ĐỒ ÁN CƠ SỞ 3

ĐỀ TÀI: SMART HOME

Sinh viên thực hiện : Lê Phước Đại

Nguyễn Anh Dũng

Lớp : 18IT1Giảng viên hướng dẫn : ThS. Nguyễn Văn Bình

1

LỜI MỞ ĐẦUHiện nay, với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin, con

người tự động hóa mọi thứ, máy móc dần dần thay thế làm việc cho con người,

kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự

động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số

thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng

thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính

bảng hoặc giao diện web. Để hiểu thêm về hệ thống căn nhà trên, cũng như

cách thức chế tạo, triển khai lắp đặt, mời thầy cô và các bạn đọc tiếp.

Chúng em xin cảm ơn thầy ThS. Nguyễn Văn Bình đã hướng dẫn và hỗ

trợ chúng em trong suốt thời gian vừa qua.Trong quá trình làm đồ án, nếu có gì

sai sót mong quý thầy cô và các bạn thông cảm và góp ý để đồ án này được hoàn

thành tốt.

2

MỤC LỤCLỜI MỞ ĐẦU.............................................................................................................................................2

1. Nhà thông minh là gì?...................................................................................................................42. Ý tưởng thiết kế.................................................................................................................................63. Sơ đồ mạch...........................................................................................................................................7

3.1. Sơ đồ nguyên lý...............................................................................................................................73.2. Nguyên lý hoạt động....................................................................................................................84. Các thành phần của hệ thống:................................................................................................84.1. Arduino UNO R3...........................................................................................................................84.1.1. Thông số kỹ thuật....................................................................................................................84.1.2. Sơ đồ chân.....................................................................................................................................9

4.2. Module ESP8266-01..................................................................................................................124.2.1 Thông số kỹ thuật..................................................................................................................124.2.2 Sơ đồ chân...................................................................................................................................13

4.3. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11.............................................................................144.3.1. Thông số kỹ thuật..................................................................................................................144.3.2. Sơ đồ nguyên lý.......................................................................................................................154.4. Module Relay Kích Mức Cao 5VDC............................................................................15

4.5. Động cơ Servo SG90 Tower.................................................................................................164.6. PIR(Cảm biến chuyển động)...............................................................................................174.6.1 Thông số kỹ thuật..................................................................................................................174.6.2 Nguyên lý làm việc của loại đầu dò PIR................................................................18

4.7. Một số link kiện khác...............................................................................................................195. Lập trình và mô phỏng...............................................................................................................205.1. Lưu đồ thuật toán.......................................................................................................................20

5.2. Code minh họa..............................................................................................................................206. Ứng dụng và hướng phát triển.............................................................................................20

7. Tài liệu tham khảo.........................................................................................................................20

3

1. Nhà thông minh là gì?Nhà thông minh (Tiếng Anh: Home Automation; Smart Home hoặc Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc giao diện web (Theo Wikipedia).

Nói đơn giản hơn Nhà Thông Minh nghĩa là các thiết bị điện trong ngôi nhà bạn được kết nối với nhau về một trung tâm và từ đó dễ dàng kiểm soát và điều khiển qua điện thoại, hoặc máy tính ở bất cứ đâu. Các hệ thống điện này có thể chạy tự động theo lịch hẹn sẵn hoặc theo điều khiển của người sử dụng.

Trong một ngôi nhà thông minh thường bao gồm các hệ thống sau:

Hệ thống chiếu sáng thông minh: Điều khiển toàn bộ đèn trong nhà theo lịch tự động, hoặc theo ngữ cảnh của từng người dùng.

Hệ thống an ninh - Camera quan sát: Chuông cửa có hình; Hệ thống bảo vệ chống đột nhập qua cửa; Phát hiện có di chuyển; Báo gas; Báo khói, báo nhiệt độ, độ ẩm, khí độc hại, báo nước tràn… Bảo vệ an toàn 24/24 cho ngôi nhà bạn.

Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng: Điều khiển máy lạnh, quạt, quạt thông gió, quạt hút. Khi nhiệt độ trong phòng tăng cao thì máy điều hoà sẽ tự bật, hoặc khi khí CO2 trong phòng tăng cao thì quạt hút và quạt thông gió sẽ tự bật.

Hệ thống điều khiển rèm tự động: Các chiếc rèm cửa trong nhà bạn sẽ tự động Đóng/Mở theo ngữ cảnh. Ví dụ: Thức dậy mở rèm, đi làm rèm tự kéo lại...

