Thiết kế và thi công mô hình điều khiển thiết bị điện trong nhà và cảnh báo chống trộm

T nh thiết đề tài Ng y nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kĩ thuật, công nghệ thì các thiết bị điện, hệ thống thông minh cũng d n đ ợc tạo ra.. Các hệ thống điều khiển thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ

Giảng viên hướng dẫn Th h ng i h nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ

VIỆN K THU T HUTECH

(2) NGUYỄN HOÀNG Đ NG T M MSSV:1711010012 Lớp:17DDTA1 Điện thoại: 0903594650 Email: nguyentam.310199@gmail.com

Chuyên ngành : ĐIỆN T TRUYỀN THÔNG

2 Tên đề tài đăng ký : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM

Sinh viên đã hiểu rõ yêu c u của đề tài và cam kết thực hiện đề tài theo tiến độ

PHI U GIAO NHIỆM VỤ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Mỗi sinh viên một phiếu, GVHD ghi rõ tên đề tài và nhiệm vụ của từng sinh viên

GVHD chuyển cho SV để nộp về VP Viện.)

1 Sinh viên thực hiện đề tài

Họ tên : TR N TRÚC LUÂN MSSV : 1711010070 Lớp :17DDTA1 Điện thoại : 0943504442 Email : trucluan0323@gmail.com

2 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

ĐIỆN TRONG NHÀ VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM

3 Nhiệm vụ thực hiện đề tài:

- Nghiên cứu tài liệu về ESP8266 Node MCU và Arduino Nano V3, giao tiếp không dây và mạng Internet

- Nghiên cứu hệ thống điều khiển thiết bị điện và cảnh báo chống trộm

- Tính toán thiết kế mạch ph n cứng cho thiết bị

- Thử nghiệm và hiệu chỉnh ph n cứng

- Thử nghiệm ch ng tr nh hệ thống đ ợc tối u

- Viết báo cáo

Sinh viên thực hiện

ỆN T T T MÃ ĐỀ TÀI: 92

PHI U GIAO NHIỆM VỤ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Mỗi sinh viên một phiếu, GVHD ghi rõ tên đề tài và nhiệm vụ của từng sinh viên

GVHD chuyển cho SV để nộp về VP Viện.)

1 Sinh viên thực hiện đề tài

Họ tên: NGUYỄN HOÀNG Đ NG T M MSSV: 1711010012 Lớp :17DDTA1 Điện thoại: 0903594650 Email : nguyentam.310199@gmail.com Ngành : K THU T ĐIỆN T TRUYỀN THÔNG

2 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

ĐIỆN TRONG NHÀ VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM

3 Nhiệm vụ thực hiện đề tài:

- Nghiên cứu tài liệu về ESP8266 Node MCU và Arduino Nano V3, giao tiếp không dây và mạng Internet

- Nghiên cứu hệ thống điều khiển thiết bị điện và cảnh báo chống trộm

- Thiết kế và tính toán thiết kế mạch ph n cứng cho thiết bị

- Thi công mô hình

- Thử nghiệm,chỉnh sửa hệ thống ch ng tr nh để hệ thống đ ợc tối u

- Viết báo cáo

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

TP HCM, ngày 18 tháng 05 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Ch ng tôi xin cam đoan với lãnh đạo nh tr ờng Đại Học Công Nghệ Th nh Phố Hồ Chí Minh (HUTECH), quý th y cô v các bạn sinh viên c ng khóa 2017 rằng nội dung đề t i nghiên cứu l m đồ án tốt nghiệp của ch ng tôi chính xác từ công sức của ch ng tôi d y công học hỏi, nghiên cứu v tham vấn d ới sự h ớng dẫn của th y giảng viên ThS Phạm H ng Kim Khánh, trao dồi kiến thức c ng các bạn th nh viên trong lớp 17DDTA1 v những nguồn thông tin rộng lớn nh sách, báo, t i liệu trên internet (google.com),(youtube.com), Khi ch ng tôi sử dụng lại những nguồn thông tin trên sẽ ghi rõ r ng minh bạch nguồn gốc, tên tác giả

Quan trọng l ch ng tôi không sao chép bất cứ t i liệu n o đã đ ợc viết báo cáo để tr nh b y trong quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp n y Cả nhóm hai th nh viên

ch ng tôi xin chịu ho n to n trách nhiệm nếu nh có điều g xảy ra với những điều vừa nêu trên

LỜI C ƠN

Ch ng tôi xin gửi lời cảm n ch n th nh nhất đến th y giảng viên ThS.Phạm

H ng Kim Khánh Trong suốt quá tr nh thực hiện đề t i đồ án tốt nghiệp, th y l

ng ời chèo lái, đồng h nh v h ớng dẫn ch ng tôi với sự chỉ dẫn tận t m, dạy bảo

tận t nh, góp ý nhận xét với những kinh nghiệm quý báu đ ợc th y truyền đạt lại đã

tạo điều kiện thuận lợi để ch ng tôi ho n th nh tốt đề t i đồ án tốt nghiệp

Ch ng tôi xin cảm n đến các quý th y, cô trong Viện Kỹ Thuật Hutech đã

giảng dạy cho ch ng tôi những kiến thức nền tảng c n bản nhất để ch ng tôi có tiền

