THIẾT kế hệ THỐNG NHÀ THÔNG MINH sử DỤNG CÔNG NGHỆ iot

Em thực hiện đề tài ‘‘Thiết kế hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ IoT’’ xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SỬ

DỤNG CÔNG NGHỆ IoT Chuyên ngành: Điện tự động

GVHD: Th.S NGUYỄN THANH HÙNG SVTH : PHAN QUỐC KHÁNH

LỚP : K23-EDT1 MSSV : 2321172759

ĐÀ NẴNG: NĂM 2021

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi: Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại

Học Duy Tân

Em tên là: Phan Quốc Khánh

Lớp: K23-EDT1, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Duy Tân.

Em thực hiện đề tài ‘‘Thiết kế hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ IoT’’ xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Đây là đồ án do em thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Thanh Hùng Nếu có phát hiện nội dung sao chép hay gian lận nào em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước hội đồng kỉ luật của nhà trường.

Đà Nẵng, ngày….tháng 12 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Phan Quốc Khánh

LỜI CÀM ƠN

Đầu tiên chúng tôi xin gửi lời chúc sức khỏe đến toàn bộ Thầy, Cô và các đoàn thể của trường Đại Học Duy Tân Tôi gửi lời cám ơn đến khoa Điện - Điện

Tử đã tạo điều kiện cho chúng tôi được nhận đề tài Luận Văn Tốt Nghiệp.

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự

hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của Thầy Cô, bạn bè Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, tôi

đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn

bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Điện Tử - trường Đại Học Duy Tân và đặc biệt Thầy Nguyễn Thanh Hùng đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng tôi trong suốt thời gian học tập tại trường và trong Đồ Án Tốt Nghiệp này Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì bài thu hoạch này của chúng tôi tôi rất khó có thể hoàn thiện được Chúng tôi rất mong nhận được những góp ý, bổ sung của Thầy, Cô và bạn bè để đồ án của chúng tôi được hoàn thiện hơn Một lần nữa, chúng tôi xin chân thành cảm ơn.

Điện-Đà Nẵng, ngày … tháng 12 năm 2021 Sinh viên thực hiện

Phan Quốc Khánh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CÀM ƠN 2

DANH SÁCH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 5

MỞ ĐẦU 7

1 Tính cấp thiết của đề tài 7

2 Mục tiêu nghiên cứu 7

3 Đối tượng nghiên cứu 7

4 Phạm vi nghiên cứu 7

5 Tóm tắt đề tài 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IoT 9

1.1 Hệ thống nhà thông minh 9

1.2 Công nghệ IoT 10

1.3 Ứng dụng công nghệ IoT vào hệ thống nhà thông minh 11

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IoT 12

2.1 Các thiết bị trong hệ thống nhà thông minh 12

2.1.1 Module wifi ESP8266 CH340 12

2.1.2 Arduino uno R3 SMD 13

2.1.3 Động cơ Servo SG90 14

2.1.4 Bàn phím 4x4 15

2.1.5 LCD hiển thị 1602 15

2.1.6 Nguồn tổ ong 16

2.1.7 Cảm biến hồng ngoại 17

2.1.8 Cảm biến gas 17

2.1.9 Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ DHT21 18

2.1.10 Cảm biến âm thanh 19

2.1.11 Cảm biến mưa 19

2.1.12 Cảm biến chuyển động 20

2.1.13 Cảm biến tiệm cận kim loại 21

2.1.14 Module relay 22

2.1.15 Các loại tải 23

(1) Module còi báo động 23

(2) Đèn led 23

(3) Động cơ 24

2.2 Sơ đồ thiết kế và nguyên lý hoạt động 25

2.2.1 Sơ đồ thiết kế 25

(1) Sơ đồ đấu nối khối cửa chính 26

(2) Sơ đồ đấu nối khối nhà xe 27

(3) Sơ đồ đấu nối khối phòng khách và phòng bếp 28

(4) Sơ đồ đấu nối khối phòng ngủ 29

(5) Sơ đồ đấu nối khối phòng vệ sinh 30

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 31

2.3 Lập trình điều khiển nhà thông minh trên các vi điều khiển 32

2.3.1 Lập trình trên Module wifi ESP866 32

2.3.2 Lập trình trên Arduino uno 41

CHƯƠNG 3 VẬN HÀNH HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IoT 43

3.1 Các điều kiện vận hành hệ thống 43

3.2 Kết quả vận hành hệ thống 43

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 44

4.1 Kết luận 44

4.2 Hướng phát triển 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

DANH SÁCH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hệ thống nhà thông minh 9