Hệ thống giải trí: Âm thanh đa vùng, phòng xem phim. Hiểu được sở thích của bạn và những người trong gia đình bạn để mở những bản nhạc và chương trình theo ý thích của từng người.

Hệ thống điều khiển bằng giọng nói: Bạn có thể điều khiển các thiết bị trong ngôi nhà của mình bằng giọng nói. Ví dụ như: Trợ lý ảo của Echo Dot của Amazon, Google Home, Siri của Apple.

4

Hệ thống tưới cây tự động : Cây xanh trong khu vườn của bạn sẽ được tưới tự động mỗi ngày. Khi có trời mưa hoặc độ ẩm trong đất cao thì hệ thống sẽ tự động ngưng tưới.

Hình 1: sơ đồ hoạt động hệ thống nhà thông minh

Hình 2: hệ thống nhà thông minh Google Assistant

5

Hình 3: hệ thống Kiểm soát ra vào.

2. Ý tưởng thiết kếDự trên nhu cầu người sử dụng, chung tôi đã xây dựng một hệ thống có chức năng:

Tự động bật quạt dựa trên nhiệt. Đèn tự động bật tắt. Cửa tự động(bằng nhận diện khun mặt). Điều khiển từ xa bằng điện thoại(app có quản lý dữ liệu người ra vào,

cảnh báo người lạ, bất tắt hệ thống đèn và quạt trong nhà, có điều kiển bằng giọng nói).

3. Sơ đồ mạch 3.1. Sơ đồ nguyên lý

6

Hình 4: Hệ thống điều khiển mở cửa bằng motor

Hình 5: Hệ thống điều khiển đèn bằng cảm biến chuyển động

3.2. Nguyên lý hoạt độngHệ thống hoạt động dựa trên cảm biển chuyển động, cảm biến nhiệt

độ và camera nhận diện khun mặt.

7

Đầu tiên, người chủ nhà nhận diện khun mặt lúc này hệ thống sẽ đối chiếu với csdl để trả về kết quả đúng hay sai. Nếu đúng thì hệ thống cửa sẽ mở ra lúc này đèn và quạt sẽ tự hoạt động dựa trên ánh sáng và nhiệt độ, nếu sai sẽ không có gì sảy ra cho đến khi nhận diện sai qua 3 lần hệ thống sẽ gửi thông báo tới điện thoại của chủ nhà.

Hệ thống có thể điều khiển từ xa chỉ qua một chiếc điện thoại.

4. Các thành phần của hệ thống:4.1. Arduino UNO R3

4.1.1. Thông số kỹ thuật

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

8

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

SRAM 2 KB (ATmega328)

EEPROM 1 KB (ATmega328)

4.1.2. Sơ đồ chân

a. Năng lượng

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, Arduino UNO sẽ bị hỏng.

b. Các chân năng lượng

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.

5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.

Lưu ý:

Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó nên cẩn thận kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO hoặc dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể.

9

Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.

Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board.

Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328.

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.

Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển.

Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu thì phải mắc một điện trở hạn dòng.

c. Bộ nhớ

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader.

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Nếu khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.

1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

10

d. Các cổng vào/ra

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Chỉ sử dụng 2 chân này không cần thiết.

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.

LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

11

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V  → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.

4.2. Module ESP8266-01

4.2.1 Thông số kỹ thuật

Điện áp sử dụng: 3.3VDC Điện áp giao tiếp: 3.3VDC Dòng tiêu thụ: Max 320mA Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n. Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP,

WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK. Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP. Chuẩn giao tiếp UART với Firmware hỗ trợ bộ tập lệnh AT

Command, tốc độ Baudrate mặc định 9600 hoặc 115200. Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and

Access Point. Kích thước: 24.8 x 14.3mm

12

4.2.2Sơ đồ chân

Chức năng các chân:

1. VCC: 3.3V , dòng có thể lên 300mA vì thế cần mạch nguồn riêng

2. GND: 0V

3. Tx: Chân Tx của giao thức UART, kết nối đến chân Rx của vi điều khiển.

4. Rx: Chân Rx của giao thức UART, kết nối đến chân Tx của vi điều khiển.

5. RST:  chân reset, kéo xuống mass để reset.

6. CH_PD: chân này nếu được kéo lên mức cao module sẽ bắt đầu thu phát wifi, kéo xuống mức thấp module dừng phát wifi. Vì ESP8266 khởi động hút dòng lớn nên chúng ta giữ chân này ở mức 0V khi khởi động hệ thống của mình , sau 2 s hãy kéo chân CH_PD lên 3.3V, để đảm bảo module hoạt động ổn định.