đề thực hiện đề t i đồ án tốt nghiệp một cách tự tin v vững v ng

Cảm n ng ời cha, ng ời mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất cho cá nh n tôi v các

bạn, cảm n những ng ời bạn trong lớp 17DDTA1 đã đồng h nh c ng ch ng tôi,

tạo nên nguồn động lực mạnh mẽ để ch ng tôi ho n th nh đồ án tốt nghiệp n y

Phiếu đ ng ký đề t i đồ án khóa luận tốt nghiệp

LỜI MỞ Đ U 1

1 Tính cấp thiết của đề t i 1

2 T nh h nh nghiên cứu 1

3 Mục đích nghiên cứu 2

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

5 Ph ng pháp nghiên cứu 2

6 Các kết quả đạt đ ợc của đề t i 3

7 Kết cấu của đồ án KLTN 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 4

1.1 Giới thiệu về điều khiển thiết bị điện từ xa 4

1.2 Internet of Things 5

1.2.1 Giới thiệu chung về Internet of Things 5

1.2.2 ng dụng của IoT 5

1.2.3 Đ c điểm công nghệ IoT 5

1.3 Giới thiệu về mạng WiFi 6

1.4 Giới thiệu về Website, Webserver v PHT 6

1.4.1 Giới thiệu về Website 6

1.4.2 Máy chủ Web (Webserver) 7

1.4.3 Giới thiệu PHT 7

1.5 Các chu n truyền dữ liệu 7

1.5.1 Giao tiếp UART 7

1.5.2 Giao tiếp I2C 8

1.5.2.1 Cách thức hoạt động I2C 9

1.5.2.2 Các b ớc truyền dữ liệu I2C 10

1.5.2.3 Ưu điểm 10

1.5.2.4 Nh ợc điểm 10

1.5.3 Giao thức truyền 11

1.5.3.1 Tính n ng, đ c điểm nổi bật 11

1.5.3.2 Ưu điểm 12

1.5.3.3 Nh ợc điểm 13

1.5.3.4 ng dụng của MQTT 13

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 15

2.1 Tổng quan về điều khiển thiết bị điện trong ngôi nhà 15

2.1.1 ối cảnh v nhu c u sử dụng điều khiển thiết bị điện trong ngôi nhà 15

2.1.2 Các mô h nh điều khiển thiết bị điện đang đ ợc áp dụng hiện nay 17

2.1.2.1 Giải pháp điều khiển thiết bị điện trong ngôi nh trên thế giới 17

2.1.2.2 Giải pháp điều khiển thiết bị điện trong ngôi nh ở Việt Nam 19

2.2 Lựa chọn h ớng thiết kế 20

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 23

3.1 S đồ kết cấu điều khiển thiết bị điện trong nh v chức n ng 23

3.1.1 S đồ kết cấu 23

3.1.2 Chức n ng 24

3.2 S đồ nguyên lý hoạt động 25

3.2.1 Hệ thống điện tử 25

3.2.1.3 Khối chấp h nh 26

CHƯƠNG 4 QUY TRÌNH THIẾT KẾ 27

4.1 S đồ khối v chức n ng của từng khối 27

4.1.1 S đồ khối 27

4.1.2 Chức n ng của từng khối 27

4.1.2.1 Khối nguồn 27

4.1.2.2 Khối xử lý 28

4.1.2.3 Khối thu phát WiFi 28

4.1.2.4 Khối nhập dữ liệu 29

4.1.2.5 Khối cảm biến 29

4.1.2.6 Khối hiển thị 30

4.1.2.7 Khối thiết bị 31

4.1.2.8 Khối cảnh báo 31

4.1.2.9 Khối điều khiển từ xa 31

4.2 L u đồ giải thuật v giải thích l u đồ giải thuật 32

4.2.1 L u đồ giải thuật chính 32

4.2.2 Các l u đồ giải thuật phụ 33

4.2.3 Giải thích l u đồ giải thuật 39

4.3 S đồ nguyên lý hệ thống 41

4.4 Nguyên lý hoạt động các hệ thống giám sát 42

4.4.1 Hệ thống báo cháy hoạt động dựa trên cảm biến DHT11 42

4.4.2 Hệ thống báo r rỉ khí gas 42

4.4.3 Hệ thống cảnh báo x m nhập 42

4.5 Tổng quan về các thiết bị sử dụng trong hệ thống c cấu chấp h nh 43

4.5.1 Động c servo SG90 43

4.5.1.1 S đồ ch n 43

4.5.1.2 Các thông số chính 43

4.5.1.3 Nguyên t c hoạt động 43

4.5.1.4 ng dụng trong hệ thống 43

4.5.2 V ờn v ngoại vi 44

4.5.2.1 Chức n ng 44

4.3.3.1 ộ xử lý 44

4.5.2.2 C cấu chấp h nh 44

4.5.2.3 S đồ nguyên lý 44

4.5.3 Ph ng khách 44

4.5.3.1 Chức N ng 44

4.5.3.2 ộ xử lý 45

4.5.3.3 C cấu chấp h nh 45

4.5.3.4 C cấu bảo mật, giám sát 45

4.5.3.5 S đồ nguyên lý 46

4.5.4 Gara để xe 46

4.5.4.1 Chức n ng 46

4.5.4.2 ộ xử lý 46

4.5.4.3 C cấu chấp h nh 46

4.5.4.4 S đồ nguyên lý 47

4.5.5 Ph ng ngủ 47

4.5.5.3 C cấu chấp h nh 47

4.5.5.4 C cấu bảo mật,giám sát 48

4.5.5.5 S đồ nguyên lý 48

4.5.6 Ph ng giải trí 48

4.5.6.1 Chức n ng 48

4.5.6.2 ộ xử lý 48

4.5.6.3 C cấu chấp h nh 49

4.5.6.4 S đồ nguyên lý 49

4.5.7 Ph ng bếp 49

4.5.7.1 Chức n ng 49

4.5.7.2 ộ xử lí 50

4.5.7.3 C cấu chấp h nh 50

4.5.7.4 C cấu giám sát, cảnh báo 50

4.5.7.5 S đồ nguyên lý 50

CHƯƠNG 5 THI CÔNG 51

5.1 Mô h nh thực tế 51

5.2 Giao diện giám sát v điều khiển 52

5.3 Kết quả điều khiển một số thiết bị 53

5.3.1 Mở cửa tr ớc nh bằng mật kh u v v n tay 53

5.3.2 Mở cửa gara xe 54

5.3.3 Cảnh báo x m nhập từ ph ng bếp 55

CHƯƠNG 6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LU N 56

