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 “Hệ

thống điều khiển nhà thông minh”. Đề tài tập trung xây dựng bộ điều khiển on/off

các thiết bị trong nhà, hoạt động theo các kịch bản, đọc và hiển thị cảm biến, chống

trộm, điều khiển giám sát ngôi nhà từ xa thông qua mạng Internet.

3

Chương 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1. Lý do chọn đề tài luận văn:

Em chọn “Hệ thống điều khiển nhà thông minh” làm đề tài luận văn tốt nghiệp vì

những lý do sau đây:

Thứ nhất, nhà thông minh đang là xu hướng phổ biến trên thế giới khi hỗ trợ

tiết kiệm thời gian và công sức nhờ áp dụng công nghệ hiện đại. Tại Việt

Nam, công nghệ này cũng ngày càng được lòng người dùng và trở thành lựa

chọn ưu tiên.

Thứ hai, em có thể áp dụng được nhiều kiến thức đã được học vào đề tài như

kiến thức lập trình vi điều khiển, kiến thức về các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,

ánh sáng,.. hoặc kiến thức về giao tiếp giữa 2 vi điều khiển,…Đây cũng là cơ

hội để em tìm hiểu thêm kiến thức mới, rèn luyện tính tự chủ và tinh thần

trách nhiệm trong công việc.

Thứ ba, dưới sự phổ biến của công nghệ nhà thông minh hiện nay, thì nhu cầu

tìm hiểu và phát triển càng trở nên cấp thiết.

Cuối cùng, với mục đích tạo ra được một bộ điều khiển với những tính năng

cơ bản, áp dụng được cho chính ngôi nhà của mình đã tạo thêm động lực thúc

đẩy cho em thực hiện đề tài này.

1.2. Mục tiêu của đề tài:

Hiểu rõ đặc điểm, tính năng và cấu trúc của ngôi nhà thông minh. Nắm vững

những tính năng của hệ thống chiếu sáng, hệ thống báo cháy, báo trộm... trong nhà

thông minh.

Thiết kế và gia công bộ điều khiển ngôi nhà với những tính năng cơ bản sau:

Có khả năng bật, tắt các thiết bị trong nhà bằng tay hoặc tự động theo các

kịch bản.

Đọc và xử lý tín hiệu từ các cảm biến.

Đóng mở cửa bán tự động sử dụng thẻ RFID.

Báo trộm, rò khí gas.

Cập nhật thời gian thực, hẹn giờ báo thức.

Có thể điều khiển, giám sát từ xa bằng điện thoại kết nối mạng Internet.

Xây dựng mô hình ngôi nhà để có thể vận hành thử nghiệm bộ điều khiển trên.

4

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Phạm vi của nhà thông minh rất rộng, từ cơ sở hạ tầng cho đến các chức năng,

chế độ hoạt động.

Trong luân văn tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống bật tắt các thiết bị trong

nhà theo kịch bản, báo trộm, báo rò khí gas, hẹn giờ báo thức. Điều khiển, giám sát

từ xa thông qua Internet.

1.4. Ý nghĩa của đề tài:

Là tài liệu hữu ích cho những ai mới bắt đầu tìm hiểu về hệ thống nhà thông

minh. Đặc biệt là tài liệu tham khảo cho những ai muốn tự thiết kế, chế tạo một bộ

điều khiển ngôi nhà với những tính năng cơ bản.

5

Chương 2. TỔNG QUAN

2.1. Nhà thông minh là gì?

Nhà thông minh hay hệ thống nhà thông minh là một ngôi nhà/căn hộ được trang

bị các hệ thống tự động thông minh cùng với cách bố trí hợp lý, các hệ thống này có

khả năng tự điều phối các hoạt động trong ngôi nhà theo thói quen sinh hoạt và nhu

cầu cá nhân của gia chủ. Chúng ta cũng có thể hiểu ngôi nhà thông minh là một hệ

thống chỉnh thể mà trong đó, tất cả các thiết bị điện tử gia dụng đều được liên kết với

thiết bị điều khiển trung tâm và có thế phối hợp với nhau để cùng thực hiện một chức

năng. Các thiết bị này có thể tự đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước,

hoặc là được điều khiển và giám sát từ xa nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày

càng tiện nghi, an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên.

Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống

kiểm soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với

khung cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối. Hệ thống

cũng có thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera

giám sát, hệ thống khóa cửa tự động, hệ thống phòng ngừa trộm.

Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ

thống điều khiển giải trí tại gia – loa công suất khác nhau, hệ thống điện thoại, liên

lạc nội bộ, hệ thống tưới nước...

Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ các thiết bị trong nhà được kết

nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các

quyết định điều khiển phù hợp.

Nhà thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng

từ nhiều năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng

rãi của điện và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin. Công nghệ nhà

thông minh là hiện thực và nó ngày càng trở nên tinh vi. Các tín hiệu được mã hóa

được gửi đi qua hệ thống dây dẫn, mạng không dây đến các bộ chuyển mạch, ổ điện

được lập trình sẵn để vận hành các đồ gia dụng và thiết bị điện tử ở trong ngôi nhà.

6

Sự tự động hóa của ngôi nhà đặc biệt có ích cho người lớn tuổi và người tàn tật, những

người muốn sống tự lập.

Việc lắp đặt các sản phẩm thông minh đem lại cho ngôi nhà và chủ nhân của nó

rất nhiều lợi ích – tương tự như những lợi ích mà công nghệ và máy tính cá

nhân đã đem lại cho chúng ta nhiều năm qua - bao gồm: sự tiện nghi, tiết kiệm thời

gian, tiền bạc và năng lượng.

2.2. Các thành phần cơ bản trong nhà thông minh:

2.2.1. Hệ thống quản lý chiếu sáng:

Các thiết bị chiếu sáng như bóng đèn sợi đốt, đèn neon, đèn ngủ, trang

trí…được sử dụng rất nhiều. Vì vậy nếu phối hợp chiếu sáng không hợp lý sẽ dẫn

tới bị “ô nhiễm” ánh sáng. Ngoài ra, việc chiếu sáng như vậy còn gây lãng phí điện,

giảm tuổi thọ thiết bị. Bên cạnh đó số lượng đèn dùng để chiếu sáng là khá lớn, gia

chủ sẽ gặp những bất tiện nhỏ trong việc bật tắt, điều chỉnh độ sáng cho phù hợp.

Hệ thống chiếu sáng sẽ được tích hợp chung với các hệ thống khác hoặc sẽ

được tách riêng ra để điều khiển độc lập. Các giải pháp đều nhằm tối ưu hóa hệ

thống và giúp gia chủ điều khiển dễ dàng hơn. Các giải pháp kết hợp sẽ được tính

đến để tự động hóa tới mức tối đa.

2.2.2. Hệ thống kiểm soát ra vào:

Khi gia chủ đi vắng, việc kiểm soát các hệ thống vào ra trong ngôi nhà là rất

quan trọng, giúp đề phòng trộm v.v… Ngôi nhà thông minh cung cấp hệ thống

kiểm soát vào ra cho phép chủ nhà quản lý và cấp quyền “đăng nhập” cho các thành

viên trong gia đình và người thân.

