GIẢI PHÁP TÍCH HỢP ĐIỀU KHIỂN KHÔNG DÂY CHO HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

đề tài nêu tổng quan về nhà thông minh,các hướng phát triển nhà thông minh trên thế giới và tại việt nam,ưu nhược điểm,sau đó đề xuất phương án thiết kế tích hợp điều khiển không dây(truyền thông hữu tuyến và vô tuyến) cho hệ thống.xây dựng 1 hệ thống nhà thông minh được điều khiển không dây và phù hợp với người việt,đồng thời tối ưu giảm giá thành cho sản phẩm.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN

-

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:

Khóa Khoa/Viện Ngành

1 Đầu đề thiết kế:

2 Các số liệu ban đầu:

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

4 Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

5 Họ tên cán bộ hướng dẫn:

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

7 Ngày hoàn thành đồ án:

Ngày tháng năm …

Trưởng bộ môn

( Ký, ghi rõ họ, tên)

Cán bộ hướng dẫn

( Ký, ghi rõ họ, tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày… tháng … năm 2012

Người duyệt

( Ký, ghi rõ họ, tên)

Sinh viên

( Ký, ghi rõ họ, tên)

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp có đề tài: GIẢI PHÁP TÍCH HỢP ĐIỀU

KHIỂN KHÔNG DÂY CHO HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH do em tự thực hiện

dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Th.S Đào Quý Thịnh Các số liệu và kết quả hoàn toàn

trung thực

Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối bản đồ án em đảm bảo rằng không sao chép các công trình hoặc TKTN của người khác Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội ngày 1 tháng 6 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Xuân Đại

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : 3

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.1.1 Một số hệ thống nhà thông minh ở Việt Nam 3

1.1.2 Quan điểm thiết kế của nhóm 7

1.2 Giải quyết vấn đề 8

1.2.1 Truyền thông hữu tuyến 9

1.2.2 Truyền thông vô tuyến 9

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI 11

2.1 Phát triển ý tưởng 11

2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống nhà thông minh 13

2.3 Nhiệm vụ thiết kế 16

2.3.1 Thiết kế hệ thống mạng 16

2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm 16

2.3.3 Thiết kế hệ thống cảm biến 17

2.3.4 Thiết kế mạch chấp hành 18

2.3.5 Thiết kế mô hình thực nhiệm 19

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TÍCH HỢP HỆ THỐNG 20

3.1 Tích hợp hệ thống mạng 20

3.1.1 Thiết lập đường truyền internet WAN-LAN 22

3.1.2 Tạo websever cho S7-1200 31

3.2 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm 34

3.2.1 Tính toán chọn thiết bị: 35

3.2.2 Chương trình điều khiển của PLC S7-1200 40

3.3 Thiết kế hệ thống chấp hành 45

3.3.2 Chọn thiết bị 47

3.3.3 Thiết kế mạch nguyên lí 49

3.3.4 Chương trình PIC điều khiển cơ cấu chấp hành 52

3.4 Thiết kế tich hợp mạch đo + LCD 54

3.4.1 Yêu cầu thiết kế 54

3.4.2 Tính chọn thiết bị 54

3.4.3 Mạch nguyên lí 61

3.4.4 Lưu đồ thuật toán của vi xử lí 62

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG THỰC NHIỆM 64

CHƯƠNG 5: HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65

5.1 Cảm biến 65

5.2 Mạch chấp hành 65

5.3 Hướng truyền thông 66

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 69

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay chúng ta nghe nói nhiều đến nhà thông minh- SmartHome Câu hỏi đặt ra là: nhà thông minh là? Nó giải quyết vấn đề gì trong xã hội và cuộc sống của con người?

Về kỹ thuật thì nhà thông minh có những đặc điểm gì?

Đứng ở góc độ nhà nghiên cứu, tìm hiểu về nhà thông minh, câu trả lời của em là: Nhà thông minh là một ngôi nhà có một hệ thống kỹ thuật hoàn hảo, được lập trình tối ưu hoá cho việc điều khiển vận hành toàn bộ các thiết bị điện trong nhà một cách hoàn toàn

tự động hoặc bán tự động, nó kết nối tất cả các hệ thống của ngôi nhà trong cùng một mạng và đươc điều khiển tập trung hoặc phân tán nhằm thay thế hoặc làm giảm các thao tác điều khiển của con người Hiện nay, trên thế giới nhà thông minh được nhiều doanh nghiệp và hãng phát tham gia nghiên cứu, phát triển và đưa ra các sản phẩm với các gói chức năng khác nhau Sản phẩm của họ đã được nghiên cứu và phát triển trong một thời gian dài mang tính hệ thống rất cao và đáp ứng tốt cho đại đa số người sử dụng

Tuy nhiên các sản phẩm này tại thị trường Việt Nam vẫn còn khá xa lạ với đại đa số khách hàng việc áp dụng công nghệ đó vào Việt Nam thì lại gặp rất nhiều khó khăn với những lý do từ điều kiện khí hậu, phong tục tập quán, và tài chính Những sản phẩm này đều được nhập từ nước ngoài nên giá thành rất cao Các thiết bị được nhập mang tính hệ thống nên sẽ rất khó khăn trong việc linh động tích hợp thêm các lựa chọn theo ý kiến khách hàng đó là còn chưa kể tới việc kiến trúc khác nhau của ngôi nhà sẽ gây khó khăn trong quá trình lắp đặt Các hệ thống nhà thông minh nhập từ nước ngoài đa phần thiết kế cho khách hàng sử dụng là người phương Tây nên có nhiều điểm không phù hợp với thói quen sống và sinh hoạt của khách hàng là người châu Á Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới có nhiệt độ độ ẩm cao sẽ ảnh hưởng tới việc hoạt động chính xác của các thiết

bị điện tử nếu chúng không được tính đến trong quá trình thiết kế

Nhóm nghiên cứu chúng em lựa chọn đề tài giải pháp tích hợp điều khiển không dây cho nhà thông minh với mong muốn góp một phần nào đó trong giải pháp phát triển hệ thống nhà thông minh tại Việt Nam

