Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà qua internet

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ QUA INTERNET GVHD Tuần 1 Trao đổi với GVHD về các quy định, cách trình bày của đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

GVHD: PHAN VĂN CA SVTH : LÊ ANH ĐỨC

PHẠM THỊ HƯƠNG GIANG

S K L 0 0 9 3 4 6

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ TRONG NHÀ QUA INTERNET

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH- VIỄN THÔNG

oOo

-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ TRONG NHÀ QUA INTERNET

GVHD: PGS.TS PHAN VĂN CA SVTH: LÊ ANH ĐỨC 18161062

PHẠM THỊ HƯƠNG GIANG 18161068 Khóa: K18

Ngành: CNKT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH- VIỄN THÔNG

oOo

-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ TRONG NHÀ QUA INTERNET

GVHD: PGS.TS PHAN VĂN CA SVTH: LÊ ANH ĐỨC 18161062

PHẠM THỊ HƯƠNG GIANG 18161068 Khóa: K18

Ngành: CNKT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Ngày nhận đề tài: 15/03/2022 Ngày nộp đề tài: 30/07/2022

1 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà qua Internet

2 Nhiệm vụ thực hiện

- Nghiên cứu, phân tích và tím hiểu các yêu cầu kỹ thuật, chức năng được ứngdụng trong ngôi nhà IoT

- Tìm hiểu về module ESP8266.

- Tìm hiểu về thiết kế phần mềm trên điện thoại, liên kết giữa module ESP8266,Firebase và phần mềm ứng dụng trên điện thoại để hiển thị dữ liệu và điều khiển thiếtbị

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Nghiên cứu, phân tích và dựa trên yêu cầu kỹ thuật, chức năng để lựa chọnthiết kế mô hình nhà

- Thiết kế phần cứng và liên kết giữa bộ xử lý trung tâm với hệ thống cảm biến

và các thiết bị ngoại vi

- Thiết kế phần mềm dùng để hiển thị, truyền nhận dữ liệu và tín hiệu điều khiển

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ QUA INTERNET

GVHD Tuần 1 Trao đổi với GVHD về các quy định, cách trình bày của đồ án

tốt nghiệp và xác định hướng của đề tài đồ án tốt nghiệp

Tuần 2 Chọn hướng và tên đề tài thực hiện.

Tuần 3 Thảo luận về lịch trình thực hiện đồ án và đề cương đồ án chi

tiết

Tuần 4 Nghiên cứu tổng quan đề tài và tìm hiểu tính ứng dụng thực tế

của đề tài trong thực tiễn đời sống

Tuần 5 Tìm hiểu và đưa ra về yêu cầu kỹ thuật và chức năng.

Tuần 6 Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ chi tiết của hệ thống chức năng.

Tuần 7 Nghiên cứu và lựa chọn linh kiện phù hợp với hệ thống

Tuần 8 Lựa chọn và thiết kế mô hình nhà, tìm hiểu sơ đồ nguyên lý và

sơ đồ kết nối của hệ thống

Tuần 9 Thiết kế, thi công mạch in và mô hình.

Tuần 10

Lắp đặt các cảm biến, thiết bị ngoại vi vào mô hình và liên kết

chúng với bộ xử lý trung tâm

Kiểm tra cách đi dây so với sơ đồ nguyên lý

Tuần 11 Viết chương trình điều khiển và kiểm tra lỗi của các chương

trình trong quá trình thực thi

Tuần 12 Tiến hành mô phỏng hệ thống

Kiểm tra và sửa lỗi của phần cứng và phần mềm

Tuần 13 Hoàn thiện mô hình cũng như chương trình phần mềm.

Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp

Tuần 14

Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp

Làm powerpoint trình chiếu báo cáo

Kiểm tra mô hình và mô phỏng lại chức năng hệ thống

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-*** -PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Lê Anh Đức MSSV: 18161062 Phạm Thị Hương Giang MSSV: 18161068 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Viễn Thông Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà qua Internet Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Văn Ca NHẬN XÉT: 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: ………

………

………

2 Ưu điểm ………

………

………

………

3 Khuyết điểm ………

………

………

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không? ………

5 Đánh giá loại: ………

6 Điểm:……… (Bằng chữ:……… )

………

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-*** -PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Lê Anh Đức MSSV: 18161062 Phạm Thị Hương Giang MSSV: 18161068 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Viễn Thông Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh qua Internet Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT: 7 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: ………

………

………

8 Ưu điểm ………

………

………

………

9 Khuyết điểm ………

………

………

10 Đề nghị cho bảo vệ hay không? ………

11 Đánh giá loại: ………

12 Điểm:………(Bằng chữ: ……… )

………

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện và hoàn thành đề tài nghiên cứu đồ án tốt nghiệp này một cáchhoàn thiện nhất thì cần sự bền bỉ và tập trung cũng như sự tìm tòi các kiến thức liênquan, chính vì vậy chúng tôi thực sự rất vui với những bài học và kết quả mà chúng tôi

đã đạt được qua đề tài nghiên cứu đồ án tốt nghiệp của mình Toàn bộ tri thức và bàihọc kinh nghiệm mà chúng tôi đã đạt được trong quá trình nghiên cứu và tiến hành làm

đề tài này ngoài sự nỗ lực của bản thân mà còn có sự giúp sức và cổ vũ đến từ gia đình,thầy cô và bạn bè

Chúng tôi cảm thấy biết ơn chính gia đình, bạn bè là những người luôn bên cạnh

và tạo những điều kiện tốt nhất để giúp đỡ cho chúng tôi có thể đạt được một kết quảtốt nhất của đề tài nghiên cứu này

Chúng tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện điện tử đã truyền đạt những kiến thức quý gia, sự chỉ bảo tận tình và luôn hỗ trợ chúngtôi hết lòng trong suốt quá trình thực hiện đồ án Bên cạnh đó chúng tôi cũng muốn gửilời cảm ơn sâu săc nhất đến với thầy - người thầy đã luôn ở bên định hướng, chỉ bảochúng tôi suốt 15 tuần vừa qua thầy giáo - PGS.TS Phan Văn Ca Bằng sự tâm huyếtvới nghề và nhiệt tình với sinh viên mà thầy đã hướng chúng tôi tiếp cận đến vớinhững khía cạnh mới trong đề tài mà chúng tôi đã chọn bằng cách chỉ ra những vấn đềmang tính sáng tạo qua những lần gặp gỡ ở trên lớp để chúng tôi có hướng nghiên cứu,tìm tòi mới hơn so với các dự án đề tài trước Kết quả của ngày hôm nay thì đó là sựkiên trì và cố gắng của cả thầy và trò, bản thân chúng tôi sẽ mãi trân trọng khoảng khắcnày và một lần nữa muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến với người thầy mà chúngtôi luôn yêu quý Chúc thầy có thật nhiều sức khỏe để luôn vững tay chèo đưa mọichuyến đò thành công cập bến và thành công trên mọi con đường mà thầy đã chọn!

