Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển nhà thông minh

[5] Nhà thông minh LUMI Việt Nam Nhà thông minh Lumi bao gồm các tính năng điều khiển hệ thống chiếu sáng, rèm cửa tự động, hẹn giờ bật tắt các thiết bị điện thông minh, kết nối không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ

THÔNG MINH

Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Văn Định

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Thắng

Mã số sinh viên : 56130205

Khánh Hòa, năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Khánh Hòa, tháng 7 năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Khoa: Cơ khí

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho CBHD và nộp cùng báo cáo ĐA/CĐTN của sinh viên)

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN VĂN ĐỊNH

Sinh viên được hướng dẫn: NGUYỄN VĂN THẮNG MSSV: 56130205

Khóa: K56 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Lần

1 05/04/2018 Nghiên cứu tổng quan

2 10/04/2018 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

3 15/04/2018 Đưa ra phương án thiết kế

4 15/05/2018 Chế tạo mô hình

Kiểm tra giữa tiến độ của Trưởng BM

Ngày kiểm tra:

………

Đánh giá công việc hoàn thành: ……… % Ký tên Được tiếp tục: ……… Không tiếp tục: ………

5 01/06/2018 Thử nghiệm và hiệu chỉnh 6 29/06/2018 Hoàn thiện báo cáo Nhận xét chung (sau khi sinh viên hoàn thành ĐA/CĐ): ………

……….………

……….………

……….………

……….………

Điểm hình thức:……/10 Điểm nội dung: /10 Điểm tổng kết:………/10

Đồng ý cho sinh viên: Được bảo vệ: Không được bảo vệ:

Khánh Hòa, ngày … tháng … năm 2018

Cán bộ hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC VIẾT TẮT viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 2

1.1 GIỚI THIỆU VỀ NHÀ THÔNG MINH 2

Nhà thông minh điều khiển bằng hệ thống mạng LAN 3

Nhà thông minh điều khiển bằng sóng RF hoặc sóng hồng ngoại 3

Nhà thông minh LUMI Việt Nam 4

Nhà thông minh Bkav SmartHome 5

Nhà thông minh điều khiển bằng sóng Bluetooth 6

1.2 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG NHÀ THÔNG MINH 6

Hệ thống điều khiển cố định 6

Hệ thống điều khiển từ xa 8

Hệ thống điều khiển tự động 10

Ứng dụng các phương pháp điều khiển vào hệ thống nhà thông minh 11

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 14

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14

2.2 YÊU CẦU HỆ THỐNG 14

Yêu cầu phần cứng 14

Yêu cêu phần mền 15

Kế thừa 15

2.3 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 15

Phương án 1 16

Phương án 2 19

2.4 CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ 22

Thiết kế cơ khí 22

Cơ khí chế tạo 26

Thiết kế mạch điều khiển 35

Thiết kế phần mềm điều khiển 52

Thiết kế phần đệm điều khiển 60

Hoàn thiện hệ thống 62

CHƯƠNG 3: KIỂM TRA VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG 64

3.1 KIỂM TRA HỆ THỐNG 64

Kiểm tra cơ khí mô hình 64

Kiểm tra điện hệ thống 66

3.2 THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG 70

Các kết quả thực nghiệm 70

Điều khiển bật/tắt các thiết bị điện bằng công tắc cơ 72

Điều khiển bật/tắt các thiết bị điện bằng công tắc cảm biến chạm công nghiệp 73 Điều khiển bật/tắt các thiết bị điện theo phương pháp mới 74

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 82

4.1 KẾT LUẬN 82

Cơ khí 82

Mạch điện 82

Điều khiển 83

4.2 ĐỀ XUẤT 83

Cơ khí 83

Mạch điện 83

Điều khiển 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 86

A Phần đệm Arduino 86

B Phần đệm ESP8266 98

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tổng quan về nhà thông minh 2