Nội dung đồ án nhóm nghiên cứu thực hiện bao gồm các mục chính như sau:

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống nhà thông minh

- Chương 2: Xây dựng sơ đồ khối

Giải pháp tích hợp điều khiển không dây cho hệ thống nhà thông minh

Hà Nội ngày 1 tháng 6 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Xuân Đại

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Một số hệ thống nhà thông minh ở Việt Nam

Hiện nay tại Việt Nam đã và đang có những nhà sản xuất và cung cấp các ứng dụng của hệ thống nhà thông minh Ví dụ như là Crestron, Bkav smarthome, X10, Homeplus, hay nhóm phát triển dự án Homeon Sau đây ta sẽ đi sâu vào hướng thiết kế của một số hãng theo tìm hiểu của cá nhân em để tìn ra những điểm mấu chốt nhất của hệ thống nhà thông minh hiện đang được sử dụng:

Crestron

Crestron lần đầu tiên xuất hiện tại Việt Nam vào năm 2009 với nhà phân phối chính hãng là UDICTECH JSC

Hãng đã thiết kế được hệ thống chiếu sáng (lighting), hệ thống hình ảnh âm thanh

đa vùng (A/V) chuẩn HDMI, công nghệ Digital media với những tính năng mạnh mẽ về

âm thanh cũng như hình ảnh Điểm đáng chú ý đó là Crestron còn tương thích với Apple tạo cho công nghệ những hệ thống giải trí khá hài hòa, kiểm soát âm thanh, video, đèn chiếu sáng, rèm và cảm biến nhiệt trực tiếp từ Ipad, Iphone Đó chính là công nghệ giải trí tên là Home theatre

Bộ điều khiển trung tâm của Crestron là iLux, một giải pháp tích hợp chiếu sáng, thiết kế dạng gắn tường, ứng dụng linh hoạt từ các phòng họp, phòng hòa nhạc, tới phòng giải trí, phòng khách gia đình, hay bất cứ loại phòng nào với mức đầu tư phù hợp

iLux có 2 dòng sản phẩm là:

- CLSI-C6M: có kèm theo cảm biến chuyển động (motion detector) – cảm biến sự tồn tại của sự kiện (occupancy sensing); tự động bật sáng khi phát hiện chuyển động; tự động tắt đèn sau một khoảng thời gian không cảm nhận chuyển động

- CLSI-C6: không gắn kèm cảm biến chuyển động

Qua tìm hiểu thì ta có ý tưởng thiết kế điển hình của Crestron:

Hình 1 1 Sơ đồ điển hình của crestron

Và cách đấu dây trong hệ thống:

Hình 1 2 Cách bố trí đấu dây của Crestron

- Ưu điểm: Có sự đồng bộ trong hệ thống, khi mà bộ điều khiển cũng như phương

pháp thiết kế của cùng 1 hãng sản xuất và tích hợp Như vậy ta có thể kết hợp dễ dàng giữa các thiết bị với nhau Cùng với đó, sự tương thích với các hãng lớn khác cũng là điểm mạnh của Crestron Khi mà tính ứng dụng trên nền tảng Web cũng được tích hợp vào Tạo khả năng thích ứng hơn với nhiều đối tượng, nhất là các khách hàng đòi hỏi yêu cầu cao

- Nhược điểm: Sử dụng hữu tuyến toàn bộ hệ thống khiến cho việc thiết kế phải

được tiến hành trước khi công trình cần thiết kế hoàn thành Nó sẽ là trở ngại lớn khi ứng dụng vào những ngôi nhà đã xây xong hoặc đang ở Cộng với việc phụ thuộc thiết kế của chính hãng nên khả năng thay đổi không mang tính linh hoạt cao

Bkav smarthome

Công ty đầu tư và phát triển công nghệ ngôi nhà thông minh smarthome có trụ sở tại khu đô thị Yên Hòa – Cầu Giấy Ra đời năm 2004, Smarthome đến nay đã xây dựng được cơ sở hạ tầng vật chất hiện đại, có đội ngũ các nhân viên kỹ sư hùng hậu trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển các thiết bị điện tử thông minh

Có năng lực phát triển sản phẩm từ giai đoạn nghiên cứu, thiết kế, sản xuất cho tới phân phối sản phẩm ra thị trường Smarthome đã nghiên cứu sản xuất và đưa ra thị trường một số các sản phẩm như van cảm ứng, bật đèn thông minh, máy sấy tay siêu tốc

và tiến tới là toàn bộ hệ thống ngôi nhà thông minh…

Hệ thống ngôi nhà thông minh SmartHome sử dụng công nghệ tùy biến kịch bản, cho phép cấu hình hệ thống hoạt động theo những kịch bản bất kỳ Việc thêm các thiết bị theo nhu cầu sử dụng của chủ nhà có thể thực hiện bằng việc khai báo trên hệ thống Ngoài ra, SmartHome còn sử dụng các công nghệ truyền thông như PLC (truyền dữ liệu qua đường điện) và Zigbee (truyền dữ liệu vô tuyến) cho phép việc triển khai hệ thống dễ dàng trên các ngôi nhà đã xây từ trước mà không phải sửa lại ngôi nhà

Trong đó một số thông tin về mạng Zigbee:

