XÂY DỰNG GIẢI PHÁP AN TOÀN và AN NINH CHO NGÔI NHÀ THEO HƯỚNG IOT (có code)

XÂY DỰNG GIẢI PHÁP AN TOÀN và AN NINH CHO NGÔI NHÀ THEO HƯỚNG IOT (có code) XÂY DỰNG GIẢI PHÁP AN TOÀN và AN NINH CHO NGÔI NHÀ THEO HƯỚNG IOT (có code) XÂY DỰNG GIẢI PHÁP AN TOÀN và AN NINH CHO NGÔI NHÀ THEO HƯỚNG IOT (có code) XÂY DỰNG GIẢI PHÁP AN TOÀN và AN NINH CHO NGÔI NHÀ THEO HƯỚNG IOT (có code) XÂY DỰNG GIẢI PHÁP AN TOÀN và AN NINH CHO NGÔI NHÀ THEO HƯỚNG IOT (có code)

XÂY DỰNG GIẢI PHÁP AN TOÀN VÀ

AN NINH CHO NGÔI NHÀ THEO

HƯỚNG IOT

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 TÌNH HÌNH THỰC TẾ VÀ NGHIÊN CỨU 1

1.3 MỤC TIÊU 2

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO VÀ NGĂN CHẶN VỚI CÁC CẢM BIẾN VÀ PIC 3

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI 3

2.2 PIC 16F877A 4

2.3 CÁC CẢM BIẾN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 6

2.3.1 Cảm biến chuyển động PIR 6

2.3.2 Cảm biến khí gas và khói MQ2 9

2.3.3 Cảm biến nhiệt độ Dellas 18b20 (DS18B20) 10

2.4 SIM800A 12

2.4.1 Giới thiệu Module SIM800A 12

2.4.2 Đặc điểm của module SIM800A 13

2.5 MẠCH THU PHÁT WIFI ESP8266 V1 16

2.5.1 Giới thiệu ESP8266 V1 16

2.5.2 Các đặc điểm của Module ESP8266 V1 16

2.6 MODULE GPS 19

2.6.1 Giới thiệu Module GSM/GPS SIM808 19

2.6.2 Đặc điểm của module GPS 20

2.7 CAMERA GIÁM SÁT 22

2.7.1 Camera IP 22

2.7.2 Phần mềm quan sát Yoosee 24

2.8 KẾT QUẢ MÔ HÌNH 25

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH GIẢI THUẬT HỆ THỐNG (LẬP TRÌNH PIC) 27

3.1 KẾT NỐI CHUNG 27

3.2 KẾT NỐI PIC VÀ CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG 28

3.5 KẾT NỐI PIC VÀ SIM800A 31

3.6 KẾT NỐI PIC VÀ GPS SIM808 32

3.7 KẾT QUẢ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 33

CHƯƠNG 4 GIAO DIỆN WEBSITE 34

4.1 THIẾT KẾ GIAO DIỆN WEBSITESITE 34

4.1.1 HTML 34

4.1.2 PHP 35

4.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 35

4.3 KẾT QUẢ PHẦN MỀM 36

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 37

5.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 37

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

PHỤ LỤC 39

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Hệ thống được xây dựng mục đích để góp phần giải quyết một trong những vấn đề

an ninh, an toàn trong đời sống hiện nay Một số vấn đề được quan tâm như trộm cắp,hỏa hoạn, rò rỉ khí gas gây nhiều thiệt hại lớn về người và của

Hiện nay các thiết bị tiên tiến với công nghệ hiện đại được nghiên cứu phát triểnkhông ngừng để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng Nhà thông minh được trang bịnhiều hệ thống tự động, tiên tiến như hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, cửa,các thiết bị cảnh báo, chống trộm và nhiều tính năng khác để phục vụ đời sống Một hệthống an toàn, kết nối internet giúp người sử dụng có thể tự điều khiển mọi thiết bị chỉbằng điện thoại, máy tính

Hệ thống gồm thiết có tính năng cảnh báo khi có người đột nhập, báo động khi cócháy, rò rỉ khí gas và khi xảy ra sự cố được hệ thống tự động thực hiện qua điện thoại kếtnối chủ nhà Từ đó, người sử dụng có thể phòng tránh được những tai nạn đáng tiếc vàbảo vệ tài sản của mình