6.1 Kết quả đạt đ ợc 56

6.2 H ớng phát triển cho hệ thống 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 59

7.1 Giới thiệu linh kiện 59

7.1.1 Giới thiệu chung về Arduino 59

7.1.2 Arduino Mega 2560 60

7.1.2.1 Cấu tr c chung 61

7.1.2.2 Đ c điểm 62

7.1.2.3 Khối nguồn 63

7.1.2.4 Các chân cấp nguồn 63

7.1.2.5 Bộ nhớ 63

7.1.2.6 Thông số kỹ thuật 63

7.1.2.7 Một số ứng dụng của Arduino 64

7.1.3 Module WiFi ESP866 node MCU 65

7.1.3.1 S đồ ch n của module ESP8266 65

7.1.3.2 Các tính n ng chính 67

7.1.3.3 Thông số kỹ thuật 67

7.1.3.4 Một số ứng dụng c bản của ESP8266 67

7.1.4 Module hạ áp buck 5A XL 4015 67

7.1.4.1 Thông số kỹ thuật 68

7.1.4.2 ng dụng của Module uck 69

7.1.5 Cảm biến v n tay 69

7.1.5.1 Thông số kỹ thuật 69

7.1.5.4 Để giao tiếp UART ta c n sử dụng các ch n 71

7.1.5.5 Để giao tiếp US ta c n sử dụng các ch n 71

7.1.6 n phím 3x4 72

7.1.6.1 Thông số kỹ thuật 72

7.1.7 Cảm biến chuyển động 74

7.1.7.1 Thông số kỹ thuật 74

7.1.7.2 Nguyên t c hoạt động của Module 75

7.1.7.3 ng dụng của Module 76

7.1.8 Cảm biến hồng ngoại 76

7.1.8.1 Thông số kĩ thuật 76

7.1.8.2 Nguyên t c hoạt động 77

7.1.8.3 Ưu điểm 78

7.1.8.4 Nh ợc điểm 78

7.1.8.5 ng dụng của cảm biến hồng ngoại 79

7.1.9 Cảm biến nhiệt độ, độ m DHT11 79

7.1.9.1 Thông số kỹ thuật 79

7.1.9.2 Cách điều khiển 79

7.1.9.3 Các ứng dụng của cảm biến 80

7.1.10 Cảm biến khí gas 80

7.1.10.1 Thông số kỹ thuật 81

7.1.10.2 Nguyên lý hoạt động của Module 81

7.1.10.3 ng dụng của Module 82

7.1.11 Cảm biến m a 83

7.1.11.1 Thông số kỹ thuật 83

7.1.11.2 Chế độ kết nối 83

7.1.11.3 Mạch cảm biến m a gồm 2 bộ phận 84

7.1.11.4 ng dụng của cảm biến m a 85

7.1.12 Cảm biến ánh sáng quang trở 85

7.1.12.1 Thông số kỹ thuật 85

7.1.12.2 Nguyên lý hoạt động của quang trở 86

7.1.13 LCD I2C 86

7.1.13.1 Thông số kỹ thuật 86

7.1.13.2 Nguyên t c hoạt động 87

7.1.13.3 Ưu điểm 87

7.1.14 Lcd 20x04 88

7.1.14.1 Thông số kĩ thuật 88

7.1.14.2 S đồ ch n 89

7.1.15 Transistor TIP41C 90

7.1.15.1 Thông số kỹ thuật 90

7.1.15.2 Đ c tính của transistor l ng cực TIP41C 91

7.1.15.3 ng dụng của transistor 92

7.1.16 Diode 1N4007 92

7.1.16.1 Thông số kĩ thuật 93

7.1.16.2 ng dụng của diode 1N4007 93

7.1.17 Transistor C1815 94

7.1.17.1 Thông số kỹ thuật 94

7.1.18 C i chíp 5V 95

7.1.18.1 Thông số kỹ thuật 95

7.2 Code hoạt động v điều khiển thiết bị 96

7.3 Code hoạt động điều khiển trên web 114

Từ viết tắt

UART: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

H nh trang

nh S đồ khối giao tiếp UART 8

nh Một Master với một Slave 8

nh Dữ liệu đ ợc truyền trong tin nh n 9

nh MQTT Broker 12

nh Kiến tr c th nh ph n 12

nh ng dụng của MQTT 14

nh Mô hình tổng thể điều khiển thiết bị điện trong ngôi nhà 16

nh Biểu đồ t ng tr ởng thị tr ờng điều khiển thiết bị trên thế giới 17

nh Biểu đồ t ng tr ởng thị tr ờng chỉ tính riêng thị tr ờng B c Mỹ 17

nh Mô hình của công ty Compro Technology 18

nh Mô hình của công ty IEI Integration 18

nh Mô h nh của Eco-Future-World 19

nh Mô hình của BKAV 19

nh 2.8: Mô hình của Lumi 20

nh Xu h ớng phát triển 21

nh Mô h nh d ới dạng 3D 23

nh Các chức n ng sử dụng 24

nh S đồ nguyên lý hoạt động hệ thống điện tử 25

nh S đồ khối 27

nh S đồ nguyên lý khối nguồn 27

nh S đồ nguyên lý khối xử lý 28

nh S đồ nguyên lý khối thu phát Wifi 29

nh S đồ nguyên lý khối nhập dữ liệu 29

nh S đồ nguyên lý khối cảm biến 30

nh S đồ nguyên lý khối hiển thị LCD qua I2C 30

nh S đồ nguyên lý khối thiết bị 31

nh S đồ nguyên lý khối cảnh báo 31

nh L u đồ giải thuật chính 32

nh L u đồ giải thuật kiểm tra tr ớc nh v v ờn 33

nh L u đồ giải thuật kiểm tra ph ng khách 34

nh L u đồ giải thuật kiểm tra ph ng giải trí 35

nh L u đồ giải thuật kiểm tra ph ng bếp 36

nh L u đồ giải thuật kiểm tra ph ng ngủ 37

nh L u đồ giải thuật kiểm tra ph ng WC 38

nh L u đồ giải thuật kiểm tra ph ng Gara 39

nh S đồ nguyên lý hệ thống 41

nh S đồ PC hệ thống 42

nh S đồ ch n động c servo SG90 43

nh S đồ nguyên lý v ờn v ngoại vi 44

nh S đồ nguyên lý ph ng khách 46

nh S đồ nguyên lý gara để xe 47

nh S đồ nguyên lý ph ng ngủ 48

nh S đồ nguyên lý ph ng giải trí 49

