Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà thông qua Amazon alexa và cảnh báo chống trộm

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG QUA AMAZON ALEXA VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM GVHD: ThS. Võ Đức Dũng SVTH: Phạm Duy Thanh 15141282 Nguyễn Thị Hạ 15141150 Tp. Hồ Chí Minh - 3/2019 i TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH Tp. HCM, ngày 3 tháng 3 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phạm Duy Thanh MSSV: 15141282 Nguyễn Thị Hạ MSSV: 15141150 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 15141DT1C I. TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ THÔNG QUA AMAZON ALEXA VÀ CẢNH BÁO CHỐNG TRỘM 1. Các số liệu ban đầu: Trước khi thực hiện đề tài, nhóm đã tham khảo và đọc các tài liệu sau để có các số liệu ban đầu: - Nguyễn Văn Lem, “Thiết kế và xây dựng hệ thống mô hình nhà thông minh”, Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT Tp.HCM, 2015. - Espressif Systems IOT Team, “ESP8266 Datasheet”, Espressif Systems, 2015. - Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình Vi xử lí”, Trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2013. - Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, “Giáo trình: Kỹ thuật số”, Nhà xuất bản ĐH Quốc Gia, Tp.HCM, 2013. - Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, “Giáo trình điện tử cơ bản”, Nhà xuất bản ĐH Quốc Gia, Tp.HCM, 2013. 2. Nội dung thực hiện: - Nghiên cứu tài liệu về ESP8266 Node MCU và Arduino Nano V3, giao tiếp không dây và mạng Internet. - Nghiên cứu các mô hình nhà thông minh. - Thiết kế và tính toán thiết kế mạch phần cứng cho thiết bị. ii - Thi công phần cứng, thử nghiệm và hiệu chỉnh phần cứng. - Thử nghiệm và chỉnh sửa hệ thống cũng như chương trình để hệ thống được tối ưu. Đánh giá kết quả đạt được với thông số đề ra. - Viết báo cáo thực hiện. - Bảo vệ luận văn. II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/02/2019 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019 IV. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: THS. VÕ ĐỨC DŨNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH iii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 4 tháng 1 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phạm Hưng Thịnh Lớp: 14141DT3B MSSV: 14141303 Họ tên sinh viên: Khổng Hữu Duy Lớp: 14141DT3B MSSV: 14141037 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ NHÀ CÓ HỖ TRỢ GOOGLE ASSISTANT Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (01/10 - 07/10) Gặp gỡ GVHD và trao đổi về đề tài tốt nghiệp. Tuần 2 (08/10 - 14/10) Tìm hiểu các đề tài nghiên cứu có liên quan. Tuần 3 (15/10 - 21/10) - Gặp và báo cáo với GVHD về đề tài sẽ thực hiện. - Tìm hiểu về các linh kiện sẽ sử dụng Tuần 4 (22/10 - 28/10) - Tìm hiểu về giao tiếp giữa các cảm biến, module và các thiết bị với Arduino và Node MCU. - Tìm hiểu về board Node MCU ESP8266. Tuần 5 (29/10 - 04/11) - Lập trình cho Arduino và Node MCU đọc cảm biến, điều khiển các LED đơn và thu nhận tín hiệu từ các cảm biến. iv Tuần 6 (05/11 - 11/11) - Báo cáo tiến độ cho GVHD - Tìm hiểu về lập trình Web, App Blynk - Tìm hiểu phương thức gửi dữ liệu từ board mạch chính lên Web và App Blynk. Tuần 7 (12/11 - 18/11) - Tìm hiểu về IFTTT và Adafruit. - Tìm hiểu về Google Assistant. - Kết nối giữa Google Assistant, IFTTT và Adafruit. Tuần 8, 9 (19/11 - 02/12) - Báo cáo tiến độ cho GVHD. - Hoàn thành điều khiển thiết bị bằng hỗ trợ Google Assistant. Tuần 10, 11(03/12 - 09/12) - Tổng hợp chương trình đọc tất cả cảm biến, giao tiếp module, truyền nhận dữ liệu và gửi dữ liệu qua internet. - Hoàn thành thiết kế giao diện web. Tuần 12 (17/12 - 23/12) - Hoàn thành truyền nhận và gửi giữ liệu lên web, app Blynk. - Viết báo cáo. Tuần 13 (24/12 - 30/12) - Thiết kế, đi dây và hoàn thiện mô hình nhà. - Kiểm tra và chỉnh sửa hệ thống. - Viết báo cáo. Tuần 14 (31/12 - 06/01) - Chạy thử hệ thống, kiểm tra và sửa lỗi. - Đánh giá kết quả đạt được. - Viết và hoàn thiện cuốn báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) Chương 1. TỐNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm sinh viên chúng em tự thực hiện, dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. TP. Hồ Chí Minh, ngày 21/05/2019 Người thực hiện đề tài Phạm Duy Thanh Nguyễn Thị Hạ Chương 1. TỐNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp là chương trình học cuối cùng của khóa đào tạo đại học. Đây là cơ hội cho sinh viên ứng dụng các kiến thức đã được giảng dạy và làm quen với công việc sau này. Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ và ủng hộ rất lớn của các thầy, cô, người thân và bạn bè. Đó là động lực rất lớn giúp chúng em hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Võ Đức Dũng. Thầy là người hướng dẫn nhiệt tình, luôn đưa ra những nhận xét đúng đắn để chúng em hoàn thành được đề tài tốt nghiệp kịp thời và hoàn thiện nhất có thể. Sau cùng, tuy có nhiều nỗ lực, nhưng do thời gian thực hiện đề tài không nhiều và kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp còn nhiều thiếu sót. Do đó, chúng em kính mong quý thầy cô, bạn bè thông cảm và rất mong nhận được ý kiến từ mọi người để hoàn thiện đề tài tốt hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! TP. Hồ Chí Minh, ngày 10/06/2019 Người thực hiện đề tài Phạm Duy Thanh Nguyễn Thị Hạ Chương 1. TỐNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................. i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... iii LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 2 MỤC LỤC ...................................................................................................................... 3 DANH SÁCH HÌNH ...................................................................................................... 8 TÓM TẮT .................................................................................................................... 13 Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................ 14 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................. 14 1.2 MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN ............................................................................ 16 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................ 