THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN NHÀ THÔNG MINH .............. THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN NHÀ THÔNG MINH .............. THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN NHÀ THÔNG MINH .............. THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN NHÀ THÔNG MINH ..............

NHÀ THÔNG MINH

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.1.1 Lịch sử 2

1.1.2 Ứng Dụng của IoT 2

1.1.2.1 Quản Lý Giao Thông 2

1.1.2.2 Quản Lý Căn Hộ 2

1.2 NGUYÊN LÝ CHUNG 3

1.2.1 Sơ đồ chân kết nối giao thức SPI 3

1.2.2 Ngôn Ngữ Lập Trình HTML .3

1.2.3 Giao Thức TCP/IP .4

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ KHỐI NGUYÊN LÝ VÀ LINH KIỆN .6

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI 6

2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 7

2.2.1 sơ đồ giao tiếp khối điều khiển và wedserver 7

2.2.2 nguyên lý vẽ trên protues 8

2.2.3 Sơ đồ giải thuật cảm biến và điều khiển .9

2.3 MỘT SỐ LINH KIỆN CHÍNH 10

2.3.1 ATMEGA328 vi điều khiển 10

2.3.2 Ethernet Shield 12

2.3.3 cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 13

2.3.4 Relay Đóng ngắt 14

CHƯƠNG 3 THI CÔNG ĐỀ TÀI 15

3.1 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 15

3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 15

3.3 CODE WEDSERVER 15

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 20

4.1 KẾT LUẬN 20

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 7

BẢNG 1-1 BẢNG KẾT NỐI DÂY ETHERNET SHIELD VÀ ARDUINO UNO R3 8

BẢNG 2-2: NỐI DÂY LINH KIỆN 8 BẢNG 2-3: SƠ ĐỒ KẾT NỐI DHT11 VỚI ARDUINO

UNO……… 11

TCP Transmission Control Protocol

IP Internet Protocol

UDP User Datagram Protocol

SPI Serial Peripheral Bus

SS Slave Select

SCLK Serial Clock

MOSI Master Out Slave In

MISO Master In Slave Out

HTML HyperText Markup Language

IoT Internet Of Thing

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Giới Thiệu :

Ngày nay , với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghệ kỹ thuật , chắc hẳn các bạn đã nghe ít hoặc nhiều người nói về IoT , vậy IoT là gì ?

Thuật ngữ ” Internet of things”( viết tắt là IOT) gần đây xuất hiện khá nhiều thu hút

sự quan tâm của giới công nghệ IoT là Mạng lưới mọi thứ kết nối Internet hoặc

là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet là một xu hướng mới thế giới, khi mọi thứ đồ vật có thể điều khiển một cách nhanh chóng và dễ dàng và tất cả có khả năng truyềntải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT phát triển từ các công nghệ kết nối không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Đơn giản là một tập hợp quần thể các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó

.Hình 1-1 Iot Internet Of ThingHay một cách đơn giản IOT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau Việc kếtnối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng 3G, 4GLTE, Bluetooth, ZigBee, hồngngoại Các thiết bị như là điện thoại thông minh, tủ lạnh , máy giặt, máy lạnh , bóngđèn, tai nghe , hệ thống loa , và vô số thiết bị khác Trong tương lai gần, tất cả các

thiết bị đều được kết nối vào Internet IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi

thứ

hình 1-2 Iot Mọi thứ kết nối

1.1.1 Lịch sử của IoT

Thực tế, Internet of things đã manh nha từ thế kỷ trước Tuy nhiên , mãi đến năm

1999 cụm từ IoT mới được đưa ra bởi Kevin Ashton , Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi đầu tiên thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio)

1.1.2 Ứng dụng của IoT

IoT có vô số ứng dụng vào mọi lĩnh vực khác nhau , sau đây chỉ là một số ứngdụng:

Quản lý giao thông

Ta có thể cật nhật được tin tức những con đường đang bị ùn tắt qua các app giao thông , từ đó ta có thể đưa ra quyết định nên chọn con đường nào sẽ ít kẹt xe , sẽ rất tiết kiệm thời gian khi ta không phải chờ hàng giờ đồng hồ vô ích

Quản lý căn hộ

Ta có thể bật máy lạnh trước để làm mát từ lúc đang ở văn phòng làm việc , và sau khi tôi về nhà thì căn phòng đã mát mẻ hơn Ta có thể hẹn giờ kéo rèm cửa mỗi buổisáng ta có thể làm mọi thứ chỉ thông qua thiết bị cầm tay “smart phone” để điều khiển mọi hoạt động của thiết bị trong căn hộ

1.2 Nguyên Lý Chung

1.2.1 Sơ đồ chân kết nối giao thức SPI

Bảng 1.1 Kết Nối Dây Ethernet Shield và Arduino Uno R3

Enthernet shield(Slave) Arduino Uno R3(Master)

SPI ( Serial Peripheral Bus ) là chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do

motorola đề xuất Đây là kiểu truyền thông Master-Slave , trong đó có 1 chip Master điều phối quá trình truyền thông và chip Slaves được điều khiển bởi Master SPI là một cách truyền song công ( Full Duplex) nghĩa là tại cùng 1 thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “ 4 dây “ vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn : SCK ( Serial Clock) MISO ( Master Input Slave Output) MOSI ( Master Output Slave Input) và SS ( Slave Select )