Zigbee là một tiêu chuẩn được định nghĩa: là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng

vô tuyến khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp

Các thiết bị vô tuyến dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz

nó trong chế độ tiết kiệm năng lượng, hay chế độ ngủ (sleep mode) Kết quả là, Zigbee cho phép các thiết bị có khả năng hoạt động trong nhiều năm trước khi cần phải nạp lại pin hoặc thay pin mới

- Ưu điểm: Sử dụng công nghệ tiên tiến, tiết kiệm điện năng khi sử dụng chuẩn

giao thức Zigbee Với Power line communication thì việc hạn chế đi dây lại trong tòa nhà sẽ là 1 lợi thế nhưng chỉ với trong trường hợp nhiễu đường truyền trong mức chấp nhận được Công nghệ Bkav smarthome đang đuổi kịp dần với thế giới hiện nay như sử dụng mạng internet để điều khiển thông qua những smartphone

- Nhược điểm: Nhiễu đường truyền chính là cản trở lớn nhất cho dự án này khi

hoạt động Bởi khi đã chôn dây trong tường thì việc kiểm tra và đo đạc lại sẽ là 1 bài toán cực khó Hơn thế nữa ở Việt Nam chưa có một chuẩn nào cho việc đi dây khi thiết kế nhà dân cũng như chung cư cao cấp Việc sử dụng bừa bãi cách đấu dây, chọn dây đấu đã khiến công nghệ Power line communication khó đi vào ứng dụng tại Việt Nam Ngoài ra Zigbee dù là 1 công nghệ giá rẻ và dễ dàng trong việc thực hiện nhưng nó có khả năng hoạt động không cao, nhất là khả năng xuyên tường thì yếu, không phù hợp cho địa hình phức tạp

X10 và UPB&PLCBUS

Ra đời vào những thập niên 80 của thế kỷ 20, công nghệ truyền tín hiệu trên đường dây điện được đầu tiên được nghiên cứu và phát triển tại mỹ với dự án mang tên X10 Kể từ đó X10 trở thành tên thương mại của hàng loạt các sản phẩm điều khiển tự động sử dụng công nghệ này

Năm 2002 đánh dấu một bước ngoặt lớn của công nghệ PLC khi chuẩn UPB & PLCBUS ra đời Công nghệ UPB & PLCBUS sử dụng sóng mang có dải tần từ 4-40Khz,

điện áp tín hiệu 40V để truyền tín hiệu điều khiển Không giống như X10 sử dụng tần số sóng mang cố định 120Khz, các thiết bị sử dụng công nghệ UPB & PLCBUS sẽ chọn ra trong dải tần 4-40Khz một tần số ít bị can nhiễu từ đường truyền nhất tại thời điểm truyền

để truyền tín hiệu điều khiển

Sau đây là sơ đồ tổng quan của hệ thống X10:

Hình 1 3 Sơ dồ tổng quan của X10

- Ưu điểm: Phát triển lâu đời Có nền tảng công nghệ Và sử dụng luôn hệ thống

dây điện có sẵn trong gia đình Như vậy sẽ tiết kiệm chi phí cũng như việc chỉnh sửa lại căn nhà

- Nhược điểm: Khó ứng dụng ở Việt Nam khi nhiễu đường truyền lớn Cộng với

nhiễu từ lưới điện tác động vào Do đó khi thiết kế bắt buộc phải chỉnh định ngay

từ lúc mới xây nhà Điều này làm mất đi tính linh hoạt của hệ thống

1.1.2 Quan điểm thiết kế của nhóm

Để có thể phát triển được một sản phẩm hệ thống nhà thông minh có tính chất cạnh tranh cao Bước đầu ta đã đi sâu nghiên cứu những hãng đã và đang có mặt tại Việt Nam để tìm hiểu ưu nhược điểm của họ Từ đó mà nhóm xây dựng một hệ thống với tư tưởng thiết kế mới nhằm đáp ứng được với nhu cầu thị trường và hạn chế được những khuyết điểm hiện đang tồn tại Sau đây là một số vấn đề mà ta cần giải quyết:

- Việc thiết kế hệ thống là phải gắn liền với thực tiễn Hiện nay có những người chủ của căn hộ chung cư cao cấp, biệt thự hay lâu đài muốn được sở hữu một nét mới của nền khoa học đương đại Họ tìm đến cách thức tích hợp vào ngôi nhà của mình sao cho hiện đại và dễ dàng sử dụng hơn Do vậy mà đề xuất nhà thông minh được nhóm phát triển nhằm đánh trúng tư tưởng này Tức là việc thiết kế này không dành cho đại đa số người dân mà chỉ phục vụ nhu cầu cho một số bộ phận trong xã hội Nhưng cũng từ yếu tố này mà nảy sinh vấn đề: hầu hết những căn hộ cao cấp mà những chủ sở hữu muốn nâng cấp lên đều đã được xây xong hoặc hoàn thành phần điện lưới Thế nên việc đi dây lại toàn bộ phần điều khiển tích hợp là một vấn đề khó khăn cũng như không tạo ra sự khác biệt Nhóm đã và đang hướng đến việc thiết kế hệ thống nhà thông minh với điều khiển các thiết bị bằng không dây

- Giảm giá thành hệ thống để tính cạnh tranh cao nhất có thể Vì trong khi một số hãng hoạt động tại Việt Nam đang thầu nhà thông minh hiện nay, các thiết bị phụ thuộc hoàn toàn vào một hãng cụ thể nên giá thành rất đắt và không có khả năng sáng tạo khi không thiết kế được phần mềm và nguyên lý điều khiển Do vậy mà nhóm phát triển đến việc tích hợp nhiều nhà sản xuất, nhiều chuẩn truyền thông và linh hoạt hơn trong sử dụng linh kiện, thiết bị các hãng nhằm hạn chế sự phụ thuộc đồng thời tăng tính linh hoạt khi xây dựng hệ thống nhà thông minh