-Do thời gian có hạn và sự thiếu xót về tri thức, đề tài nghiên cứu của chúng tôi

sẽ không tránh khỏi những sai sót, chúng tôi mong thầy cô góp ý, chỉnh sửa để đề tàinày có thể hoàn thiện một cách tốt hơn

TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

Sinh viên thực hiện

Lê Anh Đức Phạm Thị Hương Giang

TÓM TẮT

Hiện nay, toàn thế giới đang theo đuổi xu hướng công công nghệ 4.0 khi tất

cả mọi vật chất và chúng ta là những con người đang sống trong một xã hội củacông nghệ và chứng kiến được từng bước phát triển vượt bậc của nó, những bướctiến đột phá cho sự khởi đầu của ngành sản xuất linh kiện điện tử cũng như thiết bịthông minh Những thiết bị luôn có mặt trong cuộc sống hằng ngày, ngay trongchính căn nhà của chúng ta như Smartphone, SmartTV Những thiết bị thông minhnày không chỉ được tạo ra dự trên những nhu cầu cơ bản của con người, hơn thế nữachúng còn hỗ trỡ chúng ta trong việc giám sát và điều khiển một số chức năng khácmột cách chuyên nghiệp và có sự hiệu quả cao

Thiết bị thông minh đã được tích hợp theo một chức năng hay cấu trúc nào

đó trong hệ thống Smart Home ngày nay Đây cũng là một bước đi dài hơi trong tưduy làm chủ công nghệ trong cuộc sống hiện đại của con người Một ngôi nhà màthực hiện được mọi nhu cầu quản lý, điều khiển của con người sẽ nhanh chóng trởthành đề tài công nghệ có sức hấp dẫn lớn

Smart Home là một hệ thống tích hợp các phần cứng mang tính tự động hóahoặc bán tự động nhằm giảm thao tác của con người trong việc quản lý và điềukhiển các thiết bị trong nhà Hệ thống sẽ tương tác hai chiều với chủ nhà thông quamột ứng dụng trên điện thoại, laptop hoặc một website riêng biệt nào đó Từ đó,chúng ta có thể giám sát và điều khiển từ xa các thiết bị trong gia đình của mìnhthông qua mạng không dây dù ở bất kỳ đâu Đồ án này chính là một nghiên cứu đểđưa các cơ chế hoạt động của một hệ thống nhà thông minh ứng dụng vào thực tế.Tất cả các dữ liệu thu thập và thông số điều khiển của các thiết bị trong ngôi nhà sẽđược truyền lên Firebase và một phần mềm giao diện sẽ lấy các dữ liệu và thông sốnày để hiển thị trên chính chiếc điện thoại của chúng ta

Hệ thống là một sản phẩm mô hình được chọn lọc, thiết kế là sự tổng kết lạinhững tri thức mà chúng tôi đã được học được trong 4 năm học vừa qua Bên cạnh

đó, đề tài này cũng là sự kế thừa và cải tiến thêm một số tính năng mới từ nhữngthành quả của các đề tài nhà thông minh trước đây

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.3 Nội dung thực hiện 2

1.4 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Tổng quan về nhà thông minh 4

2.1.1 Khái niệm 4

2.1.2 Lịch sử phát triển 4

2.1.3 Các mô hình hệ thống SmartHome ngày nay 5

2.1.3.1 Các mô hình hệ thống SmartHome trên Thế Giới 5

2.1.3.2 Các mô hình hệ thống SmartHome tại Việt Nam 5

2.2 LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG ANDROID 6

2.2.1 Hệ điều hành Android: 7

2.2.2 Phần mềm xây dựng ứng dụng Android Studio 8

2.3 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG 10

2.3.1 Chuẩn giao thức truyền thông 10

2.3.2 Các chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu 11

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 15

3.1 Yêu cầu tính năng sản phẩm 15

3.2 Yêu cầu kỹ thuật 15

3.2.1 Chức năng 15

3.2.2 Đặc tính 15

- Hệ thống sử dụng vừa nguồn xoay chiều 220V và một chiều mức 5VDC và 12VDC 15

3.3 Thiết kế kiến trúc hệ thống 16

3.3.1 Mô hình tổng thể hệ thống 16

3.3.2 Sơ đồ khối hệ thống 16

3.4 Thiết kế chi tiết hệ thống 17

3.4.1 Khối điều khiển 17

3.4.1.1 Relay điều khiển thiết bị 17

3.4.1.2 Khóa chốt điện tử 18

3.4.2 Khối hiển thị 19

3.4.3 Khối thu thập thông tin môi trường 21

3.4.3.1 Cảm biến vân tay 21

3.4.3.2 Cảm biến khí gas MQ-2 22

3.4.3.3 Cảm biến từ nam châm MC-38 23

3.4.3.4 Cảm biến cường độ ánh sáng 24

3.4.3.5 Cảm biến chất lượng không khí MQ-135 25

3.4.4 Khối nút nhấn 26

3.4.5 Khối đo đạc thông số thiết bị 27

3.4.6 Khối xử lý tín hiệu trung tâm 29

3.4.7 Khối nguồn 31

3.5 Sơ đồ nguyên lý 33

3.6 Thiết kế phần mềm 34

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ 44

4.1 Giới thiệu hệ thống 44

4.2 Thi công hệ thống 44

4.2.1 Thiết kế mạch in của hệ thống 44

4.2.2 Thi công mạch in hoàn chỉnh 45

4.2.3 Thi công mô hình của hệ thống 46

4.3 Kết quả đạt được 47

4.3 Nhận xét và đánh giá 51

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53

5.1 Kết luận 53

5.2 Hướng phát triển 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật relay điều khiển thiết bị 18

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật relay 12VDC và 5VDC 18

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật khóa chốt điện từ 19

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật khóa chốt điện tử LY-03 và LY-031 19