Hình 1.2 Điều khiển sử dụng mạng LAN 3

Hình 1.3 Trung tâm điều khiển BroadLink RM-Pro 3

Hình 1.4 Nhà thông minh LUMI Việt Nam 4

Hình 1.5 Sơ đồ kết nối của hệ thống 5

Hình 1.6 Điều khiển thiết bị thông qua sóng Bluetooth sử dụng Arduino 6

Hình 1.7 Công tắc cảm ứng chạm 6

Hình 1.8 Công tắc thẻ từ ES – TT05 7

Hình 1.9 Hệ thống điều khiển thông qua mạng internet 8

Hình 1.10 Bộ điều khiển từ xa có khoảng cách 8

Hình 1.11 Điều khiển từ xa bằng sóng Bluetooth 9

Hình 1.12 Điều khiển bằng sóng Wifi thông qua mạng lưới Internet 10

Hình 1.13 Nguyên lí hoạt động của công tắc cảm biến chuyển động 10

Hình 1.14 Hệ thống quản lý chiếu sáng hành lang 11

Hình 1.15 Hệ thống giám sát bằng SmartPhone 12

Hình 1.16 Hệ thống điều khiển điện 13

Hình 1.17 Hệ thống báo động, báo cháy thông minh 13

Hình 2.1 Thiết kế mô hình cơ khí 16

Hình 2.2 Xây dựng mô hình điều khiển bằng sóng RF 17

Hình 2.3 Công tắc cảm ứng công nghiệp 18

Hình 2.4 Mô hình thiết kế hệ thống điện mô phỏng 19

Hình 2.5 Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống 20

Hình 2.6 Module cảm ứng chạm và IC xử lý tín hiệu 21

Hình 2.7 Phần mền SolidWorks 2013 22

Hình 2.8 Bản thiết kế khung cơ khí 22

Hình 2.9 Bản thiết kế vị trí lắp đặt của đèn và bộ phận điều khiển 23

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý tủ điện 24

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện 25

Hình 2.12 Sơ đồ tổng thể mô hình 25

Hình 2.13 Sơ đồ thiết kế chi tiết khung cơ khí mô hình 32

Hình 2.14 Khung cơ khí thực tế 32

Hình 2.15 Sơ đồ lắp ráp Aluminium 33

Hình 2.16 Bảng điều khiển và bố trí thiết bị điện thực tế 33

Hình 2.17 Tủ điện thực tế 34

Hình 2.18 Mạng lưới hệ thống điện thực tế 34

Hình 2.19 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 35

Hình 2.20 Bộ thu RF và khối xử lý tín hiệu đầu ra 36

Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lí mạch phát RF 36

Hình 2.22 Nguyên lí của cảm biến chạm TTP223 37

Hình 2.23 Sơ đồ chân IC CD4013 37

Hình 2.24 Sơ đồ layout khối mạch thu và xử lí tín hiệu sóng RF 38

Hình 2.25 Mạch thu và xử lí tín hiệu 39

Hình 2.26 Bộ phát sóng RF và xử lý tín hiệu 40

Hình 2.27 Sơ đồ layout khối mạch phát và xử lí tín hiệu sóng RF 41

Hình 2.28 Mạch điều khiển phát sóng RF 42

Hình 2.29 Board mạch Arduini UNO 42

Hình 2.30 Sơ đồ nguyên lý module phát RF PT2262 45

Hình 2.31 sơ đồ nguyên lý module thu RF PT2272 47

Hình 2.32 Module bluetooth HC-06 48

Hình 2.33 Sơ đồ chân của Module HC06 49

Hình 2.34 sơ đồ chân DS1307 50

Hình 2.35 Sơ đồ nguyên lí bộ định thời RTC-DS1307 50

Hình 2.36 Lưu đồ thuật toán phần mềm điều khiển 52

Hình 2.37 Icon APP MIT INVENTOR 52

Hình 2.38 Giao diện phần mềm khi đăng nhập 53

Hình 2.39 Các thành phần thao tác trên giao diện phần mềm 53

Hình 2.40 Connectivity Bluetooth 54

Hình 2.41 Tạo button và chỉnh thuộc tính 54

Hình 2.42 Hoàn thiện phần giao diện thiết kế 55

Hình 2.43 Giao diện viết Code điều khiển 55

Hình 2.44 Lưu đồ thuật toán Connect/Disconnect 56

Hình 2.45 Code Connect/Disconnect 57

Hình 2.46 Code button điều khiển hệ thống 57

Hình 2.47 Code button chức năng 58

Hình 2.48 Xuất code mã QR APP và cài đặt lên smartphone 58

Hình 2.49 Giao diện App điều khiển trên SmartPhone 59

Hình 2.50 Lưu đồ thuật toán ESP8266 60

Hình 2.51 Lưu đồ thuật toán chương trình chính rút gọn 61

Hình 2.52 Kết nối phần điều khiển với hệ thống điện 62

Hình 2.53 Lắp đặt công tắc cảm ứng vào hệ thống điện 62

Hình 2.54 Lắp đặt tủ điện vào mô hình 63

Hình 3.1 Kiểm tra cơ khí mô hình 64

Hình 3.2 Kiểm tra việc lắp đặt các thiết bị và hộp điều khiển vào hệ thống điện 65