1.2.2 Ngôn Ngữ Lập Trình HTML

HTML (HyperText Markup Language, hay là “Ngôn ngữ Đánh dấu Siêu vănbản”) là ngôn ngữ đánh dấu được thiết kế ra để tạo nên các trang web với các mẩuthông tin được trình bày trên World Wide Web HTML được định nghĩa như là mộtứng dụng đơn giản của SGML và được sử dụng trong các tổ chức cần đến các yêucầu xuất bản phức tạp HTML đã trở thành một chuẩn Internet do tổ chức World

Wide Web Consortium (W3C) Phiên bản chính thức mới nhất của HTML là HTML4.01.

1.2.3 Giao Thức TCP/IP

TCP/IP là một giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất với nhau Ngày nay TCP/IP được sử dụng rộng rãi trong mạng cục bộ cũng như mạng toàn cầu

TCP/IP được xem như giản lược của mô hình tham chiếu OSI với 4 tầng như sau:

o Tầng Liên Kết (Datalink Layer)

o Tầng Mạng (Internet Layer)

o Tầng Giao Vận (Transport Layer)

o Tầng Ứng Dụng (Application Layer)

Tầng liên kết: là tầng thấp nhất trong mô hình TCP/IP , bao gồm các thiết bị giao

tiếp mạng và các chương trình cung cấp các thông tin cần thiết để có thể hoạt động, truy nhập đường truyền vật lý qua các thiết bị giao tiếp mạng đó

Tầng Internet: Tầng mạng Internet xử lý quá trình truyền gói tin trên mạng, các

giao thức của tầng này bao gồm : IP , Internet ,IGMP

Tầng giao vận: Tầng giao vận phụ trách luồng dữ liệu giữa 2 trạm thực hiện các

ứng dụng của tầng trên, tầng này có 2 giao thức chính là TCP ( Transmisson ControlProtocol) và UDP ( User Datagram Protocol )

Tầng ứng dụng : là tầng trên của mô hình TCP/IP gồm các tiến trình và các ứng

dụng cung cấp cho người sử dụng để truy cập mạng FTP dịch vụ truyền tệp tin., email : WWW ( Word Wide Web ) là dịch vụ truyền thư tín điện tử

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ KHỐI NGUYÊN LÝ VÀ LINH KIỆN2.1 Sơ đồ khối

Hình 2-1: Sơ đồ khối mạch điều khiển thiết bị

 KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM:

là khối thu nhận dữ liệu từ cảm biến rồi thực hiện các thao tác điều khiển hoặc nhận tín hiệu điều khiển từ wedserver để điều khiển thiết bị tắt bật

Hình 2-2: Sơ đồ kết nối Arduino Uno và Enthernet Shield và Cảm Biến kết nối Internet

Theo sơ đồ khối như hình 2-2 ta có nguyên lý kết nối của khối điều khiển , khốicảm biến giao tiếp với Internet qua cồng LAN để kết nối với wedserver thực hiệnchức năng thu thập dữ liệu , qua đó để điều khiển thiết bị như mong muốn

2.2.2 Mạch nguyên lý vẽ trên protues

Hình 2-3: Sơ đồ nguyên lý mạch

nguyên lý hoạt động của mạch :

Mạch nguồn 220VAC/5VDC Cung cấp cho toàn bộ thiết bị điều khiển

DHT 11 có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường sau đó gửi tín hiệu lên mạch điều khiển “ATMEGA328” sau đó xuất lên LCD và thông qua kết nối SPI với Ethernet Shield để kết nối với Internet qua cỗng Lan để truyền dữ liệu lên

wedserver wedserver hiển thị trạng thái kết nối của thiết bị “tắt” & “bật” từ đó ta

có thể điều khiển thiết bị cho phù hợp khi ta tác động vào trạng thái “bật” “tắt” trên wedserver thì từ wedserver sẽ truyền tín hiệu qua Ethernet kết nối với

“ATMEGA328” để có thể điều khiển thiết bị truyền dữ liệu này gọi là “Full duplex” hay còn gọi là truyền song công , thu nhận tín hiệu cùng 1 thời điểm.Ngoài ra, thiết bị có thể tự điều khiển dựa vào cảm biến DHT11 môi trường nhiệt độ, độ ẩm để điều khiển thiết bị như : quạt để làm giảm nhiệt độ

2.2.3 Sơ đồ giải thuật cảm biến và điều khiển :

Hình 2-4: Lưu đồ giải thuật cảm biến và wedserverLưu đồ giải thuật mô tả quá trình thu thập dữ liệu tử cảm biến nhiệt độ độ ẩm vàhiển thị giá trị lên wedserver và LCD Hệ thống hoạt động khi có tín hiệu từwedserver gửi xuống khối điều khiển thiết bị để bật tắt thiết bị rồi sau đó hiển thịtrạng thái của thiết bị lên wedserver

