Luận văn Hệ thống điều khiển nhà thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH Trình độ đào tạo: Đại Học Chính Quy Ngành: Điện – Điện Tử Chuyên ngành: Điện Điều Khiển & Tự Động Hóa Giảng viên hướng dẫn: Th.s Châu Nguyễn Ngọc Lan Sinh viên thực hiện: Lê Văn Hiếu MSSV: 15031251 Lớp: DH15TD Vũng Tàu, 2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH (SMART HOME CONTROL SYSTEM) KỸ SƯ NGÀNH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA Trình độ đào tạo: Đại Học Chính Quy Ngành: Điện – Điện Tử Chuyên ngành: Điện Điều Khiển & Tự Động Hóa Giảng viên hướng dẫn: Th.s Châu Nguyễn Ngọc Lan Sinh viên thực hiện: Lê Văn Hiếu MSSV: 15031251 Lớp: DH15TD Vũng Tàu, 2019 LỜI CẢM ƠN Sau hơn 4 năm học tập, rèn luyện, trau dồi kiến thức tại trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu, được sự giảng dạy tận tâm của các thầy cô, sự hỗ trợ đắc lực từ gia đình cũng như sự giúp đỡ nhiệt tình từ bạn bè, anh chị khóa trước, ngày hôm nay em đã bước vào chặng cuối của hành trình - hoàn thành luận văn tốt nghiệp để ra trường. Để được như ngày hôm nay, ngoài việc cố gắng, nổ lực từ bản thân thì còn rất nhiều người đã giúp đỡ, khích lệ em trong suốt chặng đường. Vì vậy em muốn gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến những người sau đây: Lời đầu tiên, con cảm ơn ba mẹ, đã hy sinh cả đời mình để tạo điều kiện tốt nhất cho con được học tập. Tiếp theo, em xin cảm ơn quý thầy, cô trong khoa Điện – Điện tử đã truyền đạt cho em những kiến thức quý giá suốt những năm học qua. Đặc biệt, em xin cảm ơn Cô Châu Nguyễn Ngọc Lan, người đã đã tận tình hướng dẫn, góp ý để em có thể hoàn thành luận văn này. Mình cũng xin cảm ơn những bạn bè, anh chị đã động viên, giúp đỡ, sát cánh bên nhau trong thời gian làm luận văn cũng như suốt 4 năm học qua. Cuối cùng, em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe để tiếp tục truyền đạt những kiến thức quý báu cho các thế hệ sinh viên chúng em. Con chúc ba mẹ thật nhiều sức khỏe, niềm vui và hạnh phúc. Chúc các anh chị, các bạn thành công và vững bước trên con đường mình đã chọn. Xin chân thành cảm ơn! Vũng Tàu, tháng 6 năm 2019 Sinh viên Lê Văn Hiếu MỤC LỤC Chương 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ................................................................................................. 3 1.1. Lý do chọn đề tài luận văn: ............................................................................................ 3 1.2. Mục tiêu của đề tài: ........................................................................................................... 3 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: .............................................................................. 4 1.4. Ý nghĩa của đề tài: ............................................................................................................. 4 Chương 2. TỔNG QUAN................................................................................................................ 5 2.1. Nhà thông minh là gì? ...................................................................................................... 5 2.2. Các thành phần cơ bản trong nhà thông minh: ........................................................ 6 2.2.1. Hệ thống quản lý chiếu sáng: ............................................................................ 6 2.2.2. Hệ thống kiểm soát ra vào:................................................................................. 6 2.2.3. Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc: ............................................................. 7 2.2.4. Hệ thống giải trí đa phương tiện: ..................................................................... 7 2.2.5. Hệ thống quản lý tiêu thụ năng lượng: ........................................................... 7 2.2.6. Hệ thống cảm biến và báo động: ...................................................................... 7 2.2.7. Hệ thống kiểm soát môi trường: ....................................................................... 8 2.2.8. Hệ thống các công tắc điều khiển trạng thái: ............................................... 8 2.2.9. Hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển, giám sát từ xa: ............................. 8 2.3. Tình hình phát triển trong và ngoài nước: ................................................................. 9 2.3.1. Đối với tình hình ngoài nước: ........................................................................... 9 2.3.2. Đối với tình hình trong nước: ............................................................................ 9 2.4. Phân tích, lựa chọn phương án thực hiện đề tài: .................................................. 10 2.4.1. Phương án thực hiện: ........................................................................................ 10 2.4.2. Phân tích phương án đã chọn: ........................................................................ 