16 1.4 GIỚI HẠN........................................................................................................ 16 1.5 BỐ CỤC ........................................................................................................... 17 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 18 2.1 SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS .................................................... 18 2.1.1 Định nghĩa IoTs ............................................................................................ 18 2.1.2 Ứng dụng của IoTs ....................................................................................... 18 2.1.3 Đặc điểm công nghệ IoTs ............................................................................. 18 2.2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIFI ..................................................................... 19 2.3 PHẦN CỨNG .................................................................................................. 19 2.3.1. Vi điều khiển ................................................................................................ 19 a. Giới thiệu về Arduino ...................................................................................... 19 b. Giới thiệu về Arduino Nano V3 ....................................................................... 20 2.3.2 Module Wifi ESP8266 Node MCU .............................................................. 21 Chương 1. TỐNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 2.3.3 Loa thông minh Amazon Echo Dot Gen ...................................................... 23 2.3.3.1 Mô tả .......................................................................................................... 23 2.3.3.2 Hướng dẫn kết nối Echo Dot với điện thoại Android .............................. 24 2.3.4 Bàn phím ma trận 4x3 .................................................................................. 30 2.3.5 Giới thiệu về LCD 16x2 .................................................................................. 31 2.3.6 Nút nhấn .......................................................................................................... 33 2.3.7 Logitech HD Webcam C270 ........................................................................... 34 2.3.8 Động cơ Servo ................................................................................................. 34 2.3.9 Module Relay .................................................................................................. 35 2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG .................................................................... 36 2.4.1 Chuẩn truyền thông UART ............................................................................... 36 2.4.2 Chuẩn truyền thông I2C ............................................................................... 37 2.4.3 Chuẩn truyền thông SPI ................................................................................ 41 2.5 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG XỬ LÍ ẢNH ................................................... 41 2.5.1 Phần thu nhận ảnh (Image Acquisition) .................................................... 43 2.5.2 Tiền xử lý (Image Processing) .................................................................. 43 2.5.3 Phân đoạn (Segmentation) hay phân vùng ảnh ......................................... 43 2.5.4 Biểu diễn ảnh (Image Representation) ...................................................... 43 2.5.5 Nhận dạng và nôi suy ảnh (Image Recognition and Interpretation) ......... 44 2.5.6 Cơ sở tri thức ............................................................................................. 44 2.5.7 Các thành phần cơ bản của hệ thống xử lí ảnh.......................................... 45 2.6 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG XỬ LÍ ẢNH....................................... 45 2.6.1 Điểm ảnh (Picture Element) ......................................................................... 45 2.6.2 Độ phân giải của ảnh ................................................................................... 46 2.6.3 Mức xám của ảnh ......................................................................................... 46 Chương 1. TỐNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................... 47 3.1 TỔNG QUAN CÁC KỸ THUẬT NHẬN BIẾT MÀU DA DỰA TRÊN TÍNH CHẤT ĐIỂM ẢNH .................................................................................................... 47 3.1.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 47 3.1.2 Không gian màu sử dụng cho mô hình hóa màu da .................................... 47 3.1.2.1 Không gian màu RGB ................................................................................ 47 3.1.2.2 Không gian RGB chuẩn hóa ....................................................................... 48 3.1.2.3 Không gian màu HIS, HSV, HSL ............................................................... 49 3.1.2.4 Không gian màu HIS .................................................................................. 49 3.1.2.5 Không gian màu HSV ................................................................................. 50 3.1.2.6 Không gian màu HSL ................................................................................. 50 3.1.2.7 Không gian màu TSL .................................................................................. 51 3.1.2.8 Không gian màu 𝒀𝑪𝒓𝑪𝒃............................................................................. 52 3.1.2.9 Các hệ tọa độ không gian màu khác ........................................................... 52 3.1.3 Mô hình hóa màu da ...................................................................................... 52 3.1.3.1 Xác định ngưỡng cụ thể một điểm ảnh là màu da ...................................... 52 3.1.3.2 Phương pháp mô hình hóa màu da sử dụng phân phối không tham số ...... 53 3.1.3.3 Bảng tra cứu chuẩn cứu (LUT – Lookup Table) ........................................ 53 3.1.3.4 Phân lớp Bayes (Bayes Classifier).............................................................. 54 3.1.3.5 Tổng kết phương pháp không tham số ....................................................... 