Hình 3.3 Kiểm tra việc lắp đặt tủ điện và hệ thống 65

Hình 3.4 Kiểm tra nguồn tủ điện 67

Hình 3.5 Kiểm tra thiết bị chiếu sáng 68

Hình 3.6 Kiểm tra nguồn module và cảm biến 69

Hình 3.7 Kiểm tra nguồn vào của mạch phát tín hiệu và ESP8266 69

Hình 3.8 Điều khiển bật/tắt thiết bị bằng công tắc cơ 72

Hình 3.9 Điều khiển bật/tắt thiết bị bằng công tắc cảm ứng công nghiệp 73

Hình 3.10 Điều khiển bật/tắt thiết bị bằng công tắc cảm ứng 74

Hình 3.11 : Giao diện điều khiển tất cả thiết bị điện của hệ thống 75

Hình 3.12 Giao diện điều khiển tắt và trạng thái từng thiết bị 76

Hình 3.13 Giao diện điều khiển bật và trạng thái của tất cả thiết bị 76

Hình 3.14 Thiết lập hẹn giờ bật/tắt thiết bị trên giao diện điều khiển bằng wifi 77

Hình 3.15 Giao diện trước và sau kết nối bluetooth 78

Hình 3.16 Chuyển giao diện điều khiển bằng bluetooth 78

Hình 3.17 Giao diện điều khiển Bluetooth và trạng thái tắt thiết bị 79

Hình 3.18 Thiết lập hẹn giờ bật/tắt thiết bị trên giao diện bluetooth 79

Hình 3.19 Nút start/stop để khởi động và dừng hệ thống 80

Hình 3.20 Nút dừng khẩn cấp 81

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Danh sách các thiết bị và dụng cụ chế tạo mô hình 26

Bảng 2.2 Chức năng cơ bản của 1 flip-flop 38

Bảng 2.3 Danh sách linh kiện khối mạch thu và xử lý tín hiệu của cả hệ thống 39

Bảng 2.4 Danh sách linh kiện mạch điều khiển trung tâm MCU 41

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật Arduino 43

Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của Module HC – 06 49

Bảng 2.7 Bảng giá trị chức năng của các mã truyền của App Bluetooth 56

Bảng 3.1 Kiểm tra chi tiết hệ thống điện 66

Bảng 3.2 Phương thức giao tiếp wifi 70

Bảng 3.3 Phương thức giao tiếp bluetooth 70

Bảng 3.4 Thực nghiệm khoảng cách truyền nhận sóng RF 71

Bảng 3.5 Thực nghiệm công tắc cảm ứng 71

DANH MỤC VIẾT TẮT

1 IC: Integrated Circuit

2 CB: Circuit Breaker

LỜI MỞ ĐẦU

Cơ điện tử được nhận định là ngành học không bao giờ lỗi thời và có tầm quan trọng trong sự nghiệp phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước Ngày nay với những ứng dụng của khoa học kĩ thuật tiên tiến, thế giới chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiên đại hơn Sự phát triển của kĩ thuật cơ điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu

tố rất cần thiết cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao Cơ điện tử đang trở thành một ngành công nghiệp đa nhiệm vụ Cơ điện tử đã đáp ứng những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công nông lâm ngư nghiệp cho đến các nhu cầu thiết bị trong đời sống hàng ngày

Một trong những ứng dụng quan trọng trong công nghệ cơ điện tử là kỹ thuật điều khiển từ xa Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa hay những thiết

bị mà con người không thể trực tiếp chạm vào để vận hành điều khiển Xuất phát từ ứng

dụng trên em đã quyết định “Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển nhà thông minh”

Mục tiêu nghiên cứu: Thay thế các bảng điện bằng cơ trong nhà thành bảng có thể

điều khiển được

Đối tượng nghiên cứu: Điều khiển sóng RF qua Blutooth, mạng wifi hoặc SMS, thay

công tắc cơ thành công tắc cảm ứng

Phạm vi nghiên cứu: Sóng RF, Blutooth, Wifi, SMS, các bảng điện trong nhà

Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS Nguyễn Văn Định đã tận tình hướng dẫn em

hoàn thành đề tài này Tuy đề tài đã được hoàn thành nhưng còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô để đề tài hoàn thiện hơn nữa Xin cảm ơn toàn thể quý thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử đã hết lòng chỉ bảo và truyền đạt cho em những kiến thức vô cùng quý báu, tạo điều kiện để em hoàn thành khóa học

Em chân thành cảm ơn !

SINH VIÊN THỰC HIỆN

NGUYỄN VĂN THẮNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH

1.1 GIỚI THIỆU VỀ NHÀ THÔNG MINH

Trong các ngôi nhà hiện đại ngày nay, số lượng trang thiết bị điện, điện tử đang không ngừng tăng Tuy nhiên, do khác nhau về kiến trúc, việc điều khiển các thiết bị đôi khi bất cập Thêm vào đó điều khiển các thiết bị một cách thủ công với khoảng các địa lý lớn không

dễ Vì vậy, việc áp dụng công nghệ điều khiển tự động nhằm giải quyết tương tác giữa môi trường và các thiết bị trong nhà cách linh hoạt, dễ dàng là điều tất yếu, khái niệm nhà thông minh ra đời [1]