12 Chương 3. TÌM HIỂU VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM ............................................... 14 3.1. Kit STM32F407 Discovery: ........................................................................................ 14 3.1.1. Các tính năng nổi bật: ....................................................................................... 14 3.1.2. Các khối chức năng chính được sử dụng trong luận văn: .................... 15 3.2. Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU: ........................................................ 18 3.3. Các cảm biến được sử dụng: ....................................................................................... 20 3.3.1. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11: .............................................................. 20 3.3.2. Cảm biến sáng quang trở CDS: ..................................................................... 22 3.3.3. Cảm biến mưa: .................................................................................................... 23 3.3.4. Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC – SR501: ............................ 23 3.3.5. Cảm biến khí gas MQ-2: .................................................................................. 24 3.4. Mạch RFID RC522 NFC: ............................................................................................ 25 3.5. Màn hình hiển thị LCD: ................................................................................................ 26 3.5.1. LCD text 1604 xanh dương: ........................................................................... 26 3.5.2. LCD text 2004 xanh dương: ........................................................................... 27 3.5.3. Mạch chuyển giao tiếp LCD 1602 và LCD 2004 sang I2C: ............... 27 3.6. Module 8 relay: ................................................................................................................ 28 3.7. Các thiết bị khác: ............................................................................................................. 29 3.7.1. Đèn led, quạt: ....................................................................................................... 29 3.7.2. Động cơ RC Servo 9G: ..................................................................................... 29 3.7.3. Cảm ứng một chạm điện dung TTP223B: ................................................. 30 3.8. Các phần mềm được sử dụng: .................................................................................... 31 3.8.1. Arduino IDE:........................................................................................................ 31 3.8.2. Keil uVision5 và STM32CubeMX: ............................................................. 31 3.9. Giao thức MQTT : .......................................................................................................... 32 3.9.1. Tìm hiểu giao thức MQTT: ............................................................................. 32 3.9.2. Cloud MQTT: ...................................................................................................... 34 3.9.3. Ứng dụng điều khiển giám sát từ xa: ........................................................... 35 3.10. Cập nhật thời gian thực từ NTP server: .............................................................. 36 Chương 4. THIẾT KẾ, THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ HÌNH NGÔI NHÀ ..... 37 4.1. Tổng quan hệ thống: ...................................................................................................... 37 4.2. Mô hình ngôi nhà: ........................................................................................................... 38 4.3. Bộ điều khiển trung tâm: .............................................................................................. 39 4.3.1. Thiết kế, thi công mạch điều khiển trung tâm: ......................................... 40 4.3.2. Thiết kế, thi công mạch nút nhấn: ................................................................ 42 4.3.3. Bộ điều khiển trung tâm sau khi tích hợp: ................................................. 43 Chương 5. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ........................................................... 44 5.1. Các tính năng của hệ thống điều khiển nhà thông minh: .................................. 44 5.2. Giải thuật điều khiển: .................................................................................................... 45 5.2.1. Đóng mở cửa bằng RFID: ............................................................................... 45 5.2.2. Hoạt động theo các kịch bản: ......................................................................... 46 5.3. Lập trình cập nhật thời gian thực từ NTP sever: ............................................ 51 5.4. Lập trình điều khiển, giám sát từ xa: ........................................................................ 