Hình 1.2: Công nghệ IoT 10

Hình 1.3: Hệ thống nhà thông minh IoT 11

Hình 2.1: Module wifi ESP8266 CH340 12

Hình 2.2: Arduino uno R3 SMD 13

Hình 2.3: Động cơ servo SG90 14

Hình 2.4: Bàn phím 4x4 15

Hình 2.5: LCD hiển thị 1602 15

Hình 2.6: Nguồn tổ ong 16

Hình 2.7: Cảm biến hồng ngoại 17

Hình 2.8: Cảm biến gas 17

Hình 2.9: Cảm biến độ âm, nhiệt độ DHT21 18

Hình 2.10: Cảm biến âm thanh 19

Hình 2.11: Cảm biến mưa 19

Hình 2.12: Cảm biến chuyển động 20

Hình 2.13: Cảm biến tiệm cận kim loại 21

Hình 2.14: Module Relay 22

Hình 2.15: Module coi báo động 23

Hình 2.16: Đèn led 23

Hình 2.17: Động cơ DC 24

Hình 2.18: Sơ đồ bố trí tầng trệt 25

Hình 2.19: Sơ đồ bố trí tầng một 25

Hình 2.20: Khối cửa chính 26

Hình 2.21: Khối nhà xe 27

Hình 2.22: Khối phòng khách và phòng bếp 28

Hình 2.23: Khối phòng ngủ 29

Hình 2.24: Khối phòng vệ sinh 30

Hình 2.25: Sơ đồ trung tâm 32

Hình 2.26: Sơ đồ tầng trệt 32

Hình 2.27: Sơ đồ tầng một 33

Hình 2.28: Lưu đồ tổng quát 34

Hình 2.29: Lưu đồ chống trộm xe 35

Hình 2.30: Lưu đồ cảm biến gas 36

Hình 2.31: Lưu đồ cảm biến nhiệt độ 37

Hình 2.32: Lưu đồ cảm biến âm thanh 38

Hình 2.33: Lưu đồ cảm biến mưa 39

Hình 2.34: Lưu đồ cảm biến chuyển động 40

Hình 2.35: Lưu đồ mật khẩu cửa chính 41

Hình 2.36: Lưu đồ cảm biến hồng ngoại 42

Hình 3.1: Mô hình hệ thống 43

Hình 3.2: Giao diện điều khiển trên ứng dụng thông minh 44

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

 Công nghệ phát triển, nhà thông minh theo đó cũng sẽ xuất hiện nhiều hơn.Tuy nhiên, không phải ai cũng có khả năng biết tới nó Nếu đã tìm hiểu về nhàthông minh, hẳn bạn cũng thấy rằng nhà thông minh là một sản phẩm của nền cáchmạng công nghiệp 4.0.Cuộc sống ngày càng hiện đại, nhu cầu của con người ngàycàng cao Nhà thông minh ở Việt Nam ra đời để đáp ứng nhu cầu này Hệ thốngnhà thông minh là kết quả của sự phát triển về khoa học và công nghệ Lắp đặt nhàthông minh mang đến rất nhiều lợi ích với nhiều chức năng vượt trội Giúp bạn tậnhưởng cuộc sống tiện nghi và hiện đại

 Nhà thông minh giúp cuộc sống của mỗi gia đình trở nên hiện đại hơn Hệthống này giúp bạn kiểm soát dễ dàng các thiết bị điện tử trong nhà có sử dụngđiện thoại, laptop, Ví dụ như quạt, tivi, điều hòa, hệ thống giải trí Bạn có thểcùng một lúc điều khiển các thiết bị này ngay cả khi không có mặt ở nhà Hệ thốngnhà thông minh ở Việt Nam đang dần trở nên phổ biến bởi những tiện ích vượttrội Chỉ một vài thao tác đơn giản trên điện thoại hoặc máy tính, bạn đã nhanhchóng điều khiển được hệ thống thiết bị trong nhà Bên cạnh đó còn điều khiểnđược hệ thống chiếu sáng Bạn có thể tự thiết lập các tình huống như: cửa mở thìđèn sáng, đèn sáng khi có người, đèn tắt khi người đó rời đi, hoặc là đi tới đâu đènsáng tới đó

 Một trong những lợi ích nổi bật nhất của tự động hóa ngôi nhà là cung cấp sự

an tâm cho chủ nhà, cho phép họ quan sát nhà từ xa

 Tôi quyết định chọn đề tài “Thiết kế hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ IoT” nhằm nghiên cứu kỹ hơn về nguyên lý hoạt động, cách vận hành và

ứng dụng điều khiển hệ thống nhà thông minh

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, cách vận hành, ứng dụng điền khiển hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ IoT và thiết kế được mô hình nhà thông minh Ngoài ra mô hình nhà thông minh có thể áp dụng vào đời sống

3 Đối tượng nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu là hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ IoT

 Công nghệ IoT

 Nguyên lý hoạt động và cách vận hành hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ IoT

 Các hệ thống liên lạc với nhau thông qua sóng wifi.