Hệ thống cửa ra vào sẽ được lắp đặt các khóa vân tay hoặc thẻ từ… nhằm nhận

dạng người trong nhà hoặc khách để cấp quyền “đăng nhập”. Ngoài ra, còn có thể

dùng hệ thống nhận diện khuôn mặt hay giọng nói.

Mỗi khi có sự kiện mới, hệ thống kiểm soát ra vào này cũng sẽ kích hoạt các

hệ thống khác để lưu giữ các thay đổi do người dùng tạo ra.

7

2.2.3. Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc:

Một ngôi nhà bình thường sẽ có từ 4 đến 5 phòng kín, và do vậy sẽ có một vài

vấn đề khó khăn khi giao tiếp từ phòng này sang phòng khác. Một hệ thống thông

tin liên lạc nội bộ có thể giúp giải quyết vấn đề này.

Hệ thống liên lạc nội bộ đơn giản có thể là các điện thoại cố định. Ngoài chức

năng liên lạc trong nhà, hệ thống này cần được kết nối với mạng điện thoại để tiện

cho việc giao tiếp và công việc hơn, để làm việc này cần đến một bộ chuyển kênh.

Hệ thống quan sát sẽ giúp việc kiểm soát an ninh, người vào/ra ngôi nhà…giúp

cho gia chủ nhận diện khách nhanh chóng thông qua camera.

2.2.4. Hệ thống giải trí đa phương tiện:

Ngôi nhà là nơi sinh hoạt của một gia đình có thể gồm nhiều thế hệ và mỗi thế

hệ lại có nhu cầu giải trí khác nhau. Do đó, một hệ thống giải trí đa phương tiện sẽ

cung cấp cho các thành viên những hoạt động giải trí phù hợp…

2.2.5. Hệ thống quản lý tiêu thụ năng lượng:

Đối với một ngôi nhà bình thường thì việc cung cấp và đo lường các chỉ số

điện nước đều phải thông qua các cơ quan nhà nước.

Ngôi nhà thông minh cung cấp giải pháp nhằm đo lường và báo lại các thông

số điện, nước thường xuyên, kết hợp với bộ xử lý trung tâm và các hệ thống khác

để tiết kiệm năng lượng.

2.2.6. Hệ thống cảm biến và báo động:

Hệ thống các cảm biến là thành phần quan trọng trong bất kì hệ thống nào của

ngôi nhà, các cảm biến có nhiệm vụ gửi các thông số đo được về cho bộ xử lý trung

tâm để có giải pháp phù hợp với từng gói dữ liệu và xử lý từng tình huống tương

ứng.

Các cảm biến cơ bản như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến gas, cảm biến

áp suất, cảm biến hồng ngoại…

8

2.2.7. Hệ thống kiểm soát môi trường:

Môi trường sống là nhân tố rất quan trong trong cuộc sống. Nó ảnh hưởng trực

tiếp đến sức khỏe của mỗi thành viên trong gia đình. Trong thời đại công nghiệp

hóa thì độ ô nhiễm môi trường ngày càng cao. Vì vậy việc bảo vệ môi trường sống

được các nhà khoa học rất chú trọng.

Hệ thống kiểm soát môi trường sẽ đảm bảo môi trường trong nhà luôn ở tình

trạng tốt nhất cho con người. Hệ thống kiểm soát môi trường có thể gồm các thiết

bị như: máy điều hòa, hệ thống quạt thông gió...

2.2.8. Hệ thống các công tắc điều khiển trạng thái:

Hệ thống các công tắc và bảng hiển thị sẽ cung cấp thông tin cũng như nhận

lệnh điều khiển từ gia chủ. Đảm bảo sự tương tác hai chiều giữa các thành viên và

hệ thống tự động. Hệ thống bao gồm: các điều khiển từ xa, các công tắc gắn tường,

các bảng điều khiển tương tác HMI, điện thoại thông minh…

2.2.9. Hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển, giám sát từ xa:

Ngôi nhà thông minh được đánh giá cao và khác hẳn những ngôi nhà bình

thường là do nó được trang bị một hệ thống điều khiển và toàn bộ các thay đổi và

điều khiển tự động trong ngôi nhà được xử lý đồng nhất thông qua hệ thống xử lý

trung tâm. Nó có vai trò quan trọng, làm nhiệm vụ liên kết các hệ thống khác trong

ngôi nhà lại với nhau, điều phối của hệ thống chấp hành một cách nhịp nhàng theo

các điều kiện tác động được lập trình từ trước. Chúng ta gọi đó là các kịch bản –

hay là các điều kiện môi trường trong ngôi nhà. Gần đây với sự phát triển của trí

tuệ nhân tạo (AI) thì quá trình điều khiển ngôi nhà càng trở nên tinh vi hơn. Một

vài sự kết hợp tiêu biểu:

Hệ thống chiếu sáng với Hệ thống xử lý trung tâm có thể học và thực hiện

theo thói quen của người sử dụng. Hay các thiết bị chiếu sáng sẽ hoạt động

theo chu trình thời gian đặt trước.

Hệ thống chiếu sáng kết hợp với Hệ thống cảm biến cung cấp khả năng tự

động điều khiển ánh sáng như: đèn tự động tắt khi không có người trong

phòng...

9

Hệ thống cảnh báo kết hợp với hệ thống chiếu sáng: khi có vấn đề xảy ra

như cháy nổ, phát hiện ăn trộm…các bóng đèn sẽ chớp sáng liên tục, đồng

thời sẽ có tiếng còi báo hiệu.

Hệ thống cảm biến kết hợp với hệ thống xử lý trung tâm báo cáo tình trạng

lưu trữ điện trong các UPS, báo cáo mực nước trong bồn chứa…nhằm đảm

bảo nguồn cung cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày.

Hệ thống giải trí đa phương tiện kết hợp với hệ thống chiếu sáng nhằm đem

lại những giây phút thư giãn cho thành viên trong gia đình.

2.3. Tình hình phát triển trong và ngoài nước:

2.3.1. Đối với tình hình ngoài nước:

Trên phạm vi toàn cầu, nhà thông minh được xem là một lĩnh vực có dư địa

phát triển rất lớn. Các đại gia công nghệ như Microsoft, Apple, Google,

Samsung...tỏ ra sốt sắng với xu hướng này thông qua hàng loạt những dự án liên

quan. Google mua lại Nest (hãng sản xuất bộ điều khiển nhiệt độ thông minh và

thiết bị báo khói), Samsung ra mắt hệ thống nhà thông minh khép kín trong các

thiết bị của hãng, Apple giới thiệu nền tảng phát triển ứng dụng nhà thông minh

HomeKit [1].