52 5.4.1. Lập trình cho kit STM32F407 và module ESP 8266 NodeMCU: .... 52 5.4.2. Tạo Broker MQTT trên CloudMQTT:........................................................ 54 5.4.3. Thiết lập, tạo giao diện trên ứng dụng IoT OnOff: ................................. 56 Chương 6. KẾT QUẢ, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................ 58 6.1. Kết quả và hạn chế của đề tài: .................................................................................... 58 6.1.1. Kết quả: .................................................................................................................. 58 6.1.2. Hạn chế: ................................................................................................................. 59 6.2. Hướng phát triển đề tài: ............................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................. 60 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống ............................................................................ 11 Hình 3.1: Kit STM32F407 Discovery [2] .............................................................................. 14 Hinh 3.2: Cấu trúc cơ bản của một chân I/O đa chức năng [3] .................................. 16 Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc khối giao tiếp USART [3] ......................................................... 17 Hình 3.4: Cấu trúc của một chân I2C [3] .............................................................................. 18 Hình 3.5: Module thu phát Wifi 8266 NodeMCU [4] ...................................................... 18 Hình 3.6: Các chân của Module Wifi 8266 NodeMCU [4] ............................................. 19 Hình 3.7: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ....................................................................... 20 Hình 3.8: Tín hiệu start từ MCU và phản hồi của DHT11 [5] ..................................... 21 Hình 3.9: Bit 0 [5] ........................................................................................................................... 21 Hình 3.10: Bit 1 [5] ........................................................................................................................ 22 Hình 3.11: Cảm biến quang trở CDS ...................................................................................... 22 Hình 3.12: Cảm biến mưa ........................................................................................................... 23 Hình 3.13: Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC – SR501 ................................. 23 Hình 3.14: Cảm biến khí gas ...................................................................................................... 24 Hình 3.15: Mach RFID RC552 NFC ......................................................................................... 25 Hình 3.16: LCD text 1604 xanh dương ................................................................................. 26 Hình 3.17: LCD text 2004 xanh dương ................................................................................. 27 Hinh 3.18: Mạch chuyển giao tiếp LCD 1602 và LCD 2004 sang I2C ...................... 27 Hình 3.19: Module 8 relay .......................................................................................................... 28 Hình 3.20: Đèn hắt sang trắng 3 bóng .................................................................................. 29 Hình 3.21: Quạt tản nhiệt 4x4x1cm ...................................................................................... 29 Hình 3.22: Động cơ RC Servo 9G ............................................................................................. 30 Hình 3.23: Cảm ứng một chạm điện dung TTP223B ................................................... 30 Hình 3.24: Mô hình publish/ subscribe ............................................................................... 33 Hình 3.25: Trang CloudMQTT .................................................................................................. 35 Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống ...................................................................................... 37 Hình 4.2: Mô hình ngôi nhà ....................................................................................................... 38 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm ....................................................... 40 Hình 4.4: Mạch in bộ điều khiển trung tâm ........................................................................ 41 Hình 4.5: Kêt quả thi công mạch điều khiển trung tâm ................................................ 41 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nút nhấn .......................................................................... 42 Hình 4.7: Mạch in nút nhấn ....................................................................................................... 