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật màn hình hiển thị 20

Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật về màn hình LCD và LCD Oled 0.96 inch 20

Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật cảm biến vân tay 21

Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật cảm biến vân tay AS608, R305 và R307 21

Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật cảm biến khí gas 22

Bảng 3.10: Thông số kỹ thuật cảm biến MQ-2 và MQ-5 22

Bảng 3.11: Thông số kỹ thuật cảm biến từ 23

Bảng 3.12: Thông số kỹ thuật cảm biến từ MC-38 và Hall KY-003 23

Bảng 3.14: Thông số kỹ thuật cảm biến cường độ ánh sáng Lux BH1750 và quang trở 24

Bảng 3.15: Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ-độ ẩm 26

Bảng 3.16: Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ-độ ẩm DHT11 và DHT22 26

Bảng 3.17: Thông số kỹ thuật cảm biến điện dung TTP223 và TTP223B 27

Bảng 3.18: Thông số kỹ thuật giám sát điện năng 28

Bảng 3.19: Thông số kỹ thuật mạch đo điện đa năng PZEM-004T 28

Bảng 3.20: Thông số kỹ thuật cho ESP8266 30

Bảng 3.21: Tổng dòng điện tiêu thụ của hệ thống 31

Bảng 3.22: Thông số kỹ thuật nguồn điện tổ ong 12VDC 5A 32

Bảng 4.1: Tổng hợp các linh kiện được sử dụng trong hệ thống 44

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 : Mô hình SmartHome Honeywell International Inc (US) 5

Hình 2.2 : Mô hình SmartHome Compro Technology Inc 5

Hình 2.3: Mô hình SmartHome của Bkav SmartHome 6

Hình 2.4: Mô hình SmartHome của Bkav SmartHome 6

Hình 2.5: Cấu trúc một Project trong Android Studio 8

Hình 2.6: Layout trong Android 9

Hình 2.7: Cách khởi tạo một ID 10

Hình 2.8 : Sơ đồ kết nối giao thức UART 11

Hình 2.9 : Cấu tạo một frame trong giao thức UART 12

Hình 2.10 : Sơ đồ kết nối giao thức I2C 13

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống 16

Hình 3.2: Module 1 relay 5VDC kích mức cao 18

Hình 3.3: Khóa chốt điện từ LY-031 12VDC 19

Hình 3.4: Màn hình LCD Oled 0.96 inch chữ trắng 21

Hình 3.5: Cảm biến vân tây AS608 22

Hình 3.6: Cảm biến khí gas MQ-2 thực tế 23

Hình 3.7: Cảm biến từ MC-38 thực tế 24

Hình 3.8: Cảm biến cường độ ánh sáng Lux BH1750 thực tế 25

Hình 3.9: MQ-135 mạch cảm biến chất lượng không khí 25

Hình 3.10: Cảm biến điện dung một chạm thực tế 27

Hình 3.11: Module đo điện năng AC đa năng giao tiếp UART PZEM004T 29

Hình 3.12: Sơ đồ chân kết nối của module ESP8266 31

Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 33

Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán mở cửa bằng vân tay 36

Hình 3.15: Lưu đồ thuật toán hệ thống giám sát thống số môi trường 37

Hình 3.16: Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển thiết bị 38

Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán hệ thống chiếu sáng 39

Hình 3.18: Lưu đồ thuật toán hệ thống chống trộm 40

Hình 3.19: Lưu đồ thuật toán hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas 41

Hình 3.20: Lưu đồ thuật toán hệ thống giám sát điện năng 42

Hình 3.21: Lưu đồ thuật toán hệ thống giám sát tình trạng hoạt động của thiết bị 43

Hình 4.1: Mạch in của hệ thống 45

Hình 4.2: Mạch in được thi công hoàn chỉnh 45

Hình 4.3: Tổng quan về mô hình 46

Hình 4.4: Mô hình hoàn chỉnh và phần mềm 46

Hình 4.5: Dữ liệu hệ thống cập nhật lên Firebase 47

Hình 4.6: Màn hình đăng nhập hệ thống trên điện thoại 48

Hình 4.7: Các thông số giám sát cập nhật trên Firebase 48

Hình 4.8: Màn hình điều khiển và hiển thị các thông số 48

Hình 4.9: Các thông báo hiển thị trong trường hợp có sự cố 48

Hình 4.10: Các thông số thiết bị đang hoạt động cập nhật trên Firebase 49

Hình 4.11: Màn hình hiển thị số thiết bị đang hoạt động ở từng phòng 49

Hình 4.12: Thông số điện năng cập nhập lên Firebase 49

Hình 4.13: Màn hình hiển thị thông số điện năng tiêu thụ 49

Hình 4.14: Màn hình giao diện khi các thiết bị tắt 50

Hình 4.15: Màn hình giao diện khi các thiết bị hoạt động 50

Hình 4.16: Màn hình OLED hiển thị thông số 50

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Từ rất nhiều thập kỉ trước thì công nghệ đã xuất hiện và có mặt trong mọingành nghề và lĩnh vực khác nhau như trong các dây chuyền lắp ráp, trong chế biếnthực phẩm hay trong trồng trọt và chăn nuôi Lấy ví dụ trong sản xuất xe hơi thì cáclinh kiện điện tử là điều kiện cần còn công nghệ sẽ đóng vai trò là điều kiện đủ, nhờ

có công nghệ mà ngành sản xuất xe hơi ngày nay đã được tự động hóa hơn rất nhiều,đạt độ chính xác cao và cải thiện chất lượng để đảm bảo an toàn và tính mạng củangười lái xe Công nghệ không chỉ có trong các ngành công nghiệp mà con người

đã biết áp dụng những ứng dụng và lợi ích của công nghệ vào trong cuộc sống hàngngày cụ thể là trong chính những ngôi nhà mà chúng ta đang sống