Ngôi nhà thông minh ngoài ra còn được thiết lập thêm hệ thống giám sát an ninhCamera giám sát Hệ thống Camera giám sát được bố trí để bao phủ mọi góc cạnh trong

và ngoài ngôi nhà, hoạt động liên tục quan sát ngày đêm 24/24 sẽ giúp người sử dụngtheo dõi mọi nơi thông qua qua điện thoại, Website phòng tránh được những mối nguyhiểm không biết trước

1.2 Tình hình thực tế và nghiên cứu

Hiện nay trong và ngoài nước vấn đề bảo vệ an toàn luôn được đặt lên hàng đầu đã

có những hệ thống bảo vệ tiên tiến được sản xuất và bán ra sử dụng cho các công trìnhlớn, hay nhà ở Có những hệ thống được thiết kế phức tạp với nhiều tính năng được sử

thực khả năng ứng dụng cao trong các ngôi nhà ở với các tính năng dễ dàng sử dụng Đã

có những công ty nước ngoài thành công trong việc nghiên cứu các thiết bị được sử dụngtrong các hệ thống bảo vệ an toàn Các thương hiệu tiêu biểu như hệ thống chống trộm,báo cháy của KONO, GE, Israel Visonic, Komax,…

Hướng nghiên cứu của các hệ thống này là vô cùng rộng nên vẫn còn đang đượcphát triển thêm bởi các kĩ sư điện, các công ty quy mô lớn để đáp ứng nhu cầu ngày càngtăng cao trong đời sống, tạo ra các thiết bị ngày càng hiện đại, tiện ích hơn

1.3 Mục tiêu

Đề tài này thực hiện nghiên cứu xây dựng giải pháp an toàn và an ninh cho ngôinhà theo hướng IoT Hệ thống gồm hai phần chính như sau:

- Thiết lập hệ thống an toàn và an ninh cho nhà thông minh:

+ Tự động hóa với các cảm biến: cảm biến nhiệt độ, khói, khí ga, cảm biếnchuyển động

+ Hiện đại hóa với hệ thống Camera giám sát

+ Hệ thống điều khiển tự động báo động và giám sát khi có cháy, rò rỉ khí ga, điềukhiển tắt mở điện, đóng mở cửa Điều khiển tắt mở đèn, chuông khi có người độtnhập

+ Gắn định vị GPS trên những vật có giá trị cao để theo dõi (xe hơi, két sắt )

- Xây dựng hệ thống cảnh báo từ xa: thông qua Website (kết hợp module SIM)+ Hiển thị tình trang ngôi nhà (kết hợp video từ camera giám sát)

+ Kết nối cảnh báo khẩn cấp với điện thoại chủ nhà, hệ thống của cảnh sát/cứu hộ + Theo dõi vị trí các vật bị đánh cắp

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO VÀ NGĂN CHẶN

VỚI CÁC CẢM BIẾN VÀ PIC

2.1 Sơ đồ khối

Sơ đồ khối hệ thống gồm 3 khối chính: Khối cảm biến, khối điều khiển, khối cảnhbáo, quan sát

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống

Chức năng của từng khối:

Khốicảnh báo

Khối cảmbiến nhiệtđộ

Khốiđiềukhiển

Khối cảmbiến gas,

Điệnthoại

ModuleSim800A

Khối cảmbiếnchuyểnđộng

WebsiteESP8266

- Khối cảm biến chuyển động: Cảm biến hồng ngoại cảm biến được thân nhiệtngười chuyển động, khi phát hiện chuyển động thì cảm biến truyền tín hiệu đến khối xử

lý trung tâm, khối xử lý kích hoạt báo động loa, đèn,

- Khối cảm biến nhiệt: Cảm biến được sự thay đổi nhiệt độ của môi trường, gửi dữliệu đến khối xử lý trung tâm, khối xử lý điều khiển thiết bị cảnh báo như loa,

- Khối cảm biến gas, khói: Cảm biến được các chất khí trong môi trường, khi môitrường thay đổi, xuất hiện khí gas, khói thì thông tin được truyền đến khối xử lý, khối xử

lý điều khiển cảnh báo loa, đèn

- Khối xử lý trung tâm: Đây là bộ phận quan trọng nhất của cả hệ thống, có chứcnăng nhận dữ liệu và điều khiển các thiết bị với chương trình được lập trình sẵn theo nhucầu sử dụng của người sử dụng