42 Hình 4.8: Kết quả thi công mạch nút nhấn ......................................................................... 43 Hình 4.9: Bộ điều khiển trung tâm ......................................................................................... 43 Hình 5.1: Sơ đồ giải thuật đóng mở cửa dùng thẻ RFID ............................................... 45 Hình 5.2: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn phòng vệ sinh............................................. 46 Hình 5.3: Sơ đồ giải thuật báo động khí gas ....................................................................... 46 Hình 5.4: Sơ đồ giải thuật đóng cửa sổ khi trời mưa ..................................................... 47 Hình 5.5: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn, quạt ở Kịch bản 2 - Tiếp khách ......... 48 Hình 5.6: Sơ đồ giải thuật Kịch bản 3 – Ra khỏi nhà ...................................................... 49 Hình 5.7: Sơ đồ giải thuật điều khiển quạt Kịch bản 4 - Đi ngủ ................................ 50 Hình 5.8: Sơ đồ giải thuật chống trộm Kịch bản 4 - Đi ngủ ........................................ 50 Hình 5.9: Sơ đồ giải thuật báo thức Kịch bản 4 - Đi ngủ .............................................. 51 Hình 5.10: Sơ đồ khối điều khiển giám sát từ xa qua Internet .................................. 52 Hình 5.11: Sơ đồ giải thuật lập tình STM32F407 giao tiếp ESP8266 ..................... 53 Hình 5.12: Sơ đồ giải thuật lập trình ESP8266 ................................................................. 54 Hình 5.13: Gói “Humble Hedgehog” của CloudMQTT .................................................... 55 Hình 5.14: Cung cấp thông tin broker cho ứng dụng IoT OnOff ............................... 56 Hình 5.15: Ứng dụng IoT OnOff kết nối broker ................................................................ 57 Hình 5.16: Giao diện điều khiển được tạo trên ứng dụng IoT OnOff ..................... 57 Hình 6.1: Bộ điều khiển và mô hình ngôi nhà sau khi hoàn thành .......................... 58 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Giao tiếp giữa mạch chuyển đổi LCD sang I2C với MCU .......................... 28 Bảng 4.1: Bố trí cảm biến và các thiết bị .............................................................................. 38 Bảng 4.2: Các chân vi điều khiển sử dụng ........................................................................... 40 Bảng 5.1: Các topic phải tạo ...................................................................................................... 56 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MQTT: Message Queuing Telemetry Transport MCU: Micro-controller Unit AI: Artificial Intelligence NTP: Network Time Protocol 1 TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn được trình bày thành 6 chương với những nội dung cơ bản sau: Chương 1. Giới thiệu đề tài: Ở chương này, em trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu cũng như ý nghĩa của đề tài. Chương 2. Tổng quan: Đề cập đến khái niệm nhà thông minh, những thành phần cơ bản nhất của một hệ thống nhà thông minh. Ngoài ra còn trình bày tình hình phát triển của lĩnh vực nhà thông minh trong và ngoài nước. Cuối cùng dựa trên những kiến thức đó phân tích, lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài. Chương 3. Tìm hiểu phần cứng và phần mềm: Ở chương này trình bày phần cứng, phần mềm, và những kiến thức liên quan. Cụ thể phần cứng gồm: kit STM32F407 Discovery, ESP8266 NodeMCU, các loại cảm biến: nhiệt độ, mưa, ánh sáng,Phần mềm gồm: Arduino IDE, Keil uVision 5, STM32CubeMX. Một số kiến thức liên quan như giao thức MQTT, NTP server. Chương 4. Thiết kế, thi công bộ điều khiển và mô hình ngôi nhà: Trình bày trình tự thiết kế và thi công phần cứng. Chương 5. Giải thuật điều khiển: Trong chương này trình bày những thuật toán điều khiển gồm: thuật toán điều khiển đóng mở cửa dùng thẻ RFID, thuật toán điều khiển theo kịch bản, thuật toán điều khiển và giám sát từ xa, Chương 6: Kết quả, hạn chế và hướng phát triển của đề tài: Kết quả đạt được của đề tài, những hạn chế và hướng phát triển của hệ thống trong tương lai. 2 MỞ ĐẦU Nếu như trước đây, nhà thông minh chỉ toàn nằm trong trí tưởng tượng cũng như trên phim ảnh mà thôi, thì hiện nay nhà thông minh đã rất phát triển và trở nên phổ biến. Ở nước ta, thuật ngữ này đã không còn quá xa lạ với người dân. Hàng loạt các công ty nghiên cứu, cung cấp giải pháp nhà thông minh ra đời, nhiều căn hộ cao cấp được lắp đặt và sử dụng công nghệ này. Tuy nhiên để sở hữu một căn nhà với những chức năng hiện đại như điều khiển chiếu sáng, điều khiển rèm cửa, hệ thống an ninh báo trộm, báo cháy... hay gần đây là công nghệ trợ lý ảo thì người dùng phải bỏ ra một số tiền không hề nhỏ, mà không phải ai cũng đủ khả năng chi trả. Với mục đích vận dụng những kiến thức đã được học để tạo ra bộ thiết bị điều khiển cho chính ngôi nhà của mình với những tính năng cơ bản, giá phải chăng, em đã chọn đề tài “H