Ngoài ra, nhắc đến những thương hiệu nhà thông minh đến từ nước ngoài,

không thể không kể đến: hãng Schneider của Pháp, Smartg4 của Mỹ, Gamma của

Đức,... Các sản phẩm thiết bị nhà thông minh đến từ nước ngoài đều mang trong

mình những ưu điểm vượt trội về thiết kế, tính năng với những giải pháp tiên tiến

và hiện đại.

2.3.2. Đối với tình hình trong nước:

Các doanh nghiệp Việt Nam vẫn không ngừng bám đuổi công nghệ trên thế

giới, không ngừng nghiên cứu về nhà thông minh. Thực tế, đã có nhiều doanh

nghiệp của chúng ta cho ra mắt sản phẩm nhà thông minh “Made in Vietnam”.

Ta có thể kể tới:

Nhà thông minh BKAV:

- BKAV hiện đang cung cấp 2 sản phẩm Nhà thông minh là BKAV

SmartHome thế hệ 2 và BKAV Smarthome Luxury.

10

- BKAV SmartHome kết nối tất cả các thiết bị điện 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 hoà nhiệt độ, tivi, âm

thanh, khoá cửa, bình nóng lạnh, quạt thông gió, camera an ninh, chuông

cửa có hình, hệ thống bơm tưới nước tiểu cảnh, bể cá.

- Các thiết bị thông minh của BKAV SmartHome được đầu tư và chăm chút

khá tỉ mỉ về vật liệu, thiết kế với mức giá tương đương với các nhà cung

cấp nước ngoài như Seimens và Schneider. Chi phí cho hệ thống nhà thông

minh của BKAV được coi là khá đắt so với mặt bằng chung do hướng tới

thị trường cao cấp. Cụ thể BKAV SmartHome thế hệ 2 được chào bán với

mức giá từ 30 – 50 triệu đồng, BKAV Smarthome Luxury khoảng từ 200

- 300 triệu đồng.

- Về tính năng, nhà thông minh của BKAV có thể điều khiển trực tiếp thông

qua thiết bị gắn trên tường hoặc dùng smartphone, máy tính bảng, có chức

năng điều khiển bằng giọng nói, tích hợp các kịch bản ngữ cảnh thông minh

và sử dụng hệ điều hành SmartHome OS do BKAV phát triển.

- Ngoài ra mới đây BKAV vừa cho ra mắt bộ thiết bị an ninh cao cấp BKAV

SmartHome Security, bảo vệ ngôi nhà theo nhiều lớp, từ tường rào, sân

vườn, các cửa tới từng khu vực, phòng ốc. Khác với các thiết bị hiện có

trên thị trường, BKAV SmartHome Security tích hợp trí tuệ nhân tạo (công

nghệ AI) giúp phát hiện thông minh, loại bỏ các hiện tượng cảnh báo sai,

nhầm các xâm nhập ngoài mong muốn đối với ngôi nhà.

Nhà thông minh Lumi:

- Lumi tập trung vào cung cấp các giải pháp chiếu sang thông minh, điều

hòa, rèm cửa, bình nóng lạnh điều khiển tự động, âm thanh đa vùng, hệ

thống an ninh, kiểm soát môi trường cho nhà ở…

- Lumi SmartHome được hết nối và điều khiển qua các thiết bị điện thông

minh như công tắc cảm ứng, chiết áp cảm ứng, cảm biến, bộ điều khiển

hồng ngoại... Người sử dụng có thể điều khiển giám sát bằng smartphone/

máy tính bảng, điều khiển bằng giọng nói.

Nhìn chung, các hệ thống này đã đáp ứng được phần lớn nhu cầu của người

sử dụng. Tuy nhiên giá thành của chúng còn khá cao, những người có thu nhập vừa

và thấp thì khó có khả năng sở hữu được một hệ thống như vậy. Vì vậy, yêu cầu

đặt ra là phải giảm được giá thành sản phẩm để nhà thông minh ngày càng được

phổ biến hơn.

2.4. Phân tích, lựa chọn phương án thực hiện đề tài:

2.4.1. Phương án thực hiện:

Căn cứ vào những hiểu biết về hệ thống nhà thông minh đã tìm hiểu và trình

bày ở trên, luận văn sẽ xây dựng nhà thông minh gồm các thành phần sau đây:

11

Khối chiếu sáng: gồm các đèn led, và hệ thống cửa sổ có thể đóng mở nhờ

động cơ.

Khối kiểm soát vào ra, báo động: Sử dụng thẻ từ RFID để kiểm soát người

ra vào, kết hợp với hệ thống cửa bán tự động. Báo động bằng còi điện.

Khối cảm biến: Sử dụng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, mưa, ánh sáng, thân

nhiệt chuyển động, gas để cung cấp thông tin cho bộ điều khiển.

Khối điều hòa không khí: gồm quạt thông gió, cửa sổ.

Khối xử lý trung tâm: Sử dụng kit STM32F407 Discovery làm bộ xử lý

trung tâm, bên cạnh đó còn sử dụng thêm module Wifi ESP8266 NodeMCU

để kết nối mạng Internet đưa dữ liệu lên CloudMQTT và cập nhật thời gian

thực. Ngoài ra để điều khiển được các thiết bị điện gia dụng thì cần tích hợp

thêm hệ thống relay, phím bấm và LCD cũng được trang bị để dễ dàng điều

khiển trực tiếp.

Khối xử lý trung tâm

Khối cảm biến

Khối kiểm soát ra vào

Khối chiếu sáng

Relay

Khối điều hòa không

khí

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống

Với giới hạn đề tài là xây dựng mô hình nhà thông minh, nên các thiết bị quạt,

đèn thực tế sẽ được thay thế bằng đèn led và quạt tản nhiệt 12V. Tuy nhiên các

thiết bị vẫn sẽ được điều khiển thông qua relay để đảm bảo tính ứng dụng thực tế

của đề tài.

12

2.4.2. Phân tích phương án đã chọn:

Để đảm bảo cho nhu cầu sử dụng của người dùng và hệ thống hoạt động tốt,

ổn định thì việc lựa chọn vi điều khiển thích hợp cho bộ điều khiển trung tâm đóng

vai trò rất quan trọng. Vi điều khiển được dùng trong đề tài phải có những yêu cầu

bắt buộc sau:

Hỗ trợ số lượng IO lớn.

Có hỗ trợ các giao tiếp UART, I2C, SPI.

Có bộ chuyển đổi ADC.

Tốc độ xử lý cao, ổn định.

Giá thành hợp lí.

Căn cứ vào những yêu cầu trên em quyết định chọn kit STM32F407 Discovery

làm bộ xử lý trung tâm.

Bên cạnh việc sử dụng kit STM32F407 Discovery cho đề tài , em còn sử dung

ESP8266 NodeMCU để truyền nhận dữ liệu giữa hệ thống và Cloud. Một vài ưu

điểm của nó như trang bị chip nạp và giao tiếp UART mới và ổn định là CP2102,

nhờ vậy mà có thể lập trình và nạp chương trình trực tiếp từ IDE của Arduino, điều

này khiến việc lập trình ứng dụng trở nên đơn giản hơn. Ngoài ra giá thành của nó

không quá cao.