Nhà thông minh hiểu đơn giản là ngôi nhà mà các thiết bị gia dụng trong nó như: Hệ thống sáng, sưởi ấm, máy lạnh, TV, camera an ninh,…có khả năng tự động hóa và giao tiếp với nhau theo lịch trình hay kịch bản định sẵn Nguyên lý hoạt động của các hệ thống điều khiển tự động chung, hệ thống nhà thông minh nói riêng tập trung chủ yếu vào việc giải quyết tương tác giữa hệ thống với môi trường Thông qua các cảm biến các tín hiệu được thu nhận, các tín hiệu này sẽ được lưu trữ, xử lí và tùy theo yêu cầu của từng điều kiện đặt

ra mà điều khiển các thiết bị theo mục đích cụ thể Hiện nay, có rất nhiều ngôi nhà thông minh sử dụng các cách điều khiển khác nhau [5]

Hình 1.1 Tổng quan về nhà thông minh

Nhà thông minh điều khiển bằng hệ thống mạng LAN

Công nghệ Internet of Things (IoT) đang trở lên phổ biến, hàng tỷ thiết bị được kết nối chung với nhau bằng internet Với IoT mỗi đồ vật, thiết bị, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, 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 Bên cạnh đó, IoT có thể triển khai một mạng lưới các thực thể thông minh, có khả năng tự tổ chức và hoạt động tùy theo tình huống, môi trường, đồng thời chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thông tin, dữ liệu Với khả năng định danh cao, số lượng các thực thể trong hệ thống được định danh chính xác, duy nhất, đảm bảo tốt khả năng quản lý, điều khiển của hệ thống Nhưng với cách điều khiển này thì tốn kinh phí

và phụ thuộc vào đường truyền của chất lượng mạng LAN [2]

Nhà thông minh điều khiển bằng sóng RF hoặc sóng hồng ngoại

Hình 1.2 Điều khiển sử dụng mạng LAN

Hình 1.3 Trung tâm điều khiển BroadLink RM-Pro

Trung tâm điều khiển nhà thông minh Broadlink RM-Pro có khả năng điều khiển mọi thiết bị trong gia đình, với khả năng học lệnh từ các remote hồng ngoại của TV, điều hòa, set-top box, HD player, quạt,… đến các remote sóng radio điều khiển cửa cuốn, rèm

tự động Với trung tâm điều khiển Broadlink RM-Pro kết hợp với các thiết bị thích hợp như

ổ cắm, công tắc điều khiển từ xa, gần như không hạn chế, thiết bị này có khả năng điều khiển toàn bộ các thiết bị điện trong nhà bạn Hơn thế nữa, hoàn toàn có thể thiết lập theo kịch bản bật-tắt các thiết bị trong nhà Trung tâm nhà thông minh Broadlink RM-Pro là trung tâm điều khiển ngang hàng, có nghĩa là có thể dùng nhiều thiết bị RM-Pro trong 1 căn nhà mà việc lắp đặt vẫn rất dễ dàng, đây là 1 thiết bị mạnh mẽ và ổn định, hỗ trợ các thiết bị sóng hồng ngoại IR 38khz (TV, điều hòa, quạt,…) hoặc radio RF 315/433Mhz (công tắc đèn, rèm cửa…) [5]

Nhà thông minh LUMI Việt Nam

Nhà thông minh Lumi bao gồm các tính năng điều khiển hệ thống chiếu sáng, rèm cửa

tự động, hẹn giờ bật tắt các thiết bị điện thông minh, kết nối không dây tới thiết bị di động, cảm biến phát hiện chuyển động, cảm biến môi trường, cảm biến phát hiện đóng mở cửa, cảm biến hồng ngoại, hệ thống ấm thanh đa vùng, tích hợp camera quan sát, ổ cắm thông

minh Từ đó hình thành các hệ thống thông minh sau: [5]

- Hệ thống chiếu sáng thông minh

- Hệ thông rèm cửa tự động

- Hệ thống điều hòa không khí

- Chủ động điều khiển bình nóng lạnh

- An toàn tuyệt đối với hệ thống an ninh 24/7

Hình 1.4 Nhà thông minh LUMI Việt Nam

Nhà thông minh Bkav SmartHome

Nhà thông minh Bkav Smarthome kết nối tất cả các thiết bị trong ngôi nhà thành một

hệ thống mạng, để có thể điều khiển chúng theo các kịch bản thông minh, bao gồm: hệ thống đèn chiếu sáng, rèm cửa, điều hòa nhiệt độ, ti vi, giàn âm thanh, bình nóng lạnh, quạt thông gió, máy hút ẩm, cảm biến môi trường, chuông cửa có hình, camera an ninh, hàng rào điện tử, cảnh báo rò rỉ khí gas, thiết bị báo cháy, hệ thống tưới nước sân vườn,…Với các đặc điểm nổi bật: [5]