Ngôi nhà kết hợp với công nghệ thì được gọi là ngôi nhà thông minh Ngàynay, một ngôi nhà thông minh sẽ tích hợp rất nhiều chức năng như hệ thống mở vàkhóa cửa nhà, cửa gara tự động, đo điện năng, kiểm soát tình trạng hoạt động củacác thiết bị, điều khiển thiết bị bằng giọng nói….Khi mạng lưới internet xuất hiện

và phát triển thì sự giám sát và điều khiển không chỉ bị bó buộc trong diện tích củamột căn nhà mà chúng ta có thể thực hiện mọi thao tác để giám sát và điều khiểnthông qua một chiếc điện thoại thông minh ở mọi nơi Nhìn chung, một ngôi nhàthông minh sẽ bao gồm các chức năng chính là quản lý, giám sát và điều khiển thiết

bị và điện năng, hệ thống an ninh để đảm bảo an toàn, bên cạnh đó phải dễ dàng,thuận tiện trong quá trình điều khiển và sử dụng

Việt Nam ta cũng không nằm ngoài dòng chảy công nghệ đó khi xuất hiệnthêm nhiều nhà đầu tư và các nền tảng nhà thông minh Hơn thể nữa, trải qua hơnhai năm dịch bệnh thì hiện nay xa thế làm việc tại nhà ngày càng tăng cao, nhà lúcnày không chỉ để ở mà còn còn phải có chức năng của một văn phòng để đảm bảochất lượng công việc Tuy nhiên, để làm một hệ thống giám sát và điều khiển chomỗi ngôi nhà cũng cần một sự đầu tự lớn vì các thiết bị phù hợp đa phần đều đượcnhập từ nước ngoài về và nó chỉ phù hợp với những người có thu thập kinh tế cao.Nhưng chúng ta không thể nào phủ nhận rằng những tiện ích mà ngôi nhà thôngminh đã nâng cao chất lượng cuộc sống, giúp giảm thiểu những sự cố nguy hiểm vàcòn nhiều những tiện ích khác nữa Chính vì thế, chúng tôi đã chọn đề tài “THIẾT

KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ QUAINTERNET”

 Thiết kế và thi công một hệ thống với ngõ vào là dữ liệu được thu thập từ cáccảm biến, cụ thể là nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas, cường độ ánh sáng… ngõ

ra là các thông dữ liệu và tín hiệu điều khiển các thiết bị hoạt động sau khi xử lýqua vi điều khiển

 Chức năng giám sát thông số thì phải kiểm soát được mức độ năng lượngtiêu thụ, phát hiện tình trạng quá dòng, quá áp của thiết bị

 Hệ thống truyền thông tin dữ liệu và nhận tín hiệu điều khiển qua đườngtruyền không dây

 Quản lý, giám sát và điều khiển hệ thống qua ứng dụng điện thoại

1.3 Nội dung thực hiện

 Tổng hợp các yêu cầu chức năng của hệ thống

 Đặc tả yêu cầu kỹ thuật của hệ thống

 Thiết kế kiến trúc và thiết kế chi tiết của hệ thống

 Lựa chọn, thi công mô hình và lắp ráp linh kiện vào mô hình

 Tiến hành viết phần mềm cho hệ thống và tạo ứng dụng giám sát trên điện thoại

 Cân chỉnh và hoàn thiện mô hình hệ thống

 Tiến hành mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả

 Viết báo cáo đồ án

1.4 Bố cục luận văn

 Chương 1: Tổng quan

Đưa ra các vấn đề có tính cấp thiết để dẫn đến thực hiện đề tài này Sau đó lậpdàn ý cho đề tài thông qua các nội dung như mục tiêu đề tài, nội dung thực hiện và bốcục luận văn

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày tổng quan, lịch sử phát triển và một số hệ thống ngôi nhàthông minh hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam Bên cạnh đó, trình bày các lý luận, lýthuyết về các chuẩn truyền thông, chuẩn truyền dữ liệu, các nền tảng hệ điều hành, ngônngữ lập trình phần mềm của hệ thống

 Chương 3: Ý tưởng và công nghệ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này đưa ra các yêu cầu về chức năng và yêu cầu cũng như đặc tính kỹthuật của hệ thống Dựa trên các yêu cầu về kỹ thuật để tạo nên sơ đồ khối và tiến hànhlựa chọn những linh kiện có chức năng thích hợp với từng khối Sau đó sẽ là vẽ sơ đồnguyên lý, thiết kế sơ đồ kết nối hay còn gọi là mạch in của hệ thống và thiết kế lưu đồthuật toán cho hệ thống

 Chương 4: Thi công hệ thống và kết quả

Chương này trình bày kết quả thi công mô hình, giao diện ứng dụng phần mềmtrên điện thoại và những chức năng mà hệ thống đã đáp ứng được so với yêu cầu đề raban đầu

Lập bảng đánh giá hoạt động của hệ thống sau mô phỏng, rút ra nhận xét về ưuđiểm và hạn chế của hệ thống

 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Trình bày ngắn gọn về những kết quả đã đạt được và những định hướng pháttriển của hệ thống trong tương lai

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.1 Khái niệm

Sự ra đời và cải tiến mạnh mẽ của mạng lưới Internet trên khắp mọi vùngmiền của Tổ quốc thì việc giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa qua mạng lướiInternet đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực Để chất lượng đời sống được tốt hơn

và cùng với nhiều lợi thế thực tế hiện có thì các linh kiện điện tử và công nghệ tiêntiến đã được áp dụng trực tiếp trong những ngôi nhà hiện đại ngày nay, nơi mà mọihoạt động của con người đều được trợ giúp một cách linh hoạt Vậy ngôi nhà thôngminh hay nói cách khác nhà thông minh thể hiện sự "thông minh" qua nhữngphương diện nào?