Để giao tiếp giửa kit STM32F407 Discovery và ESP8266 NodeMCU thì có

thể sử dụng các giao thức như UART, SPI hay I2C. Do khi thực hiện khoảng cách

giữa 2 hai vi điều khiển không xa, không yêu cầu tốc độ quá cao nên để đơn giản

em quyết định chọn giao thức UART.

Hiện nay có nhiều giao thức giúp điều khiển thiết bị qua Internet mỗi giao thức

có ưu nhược điểm riêng. Trong luận văn em đã sử dụng giao thức MQTT, một số

ưu điểm nổi bật của nó như: băng thông thấp, độ tin cậy cao và có thể sử dụng ngay

cả khi hệ thống mạng không ổn định, tốn rất ít byte cho việc kết nối với server và

connection có thể giữ trạng thái open xuyên suốt, có thể kết nối nhiều thiết bị

(MQTT client) thông qua một MQTT server (broker). Bởi vì giao thức này sử dụng

13

băng thông thấp trong môi trường có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng

cho các ứng dụng IoT.

Để thực hiện giao thức MQTT ta cần có một MQTT server (hay broker), có 2

cách để có được một broker MQTT đó là:

Tự tạo broker MQTT trên máy tính, raspberry, ...cách này tốn kém thêm

chi phí, phức tạp.

Sử dụng các dịch vụ MQTT broker có sẵn.

Do khả năng còn hạn chế nên em quyết định chọn cách thứ hai là sử dụng

MQTT broker có sẵn. Ở đây em dùng broker được cung cấp bởi CloudMQTT

(https://www.cloudmqtt.com/).

Ngoài ra, để cập nhật thời gian thực cho hệ thống em sử dụng ESP8266

NodeMCU kết nối Internet để đồng bộ thời gian từ server NTP ( Network Time

Protocol). Phương pháp này có thể giúp tiết kiệm phần cứng khi không cần phải

dùng những module thời gian thực như thông thường.

14

Chương 3. TÌM HIỂU VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM

3.1. Kit STM32F407 Discovery:

STM32F407VG là chip của STMicroelectronics, là dòng vi điều khiển 32- bit

dựa trên nền lõi ARM Cortex-M. Dòng ARM Cortex™-M là thế hệ mới, thiết lập các

tiêu chuẩn mới về hiệu suất, chi phí, ứng dụng cho các thiết bị cần tiêu thụ năng lượng

thấp, và đáp ứng yêu cầu thời gian thực khắc khe.

Bộ kit STM32F4 Discovery cho phép người dùng dễ dàng phát triển các ứng

dụng với vi điều khiển có hiệu suất cao STM32F407VG. Kit được tích hợp sẵn công

cụ ST-LINK giúp nạp chương trình, kiểm tra lỗi nhanh chóng.

Hình 3.1: Kit STM32F407 Discovery [2]

3.1.1. Các tính năng nổi bật:

Một số tính năng của kit [2]:

Bộ vi điều khiển STM32F407VGT6 có lõi ARM Cortex® 32-bit với lõi

FPU, bộ nhớ Flash 1-Mbyte, RAM 192Kbyte trong gói LQFP100, tần số

hoạt động 168MHz.

Cổng USB 2.0 tốc độ cao.

Ethernet LAN 10/100Mb.

15

3 kênh 12-bit ADC.

2 kênh 12-bit DAC.

2 kênh mạng chuẩn CAN.

4 UART, 3SPI, 3 I2C.

Camera 8-14 bits giao diện lên đến 54Mbytes/s.

16 kênh DMA.

Board có ST-LINK/V2 trên STM32F4-DISCOVERY giúp nạp chương

trình, gỡ lỗi.

Board cấp nguồn: thông qua cổng USB hoặc nguồn 5V bên ngoài.

Cảm biến chuyển động LIS302DL, ST MEMS 3 trục gia tốc.

Cảm biến âm thanh MP45DT02 ST-MEMS, mic cảm biến âm thanh vô

hướng kỹ thuật số.

Bộ chuyển đổi DAC âm thanh CS43L22.

8 đèn led:

- LD1: led báo cho giao tiếp USB.

- LD2: led nguồn 3.3V.

- 4 LED màu: LD3 (màu cam), LD4 (màu xanh lá), LD5 (màu đỏ),

LD6 (màu xanh dương).

- 2 USB OTG LEDs LD7 (green) VBUS and LD8 (red) báo quá

dòng.

2 nút nhấn (reset và user)

USB OTG FS với cổng kết nối micro-AB.

Header mở rộng cho tất cả các I/O LQFP100 để kết nối với board.

Phần mềm miễn phí toàn diện bao gồm nhiều ví dụ, một phần của STM32

CubeF4 gói hoặc STSW-STM32068 cho việc sử dụng thư viện chuẩn.

3.1.2. Các khối chức năng chính được sử dụng trong luận văn:

Khối ngõ vào ra đa chức năng (GPIO):

Đối vơi vi điêu khiên STM32F407 loại 100 chân co 5 Port môi Port co 16

chân I/O đo la Port A, B, C, D va Port E ngoai ra con có Port H co 2 chân

I/O.

Mỗi chân GPIO có thể được cấu hình bằng phần mềm như đầu ra (push-

pull, hoặc open-drain và pull-up, pull-dow) hay đầu ra (pull-up, pull-dow).

Dư liêu đươc xuât ra từ thanh ghi dư liêu hoăc ngoai vi.

Co thê chon tốc đô xư ly cho cac chân I/O.

Môi chân I/O lên đên 16 chưc năng khac nhau.

Co kha năng đôi trang thái nhanh chi trong 2 chu ki xung clock.

16

Hinh 3.2: Cấu trúc cơ bản của một chân I/O đa chức năng [3]

Khối giao tiếp USART:

STM32F407VG hỗ trợ bốn bộ phát nhận đồng bộ/không đồng bộ (USART1,

USART2, USART3, USART6) và hai bộ phát nhận không đồng bộ (USART4,

USART5). Các giao diện USRT1 và USART6 có thể truyền thông với tốc độ lên

đến 10,5Mbit/s. Các giao diện sẵn có khác có thể truyền thông với tốc độ

5,25Mbit/s.

Môt sô đặc điểm chính cua khôi giao tiêp USART:

Giao tiêp bất đông bộ song công.

Đinh dạng tiêu chuân NRZ.

Chiêu dai ki tư dư liêu co thê lâp trinh đươc (8 bit hoăc 9 bit).

Co cac bit cho phép tách biêt đôi vơi qua trinh truyên va nhân dư liêu.

Co cac cơ phat hiên chuyên đôi.

4 cơ phat hiên lôi.

10 nguôn ngăt được phat hiện vơi cơ.

17

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc khối giao tiếp USART [3]

Khối giao tiếp I2C:

I2C (inter-integrated circuit) là chuẩn truyền thông nối tiếp 2 dây gồm 1 dây

xung clock(SCL) và 1 dây dữ liệu (SDA). Các chip chủ - tớ được nối chung với

nhau trên hai đường dây này và được nối với điện trở treo.