nh Mô h nh nh thông minh thực tế 52

nh Giao diện giám sát v điều khiển trên web 53

nh Cửa đóng khi ch a nhập mật kh u 53

nh Cửa mở khi nhập đ ng mật kh u ho c v n tay 54

nh Cửa mở gara xe ho c trên webserver 54

nh áo động x m nhập từ ph ng bếp 55

nh Hình ảnh Arduino Uno R3 59

nh Arduino Mega 2560 61

nh S đồ chân của ESP8266 66

nh S đồ ESP8266 kết nối với Internet 66

nh Module Buck DC-DC 5A XL4015 68

nh S đồ cấu tạo của Module Buck DC-DC 5A XL4015 69

nh Cảm biến vân tay quang học 70

nh Cách thức hoạt động của công nghệ bảo mật vân tay 72

nh S đồ bàn phím ma trận 3x4 73

nh S đồ kết nối của bàn phím 73

nh Module cảm biến chuyển động HC-SR510 74

nh S đồ chân cảm biến chuyển động HC-SR510 75

nh Nguyên t c hoạt động của cảm biến chuyển động 75

Hình 7.14: Cảm biến hồng ngoại 77

Hình 7.16: S đồ chân của cảm biến hồng ngoại 78

nh Cảm biến độ m DHT11 79

nh S đồ cấu tạo của cảm biến độ m DHT11 79

nh Module cảm biến khí gas MQ2 81

nh Cảm biến phát hiện m a không d y 83

nh S đồ nguyên lí 84

nh S đồ cấu tạo cảm biến m a 85

nh Cảm biến ánh sáng quang trở 85

nh Cấu tạo của quang trở 86

nh Module I2C LCD 16×2 87

nh Màn hình led có giãi mã i2c 88

nh Màn hình lcd 20x04 90

nh S đồ cấu tạo v kích th ớc của TIP41C 91

nh S đồ chân transistor TIP41C 92

nh S đồ chân diode 1N4007 92

nh Cấu tạo của diode 1N4007 93

nh Cấu tạo của Transistor C1815 94

nh Còi chíp 5V 95

LỜI MỞ Đ U

1 T nh thiết đề tài

Ng y nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kĩ thuật, công nghệ thì các thiết bị điện, hệ thống thông minh cũng d n đ ợc tạo ra Các hệ thống điều khiển thông minh đ ợc sử dụng rộng rãi trong đời sống, chẳng hạn nh các hệ thống hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà và cảnh báo chống trộm

Vấn đề điều khiển thiết bị từ xa hiện nay ng y c ng đ ợc quan t m v phát triển rộng rãi nhằm đáp ứng nhu c u của con ng ời, gi p tiết kiệm thời gian v quản

lý đ ợc mọi l c mọi n i

t nguồn từ những nhu c u c n thiết đó v lấy cảm hứng từ những đề tài nghiên cứu tr ớc đ y đã thiết kế đ ợc những hệ thống mô h nh điều khiển thông minh sử dụng nhiều công nghệ nh : sử dụng sóng hồng ngoại, RF, bluetooth hay mạng WLAN Các hệ thống điều khiển thông minh không ngừng phát triển, đ c biệt trong thời kỳ mạng Internet phát triển mạnh mẽ, các hệ thống điều khiển mới yêu

c u điều khiển đ ợc qua mạng Internet, WiFi, 3G/4G và tiện dụng h n l điều khiển bằng điện thoại thông minh

2 T nh h nh nghiên

Cuộc “Cách mạng Công nghiệp 4.0” đang d n diễn ra tại nhiều n ớc phát triển và đang phát triển trên toàn thế giới Công nghệ về điều khiển thông minh cũng phát triển theo, ch ng đ ợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống Đ c biệt, các hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nh đ ợc phát triển mạnh mẽ và ngày càng trở nên phổ biến

ĐATN n y thiết kế, thi công một mô hình hệ thống điều khiển các thiết bị điện và cảnh báo chống trộm Ng ời sử dụng có thể điều khiển thiết bị điện ở bất cứ

n i n o có Internet, Wifi, 3G, 4G trên Website đ ợc thiết kế Các giá trị nhiệt độ,

độ m của c n nh cũng đ ợc cập nhật lên giao diện này Hệ thống tích hợp một hệ thống báo động chuông báo động trong các sự cố nh : nhiệt độ phòng quá cao khi cháy, có khí gas rò rỉ, có trộm đột nhập

3 ụ đ h nghiên

L c đ u, ý t ởng đ ợc thực hiện nhờ vào tia hồng ngoại để điều khiển từ xa,

nh ng khoảng cách là hạn chế Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện khoảng cách điều khiển mang lại nhiều thành công v có ý nghĩa thực tiễn nh điều khiển thông qua đ ờng d y điện thoại, tuy nhiên đ y vẫn ch a phải biện pháp tối u Khi công nghệ wireless phát triển, ng ời ta lại nghĩ đến điều khiển qua mạng không

d y, điều khiển từ xa d ng máy tính ra đời

Đồ án này trình bày một giải pháp điều khiển và giám sát ngôi nhà một cách thông minh thông qua Internet Giải pháp n y đ ợc đ a ra rất khả thi với c chế hoạt động chính xác và mang tính ổn định để tạo b ớc phát triển một hệ thống thông minh ứng dụng vào thực tế Dữ liệu và các thông số thiết bị của điều khiển thiết bị điện trong nhà đ ợc truyền lên website và ph n mềm giao diện gi p đảm bảo c chế an ninh, an toàn và tự động