- An toàn với hệ thống an ninh thông minh

Hình 1.5 Sơ đồ kết nối của hệ thống

Nhà thông minh điều khiển bằng sóng Bluetooth

Công nghệ Bluetooth phổ biến trên nhiều thiết bị, đặc biệt điểm mới của đề tài so với

các sản phẩm hiện có là điều khiển thông qua hệ điều hành Android giúp tận dụng những

thiết bị sử dụng hệ điều hành Android có sẵn của người dùng giúp giảm giá thành sản phẩm, ngoài ra với màn hình hiển thị lớn của điện thoại cho phép hiển thị nhiều thông tin hơn Cách điều khiển này được dùng phổ biến và có giá thành thấp vì hiện tại hệ thống điện thoại thông minh (Smartphone) đa phần đều chạy trên nền tảng Android nên thuận tiện cho việc thiết kế cũng như sử dụng [4]

1.2 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG NHÀ THÔNG MINH

Hệ thống điều khiển cố định

 Công tắc cảm ứng

Hình 1.6 Điều khiển thiết bị thông qua sóng Bluetooth sử dụng Arduino

Hình 1.7 Công tắc cảm ứng chạm

- Công nghệ điện dung được sử dụng trên tất cả các công tắc điện cảm ứng chạm Các công tắc điện thông minh này mang lại cho người sử dụng rất nhiều những trải nghiệm thú vị với những cách sử dụng thông thường như bật tắt điện, đóng mở rèm cửa sổ, đóng mở cửa cuốn, bật tắt quạt,…

- Với cấu tạo mỏng manh, âm tường, dễ dàng sử dụng bằng những thao tác bật tắt thông thường hoặc điều khiển từ xa bằng các thiết bị smartphone, tablet những chiếc công tắc cảm ứng chạm trở thành những đồ vật trang trí cho những ngôi nhà thông minh hiện nay

- Giúp tiết kiệm điện năng hiệu quả, người dùng không phải bận tâm về việc lãng phí điện năng từ việc quên tắt đèn khi ra khỏi phòng Theo số liệu thống kê, với thiết bị công tắc cảm ứng, công tắc điều khiển từ xa này, điện năng có thể được tiết kiệm từ 15% và lên tới 25%, tùy đặc trưng hộ gia đình [3]

 Công tắc thẻ từ

Ngoài việc đem lại sự sang trọng còn đem lại lại sự tiện lợi và tiết kiệm cho các hệ thống nhà thông minh Đơn giản với chiếc thẻ từ có thể bật tắt toàn bộ điện trong căn phòng và không cần quá nhiều loại công tắc lắp đặt trong phòng Khi con người không có trong phòng mọi thiết bị điện đều được tắt và ngắt điện toàn bộ, giúp hệ thống không bị lãng phí quá nhiều điện năng [6]

Hình 1.8 Công tắc thẻ từ ES – TT05

sử dụng

1.2.2.1 Bộ điều khiển từ xa có khoảng cách

 Sóng RF

Hình 1.9 Hệ thống điều khiển thông qua mạng internet

Hình 1.10 Bộ điều khiển từ xa có khoảng cách

Với bộ điều khiển này thì người sử dụng có thể không cần đi lại hay di chuyển đến thiết

bị cần điều khiển nhưng chỉ cần dùng tay bấm các nút lệnh trên remote là đã ra lệnh cho các thiết bị theo ý muốn Tuy vậy, hạn chế của nó chính là giới hạn về khoảng cách đôi khi có thể là trong phòng, xa hơn là ngoài phòng và rộng hơn là khuôn viên ngôi nhà Tầm hoạt động cho phép của remote từ 50 - 100m với tần số 315MHz [1]

 Sóng Bluetooth

Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s Bluetooth hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m–100 m Khác với kết nối hồng ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4 GHz [3]

Hình 1.11 Điều khiển từ xa bằng sóng Bluetooth

1.2.2.2 Bộ điều khiển từ xa không khoảng cách

Với hệ thống này các thiết bị được điều khiển không bị giới hạn bởi khoảng cách, bởi một cấu trúc mạng lưới internet đã đăng ký Các bộ phận được kết nối với nhau và để hiểu được nhau thì có một bộ phận trung gian giao tiếp giữa các thiết bị Nó đóng vai trò là

bộ phận thu nhận tín hiệu từ đối tượng điều khiển và đối tượng bị điều khiển, tốc độ xử lý nhanh hay chậm của nó phụ thuộc vào tốc độ nhà mạng [2]

Hệ thống điều khiển tự động

Có rất nhiều phương pháp điều khiển tự động cho các hệ thống như: cửa, rèm cửa, chiếu sáng, điều hòa không khí Thông thường, thường dùng các loại cảm biến cũng như các loại module thời gian để tự động hóa các hệ thống đó

Từ đó con người chế tạo ra các loại thiết bị như công tắc cảm biến, module cảm biến