 Nội dung đề tài bao gồm 4 chương:

 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SỬDỤNG CÔNG NGHỆ IoT

 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNGCÔNG NGHỆ IoT

 CHƯƠNG 3: VẬN HÀNH HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNGCÔNG NGHỆ IoT

 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IoT

1.1 Hệ thống nhà thông minh

 Nhà thông minh là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể đượcđiều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiệnmột hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển Hệ thống điện tử này giao tiếp vớingười dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại diđộng, máy tính bảng hoặc một giao diện web Trong nhà thông minh, đồ dùngtrong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kếtnối 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 Các thiết bị này có thể tựđưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước, hoặc là được điều khiển và giámsát từ xa

 Một trong những lợi ích nổi bật nhất của tự động hóa ngôi nhà là cung cấp sự

an tâm cho chủ nhà, cho phép họ quan sát nhà từ xa

Hình 1.1: Hệ thông nhà thông minh

1.2 Công nghệ IoT

 Cuộc sống xung quanh ta luôn có nhiều điều mới mẻ, đặc biệt khi công nghệngày càng tiên tiến Cuộc sống của bạn khi được gắn liền với máy móc, và đặc biệtphải kể đến ứng dụng IOT, chắc chắn sẽ giúp ích, bổ trợ để tạo cho bạn một cuộcsống hiện đại, tiện nghi

 Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối internetviết tắt là IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người đượccung cấp một định danh riêng của mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổithông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần sự tương tác trực tiếp giữangười với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của côngnghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và internet Nó đơn giản là một tập hợpcác thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với internet và với thế giới bên ngoài đềthực hiện một công việc nào đó Hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị

có thể kết nối với nhau Việc kết nối có thể thực qua wifi, kết nối băng rộng (3G,4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại Các thiết bị có thể là đện thoại thông minh,máy máy tính bảng, điều hòa, bóng đèn, máy giặt và nhiều thiết bị khác

 Công tắc thông minh, ổ cắm thông minh, đèn chiếu sáng, chuông cửa, rèmthông minh được điều khiển bằng smartphone từ xa, thì thiết bị đó được gọi là mộtthiết bị IOT

Hình 1.2: Công nghệ IoT

1.3 Ứng dụng công nghệ IoT vào hệ thống nhà thông minh

 Một ngôi nhà được gọi là thông minh khi gần như hoặc toàn bộ các thiết bịtrong nhà đều có thể điều khiển được từ xa thông qua internet và khả năng nhậnbiết hành động qua từng cử chỉ nhỏ bằng các bộ cảm biến tinh vi

 Ứng dụng IoT còn cho phép các thiết bị kết nối với nhau và tạo thành một mắtxích làm việc ăn ý trong ngôi nhà mà không cần có sự có mặt của bạn

 Điển hình nhất của công nghệ IoT này đó chính là việc ứng dụng trong nhữngngôi nhà thông minh gắn liền nhất với cuộc sống thực tế Nếu trước đây, bạnthường xuyên quên tắt đèn hoặc các thiết bị điện trong nhà trước khi ra khỏi nhàhay trước khi đi ngủ thì không cần phải lo nữa, vì giờ đây đèn sẽ tự tắt khi bạnbước chân ra khỏi nhà, rèm sẽ tự buông và cửa cũng sẽ tự khóa hoặc bạn có thể bậttắt thiết bị trên điện thoại của bạn khi bạn ra khỏi nhà Có những ngày nắng nóng,trước khi đi làm về bạn có thể bật điều hoà trước để làm mát nhà mình, khi bướcvào nhà ta cảm thấy mát mẻ hoặc những ngày mưa khi ta đi làm về sẽ có sẵn nước

ấm để ta tắm Còn gì tuyệt hơn

Hình 1.3: Hệ thống nhà thông minh IoT

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IoT

2.1 Các thiết bị trong hệ thống nhà thông minh

2.1.1 Module wifi ESP8266 CH340

 Module wifi ESP8266 NodeMCU Lua V3 CH340 là phiên bản NodeMCU sửdụng IC nạp giá rẻ CH340 từ Lolin với bộ xử lý trung tâm là module Wifi SoCESP8266, kit có thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trìnhbiên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lậptrình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản Module được dùng cho cácứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng wifi, đặc biệt là cácứng dụng liên quan đến IoT [1]

 Thông số kỹ thuật: [1]

 Phiên bản firmware: NodeMCU Lua

 Chip nạp và giao tiếp UART: CH340

 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

 GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

 Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

Hình 2.1: Module wifi ESP8266 CH340

 Số chân Analog: 6 chân.

