ đồ ngun lí module relay 4 kênh....................................................................... 72
Hình 3.10 Biểu tượng và giao diện ứng dụng Amazon Alexa............................................ 73
Hình 3.11 Sơ đồ ngun lí tồn mạch......................................................................................... 75
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển trung tâm (chính)................................ 77
Hình 4.2 Sơ đồ đi dây mạch điều khiển trung tâm (chính).................................................. 77
Hình 4.3 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch nút nhấn điều khiển thiết bị................................... 78
Hình 4.4 Sơ đồ đi dây mạch điều khiển thiết bị....................................................................... 78
Hình 4.5 Sơ đồ bố trí linh kiện....................................................................................................... 79
Hình 4.6 Sơ đồ đi dây của mạch module relay 4 kênh.......................................................... 80
Hình 4.7 Hình ảnh thực tế mạch điều khiển trung tâm (chính)......................................... 82
Hình 4.8 Hình ảnh thực tế mạch module relay 4 kênh.......................................................... 83
Hình 4.9 Hộp bảo vệ bộ điều khiển của hệ thống................................................................... 84
Hình 4.10 Hình thành ý tưởng thiết kế mơ hình..................................................................... 85
Hình 4.11 Trang trí và lắp ráp hồn thiện mơ hình................................................................. 86
Hình 4.12 Lưu đồ chương trình Arduino Nano........................................................................ 87
Hình 4.13 Lưu đồ chương trình con nhận dữ liệu từ Nodemcu và xử lý....................... 89
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
9
Chương 1. TỐNG QUAN
Hình 4.14 Lưu đồ chương trình con nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính...................91
Hình 4.15 Lưu đồ chương trình con nhận tín hiệu điều khiển từ bàn phím ma trận . 93
Hình 4.16 Lưu đồ chương trình con đổi Password................................................................ 95
Hình 4.17 Lưu đồ chương trình ESP8266 Nodemcu............................................................. 97
Hình 4.18 Lưu đồ chương trình con nhận dữ liệu từ server Sinric................................... 99
Hình 4.19 Lưu đồ chương trình kiểm tra nút nhấn và xử lý............................................. 101
Hình 4.20 Lưu đồ chương trình Matlab nhận dạng khn mặt....................................... 103
Hình 4.21 Lưu đồ chương trình con thiết lập đồ thị, hiển thị hình ảnh Webcam......105
Hình 4.22 Logo phần mềm Arduino IDE................................................................................. 106
Hình 4.23 Giao diện phần mềm Arduino IDE........................................................................ 107
Hình 4.24 Logo Matlab................................................................................................................... 107
Hình 4.25 Giao diện phần mềm Matlab................................................................................... 108
Hình 4.26 Các bước thay đổi mật khẩu Wifi cho hệ thống............................................... 109
Hình 4.27 Giao diện điều khiển thiết bị bằng tay hoặc giọng nói.................................. 110
Hình 4.28 Giao diện chương trình nhận diện khn mặt................................................... 111
Hình 4.29 Giao diện chương trình nhập mật khẩu người quản trị.................................. 111
Hình 4.30 Đăng nhập sai mật khẩu người quản trị............................................................... 112
Hình 4.31 Giao diện chương trình Option............................................................................... 112
Hình 4.32 Giao diện chương trình Option............................................................................... 113
Hình 4.32 Giao diện phát hiện khn mặt............................................................................... 114
Hình 4.33 Chọn vùng ảnh có khn mặt và lưu lại tên...................................................... 114
Hình 4.34 Thơng báo lựa chọn training dữ liệu..................................................................... 115