- Khả năng ứng dụng cao của hệ thống cho những ngôi nhà cụ thể Với việc làm hài lòng khách hàng được đặt lên hàng đầu, tiêu chí được đặt ra phải là thực hiện lắp đặt nhanh gọn nhẹ Tránh chỉnh sửa trong nhà cũng như thay đổi kết cấu đường điện

1.2 Giải quyết vấn đề

Từ những yêu cầu thiết yếu của cuộc sống như đã phân tích ở trên mà hệ thống do nhóm thiết kế đi theo hai hướng cụ thể là:

- Truyền thông hữu tuyến

- Truyền thông vô tuyến

Trong đó việc hài hòa cả hai phương thức truyền thông này cũng là bước tiến lớn trong việc tích hợp hệ thống nhà thông minh Với khả năng vô tuyến hóa hệ thống, tính linh hoạt với nhiều đối tượng của nhà thông minh hơn Sau đây là một số những đặc điểm của cả hai phương thức truyền thông trên:

1.2.1 Truyền thông hữu tuyến

Truyền thông hữu tuyến là phương pháp cổ điển nhất để điều khiển hệ thống điện trong nhà Nó cũng là 1 bài toán sử dụng những thiết bị vào ra xử lý số nhằm điều khiển các thiết bị điện như đèn, rèm cửa, door… Việc sử dụng hữu tuyến như vậy sẽ rất thích hợp với những ngôi nhà đang trong quá trình hoàn thiện Hệ thống sẽ cực kỳ ổn định và gần như không có khả năng hư hỏng Giá thành sẽ rất rẻ và cực kỳ phù hợp với những căn hộ chung cư cao cấp

Nhược điểm cũng là vấn đề đi song hành với ưu điểm, bởi khi đã đi dây trong nhà như thế thì tất cả các cảm biến cũng đều bị gắn cứng trong nhà, rất khó để di chuyển vị trí khi bị gặp vật cản Tại trong nhiều trường hợp gia chủ kê thêm đồ đạc nên sẽ khó tránh khỏi việc cảm biến mất tác dụng Hơn nữa nếu đi dây thì tính linh hoạt sẽ giảm đi nhiều

Từ đó suy ra việc đi dây hoàn bộ hệ thống không phải là giải pháp tiên tiến nên áp dụng hiện nay Dẫn đến nhu cầu thiết yếu cần thiết kế tích hợp hệ thống điều khiển truyền thông vô tuyến cho nhà thông minh

1.2.2 Truyền thông vô tuyến

Truyền thông vô tuyến là hướng mà nhiều hệ thống tân tiến hiện nay đang hướng đến Nó sẽ phù hợp với cả những ngôi nhà đang ở cũng như chưa xây xong Việc truyền thông gặp khó khăn nhất là địa hình cũng như mức độ nhiễu trong ngôi nhà Nhưng nếu

sử dụng những công nghệ không dây hiện đại như ngày nay thì thực sự ta có khả năng đáp ứng nhu cầu này

Với Wifi người dùng sẽ thoải mái trong việc sử dụng tính năng mà hầu hết các thiết bị như smartphone hiện nay tích hợp Ta chỉ cần truy cập vào mạng trung tâm của căn nhà là có thể điều khiển các thiết bị điện mà không cần phải di chuyển

Sóng radio RF không phải là giả pháp mới nhưng hiệu quả của nó thì rất đáng kể Việc sử dụng sóng radio trong việc thiết kế thay cho đường dây điện điều khiển truyền

thống sẽ là giải pháp khả thi cho mục đích của nhóm Công suất phát không cần lớn, không cần duy trì liên tục và chỉ cần gửi những gói tin mang dữ liệu nhỏ dạng đóng cắt, tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm hay phát hiện người đến bộ phận điều khiển trung tâm… Khi tích hợp được RF vào hệ thống sẽ linh hoạt hơn trong việc điều khiển hệ thống đèn, hệ thống rèm và các vật dụng điện khác mà không cần quá quan tâm tới việc chúng ở vị trí nào trong tòa nhà Hoặc cũng có thể tùy biến khi các đồ đạc bị thay đổi theo ý gia chủ

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI

2.1 Phát triển ý tưởng

Hình 2 1 Mô hình lí tưởng

Hướng giải quyết: Từ yêu cầu bài toán như ở trên, tức là hệ thống nhà thông mình được nhóm chủ yếu đi sâu vào vấn đề truyền thông không dây Và cụ thể ở đây, bài toán

đặt ra của nhóm em là liên kết các phân tầng với nhau để đưa ra được một hệ thống hoàn chỉnh từ cấp quản lý giám sát đến cấp hiện trường

Một hệ thống nhà thông minh sẽ được ứng dụng bước đầu dựa trên sơ đồ này Xuyên suốt từ điều khiển đến chấp hành đều được mô tả lại bằng hình ảnh trực quan Sau đây là giải thích cụ thể cho từng thành phần:

- Phân tầng 1: Cấp quản lý, thực hiện quản lý tổng thể mọi hoạt động giám sát và

điều khiển của hệ thống Cấp này có chức năng thu thập dữ liệu từ cấp dưới, định dạng, lưu trữ và xử lý dữ liệu tổng hợp đảm bảo tập trung cơ sở dữ liệu phục vụ giám sát và quản lý; bên cạnh đó, cấp quản lý của nhà tự động thực hiện thêm chức năng truyền thông, trao đổi thông tin với các hệ thống phụ khác