để phục vụ cho tự động hóa cho các thiết bị điện trong hệ thống nhà thông minh Mặt khác

để thuận lợi cho việc lắp đặt và sử dụng thì các thiết bị như công tắc cảm biến được thiết

kế một cách hợp lí và phù hợp với từng vị trí sử dụng trong ngôi nhà: đèn cầu thang, hành lang, nhà vệ sinh, nhà kho, nhà để xe, phòng làm việc,…

Hình 1.12 Điều khiển bằng sóng Wifi thông qua mạng lưới Internet

Hình 1.13 Nguyên lí hoạt động của công tắc cảm biến chuyển động

Ứng dụng các phương pháp điều khiển vào hệ thống nhà thông minh

 Hệ thống chiếu sáng thông minh

Ánh sáng là một trong những thành phần quan trọng nhất của ngôi nhà Ngày nay, mọi người đều giành phần lớn thời gian của mình ở nhà vào buổi tối Bởi vậy, ánh sáng phù hợp với tâm trạng và bối cảnh là một yếu tố quan trọng tạo nên sự hài hòa trong ngôi nhà Nếu trong phòng có nhiều thiết bị chiếu sáng, được cài đặt điện theo cách thông thường sẽ trở nên vô cùng phức tạp Phải tự tay đi bật từng đèn hay điều chỉnh chỉnh từng đèn Nhưng với giải pháp điều khiển thông minh chẳng hạn: bật/tắt hay tăng giảm độ sáng tự động thì điều đó sẽ không gây bất cứ một khó khăn nào Ngược lại, hệ thống đem lại sự tiện lợi vô cùng hữu ích giúp cho người sử dụng không mất thời gian, chi phí, hiệu quả sử dụng Đối với những nơi trong ngôi nhà không sử dụng thường xuyên như hành lang, toilet

Có thể cài đặt thiết bị phát hiện chuyển động hay thân nhiệt Mục đích chủ yếu là chỉ bật/tắt đèn hoặc bật ánh yếu tại một nơi cụ thể Tại hành lang thiết lập hai vùng sáng là điều nên làm.Ví dụ: Ánh sáng sẽ được giảm khi không có ai ở đó và khi có người đi qua thì ánh sáng

sẽ được tăng độ sáng tối đa Điều này giúp tiết kiệm được chi phí năng lượng rất lớn

Các thiết bị chiếu sáng được kết nối với nhau và được điểu khiển thông qua hệ thống thông minh được lập trình sẵn Các thiết bị điều khiển dễ gần như điện thoại, máy tính là một trong những thiết bị hàng đầu được dùng để điều khiển hệ thống thông minh này.Tuy nhiên, nếu việc không điều khiển bằng các thiết bị từ xa như vậy hệ thống thông minh vẫn trang bị tự động kích hoạt bằng các cảm biến, các IC đã được kích hoạt tự động trực tiếp để phù hợp với đối tượng sử dụng

Hình 1.14 Hệ thống quản lý chiếu sáng hành lang

 Hệ thống giám sát bằng SmartPhone

Trong trường hợp, mọi người trong gia đình đều vắng nhà, nhưng quên tắt một số thiết

bị chiếu sáng do quá vội, thì hệ thống sẽ báo lên bộ phận điều khiển điện thoại hoặc máy tính thiết bị nào đang được bật hoặc tắt và chỉ cần nút nhấn là có thể giải quyết việc lãng phí năng lượng ấy mà không cần mất thời gian hay sợ dẫn đến một số thiệt hại về tài sản

 Hệ thống quản lý cấp điện, nước

Điện là nguồn năng lượng để duy trì hoạt động tất cả các thiết bị trong ngôi nhà Nếu điện lưới hoạt động bình thường thì không sao nhưng nếu xảy ra các sự cố chập điện, cháy

nổ, thì sẽ rất nguy hiểm cho các thiết bị và hơn hết là tính mạng con người vì thế hệ thống quản lý điện luôn là vấn đề cấp thiết nhất Hệ thống là một chuỗi các thiết bị động ngắt được mắc có khoa học nhằm đảm bảo có thể cung cấp điện khi có hoặc mất điện hơn hết là việc

xảy ra các sự cố cháy nổ, thì hệ thống vẫn đảm bảo sự an toàn cho ngôi nhà

Hình 1.15 Hệ thống giám sát bằng SmartPhone

 Hệ thống báo động, báo cháy

Một hệ thống được tích hợp một cách thông minh với các cảm biến phát hiện như: báo cháy, báo xì ga, phát hiện vượt rào, báo vỡ kiếng, phát hiện chuyển động, phát hiện mở cửa,

dò chấn động, Và được báo động trực tiếp hoặc gửi đến điện thoại người sử dụng để báo

sự cố Với các lý do bất kỳ có thể xâm phạm đến sự an toàn của ngôi nhà thì hệ thống đã đưa ra các trường hợp và tính toán xử lý, lắp đặt hệ thống một cách khoa học