4 Nhiệ vụ nghiên

Đề t i nhóm có tên thiết kế và thi ng h nh điề khi n thiết điện

t ng nhà và ảnh h ng t Để hệ thống hoạt động tốt, nhóm đã đề ra

những nhiệm vụ:

- Phân tích, lựa chọn thiết kế mô hình

- T m hiểu tổng quan về cấu tạo ph n cứng, chức n ng của các linh kiện

- Khả n ng mở rộng mô hình với các thiết bị và hệ thống ngoại vi

- Thiết kế giao diện Websever để giám sát hệ thống

- Thiết kế hệ thống giao tiếp, quản lý v điểu khiển thiết bị điện trong nh

v cảnh báo chống trộm qua Internet

- Thiết kế mô hình với các thiết bị có khả n ng điều khiển tự động, t ng tác với nhau và có chức n ng giám sát từ xa, đảm bảo an ninh và bảo mật

- Mở rộng kết nối với thiết bị ngoại vi

5 hư ng h nghiên

Đề tài là một sản ph m có tính thực tế cao dựa trên nhu c u công nghệ hiện

và phát huy những kết quả của các công trình nghiên cứu tr ớc đ y.Thay v tr ớc

đ y ch ng em sẽ chỉ tạo ra những rạch rời rạc đ n giản thì bây giờ chúng em sẽ tìm hiểu s u thêm để liên kết tất cả các công dụng của chúng lại với nhau và thành quả

sẽ là một mô hình nhà để có thể điều khiển đ ợc những thiết bị điện tử, thứ mà

tr ớc đ y con ng ời chúng ta chỉ sử dụng công t c thay v o đó ch ng em sẽ điều khiển trên internet

Điều khiển thiết bị điện trong ngôi nhà đ ợc thiết kế theo mô hình chủ - tớ (master-slave) tức là mỗi bộ phận làm nhiệm vụ điều khiển các bộ phận khác ho c

sữ bị các bộ phận khác điều khiển Thêm v o đó l các bộ phận hoạt động độc lập

và hoàn toàn tự động giúp hệ thống có thể chủ động làm việc mà không c n sự can thiệp của con ng ời

6 kết ả đ t đư đề tài

Thiết kế “Điều khiển thiết bị điện v cảnh báo chống trộm trong ngôi nhà”

đ ợc tr nh b y d ới dạng một mô hình bằng mica mô phỏng về không gian của một

c n nh Trên mô h nh n y đ ợc l p đ t tất cả các thiết bị cũng nh tr nh b y các giải pháp mà tác giả đ a ra To n bộ hệ thống có thể đ ợc điều khiển và theo dõi từ trung tâm chỉ huy đ ợc đ t ở một c n ph ng trong c n nh cũng nh có thể đ ợc nâng cấp để điều khiển trên điện thoại c m tay Mang lại các giải pháp thiết thực và giá rẻ nh ng hiệu quả cho mỗi c n nh Gi p con ng ời có một cuộc sống ngày càng tiện nghi, an to n h n, góp ph n tiết kiệm các nguồn tài nguyên nh điện,

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệ về điề khi n thiết điện từ

Điều khiển từ xa đã v đang l một xu h ớng phát triển mang tính quy luật

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nói chung v ng nh điện tử-truyền thông nói riêng l nền tảng cho xu h ớng n y V sự tiện lợi của nó, điều khiển từ

xa có thể đ ợc sử dụng ở bất kỳ n i n o Ng ời sử dụng có thể ở bất k đ u trên thế giới cũng có thể điều khiển đ ợc những bộ phận ngoại vi ở nh , công sở hay ở một

n i n o đó đ ợc định sẵn….L c n y không c n giới hạn về khoảng cách nữa

Trong kỹ thuật điều khiển từ xa, môi tr ờng truyền dẫn có thể l d y dẫn điện hay không khí với tín hiệu truyền có thể l tín hiệu điện hồng ngoại hay sóng

vô tuyến Đ c biệt, kỹ thuật hồng ngoại hay vô tuyến đ ợc khai thác triệt để trong việc chế tạo các thiết bị đ u xa Tuy nhiên kỹ thuật điều khiển d ng tia hồng ngoại

v vô tuyến bị hạn chế về khoảng cách v b ng thông Để kh c phục nh ợc điểm trên có thể sử d ng ph ng pháp khác l điều khiển từ xa qua mạng ethernet, Internet ho c LAN Ý t ởng của nó l sử dụng mạng có sẵn để truyền tín hiệu điều khiển, nhờ đó m vấn đề khoảng cách đ ợc kh c phục

Nh ta đã biết, ng y nay mạng l ới Internet-Ethernet đã phát triển v phổ biến kh p n i trên thế giới Có thể xem sự b ng nổ của Internet ng y nay cũng giống nh sự b ng nổ của tivi v o những n m 40-50 của thế kỉ tr ớc Chính điều

n y c ng l m cho Internet ngự trị trong mọi ngóc ngách của cuộc sống, v do đó việc điều khiển từ xa qua mạng trở nên dễ d ng, thuận tiện h n v l một nhu c u tất yếu của cuộc sống hiện đại ng y nay

Điều khiển từ xa qua mạng có 2 u điểm nổi bậc:

- Thứ nhất ch ng ta có thể sử dụng mạng Internet có sẵn

Các thiết bị điều khiển từ xa qua mạng đang từng b ớc x m nhập v o trong các sinh hoạt gia đ nh do tính đ n giản tiện dụng, độ tin cậy t ng đối ổn định ộ điều khiển có thể l m một số công việc trong gia đ nh khi ta đang ở xa nh nh : mở máy b m n ớc, t t bếp điện, t t mở bóng đèn,…

1.2.1 Giới thiệ h ng về nternet of Things

Internet of Things(viết t t IoT) mô tả mạng l ới kết nối vạn vật Khi mà mỗi

đồ vật hay cả con ng ời đ ợc cung cấp một định danh riêng và tất cả có khả n ng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất IoT phát triển từ sự kết hợp của công nghệ không dây, công nghệ vi c điện tử v Internet Nói đ n giản IoT là một tập hợp các thiết bị có khả n ng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngo i để thực hiện một công việc n o đó