Kit hỗ trợ tối đa 3 đường I2C có thể hoạt động ở chế độ multimater và slave.

Ở chế độ chuẩn hỗ trợ lên tới 100KHz và chế độ nhanh lên đến 400KHz. Chúng hỗ

trợ chế độ địa chỉ 7/10 bit và chế độ địa chỉ kép 7 bit.

Có thể hoạt động như một Master hoặc Slave.

18

Hình sau thể hiện cấu trúc của 1 chân I2C:

Hình 3.4: Cấu trúc của một chân I2C [3]

3.2. Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU:

Hình 3.5: Module thu phát Wifi 8266 NodeMCU [4]

Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua là kit phát triển dựa trên nền chip

Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp

trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và

lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản.

19

Được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển

qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT.

Thông số kỹ thuật: [4]

IC chính: ESP8266 Wifi SoC.

Phiên bản firmware: NodeMCU Lua.

Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102.

GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU.

Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.

GIPO giao tiếp mức 3.3VDC.

Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.

Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.

Kích thước: 25 x 50 mm.

Hình 3.6: Các chân của Module Wifi 8266 NodeMCU [4]

20

3.3. Các cảm biến được sử dụng:

3.3.1. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11:

Hình 3.7: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì

chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây

truyền dữ liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn

có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào.

Thông số kỹ thuật: [5]

Điện áp hoạt động: 3 đến 5 VDC.

Dòng sử dụng lớn nhất: 2.5mA.

Đo tốt ở độ ẩm 20% - 80%RH với sai số ±5%.

Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C.

Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz.

Nguyên lý hoạt động: [5]

MCU gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại.

21

Hình 3.8: Tín hiệu start từ MCU và phản hồi của DHT11 [5]

Sau khi giao tiếp được DHT11 sẽ trả về giá trị nhiệt độ, độ ẩm dưới dạng 5

byte:

- Byte 1: Giá trị phần nguyên của độ ẩm.

- Byte 2: Giá trị phần thập phân của độ ẩm.

- Byte 3: Giá trị phần nguyên của nhiệt độ.

- Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ.

- Byte 5: Kiểm tra tổng.

Hình 3.9: Bit 0 [5]

22

Hình 3.10: Bit 1 [5]

3.3.2. Cảm biến sáng quang trở CDS:

Hình 3.11: Cảm biến quang trở CDS

Cảm biến ánh sáng quang trở có tích hợp sẵn opamp và biến trở so sánh mức

tín hiệu giúp cho việc nhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng, sử dụng để nhận biết hay

bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng môi trường.

Thông số kỹ thuật:

Nguồn 3.3 – 5VDC

Sử dụng quang trở CDS

Kích thước: 36mm x 16mm

Xuất tín hiệu Digial

23

3.3.3. Cảm biến mưa:

Hình 3.12: Cảm biến mưa

Thông số kỹ thuật:

Điện áp hoạt động 5V.

1 đầu ra Digital và 1 đầu ra Analog.

Độ nhạy có thể điều chỉnh thông qua chiết áp.

Khi không có mưa đầu ra ở mức cao, có mưa đầu ra ở mức thấp.

Kích thước tấm cảm biến mưa: 54mm x 40mm.

Có lỗ cố định bu lông để gắn cảm biến.

3.3.4. Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC – SR501:

Hình 3.13: Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC – SR501

24

Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR (Passive infrared sensor) HC-SR501

được sử dụng để phát hiện chuyển động của các vật thể phát ra bức xạ hồng

ngoại (con người, con vật, các vật phát nhiệt,...), cảm biến có thể chỉnh được độ

nhạy để giới hạn khoảng cách bắt xa gần cũng như cường độ bức xạ của vật thể

mong muốn, ngoài ra cảm biến còn có thể điều chỉnh thời gian kích trễ (giữ tín

hiệu bao lâu sau khi kích hoạt) qua biến trở tích hợp sẵn.

Thông số kỹ thuật [6]:

Phạm vi phát hiện : góc 120 độ hình nón, độ xa tối đa 7m.

Nhiệt độ hoạt động : 15 - 70°C.

Điện áp hoạt động: 5 - 20VDC.

Mức tiêu thụ dòng: 65mA.

Thời gian báo: tối đa 5 phút có thể tùy chỉnh bằng biến trở.

Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở.

Kích thước: 32,2 x 24,3 x 25,4 mm.

Tín hiệu trả về: Digital.

3.3.5. Cảm biến khí gas MQ-2:

Hình 3.14: Cảm biến khí gas

25

MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch,

khi khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy

càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành

mức tín hiệu điện. MQ-2 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane và

Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác, phù hợp cho các ứng dụng khác

nhau.

Thông số kỹ thuật:

Nguồn sử dụng: 5VDC.

Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital

có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở.

3.4. Mạch RFID RC522 NFC:

Hình 3.15: Mach RFID RC552 NFC

Module RFID RC522 sử dụng IC MFRC522 của Phillip dùng để đọc và ghi dữ

liệu cho thẻ NFC tần số 13.56mhz, với mức giá rẻ thiết kế nhỏ gọn, module này là sự

lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng về ghi đọc thẻ RFID.

Thông số kỹ thuật: [7]

Nguồn: 3.3VDC, 13 - 26mA.

Dòng ở chế độ chờ: 1013mA .

Dòng ở chế độ nghỉ: < 80uA.

26

Tần số sóng mang: 13.56MHz.

Khoảng cách hoạt động: 0 - 60mm (mifare1 card).

Giao tiếp: SPI.

Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s.

Các loại card RFID hỗ trợ: mifare1 S50, mifare1 S70, mifare UltraLight,

mifare Pro, mifare Desfire.

Kích thước: 40mm × 60mm.

3.5. Màn hình hiển thị LCD:

3.5.1. LCD text 1604 xanh dương:

Hình 3.16: LCD text 1604 xanh dương

Màn hình text LCD1602 xanh dương sử dụng driver HD44780, có khả năng

hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến.

Thông số kỹ thuật:

Điện áp hoạt động là 5 V.

Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm.

Chữ trắng, nền xanh dương.

Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử

dụng ít điện năng hơn.

Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu.

27

3.5.2. LCD text 2004 xanh dương:

Hình 3.17: LCD text 2004 xanh dương

Màn hình text LCD2004 xanh dương sử dụng driver HD44780, có khả năng

hiển thị 4 dòng với mỗi dòng 20 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến.

Thông số kỹ thuật:

Điện áp hoạt động là 5 V.

Kích thước: 98 x 60 x 13.5 mm.

Chữ trắng, nền xanh dương.

Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để

sử dụng ít điện năng hơn.

Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu.