Hình 1.16 Hệ thống điều khiển điện

Hình 1.17 Hệ thống báo động, báo cháy thông minh

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài được nghiên cứu theo phương pháp kế thừa và thực nghiệm, phù hợp với yêu cầu thực tế, có tính ứng dụng thực tế Sản phẩm phải được thiết kế đảm bảo dễ dàng vận hành, sửa chữa và lắp ráp Theo đó em tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống đèn chiếu sáng và các thiết bị điện có trong ngôi nhà

- Tìm hiểu các phương pháp lắp đặt hệ thống một cách khoa học và thẩm mỹ

- Tìm hiểu một số kiểu dáng mô hình ngôi nhà thông minh trong nước và quốc tế

- Tìm hiểu các mạch điều khiển hệ thống đèn và phần đệm tương ứng

- Tìm hiểu loại cảm biến ứng dụng trong hệ thống nhà thông minh

- Nghiên cứu về các phương thức truyền nhận dữ liệu từ xa đáp ứng với hệ thống

2.2 YÊU CẦU HỆ THỐNG

Yêu cầu phần cứng

Phần cứng là phần thô bề ngoài, để mô hình hoạt động chính xác thì phần cứng phải chính xác, các phần lắp đặt đường điện cũng như bố trí đèn phải tuân thủ các yêu cầu về độ bền, tính an toàn và tính thẩm mĩ

- Đảm bảo mô hình vững chắc trong quá trình thiết bị hoạt động, các thiết bị được kết nối cố định không chập chờn khi hoạt động

- Đảm bảo an toàn, không gây tai nạn cho người sử dụng

- Tháo lắp dễ dàng, thuận lợi cho việc sửa chữa và bảo trì mô hình và thiết bị

- Nhỏ gọn, không quá nhiều chi tiết phụ, đảm bảo kết cấu thẩm mĩ và thích hợp với tên gọi là mô hình

- Mạch điều khiển hoạt động ổn định, đảm bảo luôn hoạt động ở mức độ vừa phải, không vượt quá công suất tối đa của mạch

- Các kết nối dây điện phải đảm bảo chắc chắn và được bảo vệ cẩn thận, tránh trường hợp bị ảnh hưởng do tác động của môi trường

- Nguồn điện cần được kết nối chính xác và an toàn, không gây chập trong quá trình

sử dụng

Yêu cêu phần mền

Phần mềm là bộ não xử lý và ra các điều hướng để thiết bị trong mô hình hoạt động, trực tiếp điều khiển các thiết bị thông qua các mạch điện tử Để mô hình hoạt động chính xác yêu cầu phần mềm phải đảm bảo chính xác về các lệnh điều khiển, giao diện dễ sử dụng, đẹp mắt và thuận tiện trong việc cài đặt và thiết lập các thông số, tương thích với phần lớn các hệ điều hành phổ biến ở Việt Nam

Kế thừa

- Module thu RF 4 kênh PT2272

- Module phát RF 4 kênh PT2262

- Module Bluetooth HC06

- Module wifi ESP8266

- Board điều khiển Arduino Uno R3

- Module cảm biến chạm TTP2232

2.3 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Sau khi tham khảo và nghiên cứu các sản phẩm đang có trên thị trường như nhà thông

minh LUMI, Brav SmartHome, Broadlink RM-Pro dùng internet để điều khiển giám sát

mọi thiết bị có trong ngôi nhà và làm cho những thiết bị trong ngôi nhà trở nên thông minh phục vụ nhu cầu hàng người của người dùng nhưng những sản phẩm này chỉ áp dụng cho ngôi nhà đang trong quá trình hoàn thiện còn những ngôi nhà đang trong quá trình sử dụng đang có nhu cầu thay thế các thiết bị bình thường trở nên thông minh thì buộc phải đi dây

lại toàn bộ hệ thống mới có thể thay thế được, như vậy thì rất tốn thời gian và công sức

Từ đó em đưa ra ý tưởng thiết kế và chế tạo bộ điều khiển có thể thay thế các bộ điều khiển bằng cơ có trong taplo gia đình thành những bộ điều khiển có thể điều khiển thông minh qua Smartphone mà không cần phải đi dây

Phương án 1

Thiết kế cơ khí mô hình

- Thiết kế, mô phỏng các thiết bị của 1 khu vực trong nhà

- Các thiết bị được gắn trên bảng điện, các hộp điều khiển được gắn âm tường phù hợp với thực tế

- Các thiết bị điện được lắp mặt trước

- Hệ thống dây điện được lắp âm phía sau lắp đặt giống với thực tế

- Vật liệu làm bảng điện là tấm Aluminium được cố định vào khung bằng thép hộp 12x12

- Hệ thống điều khiển của mô hình bao gồm nhiều hộp điều khiển tương ứng với các khu vực được mô phỏng của một căn nhà