- Khối cảnh báo: Khi các cảm biến gửi dữ liệu về cho khối xử lý, các tín hiệu đượcđọc và khối xử lý kích mở các chức năng cảnh báo như loa, đèn,

- Sim800A: Khối xử lý truyền thông tin đến Sim800 và điều khiển gửi dữ liệu đếnđiện thoại qua SMS Thông qua sự kết nối này người dùng có thể biết được tình trạnghoạt động của các thiết bị dù đang ở bất cứ nơi đâu

- Kết nối IoT: Ứng dụng thông minh của hệ thống là có thể gửi dữ liệu lênWebsite và có thể quan sát, điều khiển bất cứ nơi đâu thông qua website PIC16F877Akết nối với ESP8266 và truyền dữ liệu lên Website thông qua mạng wifi

- Camera giám sát: Các Camera an ninh kết nối Internet cho phép các chủ nhà cóthể quan sát tình trạng ngôi nhà mọi lúc mọi nơi

2.2 PIC 16F877A

Sơ đồ chân PIC 16F877A được thể hiện trong hình 2.2 và hình 2.3.

Hình 2.2: Sơ đồ chân [1]

PIC 168F77A thuộc họ vi điều khiển, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụngnghiên cứu đồ án, khoa học Một số Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20MHz với mộtchu kì lệnh là 200ns PIC kết nối với máy tính qua mạch nạp PICKIT2, sử dụng các phầnmềm nạp code như Mplap, CCS, Pickit2,

Hình 2.3: PIC16F877A [3]

Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

- Timer0: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

- Timer1: Bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựavào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

- Timer2: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

Một số thông số kỹ thuật của PIC16F877A được mô tả trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của PIC16F877A [3]

Nguồn cấp 5V

Các port điều khiển A, B, C, D, E

Khối chuyển đổi tín hiệu ADC 10 bits

Khối truyền dữ liệu đồng bộ MSSP cho SPI và I2C

Các port điều khiển A, B, C, D, E

Bộ nhớ dữ liệu EEPROM 256×8 byte

2.3 Các cảm biến được sử dụng trong hệ thống

2.3.1 Cảm biến chuyển động PIR

Cảm biến thân nhiệt PIR có thể cảm biến được các tia hồng ngoại phát ra từ cácvật thể sống Để phát hiện ra các tia nhiệt này, người ta dùng tế bào điện để chuyển đổitia nhiệt ra tín hiệu điện và tạo ra cảm biến phát hiện thân nhiệt

Hình dáng và cấu tạo của cảm biến chuyển động PIR được mô tả qua hình 2.4 vàhình 2.5

Hình 2.4: Cảm biến PIR [2]

Cảm biến PIR là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát làm nguồn tíchcực, hay chủ động mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn nhiệt do cơ thể sống phát ra Cảm

biến PIR được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị chống trộm do hoạt động đơn giản, dễ

sử dụng, khả năng cảm biến nhanh nhạy

Hình 2.5: Sơ đồ hoạt động cảm biến PIR [2]

Hoạt động của cảm biến được thể hiện trong hình 2.5 Đầu dò PIR bên trong gắn 2cảm biến tia nhiệt, có góc dò lớn 120o, có 3 chân ra: chân nối đất, chân nối Vcc, chân tínhiệu ra

Hình 2.6: Một số vị trí lắp đặt trong nhà [2]

Để có thể đảm bảo mọi nơi trong ngôi nhà đều được giám sát, góc lắp đặt cần chọnmodule cảm biến phù hợp Ví dụ có thể lắp đặt tại các vị trí như hình 2.6 cho một căn

phòng có gác nhỏ Một số thông số kỹ thuật của cảm biến chuyển động PIR được mô tảtrong bảng 2.2.