3.5.3. Mạch chuyển giao tiếp LCD 1602 và LCD 2004 sang I2C:

Hinh 3.18: Mạch chuyển giao tiếp LCD 1602 và LCD 2004 sang I2C

28

Để sử dụng các loại LCD có driver là HD44780 (LCD 1602, LCD 2004, ...)

cần có ít nhất 6 chân của MCU kết nối với các chân RS, EN, D7, D6, D5 và D4 để

có thể giao tiếp với LCD. Nhưng với module chuyển giao tiếp LCD sang I2C, các

bạn chỉ cần 2 chân (SDA và SCL) của MCU kết nối với 2 chân (SDA và SCL) của

module là đã có thể hiển thị thông tin lên LCD. Ngoài ra có thể điều chỉnh được độ

tương phản bởi biến trở gắn trên module.

Mạch chuyển đổi MCU

VCC 5V

GND GND

SCL SCL

SDA SDA

Bảng 3.1: Giao tiếp giữa mạch chuyển đổi LCD sang I2C với MCU

Ngoài ra mạch còn cho phép thay đổi địa chỉ I2C bằng cách nối các jump để

có thể cùng lúc điều khiển nhiều LCD với chỉ một bộ I2C của MCU.

3.6. Module 8 relay:

Hình 3.19: Module 8 relay

Module 8 relay thích hợp cho các ứng dụng đóng ngắt điện thế cao AC hoặc

DC, các thiết bị tiêu thụ dòng lớn, module thiết kế nhỏ gọn, có opto và transistor cách

ly, kích đóng bằng mức thấp (0V) phù hợp với mọi loại MCU và thiết kế có thể sử

dụng nguồn ngoài giúp cho việc sử dụng trở nên thật linh động và dễ dàng.

29

Thông số kỹ thuật:

Sử dụng điện áp nuôi 5VDC.

8 Relay đóng ngắt ở điện thế kích bằng 0V nên có thể sử dụng cho cả tín

hiệu 5V hay 3v3 (cần cấp nguồn ngoài), mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng

80mA.

Điện thế đóng ngắt tối đa: 250VAC - 10A hoặc 30VDC - 10A.

Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay.

3.7. Các thiết bị khác:

3.7.1. Đèn led, quạt:

Để đảm bảo kích thước cho mô hình ngôi nhà, thay vì sử dụng các thiết bị điện

220VAC em đã sử dụng đèn led và quạt tản nhiệt DC thay thế. Tuy nhiên các thiết

bị này vẫn được điều khiển thông qua relay để đáp ứng tính ứng dụng của đề tài.

Hình 3.20: Đèn hắt sang trắng 3 bóng

Hình 3.21: Quạt tản nhiệt 4x4x1cm

Cả hai thiết bị trên đều sử dụng nguồn 12VDC.

3.7.2. Động cơ RC Servo 9G:

Động cơ RC Servo 9G 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. Động cơ RC

Servo 9G có tốc độ phản ứng nhanh, động cơ RC Servo 9G có tích hợp sẵn Driver

điều khiển động cơ bên trong nên có thể dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương

pháp điều độ rộng xung PWM.

Trong luận văn động cơ được sử dụng để đóng, mở cửa.

30

Hình 3.22: Động cơ RC Servo 9G

Thông số kỹ thuật [8]:

Điện áp hoạt động: 4.8-6VDC.

Tốc độ: 60°/0.12s (4.8VDC).

Kích thước: 23x12x32mm.

Trọng lượng: 14.7g.

Để điều khiển ta cần xuất xung có chu kì 20ms với độ rộng xung từ 1

đến 2ms ứng với vị trí từ -90° đến 90°.

3.7.3. Cảm ứng một chạm điện dung TTP223B:

Hình 3.23: Cảm ứng một chạm điện dung TTP223B

31

Cảm ứng 1 chạm điện dung TTP223B mini có kích thước nhỏ gọn và giá thành

rẻ, thường được sử dụng trong các ứng dụng cảm ứng điện dung: bàn phím, công

tắc cảm ứng,...

Thông số kỹ thuật:

IC chính: TTP223B.

Điện áp làm việc: 3 - 5VDC.

Dòng điện tiêu thụ: 0.025mA.

Cảm ứng xuyên qua các phi kim như kính, nhựa, acrylic, ...

3.8. Các phần mềm được sử dụng:

3.8.1. Arduino IDE:

Arduino IDE (Integrated Development Invironment) là môi trường lập trình

tích hợp mã nguồn mở hỗ trợ người dùng viết code và tải nó lên board mạch

arduino. Đây là môi trường lập trình đa nền tảng hỗ trợ hầu hết các board Arduino

hiện nay. Một số tính năng chính của phần mềm như viết code và biên dịch cho

Arduino, có nhiều ví dụ mẫu, hỗ trợ nhiều thư viện như SoftwareSerial,

FirebaseArduino, SPI, ESP8266, Servo, UART,… Phiên bản Arduino IDE đầu tiên

là Arduino 1.0 sau đó được phát triển dần lên phiên bản Arduino 1.0.1, 1.0.2,… và

phiên bản mới nhất hiện nay là Arduino 1.8.7.

Trong luận văn Arduino IDE được sử dụng kèm với những thư viện

PubSubClient, NTPClient, ESP8266WiFi,…để lập trình cho module Wifi

ESP8266 NodeMCU.

3.8.2. Keil uVision5 và STM32CubeMX:

Keil uVision5 là một phần mềm hỗ trợ cho người dùng trong việc lập trình

cho vi điều khiển các dòng khác nhau (Atmel, AVR,…). Phần mềm giúp người

soạn thảo và biên dịch chương trình C thành ngôn ngữ máy để nạp vào vi điều

khiển giúp chúng ta tương tác giữa vi điều khiển và người lập trình.

32

STM32CubeMX là công cụ giúp cấu hình ngoại vi, cũng như tạo project dựa

trên các cấu hình đó. Một số ưu điểm khi sử dụng STM32CubeMX như:

Giúp cấu hình ngoại vi dễ dàng. Chọn các pin trên chip và chọn các tính

năng mong muốn gắn với nó.

STM32CubeMX tự động download các driver mới nhất của ST dành cho

các dòng chip của mình.

Tự động tạo project dựa trên cấu hình đã thiết lập.

Trong luận văn đã sử dụng kết hợp hai phần mềm trên để lập trình cho kit

STM32F407 Discovery.

3.9. Giao thức MQTT :

3.9.1. Tìm hiểu giao thức MQTT:

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức gởi dạng

publish/subscribe sử dụng cho các thiết bị Internet of Things với băng thông thấp,

độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định. Bởi vì

giao thức này sử dụng băng thông thấp trong môi trường có độ trễ cao nên nó là

một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M (machine to machine) hay IoT.

MQTT cũng là giao thức sử dụng trong Facebook Messager hay Youtube.

HTTP phù hợp cho việc truyền dữ liệu lớn (website chẳng hạn) nhưng nó thì

rõ ràng là không hiệu quả nhất khi muốn gởi một vài byte dữ liệu - dữ liệu cảm

biến. Thêm nữa là nó không nhanh vì vậy MQTT là hợp lý nhất trong trường hợp

này.