Cấp quản lý bao gồm máy chủ (Server PC) lưu trữ webserver có địa chỉ IP tĩnh, tên miền động và thuê bao của nhà mạng Chính là địa chỉ mà người dùng cần truy cập từ

xa vào hệ thống để điều khiển thiết bị điện của ngôi nhà

Trong đó: thiết bị điều khiển ở đây là các smartphone, tablet mà thị trường có sẵn Chúng có kết nối internet thông qua 3G, wifi công cộng…

- Phân tầng 2: Cấp điều hành giám sát, là các trạm vận hành (Webserver Client)

chứa dữ liệu hệ thống nhằm cung cấp giao diện cho người vận hành trong quá trình sử dung Cấp này thực hiện hiển thị trạng thái hoạt động của toàn bộ hệ thống thông qua các giao diện điều khiển và đối tượng đồ họa; các giao diện được hiển thị bằng các hình ảnh,đồ họa, đồ thị, mô tả hoạt động của toàn bộ quá trình một cách sinh động và trực quan

Cấp điều hành giám sát gồm toàn bộ mạng LAN và cầu kết nối BRIGDE, bao gồm các bộ wifi router có chức năng định tuyến trong mạng LAN và Wifi Có cả switch để mở rộng hệ thống mạng trong nhà bằng cách đi dây mạng LAN (RJ45)

- Phân tầng 3: Cấp điều khiển trung tâm cấp này thực hiện việc điều khiển các quá

trình công nghệ và thực hiện việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển logic khả trình PLC Bên cạnh đó, cấp điều khiển thực hiện chức năng truyền thông với cấp cảm biên chấp hành để lấy dữ liệu từ đầu vào; sau đó xử lý tín hiệu thực hiện thuật toán điều khiển vừa gửi tín hiệu điều khiển ra các đầu ra và đến các thiết bị chấp hành ở cấp trường thông qua mạng truyền thông Các bộ điều khiển

có thể đọc, trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng truyền thông ở cấp điều

khiển Đồng thời, các bộ điều khiển - cấp điều khiển đưa thông tin về cấp cao hơn

- cấp vận hành giám sát

Bao gồm các thiết bị như PLC, máy tính làm server tổng nhằm lưu trữ dữ liệu Với PLC xử lý các tín hiệu logic cùng với đó là việc chứa webserver trong bộ nhớ ngoài

- Phân tầng 4 và 5: Cấp trường này bao gôm các cảm biến/ mạng cảm biến và các

chấp hành Cụ thể là các bộ vào ra để ghép nối với các sensor, các cơ cấu chấp hành có chức năng kết nối vào/ ra cà xử lí sơ bộ trước khi chuyển lên cấp điều khiển

Thiết bị cảm biến nhận giá trị giúp người lập trình có thể tổng hợp dữ liệu liên quan đến việc:

- Phát hiện người trong phạm vi theo dõi

Chính là bước phát triển trong việc tách rời công đoạn đi dây thành không dây, sẽ

dễ dàng và nhanh gọn hơn khi thiết kế lắp đặt cho những căn nhà đang có nhà chủ sinh sống Hơn nữa, những thiết bị được chấp hành hầu hết là có sẵn trong nhà, ta chỉ việc tích hợp hệ thống của mình vào đồng thời tư vấn khách hàng nên dùng loại thiết bị nào cho phù hợp nhất với hệ thống cũng như không bị ảnh hưởng lẫn nhau

2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống nhà thông minh

Trong sơ đồ này ta sẽ đi sâu vào nội dung của đồ án mà nhóm em thực hiện Với

sơ đồ ý tưởng như trên hoàn toàn có thể ứng dụng vào một phân khu nhỏ khi bộ điều khiển trung tâm chỉ phải đảm nhiệm với một số các thiết bị Khi phát triển với một quy

mô lớn hơn, hệ thống sẽ không chỉ gói gọn trong việc điều khiển tập trung mà sẽ phát triển thành điều khiển lai, nơi đó bao gồm nhiều bộ điều khiển với chức năng độc lập và

có sự trao đổi dữ liệu với nhau như hình vẽ sau:

Hình 2 2 Sơ đồ điều khiển lai

Số lượng bộ điều khiển ở các nút mạng trong cùng một lớp mạng là có giới hạn theo tiêu chuẩn Những nút mạng này liên kết với nhau trong mạng LAN thông qua chuẩn ethernet Do vậy mà chỉ có tối đa 255 địa chỉ IP cung cấp ở lớp mạng C

Mỗi một zone được triển khai thành từng hệ thống riêng biệt Nhưng lại có chung

cơ sở dữ liệu lưu trữ trên internet và webbase

Việc sử dụng linh hoạt các loại truyền thông khiến hệ thống tuy phúc tạp trong quá trình thực hiện nhưng sẽ tiện lợi khi nâng tầm hệ thống, mở rộng ra phạm vi lớn

Từ phân tích này, ta có sơ đồ cấu trúc tổng thể của hệ thống Với những yếu tố đƣợc hình thành trên cơ sở các nút mạng:

Hình 2 3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tích hợp nhà thông minh

2.3 Nhiệm vụ thiết kế

2.3.1 Thiết kế hệ thống mạng

Các thiết bị cần sử dụng:

- Modem wifi kết nối internet

- Các thiết bị kết nối internet nhƣ laptop, smartphone,…

Nhiệm vụ thiết kế:

- Cài đặt cấu hình cho moderm wifi kết nối internet

- Phần cổng trong modem cho webserver của PLC để có thể đƣa webserver của PLC lên internet , từ đó có thể truy cập chúng thông qua các thiết bị kết nối internet

2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm

Hình 2 4 Sơ đồ bộ điều khiển trung tâm

Các thiết bị cần sử dụng:

- PLC S7-1200

Internet

Modem

- Mạch chuyển đổi enthernet/232

- Lập trình PLC giao tiếp enthernet

- Lập trình PLC locgic xử lý dữ liệu nhận về và truyền dữ liệu điều khiển

Nhiệm vụ thiết kế:

- Lập trình vi điều khiển giao tiếp UART để truyền nhận dữ liệu từ PLC

- Lập trình giải mã khung bản tin và điều khiển các thiết bị chấp hành

- Thiết kế mạch in

2.3.5 Thiết kế mô hình thực nhiệm

Nhiệm vụ: làm mô hình thu nhỏ của hệ thống, có đầy đủ các chức năng đã nêu trên

sao cho giống với thực tế

Mỗi thiết bị trong một mạng IP được chỉ định bằng một địa chỉ vĩnh viễn (IP tĩnh) bởi nhà quản trị mạng hoặc một địa chỉ tạm thời, có thể thay đổi (IP động) thông qua công cụ DHCP (giao thức cấu hình host động sẽ tự động xác định địa chỉ IP tạm thời) ngay trên Windows Server

Các router (bộ định tuyến), firewall (tường lửa) và máy chủ proxy dùng địa chỉ IP tĩnh còn máy khách có thể dùng IP tĩnh hoặc động

Cấu trúc và phân lớp địa chỉ IP:

Các địa chỉ này được viết dưới dạng một tập hợp bộ số (octet) ngăn cách nhau bằng dấu chấm (.) Nếu biết địa chỉ IP của một website, bạn có thể nhập vào trình duyệt

để mở mà không cần viết tên miền Hiện nay có 2 phiên bản là IPv4 và IPv6, trong đó IPv4 là chuẩn đang dùng rộng rãi với độ dài 32 bit Nhưng trong tương lai, khi quy mô của mạng mở rộng, người ta có thể phải dùng đến IPv6 là chuẩn 128 bit

Xét trong phiên bản IPv4, địa chỉ 32 bit này được chia làm 4 bộ, mỗi bộ 8 bit (viết theo dạng nhị phân gồm các số 0 và 1) được đếm thứ tự từ trái sang phải

Nếu viết theo dạng thập phân (thường dùng để dễ nhận biết), địa chỉ IP có công thức là xxx.xxx.xxx.xxx, trong đó x là số thập phân từ 0 đến 9 Tuy vậy, khi 0 đứng đầu mỗi bộ số, bạn có thể bỏ đi, ví dụ 123.043.010.002 được viết thành 123.43.10.2

Cấu trúc trên thể hiện 3 thành phần chính là:

Class bit Net ID Host ID Phần 1 là bit nhận dạng lớp, dùng để xác định địa chỉ đang ở lớp nào

Địa chỉ IP được phân thành 5 lớp A, B, C, D, E, trong đó lớp D, E chưa dùng tới

Ta xét 3 lớp đầu với hệ đếm nhị phân

Lớp A :

Như vậy, bit nhận dạng thứ nhất của lớp A bằng 0, 7 bit còn lại dành cho địa chỉ mạng Net ID, phần tiếp theo dành cho địa chỉ máy chủ Host ID Vùng số của mạng được gọi là tiền tố mạng (network prefix) Lớp A áp dụng khi địa chỉ network ít và địa chỉ máy chủ nhiều Tính ra, ta được tối đa 126 mạng và mỗi mạng có thể hỗ trợ tối đa 167.777.214 máy chủ Vùng địa chỉ lý thuyết tính theo hệ đếm thập phân từ 0.0.0.0 đến 127.0.0.0 (thực tế ta không dùng các địa chỉ đều có giá trị bit bằng 0 hay 1)

Lớp B :

Bit nhận dạng của lớp B là 10, 14 bit còn lại dành cho Net ID Lớp này áp dụng khi địa chỉ mạng và địa chỉ máy chủ ở mức vừa Tính ra, ta được tối đa 16.382 mạng, mỗi mạng phục vụ tối đa 65.534 máy chủ Vùng địa chỉ lý thuyết từ 128.0.0.0 đến 191.255.0.0

Lớp C:

Bit nhận dạng của lớp C là 110, 21 bit còn lại dành cho Net ID Lớp này áp dụng khi địa chỉ mạng nhiều và địa chỉ máy chủ ít Tính ra, ta được tối đa 2.097.150 mạng, mỗi mạng phục vụ tối đa 254 máy chủ Vùng địa chỉ lý thuyết từ 192.0.0.0 đến 223.255.255.0

Mục Đích : Do việc bài toán ta muốn sử dụng việc điều khiển ngôi nhà từ xa, không nhất

thiết phải ở trong nhà Nên cần sử dụng đến internet là phương thức truyền thông phổ biến nhất hiện nay, người sử dùng hoàn toàn có thể sử dụng phương thức này bằng các thiết bị kết nối như 3G, Wifi công cộng… để truy cập internet Từ lẽ đó, mà ta cần dùng tới IP tĩnh cho hệ thống Khi mà cần truy cập vào hệ thống ngôi nhà ta chỉ việc gõ địa chỉ

cố định đó trên thanh address của trình duyệt là được

Việc sử dụng Wifi cũng là phương thức mới đi đầu trong việc điều khiển thiết bị qua mạng không dây Wifi hiện nay được hầu hết các thiết bị điện thoại, máy tính bảng

thông minh tích hợp Người sử dụng dùng thiết bị luôn gần ngay bên họ để điều khiển thiết bị trong nhà -> đó là cả một sự thuận tiện đáng quan tâm

3.1.1 Thiết lập đường truyền internet WAN-LAN

3.1.1.1 Internet < > Modem

Modem (viết tắt từ modulator and demodulator) là một thiết bị điều chế sóng tín hiệu tương tự nhau để mã hóa dữ liệu số, và giải điều chế tín hiệu mang để giải mã tín hiệu số