2.3 Một số Linh Kiện Chính

2.3.1 ATMEGA328 Vi Điều Khiển

Thiết Kế Điều Khiển Thiết Bị Nhà Thông Minh

Bắt đầu

Khai báo & khởi tạo giá trị cho biến

webserverĐọc giá trị từ cảm biến, biến trởNhận tín hiệu điều khiển từ webserver

Hiển thị lên webserver

Hình 2-5: ATMEGA328 Vi Điều Khiển

ATmega328 có tên đầy đủ là ATmega328P-PU ATmega328 là linh hồn của board mạch Arduino, sức mạnh phần cứng mà Arduino Uno có được là từ đây

Nếu bạn có vi điều khiển ATmega328, bạn hoàn toàn có thể tạo ra 1 Arduino board đơn giản cho những dự án của mình

Arduino là một board mạch vi điều khiển dung để lập trình các ứng dụng

Bảng 2-1 Thông số kỉ thuật ATmega328P

Vi điều khiển ATmega328P

Điện áp hoạt động 5V

Điện áp đầu vào (được đề nghị) 7-12V

Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V

Số chân I / O kĩ thuật số 14 (trong đó có 6 cung cấp đầu ra PWM)PWM Digital I / O Pins 6

Analog Input Pins 6

độngSRAM 2 KB (ATmega328P)

ăn đứt sóng RF , rẻ hơn với cách truyền từ xa bằng tin nhắn

Hình 2-6 Enthernet Shield kết nối với Arduino Uno R3

Arduino Ethernet Shield sử dụng chip W5100 cho tốc độ và khả năng kết nối ổn định nhất, bộ thư viện đi kèm và phần cứng với cách kết nối dễ dàng khiến cho việc kết nối Arduino với Ethernet đơn giản hơn bao giờ hết , thích hợp để làm các ứng dụng điều khiển qua Ethernet , Wedserver

Thông Số Kỉ Thuật:

 Tương thích Arduino

 Điện áp hoạt động: 5V (được cấp từ Arduino Board)

 Chip điều khiển Ethernet: W5100 (với 16KB buffer nội)

 Tốc độ ethernet: 10/100Mb

 Kết nối với Arduino thông qua cổng SPI

 Tích hợp khe cắm thẻ nhớ micro-SD để mở rộng bộ nhớ cho Arduino khi cầnKết nối với mạng internet để nhận tín hiệu từ webserver truyền về cho Arduino Unothông qua giao tiếp SPI

Hình 2-7: Ethernet Shield 2Kết nối với mạng internet để nhận tín hiệu từ webserver truyền về cho Arduino Uno thông qua giao tiếp SPI

2.3.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

Đặc tính kĩ thuật

Dòng sử dụng: 2.5 mA

Đo tốt ở độ ẩm 20 đến 80 %RH với sai số 5 %

Đo tốt ở nhiệt độ 0 đến 50 °C sai số ±2 °C

Tần số lấy mẫu 1 Hz

Sơ đồ kết nối với Arduino Uno

Bảng 2-2: Sơ đồ kết nối DHT11 với Arduino Uno

Hình 2-8 Relay 5VDCThông số kỉ thuật:

 Điện áp hoạt động: 5 VDC

 Dòng điện tiêu thụ: 200 mA

 Điện áp tải: 220 V

 Dòng tải: 10 A

CHƯƠNG 3.3.1 Giao diện wedserver

3.2 Mạch thực tế và mô hình mạch

3.3 Code wedserver

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN4.1 Kết luận

Sau khi hoàn thành đề tài “THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NHÀ THÔNGMINH” và hoàn thành theo đúng tiến độ và yêu cầu của đề tài Đề tài được thựchiện như sau:

Mạch nguồn được thiết kế chung với mạch để giúp giảm số lượng bus kết nốilàm giảm nhiễu cho mạch

Mạch relay sử dụng nguồn 5VDC chung với thiết kế của mạch chứ không dùngnguồn 12VDC như các mạch khác, giúp làm giảm phần thiết kế mạch nguồn riêngdành cho relay

Hệ thống cảm biến gửi tín hiệu về wedserver để giúp người dùng biết được cácthông số của môi trường và đưa ra các quyết định để điều khiển thiết bị như máylạnh , quạt.

Đề tài chỉ làm một phần nhỏ là điều khiển thiết bị, chưa đạt tới mục đích nhàthông minh do vấn đề thời gian thực hiện và thời gian nghiên cứu có hạn

Nhận xét còn chưa hoàn thiện về yêu cầu đặt ra cho đề tài nhà thông minh

Mở rộng giao diện wed, phân cấp quyền cho những IP truy cập vào wedserver

để hạn chế truy cập không mong muốn của người lạ

Tịch hợp thêm điều khiển qua RF hoặc Bluetooth

TÀI LIỆU THAM KHẢO

NGUỒN HÌNH ẢNH

[1] Hình ảnh lấy từ https://www.arduino.cc/

[2] Hình ảnh lấy từ http://www.zentoolworks.com/ [3] Hình ảnh lấy từ http://www.hshop.com

[4] Hình ảnh lấy từ https://www.arduino.vn