MQTT thì nhẹ nhàng hơn và nhanh hơn. Nó mất rất ít byte cho việc kết nối

với server và connection có thể giữ trạng thái open xuyên suốt. Ưu điểm là giao

tiếp sẽ mất ít dữ liệu và thời gian hơn HTTP Protocol. Đó là lý do đề tại chọn giao

thức MQTT thay vì sử dụng những giao thức khác.

Trong một hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (gọi là mqtt

client - gọi tắt là client) kết nối tới một MQTT server (gọi là broker). Mỗi client sẽ

đăng ký một vài kênh (topic), ví dụ như "/client1/channel1", "/client1/channel2".

33

Quá trình đăng ký này gọi là "subscribe", giống như chúng ta đăng ký nhận tin trên

một kênh Youtube vậy. Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác

gởi dữ liệu và kênh đã đăng ký. Khi một client gởi dữ liệu tới kênh đó, gọi

là "publish".

Hình 3.24: Mô hình publish/ subscribe

Tầng ứng dụng QoS (Qualities of Service):

Có 3 tuỳ chọn QoS (Qualities of service) khi "publish" và "subscribe":

QoS0: Broker/client sẽ gởi dữ liệu đúng 1 lần, quá trình gởi được xác nhận

bởi chỉ giao thức TCP/IP.

QoS1: Broker/client sẽ gởi dữ liệu với ít nhất 1 lần xác nhận từ đầu kia,

nghĩa là có thể có nhiều hơn 1 lần xác nhận đã nhận được dữ liệu.

QoS2: Broker/client đảm bảm khi gởi dữ liệu thì phía nhận chỉ nhận được

đúng 1 lần, không trùng lặp, không thất lạc.

QoS2 có độ tin cậy cao nhất.

Một gói tin có thể được gởi ở bất kỳ QoS nào, và các client cũng có thể

subscribe với bất kỳ yêu cầu QoS nào. Có nghĩa là client sẽ lựa chọn QoS tối đa

mà nó có để nhận tin. Ví dụ, nếu 1 gói dữ liệu được publish với QoS2, và client

subscribe với QoS0, thì gói dữ liệu được nhận về client này sẽ được broker gởi

với QoS0, và 1 client khác đăng ký cùng kênh này với QoS2, thì nó sẽ được

Broker gởi dữ liệu với QoS2.

34

Một ví dụ khác, nếu 1 client subscribe với QoS2 và gói dữ liệu gởi vào kênh

đó publish với QoS0 thì client đó sẽ được Broker gởi dữ liệu với QoS0. QoS

càng cao thì càng đáng tin cậy, đồng thời độ trễ và băng thông đòi hỏi cũng cao

hơn.

Retain:

Nếu retain được set bằng 1, khi gói tin được publish từ Client,

Broker phải lưu trữ lại gói tin với QoS, và nó sẽ được gởi đến bất kỳ Client nào

subscribe cùng kênh trong tương lai. Khi một Client kết nối tới Broker và

subscribe, nó sẽ nhận được gói tin cuối cùng có retain = 1 với bất kỳ topic nào

mà nó đăng ký trùng. Tuy nhiên, nếu Broker nhận được gói tin mà có QoS = 0

và retain = 1, nó sẽ huỷ tất cả các gói tin có retain = 1 trước đó. Và phải lưu gói

tin này lại, nhưng hoàn toàn có thể huỷ bất kỳ lúc nào.

Khi publish một gói dữ liệu đến Client, Broker phải sẽ retain = 1 nếu gói

được gởi như là kết quả của việc subscribe mới của Client (giống như tin nhắn

ACK báo subscribe thành công). Retain phải bằng 0 nếu không quan tâm tới kết

quả của việc subscribe.

Bảo mật:

MQTT được thiết kế một cách nhẹ và linh hoạt nhất có thể. Do đó nó chỉ có

1 lớp bảo mật ở tầng ứng dụng: bảo mật bằng xác thực (xác thực các client được

quyền truy cập tới broker).

Tuy vậy, MQTT vẫn có thể được cài đặt kết hợp với các giải pháp bảo mật

đa tầng khác như kết hợp với VPN ở tầng mạng hoặc SSL/TLS ở tầng transport.

3.9.2. Cloud MQTT:

Cloud MQTT là một MQTT server dựa trên công nghệ điện toán đám mây.

CloudMQTT được quản lý bởi máy chủ Mosquitto. Mosquitto thực hiện giao thức

MQ Telemetry Transport, cung cấp các giải pháp đơn giản để gởi tin nhắn bằng

cách sử dụng các lệnh publish/subscribe.

35

Cloud MQTT là một giải pháp thay thế cho việc tạo Broker server khi mà

chúng ta vẫn còn thiếu kinh nghiệm về lập trình server.

Hình 3.25: Trang CloudMQTT

3.9.3. Ứng dụng điều khiển giám sát từ xa:

Để điều khiển và giám sát hệ thống trên smartphone ta cần có một ứng dụng

để giao tiếp với MQTT Broker.

Do còn hạn chế về khả năng lập trình ứng dụng trên Android cũng như IOS

nên trong đề tài em quyết định sử dụng ứng dụng IoT OnOff được cung cấp bởi

Kris Van Hoye, ứng dụng có thể tải trực tiếp trên Google Play hoặc App Store.

Một số tính năng nổi bật của ứng dụng:

Có trên cả hai hệ điều hành cho smartphone phổ biến nhất hiện nay là

Android và IOS.

Thao tác thiết lập đơn giản.

Giao diện đẹp, cho phép tùy biến cao.

Giao tiếp được với tất cả MQTT Broker có hỗ trợ WebSoket.

Tự động kết nối lại với Broker khi mất kết nối.

Hoạt động ổn định.

36

3.10. Cập nhật thời gian thực từ NTP server:

Network Time Protocol (NTP) là một thuật toán phần mềm giữ cho các máy tính

và các thiết bị công nghệ khác nhau có thể đồng bộ hóa thời gian với nhau.

NTP server là một thiết bị được sử dụng để nhận biết yêu cầu đồng bộ thời gian

và phân phối tín hiệu thông tin thời gian bằng thuật toán NTP. Các tín hiệu thời gian

được sử dụng bởi hầu hết các mấy chủ NTP là nguồn thời gian UTC (Coordinated

Universal Time: thời gian toàn cầu dựa trên thời gian đồng hồ nguyên tử). Các tín

hiệu thời gian có thể được truyền thông qua mạng Internet toàn cầu giữa các NTP

server hoặc giữa NTP server với các NTP client (thiết bị cần cập nhật thời gian).

Public NTP server là một NTP server trên Internet mà ai cũng có thể truy cập và

nhận thông tin thời gian miễn phí. Chúng ta có thể tìm thấy danh sách các Public NTP

server tại trang web http://www.pool.ntp.org/.

Trong luận văn em sử dụng thư viện “NTPClient” để lập trình cho module

ESP8266 NodeMCU truy cập và nhận thông tin thời gian từ một Public NTP server.