Hình 2.1 Thiết kế mô hình cơ khí

Mô phỏng hoạt động của mô hình

Sử dụng 3 bộ RF thu – phát tương ứng với 3 bộ điều khiển, mỗi RF phát chỉ dùng riêng cho mỗi bộ điều khiển nhất định với tần số phát khác nhau và được mã hóa riêng biệt bằng

cách hàn các chân LOW – HIGH của từng bộ thu – phát RF

Ngoài ra, các thiết bị còn được điều khiển từ các công tắc cảm ứng thay cho các công tắc bằng cơ thông thường Công tắc cảm ứng được thừa hưởng từ các sản phẩm công nghiệp

có ở thị trường, đảm bảo tính thẩm mỹ và độ nhạy đáp ứng tốt

Ưu điểm:

- Hệ thống điều khiển đơn giản

- Tính thẩm mỹ của mô hình cao

- Dễ lắp đặt và điều khiển

- Đảm bảo tín hiệu điều khiển từ công tắc cảm ứng tốt

Nhược điểm:

- Hệ thống điều khiển có khoảng cách

- Chi phí mô hình cao bởi sử dụng các sản phẩm công nghiệp có sẵn trên thị trường

- Hạn chế thiết bị điều khiển tối đa trên một bộ điều khiển (4 thiết bị điện)

- Không có tính đồng nhất của hệ thống điện

- Mô hình không đảm bảo được khối lượng đồ án và không áp dụng vào thực

tế được

Hình 2.3 Công tắc cảm ứng công nghiệp

Phương án 2

Thiết kế cơ khí mô hình

- Thiết kế mô hình bố trí các thiết bị điện trên cùng một bảng, mô phỏng hoạt động của từng thiết bị điện trong nhà thông minh

- Các thiết bị được gắn trên bảng điện, các hộp điều khiển được gắn âm tường phù hợp với thực tế

- Các thiết bị điện được lắp mặt trước, tủ điện được đặt ở một bên mô hình

- Hệ thống dây điện được lắp âm phía sau lắp đặt giống với thực tế

- Phần điều khiển cũng được đi chung với tủ điện trung tâm

- Vật liệu làm bảng điện là tấm Aluminium được cố định vào khung bằng thép hộp 12x12

Hình 2.4 Mô hình thiết kế hệ thống điện mô phỏng

Mô tả hoạt động của mô hình

Hình 2.5 Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống

Mô hình được điều khiển gián tiếp qua giao tiếp Bluetooth, thông qua 1 RF- phát có thể điều khiển nhiều bộ điều khiển RF–thu Hệ thống được mã hóa bằng phần mềm, không

sử dụng cách mã hóa bằng tay Ngoài ra, hệ thống được điều khiển bằng công tắc cảm ứng thay cho công tắc cơ thông thường và được thiết kế từ module cảm ứng chạm TTP – 223 kết hợp với IC CD4013 để xử lý tín hiệu đầu ra, đảm bảo điều khiển được các thiết bị trong

Hình 2.6 Module cảm ứng chạm và IC xử lý tín hiệu

2.4 CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ

Thiết kế cơ khí

Mô hình được thiết kế bằng phần mềm “SolidWorks 2013”

 Thiết kế khung cơ khí

Kích thước tổng: 1000 X 320 X 545

Hình 2.7 Phần mền SolidWorks 2013

Hình 2.8 Bản thiết kế khung cơ khí

Tiêu chuẩn chế tạo:

 Dùng thép vuông 12x12 mạ kẽm

 Cắt nối đúng kích thước bản vẽ

 Mô hình vuông góc

 Ghép nối bằng mối hàn

 Thiết kế bảng điều khiển và bố trí thiết bị

Tiêu chuẩn chế tạo:

 Thiết kế tủ điện

Kích thước tủ điện: 200x200x100

Tiêu chuẩn chế tạo:

 Lựa chọn các thiết bị phù hợp với yêu cầu của đồ án

 Lắp đặt đúng với nguyên lý thiết kế

 Sắp xếp, chạy dây gọn, đẹp

 Đảm bảo tính an toàn

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý tủ điện

 Thiết kế mạng lưới điện hệ thống

Mô hình mô phỏng 12 thiết bị với 6 hộp điều khiển, thiết kế trên phần mềm AutoCad

Tiêu chuẩn chế tạo:

 Đi dây đúng với bản vẽ thiết kế

 Đảm bảo an toàn điện với các mối nối nguồn 220V AC

 Đảm bảo tính thẩm mỹ cho hệ thống

 Sơ đồ tổng thể mô hình

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện

Hình 2.12 Sơ đồ tổng thể mô hình

Cơ khí chế tạo

 Dụng cụ và thiết bị

Bảng 2.1 Danh sách các thiết bị và dụng cụ chế tạo mô hình