7. GPIO0: kéo xuống thấp cho chế độ upgrade firmware.

8. GPIO2: không sử dụng.

Lưu ý : Không cấp nguồn cho esp8266 v1 bằng nguồn 3.3v của mạch pl2302,cp2102,arduino uno, nano, mega.. có thể gây cháy module mà nên dùng các mạch nguồn ngoài hoặc module nguồn xung như hình:

13

4.3. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11

DHT11 Sơ đồ chân

4.3.1. Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động: 3V-5V (DC)

Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 wire.

Khoảng đo độ ẩm: 20%-80%RH sai số ± 5%RH

Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C sai số ± 2°C

Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây / lần)

14

Kích thước: 28mm x 12mm x10m

4.3.2. Sơ đồ nguyên lý

- Nguyên lý hoạt động:Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện

theo 2 bước: Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận

lại. Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ

liệu và nhiệt độ đo được.

4.4. Module Relay Kích Mức Cao 5VDC

Mức logic : 0V (GND)15

Điều khiển đóng ngắt điện DC hoặc AC, bạn có thể điều khiển tải AC 220 V 10A

Có tiếp điểm thường mở và thường đóng:o NO : thường mở (khi kích tiếp điểm đóng lại)o COM : chungo NC : Thường đóng (khi kích tiếp điểm mở ra)

Đầu vào:

-Điện áp nuôi : 5VDC-Tín hiệu vào điều khiển: 0V

+ Tín hiệu là 0: thì Relay đóng+ Tín hiệu là 1 : thì Relay mở

Đầu ra:

+ Tiếp điểm relay 220V 10A ( Lưu ý tiếp điểm , không phải điện áp ra)+ NC : Thường đóng+ NO: Thường mở+ COM: Chân chung

Ký hiệu nguồn:

+ VCC, GND là nguồn nuôi Relay+ IN là chân tín hiệu điều khiển

4.5. Động cơ Servo SG90 Tower

Động cơ servo SG90 có kích thước nhỏ, là loại được sử dụng nhiều nhất để làm các mô hình nhỏ hoặc các cơ cấu kéo không cần đến lực nặng.

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Điện áp hoạt động: 4.8-5VDC16

Tốc độ: 0.12 sec/ 60 deg (4.8VDC) Lực kéo: 1.6 Kg.cm Kích thước: 21x12x22mm Trọng lượng: 9g.

4.6. PIR(Cảm biến chuyển động)4.6.1 Thông số kỹ thuật

Trên đây là đầu dò PIR, loại bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, nó có 3 chân ra, một chân nối masse, một chân nối với nguồn volt DC, mức áp làm việc có thể từ 3 đến 15V. Góc dò lớn. Để tăng độ nhậy cho đầu dò, Bạn dùng kính Fresnel, nó được thiết kế cho loại đầu có 2 cảm biến, góc dò lớn, có tác dụng ngăn tia tử ngoại.

17

Hình 6: Hình vẽ cho thấy cách dùng đầu dò PIR để phát hiện người hay con vật di chuyển ngang.

4.6.2 Nguyên lý làm việc của loại đầu dò PIR 

Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET. Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển hay báo động.

18

Hình 7: Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của các nguồn thân nhiệt

Hình vẽ cho thấy 2 vùng cảm ứng nhậy cảm tương ứng với 2 cảm biến trong đầu dò. Khi có một con vật đi ngang, từ thân con vật sẽ luôn phát ra tia nhiệt, nó được tiêu tụ mạnh với kính Fresnel và rồi tiêu tụ trên bia là cảm biến hồng ngoại, vậy khi con vật đi ngang, ở ngả ra của đầu dò chúng ta sẽ thậy. Xuất hiện một tín hiệu, tín hiệu này sẽ được cho vào mạch xử lý để tạo tác dụng điều khiển hay báo động.

4.7. Một số link kiện khác Camera Dây nối Điện trở 1k và 2k Chốt cửa Bóng đèn Quạt Breadboand LDR (quang trở)

19

5. Lập trình và mô phỏng5.1. Lưu đồ thuật toán5.2. Code minh họa

6. Ứng dụng và hướng phát triển Ứng dụng:

Làm cửa chống trộm. Làm hệ thống đèn và quạt tự động .

Hướng phát triển:Tùy vào những phản hồi của người sử dụng, chúng tôi sẽ khắc phục nhằm hệ thống trở nên hoàn thiện nhất.

7. Tài liệu tham khảo

20