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.
71 trang |
Chia sẻ: Trịnh Thiết | Ngày: 06/04/2024 | Lượt xem: 236 | Lượt tải: 4
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Hệ thống điều khiển nhà thông minh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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