 Khả năng tự động hóa, khi ngôi nhà là sự kết hợp giữa nhiều loại cảm biếnnhư: nhiệt độ-độ ẩm, ánh sáng, mưa, chuyển động, khí gas, khói,… với chứcnăng thu thập các dữ liệu từ môi trường để giúp chúng ta giám sát được tìnhtrạng trong căn nhà tốt hơn

 Khả năng giám sát an ninh, bảo mật với xác thực dấu vân tay ở cửa ra vàocủa ngôi nhà hay cảnh báo chống trộm đặt ở những ô cửa sổ khi có sự cố ý xâmnhập từ bên ngoài

 Khả năng truyền và thông tin tín hiệu điều khiển, cảnh báo từ xa thông quaSmartphone được kết nối Internet

Khả năng thấu hiểu giữa chủ nhân và ngôi nhà, ngôi nhà có thể do tự chủnhân giám sát, điều khiển mọi lúc mọi nơi hay dựa trên một kịch bản có sẵn đểthấu hiểu được mọi nhu cầu, thói quen của chủ nhân

2.1.2 Lịch sử phát triển

Ý tưởng nhà thông minh được nhen nhóm từ những năm 1930 nhưng phảiđến năm 1966 dưới sự ra đời và phát triển của máy tính thì hệ thống nhà thông minhmới được hình thành Thuở ban đầu, hệ thống này đơn giản là kiểm soát nhiệt độ vàtạo ra một bảng điều khiển để đóng ngắt các thiết bị nhưng có thiết kế khá cồngkềnh Năm 1969, mạng internet đầu tiên trên thế giới xuất hiện và là bước ngoặt lớncho hệ thống nhà thông minh sau này Sau đó, ngôi nhà bổ sung một số hệ thốngnhư hệ thống cảm biến, an ninh, tự động điều khiển… hay tăng khoảng cách điềukhiển dưới sự hỗ trợ của internet và ngày nay ngôi nhà còn có thể học tập nhữngthói quen, sở thích của chủ nhân dưới sự hỗ trợ công nghệ của AI Ta có thể thấyrằng ngôi nhà thông minh sẽ càng hiện đại và độ phổ biến lan rộng toàn cầu

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.3 Các mô hình hệ thống SmartHome ngày nay

2.1.3.1 Các mô hình hệ thống SmartHome trên Thế Giới

Hệ thống SmartHome đang chính là sự tiên phong, sự dẫn dầu xu thế ở hiệntại và tương lai Với mục đích khai thác tối đa thị trường tiềm năng này thì có cáctập đoàn đã tạo ra hệ thống nhà thông minh từ dành cho vài người với vài chức năngcần thiết như đo nhiệt độ-độ ẩm, cảnh báo an ninh, cảnh báo khí gas rò ri đếnnhững ngôi biệt thự triệu đô với sự giám sát, quản lý và điều khiển một cách chuyệnnghiệp nhất

Hình 2.1 : Mô hình SmartHome Honeywell International Inc (US)

Hình 2.2 : Mô hình SmartHome Compro Technology Inc

2.1.3.2 Các mô hình hệ thống SmartHome tại Việt Nam

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

SmartHome là một sự đổi mới đầy sáng tạo khi kết hợp giữa những ngôi nhàtruyền thống và IoT Việt Nam chúng ta cũng đang phấn đấu phát triển về hướng đinày Mỗi năm, một số lượng lớn nhà đầu tư mới thì rót vốn vào và cả các nhà đầu tư

cũ thì tìm những hướng đi mới trong thị trường đầy triển vọng này, điển hình nhưBKAV và Lumi SmartHome

Một số hình ảnh về SmartHome dành cho các hộ gia đình từ phổ thông chođến cao cấp theo tiêu chuẩn của quốc tế nhưng đã được các công ty thêm vào cácyếu tố và có sự chỉnh sửa để phù hợp hơn với văn hoá và nếp sống của con ngườiViệt Nam

Hình 2.3: Mô hình SmartHome của Bkav SmartHome

Hình 2.4: Mô hình SmartHome của Bkav SmartHome

2.2 LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG ANDROID

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2.1 Hệ điều hành Android:

Android là một hệ điều hành dựa trên nền tảng của Linux được thiết kế dành

cho Smartphone (điện thoại thông minh) và Tablet (máy tính bảng) Android có mãnguồn mở và Google phát hành mã nguồn theo Giấp phép Apache nhờ đó mà cácnhà phát triển và các lập trình viên có thể điều chỉnh hệ điều hành này tùy vào nhucầu và mục đích sử dụng Bên cạnh đó, Android còn có một cộng đồng lớn nơi tạo

ra các thuật toán để mở rộng chức năng của thiết bị chạy trên hệ điều hành này bằngngôn ngữ lập trình Java có thể sửa đổi Ngày nay, Android đang chiếm lĩnh một thịtrường lớn trên toàn thế giới với hàng tỉ thiết bị đã được kích hoạt và hàng triệu lượtkích hoạt mỗi ngày

 Đặc điểm

 Tính mở:

Android có mã nguồn mở, cho phép truy cập đến bất kì chức năng lõi của

hệ điều hành chính vì thế các nhà phát triển linh động trong việc tạo ra các phầnmềm điện thoại với đầy đủ các ưu điểm của một thiết bị điện thoại cầm tay hiện

có và đáp ứng được các nhu cầu của người dùng [1]

 Tính ngang hàng của các ứng dụng

Trong Android sẽ không có sự phân chia giữa các phần mềm mặc định vớiphần mềm tiện ích Với tính ngang hàng giữa các ứng dụng này thì người dùng cóthể sử dụng mọi tính năng tiện ích mà họ muốn [1]

 Dễ xây dựng ứng dụng:

Android luôn hỗ trợ thư viện tạo màn hình giao diện đa dạng và đầy đủ tínhnăng để viết các phần mềm từ đơn giản cho đến phức tạp cũng như đơn giản cácbước phát triển ứng dụng để giúp xây dựng và phát triển ứng dụng trở nên đơn giảnhơn [1]

 So sánh với các hệ điều hành cùng loại khác

Android

- Có thể tùy chỉnh các chức năng củanền tảng này theo ý muốn

- Công cụ phát triển phần mềm(SDK) ngày càng hoàn thiện hơn, hỗtrợ đa nền tảng (Linux, Windows hayMac OS) do chạy trên máy ảo Java

- Hệ điều hành phânmảng không thống nhấttrên các thiết bị

- Bảo mật dễ bị xâmnhập từ bên ngoài

- Thư viện API không có sự khác biệtvới API trên Win32

Nếu so với Android vàiPhone thì Windows

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Windows

Phone

- Công cụ lập trình đầy đủ với VisualStudio, làm cho các nhà phát triểntrên Win32 không phải tìm hiểu lại

về các API và các công cụ lập trình

Mobile còn rất nhiềuhạn chế về mặt chứcnăng ứng dụng cũng nhưgiao diện

iPhone

- Có màn hình cảm ứng đa điểm

- Bộ cảm nhận gia tốc giúp xử lýnhanh chóng

- Độ bảo mật rất cao, khó bị đánh cắp

dữ liệu

- Hạn chế trong khảnăng tùy chỉnh thiết bị

- Phải trả một khoản phínếu đưa lên AppStore,điều này làm giảm tínhcạnh tranh

2.2.2 Phần mềm xây dựng ứng dụng Android Studio

Android Studio là môi trường phát triển tích hợp (IDE) chính thức cho việcphát triển ứng dụng Android Nơi đây sẽ có các package (gói) và các cấu trúc lệnh