 Số chân Digital: 14 chân ( 6 chân PWM)

 Dòng ra trên chân digita: Max 40 mA

 Dòng ra trên chân 5V: 500 mA

 Dòng ra trên chân 3.3V: 50 mA

 Dung lượng bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328P)

Hình 2.2: Arduino uno R3 SMD

2.1.4 Bàn phím 4x4

 Bàn phím 4×4 nút được thiết kế với giao diện đơn giản giúp dễ dàng giao tiếpvới bất kì vi điều khiển nào Mặt sau dính thuận tiện để gắn bàn phím trong nhiềuứng dụng dự án [4]

 Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu

 Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật

Hình 2.5: Màn hình LCD 1602

2.1.6 Nguồn tổ ong

 Nguồn tổ ong 5V 2A hay còn gọi là bộ nguồn một chiều 5 volt được thiết kế đểchuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 110/220VAC thành nguồn một chiều5VDC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động [6]

 Thông số kỹ thuật: [6]

 Điện áp hoạt động: 110/220VAC

 Điện áp ngõ ra: 5VDC

 Sai số thực tế: 1 – 3%

 Dòng điện ngõ ra: 2A

 Công suất tối đa: 10W

 Kích thước: 70 x 40 x 32 mm

 Nhiệt độ làm việc: 0 độ C ~ 40 độ C

 Bảo vệ ngắt mạch khi quá tải

Hình 2.6: Nguồn tổ ong

2.1.7 Cảm biến hồng ngoại

 Cảm biến vật cản hồng ngoại có một cặp truyền và nhận tia hồng ngoại Tiahồng ngoại phát ra một tần số nhất định, khi phát hiện hướng truyền có vật cản(mặt phản xạ), phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, sau khi so sánh, đèn màu xanh sẽsáng lên, đồng thời cho tín hiệu số đầu ra (một tín hiệu bậc thấp) Khoảng cáchlàm việc hiệu quả 2 ~ 5cm [7]

 Module cảm biến độ ẩm nhiệt độ DHT21 tích hợp cảm biến độ ẩm điện dung vàcảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, đầu ra tín hiệu số có thể kết nối với một viđiều khiển 8-bit, chất lượng cao, đáp ứng nhanh, khả năng chống nhiễu mạnh, giaotiếp duy nhất 1 dây, thích hợp với các ứng dụng cần đo độ ẩm, nhiệt độ trong nôngnghiệp, nhà thông minh [9]

2.1.10 Cảm biến âm thanh

 Cảm biến âm thanh sử dụng microphone và opamp để phát hiện âm thanh, khicường độ âm thanh vượt qua 1 ngưỡng xác định (thay đổi được bằng biến trở) thìngõ ra sẽ được kéo xuống mức thấp, đồng thời có led báo hiệu [10]

2.1.12 Cảm biến chuyển động

 Cảm biến thân nhiệt chuyển động được sử dụng để phát hiện chuyển động củacác vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại (con người, con vật, các vật phát nhiệt,…),cảm biến có thể chỉnh được độ nhạy để giới hạn khoảng cách bắt xa gần cũng nhưcường độ bức xạ của vật thể mong muốn, ngoài ra cảm biến còn có thể điều chỉnhthời gian kích trễ qua biến trở tích hợp sẵn [12]

2.1.13 Cảm biến tiệm cận kim loại

Cảm biến kim loại tiệm cận SN04 NPN là loại cảm biến kim loại tiệm cân vớikhả năng phát hiện kim loại ở khoảng cách gần (tiệm cận) từ 0~4mm, ứng dụngtrong các lĩnh vực tự động, cơ điện tử, xác định kiểm dừng của cơ cấu trượt [13]

2.1.15 Các loại tải

(1) Module còi báo động

 Module còi buzzer được sử dụng để phát ra âm thanh khi kích tín hiệu,ứng dụng trong các hệ thống báo hiệu, báo trộm [15]