- Phản hồi trong các t nh huống kh n cấp

- Mua s m thông minh

- Quản lí các thiết bị cá nhân

- Đồng hồ đo thông minh

- Tự động hóa ngôi nh

1.2.3 Đ đi ng nghệ T

Điểm quan trọng của IoT đó l các đối t ợng phải có thể đ ợc nhận biết và định dạng (identifiable) Nếu mọi đối t ợng, kể cả con ng ời, đ ợc “đánh dấu” để phân biệt bản th n đối t ợng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể ho n

to n quản lí đ ợc nó thông qua máy tính Việc đánh dấu này có thể đ ợc thực hiện

thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn nh RFID, NFC, mã vạch, mã QR, Mạng kết nối thì có thể là qua Wi-Fi, mạng viễn thông b ng rộng (3G, 4G), Bluetooth,

Ngo i những kĩ thuật nói trên, nếu nh n từ thế giới Web, ch ng ta có thể sử đụng địa chỉ IP để xác định từng vật Mỗi thiết bị sẽ có một địa chỉ IP riêng biệt không nh m lẫn Do đó mội thứ có thể dễ d ng kết nối v o Internet cũng nh kết nối với nhau

WiFi viết t t từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống nh điện thoại di động, truyền hình và radio Hệ thống cho phép truy cập Internet tại những khu vực có sóng của hệ thống này, hoàn toàn không c n đến cáp nối

Sóng WiFi: Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi g n giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị c m tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến v ng ợc lại

Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: chúng truyền và phát tín hiệu ở t n số 2.5 GHz ho c 5GHz T n số n y cao h n

so với các t n số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị c m tay và truyền hình T n số cao h n cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu h n

1.4.1 Giới thiệ về it

Website là một tập hợp các trang Web có liên quan với nhau Mỗi trang Web

là một tài liệu siêu v n bản T i liệu này có thể chứa v n bản, m thanh, h nh ảnh…

Đ ợc mã hoá đ c biệt, sử dụng ngôn ngữ đánh dấu siêu v n bản – HTML (Hyper Text Markup Languages)

Mỗi WebSite đ ợc l u trữ trên trên một máy phục vụ Web, vốn là các máy chủ Internet l u trữ hàng các trang Web riêng lẻ

Ở khía cạnh ph n cứng, một Web server là một máy tính l u trữ các file thành ph n của một Website (ví dụ: các tài liệu HTML, các file ảnh, CSS)

1.4.3 Giới thiệ T

PHP (viết t t của cụm từ Personal Home Page) là ngôn ngữ lập trình kịch bản (scripting language) mã nguồn mở đ ợc dùng phổ biến để ra tạo các ứng dụng web chạy trên máy chủ PHP thực hiện các hàm hệ thống, ví dụ: từ các file trên một

hệ thống, nó có thể tạo, mở, đọc, ghi v đóng ch ng PHP có thể xử lý các form, ví dụ: thu thập dữ liệu từ file, l u dữ liệu vào một file, trả về dữ liệu tới ng ời dùng Bạn có thể thêm, xóa, sửa đổi các ph n tử bên trong Database của bạn thông qua PHP

1.5.1 Gi tiế ART

UART hay Universal Asynchronous Receiver Transmitter là giao tiếp nối tiếp đ ợc chuyển đổi từ giao tiếp song song – quá trình chuyển đổi n y đ ợc thực hiện tr ớc khi truyền ở thiết bị truyền và sau khi nhận ở thiết bị nhận dữ liệu Nó là giao tiếp phổ biến tại vì các thông số nh : tốc độ truyền, kiểu dữ liệu,… đều có thể thay đổi đ ợc

Trong giao tiếp UART c bản, thiết bị truyền và thiết bị nhận giao tiếp theo cách thức nh sau: Ph n cứng – hardware UART sẽ chuyển đổi dữ liệu song song nhận đ ợc từ vi xử lý, vi điều khiển và chuyển chúng thành dữ liệu nối tiếp Dữ liệu nối tiếp này sẽ đ ợc truyền đến thiết bị nhận và tại đ y, hardware UART sẽ chuyển đổi ng ợc lại thành dữ liệu song song để truyền về vi điều khiển, vi xử lý của thiết

bị nhận

Các chân sử dụng cho giao tiếp UART đ ợc gọi là TX ở thiết bị truyền và

RX ở thiết bị nhận Đồng thời, có các thanh ghi – shift registers – đ ợc hiểu nh l một ph n của UART hardware (2 loại thanh ghi đ ợc sử dụng ở đ y l : Transmitter Shift Register và Receiver Shift Register)

nh S đồ khối giao tiếp UART 1.5.2 Gi tiế

I2C kết hợp các tính n ng tốt nhất của SPI và UART Với I2C, bạn có thể kết nối nhiều slave với một master duy nhất (nh SPI) v bạn có thể có nhiều master điều khiển một ho c nhiều slave Điều này thực sự hữu ích khi bạn muốn có nhiều

h n một vi điều khiển ghi dữ liệu vào một thẻ nhớ duy nhất ho c hiển thị v n bản trên một màn hình LCD

nh Một Master với một Slave

Giống nh giao tiếp UART, I2C chỉ sử dụng hai d y để truyền dữ liệu giữa các thiết bị:

- SDA (Serial Data) - đ ờng truyền cho master v slave để gửi và nhận dữ liệu

- SCL (Serial Clock) - đ ờng mang tín hiệu xung nhịp

- I2C là một giao thức truyền thông nối tiếp, vì vậy dữ liệu đ ợc truyền từng bit dọc theo một đ ờng duy nhất (đ ờng SDA)

hóa với việc lấy mẫu các bit bởi một tín hiệu xung nhịp đ ợc chia sẻ giữa master và slave Tín hiệu xung nhịp luôn đ ợc điều khiển bởi master