Hình 4.35 Thơng báo hồn tất training dữ liệu...................................................................... 115
Hình 4.36 Xóa hết dự liệu hệ thống........................................................................................... 116
Hình 4.37 Cửa sổ tổng hợp thời gian nhận diện.................................................................... 116
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
10
Chương 1. TỐNG QUAN
Hình 4.38 Cửa sổ chọn ảnh và xóa trong bộ nhớ đã lưu.................................................... 117
Hình 4.39 Cửa sổ xem ảnh người lạ nhận diện...................................................................... 117
Hình 4.40 Giao diện chương trình Recognition.................................................................... 118
Hình 4.41 Kết nối cổng COM thành cơng với hệ thống phần cứng.............................. 119
Hình 4.42 Phát hiện khn mặt người có trong dữ liệu..................................................... 119
Hình 4.43 Phát hiện khn mặt người khơng có trong dữ liệu........................................ 120
Hình 5.1 Mơ hình nhà ở trạng thái khóa.................................................................................. 122
Hình 5.2 Nhập mật khẩu để mở cửa.......................................................................................... 123
Hình 5.3 Nhập password thành cơng cửa đã mở................................................................... 123
Hình 5.4 Phát hiện đúng khn mặt và mở cửa.................................................................... 124
Hình 5.5 Phát hiện sai khn mặt, thơng báo và khóa cửa............................................... 125
Hình 5.6 Bật đèn................................................................................................................................ 126
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
11
Chương 1. TỐNG QUAN
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1 Kết quả nhận biết đúng sai của các phương pháp.................................................... 57
Bảng 3.2 Tổng dòng điện của các linh kiện.................................................................................. 74
Bảng 4.1 Bảng thống kê linh kiện..................................................................................................... 80
Bảng 5.1 Thống kê số lần khi điều khiển................................................................... 127
Bảng 5.2 Thống kê các phương án thực hiện............................................................. 127
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
12
Chương 1. TỐNG QUAN
TÓM TẮT
Hiện nay với sự phát triển rất mạnh mẽ về khoa học và công nghệ, các hệ thống
thông minh ứng dụng IoT tuy không mới nhưng rất thịnh hành. Thế giới chúng ta đã và
đang thay đổi mạnh mẽ, văn minh và hiện đại hơn. Điều đó khiến các cơng cụ ứng
dụng cơng nghệ mới xuất hiện ngày càng nhiều. Một trong số đó là cơng cụ hỗ trợ điều
khiển bằng giọng nói, nó giúp chúng ta điều khiển một số thiết bị một cách tiện lợi và
nhanh chóng.
Đồ án tốt nghiệp này thiết kế và thi cơng một mơ hình hệ thống điều khiển các thiết
bị điện và giám sát ngôi nhà. Người sử dụng có thể điều khiển các thiết bị điện ở bất cứ
nơi nào có Internet, Wifi, 3G, 4G trên ứng dụng Amazon Alexa. Các trạng thái thiết bị
điện của ngôi nhà cũng được cập nhật lên giao diện này. Hệ thống có tích hợp thêm
camera để tăng thêm tính bảo mật cho ngôi nhà, camera nhận diện khuôn mặt và so sánh
khuôn mặt đã quét với kho dữ liệu để đưa ra hướng xử lí có mở cửa hay khơng.
Nội dung chính của đề tài
•
Sử dụng kit Arduino Nano V3 và module ESP8266 Node MCU làm khối điều
khiển trung tâm.
•
Điều khiển và giám sát thiết bị qua loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 2 và
ứng dụng Amazon Alexa.
•
Cảnh báo khi có người lạ vào nhà bằng buzzer.
•
Điều khiển các thiết bị điện trong nhà như đèn chiếu sáng, quạt bằng giọng nói.
Ngồi ra cịn có chế độ điều khiển bằng tay.
•
Bảo mật ngơi nhà bằng hệ thống tự động đóng mở cửa dùng động cơ servo
bằng cách nhận diện khuôn mặt hoặc nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
13
Chương 1. TỐNG QUAN
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, thế giới đang trong làn sóng của “cuộc cách mạng cơng nghiệp 4.0”.