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật cảm biến chuyển động PIR [2]

Thông số kỹ thuật

Điện áp đầu ra

High 3.3VLow 0V

để tăng vùng kiểm soát, dễ dàng phát hiện khi có người đột nhập

2.3.2 Cảm biến khí gas và khói MQ2

MQ2 là module cảm biến có chức năng phát hiện các loại khí và khói Chúngđược sử dụng trong thiết bị phát hiện rò rỉ khí trong gia đình và công nghiệp, phù hợp choviệc phát hiện nhiều loại khí như : Iso Butan ( C4H10 ), Propan (C3H8), Mêtan (CH4),rượu (ROH), Hydrogen và LPG (hỗn hợp hydrocarbon nhẹ, ở thể khí) MQ2 cũng pháthiện được khói

Hình dáng và cấu tạo của module cảm biến MQ2 được mô tả trong hình 2.7 vàhình 2.8.

- Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra tăngkhi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao

- Nồng độ khói, khí càng lớn thì điện áp được đưa đến LM358 càng lớn Điện ápđược tham chiếu với ngưỡng điện áp được cài đặt Dựa vào việc điều chỉnh biến trở đểthay đổi điện áp tham chiếu của LM358 chúng ta có thể điều chỉnh độ nhạy của MQ2

- Tín hiệu analog được nhận từ cảm biến sẽ được biến đổi thành tín hiệu digital và

so sánh với mức điện áp ngưỡng để xuất tín hiệu cảnh báo

2.3.3 Cảm biến nhiệt độ Dellas 18b20 (DS18B20)

Cảm biến nhiệt độ Dellas 18b20 có chức năng cảnh báo nhiệt khi nhiệt độ vượtngưỡng cho phép Người dùng có thể lập trình chức năng này cho DS18B20 Bộ nhớnhiệt độ cảnh báo không bị mất khi mất nguồn

Hình dáng của cảm biến nhiệt độ DS18B20 được mô tả trong hình 2.9 Một sốthông số kỹ thuật đặc trưng của cảm biến được mô tả trong bảng 2.3

Hình 2.9: Cảm biến nhiệt độ Dellas 18b20 [2]

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ Dellas 18b20 [2]

Thông số kỹ thuật

Cảm biến nhiệt độ với tín hiệu đầu vào analog và được biến đổi thành tín hiệudigital qua khối ADC có trong vi xử lý PIC và so sánh với mức điện áp ngưỡng để xácđịnh nhiệt độ vượt mức và điều khiển thiết bị đèn, loa.

2.4 SIM800A

2.4.1 Giới thiệu Module SIM800A

Module SIM800A là module GSM/GPRS được thiết kế dưới dạng module chipset,nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động ổn định và phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng.Module SIM800A hỗ trợ các tính năng như gọi điện thoại, nhắn tin, truy cập GPRS,

SIM800A được sử dụng để nhận biết trạng thái, điều khiển các thiết bị trong nhàthông qua SMS, gọi điện Module SIM800A được lập trình đơn giản thông qua tập lệnhAT

Module này được tích hợp các linh kiện kết nối cần thiết, tiện lợi cho người sửdụng để nghiên cứu, học tập hoặc làm demo trong các dự án có ứng dụng GSM/GPRS

Hình 2.10: Module Sim800A [1]

Hình 2.11: Sơ đồ chân của SIM800A [3]

2.4.2 Đặc điểm của module SIM800A

Thông số kỹ thuật của SIM800A được trình bày trong bảng 2.3

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật SIM800A [5]

Tích hợp

- Khe SIM kích thước chuẩn

- LED báo trạng thái SIM

- Tụ bù điện dung cao, diode giảm áp để có thể cấp 5VDC và nguồn dòng thấp

Dòng khi ở chế độ chờ 10mA

Dòng khi hoạt động 100mA – 2A

Module SIM800A được lặp trình qua các tập lệnh AT cơ bản được trình bày trongbảng 2.4.

AT&W<CR><LF> Lưu lại các lệnh đã cài đặt

Chức năng các chân của module được trình bày trong bảng 2.5 Khi kết nốimodule với vi điều khiển thì kết nối chân như hình 2.12 và hình 2.13

Bảng 2.5: Chức năng các chân của module [5]

Hình 2.13: Sơ đồ kết nối SIM800A [3]

2.5 Mạch thu phát wifi ESP8266 V1

2.5.1 Giới thiệu ESP8266 V1

ESP8266 V1 là một chip tích hợp cao, có khả năng xử lý và lưu trữ tốt ModuleESP8266 V1 cung cấp khả năng kết nối mạng Wifi đầy đủ và khép kín, nó có thể được sửdụng để tạo một Website đơn giản hoặc sử dụng như một điểm truy cập Access point