1.5.2.1 h th h t đ ng

Với I2C, dữ liệu đ ợc truyền trong các tin nh n Tin nh n đ ợc chia thành các khung dữ liệu Mỗi tin nh n có một khung địa chỉ chứa địa chỉ nhị phân của địa chỉ slave và một ho c nhiều khung dữ liệu chứa dữ liệu đang đ ợc truyền Thông điệp cũng bao gồm điều kiện khởi động v điều kiện dừng, các bit đọc / ghi và các bit ACK / NACK giữa mỗi khung dữ liệu:

H nh Dữ liệu đ ợc truyền trong tin nh n Điều kiện khởi đ ng: Đ ờng SDA chuyển từ mức điện áp cao xuống mức

điện áp thấp tr ớc khi đ ờng SCL chuyển từ mức cao xuống mức thấp

Điều kiện dừng: Đ ờng SDA chuyển từ mức điện áp thấp sang mức điện áp

cao sau khi đ ờng SCL chuyển từ mức thấp lên mức cao

h ng đ a chỉ: Một chuỗi 7 ho c 10 bit duy nhất cho mỗi slave để xác định

slave khi master muốn giao tiếp với nó

it Đọc / Ghi: Một bit duy nhất chỉ định master đang gửi dữ liệu đến slave

(mức điện áp thấp) hay yêu c u dữ liệu từ nó (mức điện áp cao)

Bit ACK / NACK: Mỗi khung trong một tin nh n đ ợc theo sau bởi một bit

xác nhận / không xác nhận Nếu một khung địa chỉ ho c khung dữ liệu đ ợc nhận thành công, một bit ACK sẽ đ ợc trả lại cho thiết bị gửi từ thiết bị nhận

Đ a chỉ: I2C không có các đ ờng Slave Select nh SPI, v vậy c n một cách

khác để cho slave biết rằng dữ liệu đang đ ợc gửi đến slave này chứ không phải

slave khác Nó thực hiện điều này bằng cách định địa chỉ Khung địa chỉ luôn là khung đ u tiên sau bit khởi động trong một tin nh n mới

Khung d liệu: Sau khi master phát hiện bit ACK từ slave, khung dữ liệu

đ u tiên đã sẵn s ng đ ợc gửi

1.5.2.2 ướ t ền iệ

- Master gửi điều kiện khởi động đến mọi slave đ ợc kết nối bằng cách chuyển đ ờng SDA từ mức điện áp cao sang mức điện áp thấp tr ớc khi chuyển đ ờng SCL từ mức cao xuống mức thấp

- Master gửi cho mỗi slave địa chỉ 7 ho c 10 bit của slave mà nó muốn giao tiếp, cùng với bit đọc / ghi

- Mỗi slave sẽ so sánh địa chỉ đ ợc gửi từ master với địa chỉ của chính nó Nếu địa chỉ trùng khớp, slave sẽ trả về một bit ACK bằng cách kéo dòng SDA xuống thấp cho một bit Nếu địa chỉ từ master không khớp với địa chỉ của slave, slave rời khỏi đ ờng SDA cao

- Master gửi ho c nhận khung dữ liệu

- Sau khi mỗi khung dữ liệu đ ợc chuyển, thiết bị nhận trả về một bit ACK khác cho thiết bị gửi để xác nhận đã nhận thành công khung

- Để dừng truyền dữ liệu, master gửi điều kiện dừng đến slave bằng cách chuyển đổi mức cao SCL tr ớc khi chuyển mức cao SDA

1.5.2.3 Ư đi

- Chỉ sử dụng hai d y

- Hỗ trợ nhiều master v nhiều slave

- it ACK NACK xác nhận mỗi khung đ ợc chuyển th nh công

- Ph n cứng ít phức tạp h n so với UART

- Giao thức nổi tiếng v đ ợc sử dụng rộng rãi

1.5.2.4 Như đi

- Tốc độ truyền dữ liệu chậm h n SPI

- Kích th ớc của khung dữ liệu bị giới hạn ở 8 bit

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình publish/subscribe (cung cấp thuê bao), đ ợc sử dụng cho các thiết bị IoT với b ng thông thấp, độ tin cậy cao và khả n ng đ ợc sử dụng trong mạng l ới không ổn định Nó dựa trên một Broker (tạm dịch l “Máy chủ môi giới”) “nhẹ” (khá ít xử lý) v đ ợc thiết kế có tính mở (tức l không đ c tr ng cho ứng dụng cụ thể n o), đ n giản và dễ c i đ t

MQTT là lựa chọn lý t ởng trong các môi tr ờng nh :

- Những n i m giá mạng viễn thông đ t đỏ ho c b ng thông thấp hay thiếu tin cậy

- Khi chạy trên thiết bị nhúng bị giới hạn về tài nguyên tốc độ và bộ nhớ

- Bởi vì giao thức này sử dụng b ng thông thấp trong môi tr ờng có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý t ởng cho các ứng dụng M2M (Machine

 QoS 2: roker client đảm bảo khi gửi dữ liệu thì phía nhận chỉ nhận

đ ợc đ ng một l n, quá trình này phải trải qua 4 b ớc b t tay

- Ph n bao bọc dữ liệu truyền nhỏ v đ ợc giảm đến mức tối thiểu để giảm tải cho đ ờng truyền

nh MQTT Broker

nh Kiến tr c th nh ph n 1.5.3.2 Ư đi

Với những tính n ng, đ c điểm nổi bật trên, MQTT mang lại nhiều lợi ích nhất là trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) khi truy cập dữ liệu IoT

- Truyền thông tin hiệu quả h n

- Rất ph hợp cho điều kiện v do thám

- Tối đa hóa b ng thông có sẵn

- Chi phí thấp

- Rất an to n, bảo mật

- Đ ợc sử dụng trong các ng nh công nghiệp d u khí, các công ty lớn nh Amazon, Facebook,…

- Tiết kiệm thời gian phát triển

- Giao thức publish subcribe thu thập nhiều dữ liệu h n v tốn ít b ng thông h n so với giao thức cũ