Do đó, cơng nghệ về điều khiển thơng minh và điều khiển tự động cũng phát triển
theo, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong công nghiệp và đời sống.[1]
Đặc biệt, các hệ thống nhà thông minh được phát triển mạnh mẽ và ngày càng
phổ biến. Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể
được điều khiển hoặc tự động hóa hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực
hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với
người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động,
máy tính bảng hoặc một giao diện web. Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà
từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối
với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc
lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch. Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể
hiểu được ngơn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau. [2]
Khơng chỉ hạn chế với những tính năng nêu trên, ngày càng có nhiều nghiên
cứu đề xuất phát triển ngơi nhà thơng minh bám kịp theo sự phát triển của công nghệ,
tối ưu hóa hiệu năng sử dụng cũng như giá cả hợp lý. Việc cung cấp các thông số lên
Internet cho phép người dùng dễ dàng kiểm soát được các thiết bị trong gia đình cũng
như nhận biết được những cảnh báo một cách kịp thời nhất.[3]
Hiện nay cũng có rất nhiều bài nghiên cứu của sinh viên cũng làm về nhà thông
minh, như: Tác giả Phạm Văn Huy nghiên cứu đề tài “Hệ thống điều khiển và giám sát
các thiết bị trong nhà” sử dụng module Arduino Uno R3, ESP8266 Node MCU và
Module Bluetooth HC-06, sử dụng App trên Android để SmartPhone nhận tín hiệu từ
giọng nói con người, xử lý và đưa tín hiệu đến vi điều khiển, điều khiển 4 thiết bị và 1
động cơ và đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà hiển thị lên App Android.[4]
Tác giả Nguyễn Ngọc Lực nghiên cứu đề tài “Thiết kế, thi cơng mơ hình hệ thống
điều khiển thiết bị điện và giám sát nhà” sử dụng board Arduino Mega 2560 làm trung
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
14
Chương 1. TỐNG QUAN
tâm điều khiển chính, ESP8266 Node MCU và module Sim900A, sử dụng App
Android và Websever để điều khiển và giám sát 4 thiết bị trong nhà, đo nhiệt độ, độ
ẩm, báo động khi có rị rỉ khí gas và có người đột nhập vào nhà bằng chng báo và
gửi tin nhắn qua tin nhắn đến người sử dụng, khi mất điện sẽ chuyển sang sử dụng pin
dự phòng (Acqui) và báo tin nhắn về người sử dụng là bị mất điện.[5]
Tác giả Huỳnh Xuân Dũng và Trần Nhật Minh nghiên cứu đề tài “Hệ thống IoT
điều khiển và giám sát ngôi nhà” sử dụng Board STM32F407VGT6 làm khối điều
khiển trung tâm chính, board Arduino Mega làm khối điều khiển trung tâm phụ. Sử
dụng Web Server, App Android và WPF đề điều khiển 8 thiết bị, có hệ thống tự động
tưới cây theo lịch trình, đo nhiệt độ, độ ẩm, đồng thời báo động khi có rị rỉ khí gas và
có người đột nhập vào nhà bằng chng báo và gửi tin nhắn qua tin nhắn đến người sử
dụng, ứng dụng cơng nghệ RFID vào việc đóng mở cửa và ngồi ra có thể đóng mở
cửa bằng cách nhập mật khẩu.[6]
Tác giả Trần Minh Luân và Lâm Thành Đạt nghiên cứu đề tài “Thiết kế và thi
công hệ thống thiết bị điều khiển nhà thông minh” sử dụng module ESP8266 NodeMCU
làm khối điều khiển trung tâm, thông qua OpenHab và MQTT để điều khiển và giám sát
2 thiết bị, sử dụng Google Assistant và IFTTT để điều khiển thiết bị bằng giọng nói.