Module này là lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng IoT vì tính năng tiện ích, dễ

sử dụng bằng các tập lệnh AT đơn giản và giá thành hợp lý

2.5.2 Các đặc điểm của Module ESP8266 V1

Thông số kỹ thuật của Module ESP8266 V1 được trình bày trong bảng 2.6

Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật [5]

động Client, Access Point, Both Client and Access Point

Giao tiếp TCP và UDP

Chuẩn bảo

Chức năng các chân và sơ đồ kết nối của ESP8266 V1 được trình bày trong bảng 2.7

Bảng 2.7: Chức năng các chân [5]

URXD(RX) Dùng để nhận tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển

GPIO 0 Kéo xuống thấp cho chế độ upload bootloader

RST Chân reset cứng của module, kéo xuống mass để reset

GPIO 2 Thường được dùng như một cổng TX trong giao tiếp UART để

debug lỗi

CH_PD Kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và updating lại

module, nối với mức cao

UTXD (TX) Dùng để truyền tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều

khiểnDưới đây là hình sơ đồ các chân của module ESP8266 V1.

Hình 2.14: Sơ đồ các chân của ESP8266 V1 [5]

Sơ đồ kết nối chân của ESP8266 V1 với vi điều khiển được mô tả trong hình 2.15

Hình 2.15: Sơ đồ kết nối ESP8266 [6]

2.6 Module GPS

2.6.1 Giới thiệu Module GSM/GPS SIM808

Module SIM808 có tích hợp anten với kích thước nhỏ, giá thành phải chăng, độnhạy cao Mạch có thiết kế chắc chắn với vỏ sắt chống nhiễu, cho độ ổn định và bền

Điện áp đầu vào tùy theo hãng sản xuất mà module có thể cấp từ 5V – 12V Chân

TX, RX của module được nối với chân RX, TX của vi điều khiển Để module hoạt độngđược cần phải trang bị thêm Anten GSM và Anten GPS Tốc độ lấy dữ liệu GPS tùythuộc vào vị trí địa lý của nơi gắn module

Khi module SIM808 hoạt động sẽ trả về thời gian và kinh độ, vĩ độ của vị trí Đểbiết chính xác vị trí hiện tại chỉ cần tra tọa độ thông qua ứng dụng Google map

2.6.2 Đặc điểm của module GPS

Thông số kỹ thuật của Module GPS được trình bày trong bảng 2.7

Bảng 2.8: Thông số kỹ thuật của module GPS [7]

Cấu hình chân và kết nối:

- Nối RX, TX của module vào TX, RX của thiết bị cần giao tiếp

- Cấp nguồn vào VCC, để module hoạt động ổn định nên cấp nguồn có dòng lớnhơn 2A

- Tốc độ baud rate mặc định 9600

- Có thể sử dụng bộ tập lệnh cấu hình trong Datasheet để chỉnh các thông số

Hình 2.16: Module GSM/GPS SIM808 [7]

Hình 2.17: Sơ đồ kết nối chân với vi điều khiển [5]

Hình 2.18: Sơ đồ mô phỏng kết nối GPS [5]

2.7 Camera giám sát

Hệ thống Camera quan sát ngày càng được cải tiến với các chức năng giám sátngày lẫn đêm Camera được kết nối internet với tốc độ truyền tải hình ảnh nhanh chốngqua các thiết bị như laptop, điện thoại, Thiết bị ghi hình 24/24 giúp người sử dụng có thểquan sát mọi lúc, mọi nơi

Có hai loại Camera cơ bản là Camera analog và Camera IP Trong hệ thống giámsát này Camera được sử dụng là Camera IP

Hình 2.19: Hệ thống camera giám sát [2]

2.7.1 Camera IP

Camera IP là dòng camera quan sát qua mạng internet Tích hợp sẵn giao thứcinternet protocol Sử dụng hệ thống dây mạng để truyền tín hiệu hình ảnh Tiện lợi choviệc lắp đặt

Camera IP cho hình ảnh sắc nét hơn rất nhiều so với Analog Và có hỗ trợ nhiềutính năng nổi bật hơn