Mục đích: Thiết lập mạng internet để giúp thực hiện việc điều khiển hệ thống từ xa qua

mạng internet

Các bước thực hiện:

- Cắm rắc Rj45 vào Modem và máy tính để thực hiện việc cài đặt

- Kích vào biểu tượng mạng internet trên taskbar chọn ―Open Network and Sharing Center‖ -> bên cạnh biểu tượng kết nối với Modem

- Nhấn Local Area Connection sẽ hiện lên bảng ― Local Area Connection status‖ ta kích Properties -> kích đúp vào dòng ―internet protocol version 4(TCP/IPv4)‖ -> Chọn ―Obtatin an IP address automatically‖ -> OK -> OK

- Tại bảng ― Local Area Connection status‖ kích ―Details…‖ và xem xét địa chỉ IP tĩnh của của Modem Ở đây sẽ là có dạng 192.168.1.x (với x là số bất kỳ từ 2 đến 255)

- Tiếp tục lặp lại các bước như trên rồi đổi lại trên bảng chọn như hình sau:

- Kích chọn OK-> OK

- Mở trình duyệt và đánh địa chỉ lên thanh ―address‖: 192.168.1.1 -> ‗enter‘

- Hiện lên bảng: rồi gõ user name và Password đều là : admin và ấn ―Login‖ để đăng nhập

- Theo đường dẫn WAN-> internet access-> WAN2 và thiết lập mạng như hình

- Theo đường dẫn Lan->General: thay đổi địa chỉ ―IP address‖ trong mục ―LAN IP Network configuration‖ thành 192.168.0.1 như hình sau rồi nhấn OK để kết thúc Đợi Modem reset và đăng nhập lại dưới dạng địa chỉ mới của 192.168.0.x

Sau đó là DNS và IP tĩnh với mục đích tạo một địa chỉ riêng ảo cho mạng LAN của mình Hay còn gọi là Virtual Private Network (VPN)

- NAT -> ―Port Redirection‖ Tích chọn ―Enable‖ và thiết lập như hình sau:

Trong đó chế độ ―mode‖ có thể chọn ―Range‖ thay cho ―Single‖ để có dải thang địa chi dài hơn thay vì chỉ có một địa chỉ duy nhất như trên ―Private port‖ là địa chỉ của PLC mà mình đã chỉ định địa chỉ sẵn Nhấn OK và đợi ―Reset‖ lại Modem Vậy là ta có đường truyền dẫn trực tiếp từ mạng internet về đúng địa chỉ PLC:

Mục đích: Thiết lập cầu nối với Modem, tạo cho chúng có cùng lớp mạng để nhận ra

nhau Tiếp đó là mạng wifi nội mạng để các thiết bị sau đó có khả năng truy cập internet bằng không dây Cũng là cầu nối BRIGDE cho bộ phận wifi khác, nơi gắn liền với bộ phát wifi của bộ điều khiển trung tâm

- Vào trang admin của router với địa chỉ định sẵn: 192.168.0.1 trên thanh address của trình duyệt Nhấn OK để đăng nhập

- Trên bảng tab bên trái ta chọn ―Network‖ -> LAN Mục ―MAC address‖ là cố định không thay đổi được vì nó là mã của nhà cung cấp phát cho Mục ―IP address‖ là địa chỉ nội mạng trong LAN, Nó phải có dạng 192.168.0.x với x có giá trị từ 1 đến 255 Mục ―Submask‖ cần chọn sao cho nó thuộc lớp mạng C tức là có dạng 255.255.255.0 -> Save và reset Việc chọn này cho phép ta thiết lập tất cả các thiết bị thu nhận tín hiệu internet có cùng lớp mạng, để chúng có thể giao tiếp với nhau Kết quả chọn như hình sau:

Từ đây địa chỉ đã IP address của Router đã thay đổi nên ta phải đổi IP tĩnh của máy tính thành dạng : 192.168.0.x Rồi gõ địa chỉ lên thanh address của trình duyệt Firefox là 192.168.0.1 để vào trang chính thiết lập Các bước thực hiện tương tự như trên

ta được: Địa chỉ IP tĩnh của máy tính

Sau khi vào đƣợc trang admin chính trở lại ta tiếp tục cài đặt

Trên tab bên trái chọn mục ―DHCP‖ và tích vào mục ―Disapear‖ ->Save

- Quay lại tab chọn ―Wireless‖ -> ―Wireless Settings‖ Trong phần này ta sẽ thiết lập mạng wifi nội bộ và tạo đầu cầu nối cho các thiết bị kết nối wifi khác trong nhà

Trong đó mục ―Wireless Network Name:‖ là tên tạo lập trong mạng ―Chanel:‖ cứ

để yên không thay đổi : ―Auto‖ Mục ―Mode‖ chọn ―11bgn mixed‖ -> Save

- Cuối cùng vào tab và chọn ―System tools‖ -> ―Reboot‖ -> Reboot và đợi 20s sau

để vào lại từ trang khởi động Kiểm tra lại kết quả ta có:

- Kích đúp vào biểu tượng TIA portal V11 để chạy chương trình ta sẽ vào được giao diện ban đầu của phần mềm

- Chọn ―Create new project‖ :

- Gõ tên của chương trình mới trong mục ― project name:‖ và đường dẫn chỉ nơi lưu trữ chương trình ở mục ― path‖ Sau đó nhấn ―Create‖ để chấp nhận

- Sau khi khởi tạo được tên và đường dẫn của chương trình mới thì tiếp theo ta cần chọn thiết bị, đó chính là CPU cũng như các modules đi kèm theo yêu cầu bài toán