để viết code, tạo layout để làm nên ứng dụng của mình Android Studio cung cấpcác thư viện, rất nhiều công cụ tiện ích và có thêm nhiều thiết lập để quan sát trướcgiao diện để giúp bạn thiết kế, kiểm tra thử ứng dụng của mình Android Studiohoạt động trên các hệ điều hành như Windows, Mac OS X, Linux [1]

 Cấu trúc Project trong Android Studio

Hình 2.5: Cấu trúc một Project trong Android Studio

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Chế độ xem Android: có thể bật hoặc tắt chế độ Project để xem

2 Module app: tạo một Project mới thì sẽ tự động sinh ra thư mục app này.App là một module chính, lớn nhất để bao hàm tất cả các module nhỏ ở bên trong

3 File AndroidManifest.xml: đây là file cấu hình của module

4 Java: thư mục này chứa 3 package nhưng chúng ta chỉ cần biết và quan

tâm đên package đầu tiên nằm trên cùng nơi chứa các Activity trong ứng dụng củabạn

5 Thư mục res: sẽ chứa các thư mục con như:

 Thư mục drawable: lưu trữ ảnh, cấu hình…hay các icon hỗ trợ trongquá trình tạo giao diện

 Thư mục layout: chứa các file layout.xml để tạo giao diện cho mỗimột màn hình hiển thị trong ứng dụng

 Thư mục mipmap: lưu trữ ảnh và icon

 Thư mục value: chứa file color.xml-bảng mã màu, strings.xlm-cácchuỗi dữ liệu, themes.xlm,…

6 File build.gradle: là file cấu hình về phiên bản cập nhật Android, cấu hình

thư viện nào cần dùng trong project [9]

 Layout trong Android

Hình 2.6: Layout trong Android

Layout là thành phần tạo ra bố cục của một màn hình mà chúng ta nhìn thấy.

Layout bao gồm nhiều Viewgroup (LinearLayoyt, ReleativeLayout…), View(TextView, EditText, Button, ImageV…) kết hợp lại với nhau để tạo nên một giaodiện hoàn chỉnh Một file layout sẽ được lưu dưới dạng tệp tin xml và lưu trong thưmụclayout [9].

 ID trong Android

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

ID là thuộc tính duy nhất để định danh cho một view trong một file layouthay là thuộc tính chuyên dùng để “bắt các sự kiện” cho một View Dựa vào ID để

có thể thiết lập những thuộc tính riêng cho layout đó mà không bị nhầm lẫn với cácthành phần view khác [9]

Hình 2.7: Cách khởi tạo một ID

ID được thêm bằng cách dòng lệnh android:id=“@+id/btn_Click”, btn_Click

là tên ID và ở cùng một file layout thì các tên ID phải khác nhau tránh trùng lặp

2.3 CHUẨN GIAO TIẾP VÀ CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG

2.3.1 Chuẩn giao thức truyền thông trong đề tài

 Wifi

Wifi là từ viết tắt của Wireless Fidelity, một giao thức mạng không dây sửdụng sóng vô tuyến và được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.11n Các sóng vôtuyến được sử dụng trong Wifi thì có phần giống với các sóng vô tuyến sử dụngtrong các thiết bị di động, thiết bị cầm tay và một số thiết bị khác đó là nó có thểchuyển và nhận sóng vô tuyến, có thể chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng

vô tuyến và ngược lại Tuy nhiên, sóng Wifi có một số điểm khác biệt là chúngtruyền ở tần số làm việc 2.4GHz hoặc 5GHz, cao hơn so với các tần số làm việc củathiết bị di động hay truyền hình

802.11n sử dụng nhiều ăng-ten không dây song song để truyền và nhận dữliệu Thuật ngữ MIMO (Multiple Input, Multiple Output) liên quan đề cập đến khảnăng của 802.11n và các công nghệ tương tự để phối hợp nhiều tín hiệu vô tuyếnđồng thời 802.11n hỗ trợ tối đa 4 luồng đồng thời MIMO giúp tăng cả phạm vi vàthông lượng của mạng không dây Trong kết nối mạng 802.11a/b/g, mỗi thiết bị802.11n sử dụng kênh Wi-Fi đặt sẵn để truyền phát Chuẩn 802.11n sử dụng dải tần

số lớn hơn các tiêu chuẩn trước đó, giúp tăng thông lượng dữ liệu [2]

Một số chuẩn kết nối wifi:

 Chuẩn 802.11b là chuẩn yếu nhất, hoạt động ở tần số 2.4 GHz, khả năng

xử lý 11 Mbps

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

 Chuẩn 802.11g cũng hoạt động ở tần số 2.4GHz nhưng có thể xử lý tới 54Mbps

 Chuẩn 802.11a hoạt động ở tần số 5GHz và tốc độ xử lý 54 Mbps

 Chuẩn 802.11n hoạt động ở tần số 2.4 GHz nhưng tốc độ xử lý cao nhất,lên đến 300 Mbps

Việc sử dụng kết nối Wifi cho các ứng dụng ngày nay đang được rất nhiềucác kỹ sư áp dụng vì tính phổ biến và kinh tế của hệ thông Wifi và mạng LAN với

mô hình kết nối trong một phạm vi có giới hạn Hiện nay, hầu hết các thiết bị Wifiđều được xây dưng trên một số yêu cầu chung:

 Tiêu chuẩn: dựa trên tiêu chuẩn 802.11n (tiêu chuẩn này được sử dụngphổ biến trong các mô hình nhà thông minh hiện nay)

 Tần số làm việc: 2.4GHz và 5GHz

 Khoảng cách làm việc: xấp xỉ 50m

 Tốc độ truyền dữ liệu: tối da là 600 Mbps nhưng 150-200Mbps thìphổ biến hơn và còn tùy thuộc vào tần số kênh sử dụng và số lượng anten