54 3.1.3.6 Mô hình hóa phân phối màu da có tham số ................................................ 55 3.1.3.7 Mô hình dựa trên phân phối Gauss đơn ...................................................... 55 3.1.3.8 Mô hình kết hợp dựa trên phân phối Gauss ................................................ 56 3.1.3.9 Đa phân phối Gaus ...................................................................................... 56 3.1.3.10 Tổng kết các phương pháp mô hình hóa theo tham số ............................. 56 Chương 1. TỐNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 3.1.4 So sánh kết quả các mô hình .......................................................................... 57 3.1.5 Đánh giá phương pháp ................................................................................... 58 3.1.6 Chọn lựa không gian màu và phương pháp mô hình hóa dùng để nhận biết màu da cho đồ án .................................................................................................... 58 3.2 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH PCA ....................................................... 59 3.2.1 Tổng quan về phương pháp PCA .................................................................. 59 3.2.2 Trích chọn đặc trưng khuôn mặt người dựa trên phương pháp PCA ............ 62 3.3 PHÂN TÍCH HOG ............................................................................................... 65 3.3.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 65 3.3.2 Chuẩn hóa hình ảnh trước khi xử lý .............................................................. 65 3.3.3 Tính toán gradient .......................................................................................... 66 3.3.4 Lấy votes trong mỗi cell ................................................................................ 66 3.3.5 Chuẩn hóa các block ...................................................................................... 67 3.4 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..................................................... 67 3.4.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ........................................................................ 68 3.4.2 Tính toán và thiết kế mạch ........................................................................... 69 3.4.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch .................................................................... 74 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ...................................................................... 76 4.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................... 76 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................. 76 4.2.1 Thi công board mạch .................................................................................... 76 a. Mạch điều khiển trung tâm (chính) ..................................................................... 76 b. Mạch nút nhấn điều khiển thiết bị ...................................................................... 78 c. Mạch module relay 4 kênh .................................................................................. 79 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ....................................................................................... 81 Chương 1. TỐNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 a. Lắp ráp mạch điều khiển trung tâm (chính) ........................................................ 81 b. Lắp ráp mạch Mạch module relay 4 kênh .......................................................... 82 4.3 THI CÔNG MÔ HÌNH .................................................................................... 83 4.3.1 Đóng gói nơi chứa trung tâm điều khiển ....................................................... 83 4.3.2 Thi công mô hình ........................................................................................... 84 4.4 LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG ...................................................................... 86 4.4.1 Lưu đồ giải thuật ........................................................................................... 86 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ........................................................ 106 4.4.3 Phần mềm lập trình giao diện điều khiển (nhận dạng khuôn mặt) .............. 107 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN ................................................................... 108 Chương 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................ 121 5.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................. 121 5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ................................................................................ 121 5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ......................................................................... 122 5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ .......................................................................... 127 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 128 6.1 KẾT LUẬN .................................................................................................... 128 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................................................... 128 PHỤ LỤC ......................................................................................................................................... 129 Chương 1. TỐNG QUAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1 Board Arduino Nano V3 ............................................................................. 20 Hình 2.2 Sơ đồ chân Node MCU ............................................................................... 22 Hình 2.3 Loa thông minh Amazon Echo Dot Gen 2 .................................................. 23 Hình 2.4 Kết nối nguồn cho loa ................................................................................. 24 Hình 2.5 Dowload và tạo tài khoản ứng dụng Echo Dot ........................................... 25 Hình 2.6 Kết nối Echo Dot với điện thoại ................................................................. 27 Hình 2.7