- Chọn ―Configure a device‖ -> ―Add new device‖ Ở đây ta chọn CPU 1211C AC/DC/Rly:

- Sau khi chọn được CPU cần thiết Ta bắt đầu thiết lập đặc tính cho CPU Kích chuột phải lên dòng tên đặt của ―PLC_2 [CPU 1211C AC/DC/Rly] chọn

―Properties…‖

- Vào ―General‖ -> PROFINET interface -> Ethernet addresses Đánh địa chỉ: IP: 192.168.0.6 và Subet Mask: 255.255.255.0 bên trong mục ―Set IP address in the project‖ Tích chọn ―Use IP router‖ và đánh địa chỉ 192.168.0.1 trùng với địa chỉ

IP tĩnh của Router Wifi Router TL-WR940N ở mục ―Router address‖

Vậy là ta đã thiết lập thành công địa chỉ IP tĩnh cho CPU của PLC Từ đây ta chỉ việc sử dụng luôn địa chỉ này trong mạng internet Nó sẽ không thay đổi trong quá trình làm việc cũng như lắp đặt Điều này sẽ tạo điều kiện dễ dàng hơn trong việc phân loại và thiết kế địa chỉ khi có nhiều CPU trong mạng hơn

3.1.2 Tạo websever cho S7-1200

Webserver được tích hợp trên PLC S7-1200 chính là hướng đi mới trong việc thiết

kế giao diện của Siemens Ngoài HMI đã phổ biến, thì định dạng HMTL cũng có thể được PLC giải mã và xử lý tín hiệu

Lợi thế lớn nhất của việc sử dụng web là phần mềm chuyên dụng thiết kế, trong khi HMI cần có WinCC, phần mềm với mức giá bản quyền rất cao, đồng thời sự phụ thuộc vào màn hình HMI touch quá lớn Giá thành của HMI cao hơn so với việc ta tùy biến ở Web Với web ta sử dụng các smartphone hoặc tablet khi muốn truy cập vào trang web giao diện Về mặt kỹ thuật thì việc thiết kế trên web hay trên HMI đều là cùng bản chất vấn đề Chúng có chức năng giao tiếp với người sử dụng thường xuyên nhất Nên những mặt lợi thế của web như:

- Giao diện dễ dàng thiết kế

- Thân thiện với người sử dụng

- Phổ biến để tích hợp trên các thiết bị thông minh khác

- Không mất phí bản quyền

Mục đích: Thiết kế giao diện người dùng Giao diện thực chất có một địa chỉ chính là địa

chỉ IP của PLC được tượng trưng (Lias) qua Modem Như vậy có thể truy cập vào trang

chính webserver của Siemens dưới dạng địa chỉ IP như đã thiết lập ở trên là vào được trang giao diện sử dụng chính

Các bước thực hiện:

Cấu trúc WWW chạy webserver của CPU hoặc dùng để đồng hộ hóa trang web

mà mình tạo ra với việc sử dụng chương trình trong CPU

Cài đặt web server trên PLC, chính là nơi lưu trữ trang giao diện người dùng, đồng thời là nơi xử lý tín hiệu giữa ngôn ngữ HTML và ngôn ngữ logic của PLC

- Trong phần ―User - definded Web pages‖ là nơi chỉ dẫn địa chỉ trang web trong máy tính của người lập trình Địa chỉ này không được đánh có dấu tiếng việt trong tất cả đường dẫn, nếu không thì PLC sẽ không nhận ra được

- Ở mục ―Advance‖ mô tả đặc tính webserver của PLC S7-1200 Những file mà PLC có khả năng định dạng là htm, html và js (java script) Con số 333, 334 là khối dữ liệu trong thanh ghi được định sẵn bởi nhà sản xuất, nó được thiết kế để lưu trữ nội dụng trang web và tạo bộ đệm trung gian Các con số này có thể thay đổi để phù hợp với dung lượng và cách sắp xếp của người lập trình

Khung dữ liệu truy xuất từ PLC đến Webserver:

Để đọc được song công với nhóm dữ liệu này ta cần phải có trình biên dịch sao cho trên chế độ định dạng html hiểu, và cả PLC cũng hiểu Đó là trình AWP command:

Đọc biến dữ liệu lên web: Bao gồm sự chuyển đổi dữ liệu thông qua hàm con AWP Các thay đổi trên PLC đều thay đổi trên web Do đó ta điều khiển thông qua web cũng là cách gián tiếp điều khiển trên PLC

Đồng bộ biến sau khi đã được gán Việc này cho phép ta sử dụng chức năng của các kiểu

― nút‖ điều khiển trên web

<!—AWP_Enum_Ref Name=‘‖Data‖.den_1‘ Enum=‖OverrideStatus‖ >

<!—AWP_Enum_Ref Name=‘‖Data‖.den_2‘ Enum=‖OverrideStatus‖ >

<!—AWP_Enum_Ref Name=‘‖Data‖.den_3‘ Enum=‖OverrideStatus‖ >

<!—AWP_Enum_Ref Name=‘‖Data‖.den_4‘ Enum=‖OverrideStatus‖ >

<!—AWP_Enum_Ref Name=‘‖Data‖.den_5‘ Enum=‖OverrideStatus‖ >

<!—AWP_Enum_Ref Name=‘‖Data‖.den_6‘ Enum=‖OverrideStatus‖ >

Chương trình được viết trên Adobe Dreamweaver CS6, có định dạng đuôi file là html

3.2 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm

Bộ điều khiển trung tâm có vài trò quan trọng nhất của hệ thống , nó như bộ não điều khiển mọi hoạt động của hệ thống.Nhóm đi phân tích thiết kế 2 phần đó là phần cứng và phần lập trình của bộ điều khiển trung tâm