2.3.2 Các chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu trong đề tài

 UART (Universal Asynchronous Receiver - Transmitter)

Hình 2.8 : Sơ đồ kết nối giao thức UART

UART là bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ có tốc độ tự đặt và tối

đa là 460 Kbps sử dụng hai GPIO RX và TX để truyền và nhận dữ liệu và được biếtđến với chức năng là truyền dẫn dữ liệu có dây từ máy tính đến các thiết bị ngoại vikhác và dữ liệu được truyền dưới dạng bit với khoảng cách truyền là 12m trên lýthuyết [3] Giao thức UART có chế độ truyền song công, không phân biệt master -slave, giao tiếp 1-1 và số thiết bị sử dụng là hai thiết bị Ngoài ra, vì không tín hiệuđồng bộ nên giao thức UART có thêm các start bit và stop bit để xác định được vị

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

trí đầu và cuối của một khung dữ liệu Những thông số cơ bản trong giao thứctruyền dữ liệu UART:

Baud rate (tốc độ Baud): Để việc truyền và nhận bất đồng bộ xảy ra thànhcông thì các thiết bị tham gia phải thống nhất với nhau về khoảng thời gian dànhcho 1 bit truyền, hay nói cách khác tốc độ truyền phải được cài đặt như nhau trướckhi truyền nhận, tốc độ này gọi là tốc độ Baud Tốc độ Baud là số bit truyền trongmột giây Ví dụ, nếu tốc độ Baud được đặt là 9600 bit/giây thì thời gian dành chomột bit truyền là 1/9600~104.167us [3]

Frame (khung truyền): Do truyền thông nối tiếp mà nhất là nối tiếp bất đồng

bộ rất dễ mất hoặc sai lệch dữ liệu, quá trình truyền thông theo kiểu này phải tuântheo một số quy cách nhất định Bên cạnh tốc độ Baud, khung truyền là một yếu tốquan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận Khung truyền bao gồm cácquy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo hiệu như bit Start và bit Stop,các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bit dữ liệu trong mỗi lần truyềncũng được quy định bởi khung truyền [3]

Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi

đi, sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit

Hình 2.9 : Cấu tạo một frame trong giao thức UART

Start bit: Là bit đầu tiên được truyền trong một khung truyền, bit này có chứcnăng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới Start bit

là bit bắt buộc phải có trong khung truyền [3]

Data: Data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gửi vànhận Dữ liệu cần truyền không nhất thiết phải là gói 8 bit, có thể quy định số lượngbit của dữ liệu là 5, 6, 7, 8 hoặc 9 Trong truyền thông nối tiếp USART, bit có ảnh

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

hưởng nhỏ nhất của dữ liệu sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởnglớn nhất [3]

Parity bit: Là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cách tươngđối) Có 2 loại parity là parity chẵn và parity lẻ Parity chẵn nghĩa là số lượng bit 1trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số chẵn Ngược lại, tổng số lượng các bit 1trong parity lẻ luôn là lẻ Ví dụ, nếu dữ liệu của bạn là 10111011 nhị phân, có tất cả

6 bit 1 trong dữ liệu này, nếu parity chẵn được dùng, bit parity sẽ mang giá trị 0 đểđảm bảo tổng các bit 1 là số chẵn (6 bit 1) Nếu parity lẻ được yêu cầu thì giá trị củaparity bit là 1 Parity bit không phải là bit bắt buộc và vì thế chúng ta có thể loại bitnày khỏi khung truyền [3]

 I2C (Inter-Integrated Circuit)

I2C là một giao thức giao tiếp truyền dữ liệu nối tiếp đồng bộ có hỗ trợ tốc

độ 100Kbps,400Kbps, 3.4Mbps, 1Mbps và có kết nối khá đơn giản Chế độ truyền

là bán song công, có nhiều master và nhiều slave, giao tiếp bằng địa chỉ và số thiết

bị kết nối lên tới 127 thiết bị Trong giao thức I2C thì dữ liệu sẽ được truyền theotừng bit giữa một trung tâm xử lý với các IC trên cùng một bo mạch nhưng những

IC này chỉ sử dụng hai đường truyền dữ liệu là SDA và SCL trong đó:

SDA (Serial Data): đường truyền theo hai chiều giữa master và slave để gửi

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Có rất nhiều thiết bị có thể cùng được kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽkhông xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ được nhận ra bởimột địa chỉ duy nhất với một quan hệ chủ - tớ tồn tại trong suốt thời gian kết nối.Mỗi thiết bị có thể hoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có thể vừatruyền vừa nhận Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó làchủ (master) hãy tớ (slave)

Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ (duy nhất)

để phân biệt, nó còn được cấu hình là thiết bị chủ hay tớ Đó là vì trên một bus I2Cthì quyền điều khiển thuộc về thiết bị chủ Thiết bị chủ nắm vai trò tạo xung clockcho toàn hệ thống, khi giữa hai thiết bị chủ - tớ giao tiếp thì thiết bị chủ có nhiệm vụtạo xung clock và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ trong suốt quá trình giao tiếp Thiết

bị chủ giữ vai trò chủ động, còn thiết bị tớ giữ vai trò bị động trong việc giao tiếp

Về lý thuyết lẫn thực tế I2C sử dụng 7 bit để định địa chỉ, do đó trên một bus

có thể có tới 2^7 địa chỉ tương ứng với 128 thiết bị, nhưng chỉ có 112 có thể kết nối

16 địa chỉ còn lại được sử dụng vào mục đích riêng Bit còn lại quy định việc đọchay ghi dữ liệu (1 là write, 0 là read) Điểm mạnh của I2C chính là hiệu suất và sựđơn giản của nó, một khối điều khiển trung tâm có thể điều khiển cả một mạng thiết

bị mà chỉ cần hai lối ra điều khiển [3]

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Hệ thống được áp dụng trong một mô hình nhà được thiết kế dựa trên mộtngôi nhà ngoài thực tế và thực hiện các yêu cầu sau:

 Hệ thống xác thực dấu vân tay của người dùng để mở chốt khóa từ của cửa

 Hệ thống cảnh báo khi có kẻ gian mở cửa đột nhập vào nhà hoặc bật máylạnh mà cửa sổ chưa đóng kín, rò rì khí gas