1.5.3.3 Như đi

- Máy chủ môi giới ( roker) không c n thông báo về trạng thái gửi thông điệp Do đó không có cách n o để phát hiện xem thông điệp đã gửi đ ng hay ch a

- Publisher không hề biết g về trạng thái của subscribe v ng ợc lại Vậy

l m sao ch ng ta có thể đảm bảo mọi thứ đều ổn

- Những kẻ xấu có thể gửi những thông điệp xấu, v các Subscribe sẽ truy cập v o những thứ m họ không nên nhận

- Các dịch vụ của C sở hạ t ng th ợng nguồn OpenStack đ ợc kết nối bằng một bus tin nh n hợp nhất MQTT với Mosquitto là broker MQTT

- Adafruit đ a ra một MQTT miễn phí dịch vụ đám m y cho thí nghiệm IOT v ng ời học gọi Adafruit IO trong n m 2015

- Microsoft Azure IoT Hub sử dụng MQTT làm giao thức chính cho các tin

nh n từ xa

nh ng dụng của MQTT

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

2.1.1 i ảnh và nh ụng điều khi n thiết b điện trong ngôi nhà

Ng y nay, khi đời sống ng y c ng đ ợc n ng cao, những nhu c u của con

ng ời đ i hỏi những sự tiện nghi v hỗ trợ tốt nhất C ng với đó l sự mở rộng không ngừng của mạng l ới internet trên kh p các v ng quốc gia v lãnh thổ l m cho việc giám sát v điều khiển hệ thống qua mạng internet trở th nh tất yếu Từ những yêu c u v điều kiện thực tế đó , ý t ởng về điều khiển thiết bị điện trong ngôi nhà đ ợc h nh th nh, n i m mọi hoạt động của con ng ời đều đ ợc hỗ trợ v

gi p đ một cách linh hoạt, ngo i ra ngôi nh c n có thể tự động quản lí một cách thông minh nhất

Vậy, nh thế n o l điều khiển thiết bị điện trong ngôi nh ?

Điều khiển thiết bị điện trong nh đ ợc thể hiện trên 4 ph ng diện nh sau:

- Th nh t, l khả n ng tự động hóa C n nh đ ợc trang bị hệ thống các

cảm biến nh : cảm biến nhiệt độ, độ m, cảm biến khí gas, cảm biến báo cháy, cảm biến chuyển động,cảm biến hồng ngoại, cảm biến m a, cảm biến ánh sáng…với khả n ng tự động hoạt động theo điều kiện môi

tr ờng điều khiển thiết bị điện trong ngôi nh giúp chúng ta giám sát

đ ợc mức tiêu thụ điện, n ớc tốt h n so với thông th ờng

- Th h i, l khả n ng thỏa mãn nhu c u của ng ời sử dụng Chủ nh n

ngôi nh có thể điều khiển theo ý muốn ho c theo những kịch bản đ ợc lập tr nh sẵn

- Th , l khả n ng bảo mật, giám sát an ninh Hệ thống giám sát an

ninh, báo cháy, báo r rỉ khí gas sẽ tự động báo trạng thái của ngôi nh qua mạng internet

- Th tư, l khả n ng điều khiển, cảnh báo từ xa thông qua kết nối internet

thông qua wifi,3g… Các thiết bị nh : bóng đèn, điều h a, ti vi, tủ lạnh,

… cũng đều đ ợc kết nối tới mạng internet Ng ời sử dụng chỉ c n có một thiết bị kết nối internet l có thể theo dõi dữ liệu từ các cảm biến v điều khiển các thiết bị trong nh theo ý muốn của bản th n

nh Mô hình tổng thể điều khiển thiết bị điện trong ngôi nhà

Hiện nay, điều khiển thiết bị điện trong ngôi nh đã v đang l một thị

tr ờng tiềm n ng với thị tr ờng to n c u lên đến con số tỉ đô Không những vậy, chỉ riêng thị tr ờng c Mỹ, theo các con số thống kê, ho n to n l có c sở để nhận định rằng đ y chính l t ng lai của một ngôi nh m ch ng ta c n phải có

nh Biểu đồ t ng tr ởng thị tr ờng điều khiển thiết bị trên thế giới

nh Biểu đồ t ng tr ởng thị tr ờng chỉ tính riêng thị tr ờng B c Mỹ 2.1.2 h nh điều khi n thiết b điện đ ng đư ụng hiện n

2.1.2.1 Giải h điều khi n thiết b điện trong ngôi nhà t ên thế giới

Hiện nay l thị tr ờng điều khiển thiết bị điện lớn nhất thế giới l c Mỹ Với quy mô cũng nh tính tiện nghi d nh cho một ngôi nh với 4 ng ời, sẽ có thiết

kế c bản với khả n ng nh : Cảnh báo đột nhập, cảnh báo khí gas, hệ thống cửa tự động, hệ thống camera an ninh, hệ thống giải trí…

D ới đ y l ví dụ về điều khiển thiết bị điện của một số nh sản xuất tại Mỹ

v ch u u, với tiêu chu n từ c bản đến cao cấp d nh cho một gia đ nh:

nh Mô hình của công ty Compro Technology

nh Mô hình của công ty IEI Integration

nh Mô h nh của Eco-Future-World 2.1.2.2 Giải h điều khi n thiết b điện trong ngôi nhà ở iệt N

Tại Việt Nam, không đứng ngo i d ng chảy công nghệ về điều khiển thiết bị điện trong ngôi nh , đã có rất nhiều nh sản xuất cũ v mới tham gia thị tr ờng đ y tiềm n ng n y, dẫn đ u l KAV v Lumi Smarthome Với đ y đủ các chức n ng

nh các nh sản xuất n ớc ngo i, lại thêm yếu tố ph hợp với riêng thị tr ờng Việt Nam, hiện nay họ đang có một lợi thế không nhỏ so với các nh sản xuất n ớc ngo i tại Việt Nam

nh Mô hình của BKAV