Thiết bị có thể thu phát hồng ngoại và RF, đo nhiệt độ và độ ẩm trong nhà.[7]
Qua tóm tắt trên, chúng em quyết định làm “Thiết kế và thi công hệ thống điều
khiển thiết bị điện trong nhà bằng giọng nói thơng qua Amazon Alexa và cảnh báo chống
trộm”. Trong đó, hệ thống sử dụng vi điều khiển trung tâm là module Arduino Nano V3 và
module Wifi ESP8266 Node MCU, màn hình LCD 16x2, bàn phím ma trận 4x3 và
module relay, camera logitech HD Webcam C270. Người dùng có thể điều khiển và giám
sát các thiết bị bằng smartphone sử dụng ứng dụng Amazon Alexa hay truy cập trang web
điều khiển bất cứ nơi đâu có Wifi hoặc Internet. Hệ thống có khả năng giám sát nhà từ xa,
hiển thị trạng thái các thiết bị điện, tự động đóng mở cửa bằng hệ thống nhận diện khuôn
mặt sử dụng webcam hay nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận, có chng báo khi phát
hiện có người lạ đột nhập vơ nhà, có thể sử dụng giọng nói để điều khiển các thiết bị điện
trong nhà hoặc có thể sử dụng chế độ điều khiển bằng tay
(Manual) để điều khiển.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
15
Chương 1. TỐNG QUAN
1.2
MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN
Thiết kế và thi cơng mơ hình điều khiển các thiết bị sử dụng điện trong nhà là
các đèn, quạt trên ứng dụng điện thoại Amazon Alexa và Website thông qua mạng
internet và Wifi. Ngồi ra hệ thống này cịn có khả năng giám sát nhà từ xa, hiển thị
trạng thái các thiết bị điện, tự động đóng mở cửa bằng hệ thống nhận diện khn mặt
hoặc nhập mật khẩu và có chng cảnh báo khi nhận diện sai hoặc nhập mật khẩu
không đúng. Có thể sử dụng giọng nói để điều khiển thiết bị điện trong nhà và có chế
độ điều khiển bằng tay.
1.3
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
-
Tìm hiểu cách thức hoạt động của các mơ hình nhà IoT.
-
Tìm hiểu các chuẩn truyền thơng như UART, I2C, SPI.
-
Tìm hiểu về Board mạch Arduino Nano V3 và module ESP8266 Node MCU.
-
Thiết kế giao diện để điều khiển và giám sát: Web server, App android.
-
Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển gồm các chế độ: Manual, điều khiển
bằng giọng nói thơng qua loa Amazon Echo Dot Gen 2 và app Amazon Alexa .
-
Thiết kế và thi công hệ thống bảo mật ngôi nhà: nhập mật khẩu qua bàn phím ma
trận 4x3 hoặc nhận diện khuôn mặt thông qua camera HD Webcam C270 và hiển thị
trạng thái làm việc trên LCD 16x2.
-
Thiết kế và thi cơng mơ hình nhà có các chức năng thơng minh.
-
Viết chương trình điều khiển cho Arduino và ESP8266, nạp code và chạy thử
nghiệm sản phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống.
-
Thực hiện viết sách luận văn báo cáo.
-
Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp.
1.4
GIỚI HẠN
-
Thiết kế mô hình nhà ở, trong đó chiều cao khoảng 30cm, rộng 20cm, dài 50cm.
-
Điều khiển các thiết bị như: 3 đèn chiếu sáng 220VAC-5W, 1 quạt 5V/0.2A, 1
cửa chính sử dụng Servo SG90.
-
Dùng chng buzzer cảnh báo khi có người đột nhập.
-
Nhận diện khuôn mặt bằng camera logitech HD Webcam C270 sử dụng giao
diện Matlab với độ chính xác khoảng 80%.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
16
Chương 1. TỐNG QUAN
-
Nhập mật khẩu từ bàn phím ma trận 4x3 và hiển thị trạng thái làm việc trên LCD
16x2.
-
Điều khiển các thiết bị điện thông qua loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 2
và app Amazon Alexa bằng tiếng anh.
1.5
BỐ CỤC
Chương 1: Tổng quan.
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Giới thiệu các cơ sở lý thuyết liên quan đến hệ thống; lựa chọn linh kiện, thiết
bị sử dụng để thiết kế hệ thống và trình bày các chuẩn truyền, giao thức.
Chương 3: Tính Tốn Và Thiết Kế Hệ Thống.
Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, đưa ra sơ đồ nguyên lí của các khối trong hệ
thống và thực hiện tính 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 nếu ra hướng phát triển cho hệ thống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
17