 Giám sát năng lượng tiêu thụ của thiết bị

 Giám sát tình trạng hoạt động của một số thiết bị trong nhà

 Theo dõi, cập nhập các thông số dữ liệu về nhiệt độ-độ ẩm không khí, nồng

độ khí gas trong ngôi nhà và cường độ ánh sáng ngoài môi trường

 Độ sáng của đèn chiếu sáng tự động điều chỉnh phụ thuộc vào điều kiện ánhsáng của môi trường

 Người dùng quản lý các thông số, tình trạng thiết bị trên ứng dụng điệnthoại

 Người dùng điều khiển các thiết bị trong nhà từ xa qua Internet hay bằng nútnhấn

3.2 Yêu cầu kỹ thuật

3.2.1 Chức năng

 Xác thực dấu vân tay của người dùng

 Thu thập thông tin đóng mở cửa, bật/tắt đèn và quạt

 Thu thập các thông tin về điện áp và dòng điện trên ổ điện, thiết bị tiêu thụđiện năng được đặt ở trong nhà

 Thu thập các thông số nhiệt độ-độ ẩm, cường độ ánh sáng và nồng độ khígas từ môi trường

 Hiển thị các dữ liệu và thông tin

“Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển ngôi nhà thông minh qua Internet”

là mô hình được phác thảo với bốn phòng: phòng khách, phòng ngủ, phòng bếp vànhà vệ sinh Để thỏa mã các yêu cầu về việc giám sát ngôi nhà, môi trường sốngxung quanh và điều khiển thiết bị từ xa nên mô hình được thiết kế như sau:

 Hệ thống sử dụng nhiều loại cảm biến như đo độ ẩm-nhiệt độ, khí gas, đo chấtlượng không khí được thiết lập chu kỳ đo 3s/lần

 Kết hợp cảm biến đo cường độ ánh sáng tự động điều chỉnh cường độ sáng củađèn chiếu sáng

 Dùng module đo dòng điện, điện áp để giám sát điện năng, tình trạng hoạt độngcủa các thiết bị

 Dựa vào dữ liệu từ hệ thống cảm biến, vi xử lý so sánh với thông số ngưỡng để

tự động kích hoạt hệ thống cảnh báo

3.3.2 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống

Hệ thống bao gồm 8 khối được thiết kế kết nối với nhau:

 Khối thu thập thông tin môi trường: dùng cảm biến để đo đạc các thông số đểgửi về khối xử lý trung tâm

 Khối xử lý trung tâm: thu thập các tín hiệu từ khối thu thập thông tin và khối

đa đạc thông số thiết bị để xử lý những dữ liệu đó và chuyển tín hiệu sau khi xử

lý đến khối hiển thị, khối điều khiển và khối truyền dẫn dữ liệu Ngoài ra, khối

xử lý trung tâm còn tiếp nhận tín hiệu điều khiển từ khối tuyền dẫn dữ liệu quađường truyền không dây để điều khiển các thiết bị ở khối điều khiển

 Khối điều khiển: nhận thông tin tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm

để tiến hành việc bật tắt các thiết bị trong nhà

 Khối hiển thị: hiển thị các thông số môi trường được thu thập từ cảm biến và

đã được xử lý bởi khối xử lí trung tâm

 Khối truyền dẫn dữ liệu: nhận những tín hiệu sau khi xử lý từ khối xử lýtrung tâm để truyền không dây lên Firebase và nhận những tín hiệu thông tinđiều khiển từ Firebase để truyền đến khối xử lý trung tâm

 Khối nguồn: cung cấp năng lượng cho khối cảm biến, trung tâm xử lý và cáckhối chấp hành hoạt động

3.4 Thiết kế chi tiết hệ thống

Dựa vào yêu cầu, chức năng kỹ thuật và sơ đồ khối của hệ thống, chúng tôi

đã nghiên cứu và thiết kế phần cứng tương ứng với từng khối chức năng để đảm bảođược về những yêu cầu tính năng sử dụng và sự chính xác Trong đề tài này, dựatrên yêu cầu kỹ thuật và các chức năng đó để cân nhắc việc lựa chọn các linh kiệnphù hợp Thiết kế chi tiết sẽ đi từ các khối thực hiện chức năng của hệ thống chođến khối xử lý trung tâm và khối nguồn

3.4.1 Khối điều khiển

Khối này với chức năng là để điều khiển các thiết bị trong nhà như đèn, quạt,máy lạnh, cửa nhà….dựa trên các tín hiệu nhận được từ vi điều khiển trung tâm

3.4.1.1 Relay điều khiển thiết bị

Để điều khiển thiết bị mô phỏng như đèn, quạt, máy lạnh, cửa nhà có chứcnăng đóng ngắt thiết bị Chính vì vậy , chúng tôi đã sử dụng hai sản phẩm là modulerelay 5V và 12V

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật relay điều khiển thiết bị

Yếu tố Giá trị yêu cầu Thông số đầu vào 220VAC và 0.5A

tối đa

250VAC/10A30VDC/10A

250VAC/10A30VDC/10A

Hình 3.2: Module 1 relay 5VDC kích mức cao

3.4.1.2 Khóa chốt điện tử

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Để đảm bảo an ninh cho tòa nhà nên hệ thống có tích hợp tính năng xác thựcvân tay để mở cửa nhà Chính vì vậy, chúng tôi đã xem xét hai sản phẩm khóa chốtđiện tử LY-03 và LY-031

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật khóa chốt điện từ

Yếu tố Giá trị yêu cầu Tốc độ phản ứng 1-2s

Trọng lượng 100-200g

Kích thước 30x30x20 mm

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật khóa chốt điện tử LY-03 và LY-031

Khóa chốt điện từ LY-03 LY-031

Vật liệu Thép không gỉ Thép không gỉ

Điện áp hoạt động 12 VDC 12 VDC

Dòng điện hoạt động 0.8A 0.5A

Công suất tiêu thụ 9.6W 6W

Thời gian cấp nguồn <10s <5s

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Để đáp ứng tốt việc hiển thị các thông số thì chúng tôi xem xét giữa mànhình LCD và màn hình LCD Oled

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật màn hình hiển thị

Yếu tố Giá trị yêu cầu Phương thức giao tiếp I2C

Dòng điện hoạt động 350-600 μA 8 mA

Phương thức giao tiếp I2C I2C

Module I2C Không thích hợp Tích hợp