37

Chương 4. THIẾT KẾ, THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ HÌNH

NGÔI NHÀ

4.1. Tổng quan hệ thống:

KIT STM32F407VGx

CloudMQTT

Cảm biến

ESP8266

NodeMCU

Smartphone

Thiết bị:

quạt, đèn...

UART

Internet

Internet

Relay

RFID

LCD

Nút nhấn

SPI

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống

Các cảm biến, thiết bị điện (đèn, quạt..) và module đọc thẻ RFID sẽ được lắp đặt

trên mô hình ngôi nhà.

Các thành phần của bộ điều khiển trung tâm: Kit STM32F407, ESP8266

NodeMCU, LCD, nút nhấn cùng với relay sẽ được tích hợp thành một thiết bị. Thiết

bị này sẽ có ngõ vào là tín hiệu từ các cảm biến và ngõ ra là các tiếp điểm của relay

để điều khiển thiết bị.

38

4.2. Mô hình ngôi nhà:

Mô hình ngôi nhà sẽ gồm: 1 phòng khách, 2 phòng ngủ, 1 phòng bếp và 1

phòng vệ sinh, với các thiết bị và cảm biến được bố trí như bảng dưới.

Vị trí Cảm biến Thiết bị được điều khiển

Phòng khách Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, thân

nhiệt chuyển động.

Đèn, quạt, còi, cửa

ra/vào, cửa sổ

Phòng ngủ 1 Đèn, quạt, cửa sổ.

Phòng ngủ 2 Đèn, quạt.

Phòng bếp Khí gas, mưa. Đèn, cửa bếp.

Phòng vệ sinh Ánh sang, thân nhiệt chuyển động Đèn.

Bảng 4.1: Bố trí cảm biến và các thiết bị

Hình 4.2: Mô hình ngôi nhà

39

4.3. Bộ điều khiển trung tâm:

Căn cứ vào số lượng cảm biến và thiết bị như trên ta có thể chọn kết nối các chân

vi điều khiển như sau:

Chân Cấu hình Thiết bị

PA0 ADC Cảm biến gas

PA4

SPI1 Module RFID PA5

PA6

PA7

PB6 I2C1 LCD 2004, LCD 1602

PB7

PE9

PWM

Cửa sổ phòng ngủ 1 PE11

PE13 Cửa ra/vào

PE14

PA15 Cửa sổ phòng khách

PB3

PA2 Cửa bếp

PC10 UART3 Module Wifi 8266 NodeMCU

PC11

PD0

GPIO Input

Cảm biến PIR phòng khách

PD1 Cảm biến PIR phòng vệ sinh

PD2 Cảm biến ánh sáng phòng khách

PD3 Cảm biến ánh sáng phòng vệ sinh

PD4 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

PD5 Cảm biến mưa

PD6

GPIO Output

Quạt phòng khách

PD7 Đèn phòng khách

PD8 Quạt phòng ngủ 1

40

PD9 Đèn phòng ngủ 1

PD10 Quạt phòng ngủ 2

PD11 Đèn phòng ngủ 2

PD12 Đèn phòng bếp

PD13 Đèn phòng vệ sinh

PD14 Còi

PC0 GPIO EXTI0 Nút nhấn: Menu/Select

PC1 GPIO EXTI1 Nút nhấn: Back

PC2 GPIO EXTI2 Nút nhấn: Down

PC3 GPIO EXTI3 Nút nhấn: Up

PC4 GPIO Input Cảm ứng điện dung một chạm mở/đóng cửa

Bảng 4.2: Các chân vi điều khiển sử dụng

4.3.1. Thiết kế, thi công mạch điều khiển trung tâm:

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm

41

Mạch in:

Hình 4.4: Mạch in bộ điều khiển trung tâm

Kết quả thi công mạch điều khiển trung tâm:

Hình 4.5: Kêt quả thi công mạch điều khiển trung tâm

42

4.3.2. Thiết kế, thi công mạch nút nhấn:

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nút nhấn

Mạch in:

Hình 4.7: Mạch in nút nhấn

43

Kết quả thi công mạch nút nhấn:

Hình 4.8: Kết quả thi công mạch nút nhấn

4.3.3. Bộ điều khiển trung tâm sau khi tích hợp:

Hình 4.9: Bộ điều khiển trung tâm

44

Chương 5. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

5.1. Các tính năng của hệ thống điều khiển nhà thông minh:

Sau khi nghiên cứu và thiết kế, đề tài sẽ tích hợp được các chức năng sau đây:

Đọc và hiển thị giá trị của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến mưa, cảm biến

ánh sáng, cảm biến thân nhiệt chuyển động, cảm biến khí gas.

Đóng mở cửa sử dụng thẻ RFID.

Điều khiển trực tiếp sử dụng hệ thống nút nhấn và LCD tích hợp trên bộ điều

khiển trung tâm.

Điều khiển, giám sát từ xa qua internet bằng smartphone.

Hệ thống có thể hoạt động ở 1 trong 2 chế độ Auto/Manual.

Ở chế độ Auto có thể hoạt động theo 1 trong 4 kịch bản sau:

o Kịch bản 1: Cơ bản

Có người vào phòng vệ sinh và trời tối thì bật đèn.

Có mưa nếu các cửa sổ đang mở thì tự động đóng.

Phát hiện rò khí gas thì còi kêu, chớp tắt đèn, mở tất cả các cửa.

o Kịch bản 2: Tiếp khách

Có người trong phòng khách thì tự động mở đèn nếu trời tối, bật

quạt mở cửa sổ nếu nhiệt độ trong phòng lớn hơn nhiệt độ cài đặt.

Tất cả những tính năng còn lại giống kịch bản 1.

o Kịch bản 3: Ra khỏi nhà

Tắt tất cả các thiết bị, đóng tất cả các cửa.

Bật chế độ chống trộm: cảm biến phát hiện có người thì còi kêu,

chớp đèn.

Phát hiện rò khí gas thì còi kêu, chớp tắt đèn.

o Kịch bản 4: Đi ngủ

Tự động bật quạt phòng ngủ nếu nhiệt độ trong phòng lớn hơn nhiệt

độ cài đặt, đóng tất cả các cửa.

Bật chế độ chống trộm: cảm biến phát hiện có người thì còi kêu,

chớp đèn.

Phát hiện rò khí gas thì còi kêu, chớp tắt đèn.

Có thể hẹn giờ báo thức, đến giờ hẹn đèn trong phòng ngủ sẽ được

bật, cửa sổ tự động mở, tắt quạt.

Có người vào phòng vệ sinh và trời tối thì bật đèn.

Có mưa nếu các cửa sổ đang mở thì tự động đóng.

45

5.2. Giải thuật điều khiển:

5.2.1. Đóng mở cửa bằng RFID:

Một thẻ từ sẽ được sử dụng làm master, thẻ này có khả năng cấp hoặc xóa

quyền truy cập của các thẻ khác.

Sơ đồ giải thuật:

Bắt đầu

Phát hiện thẻ

Ghi/xóa thẻ = 1

Là thẻ master

Đúng

Đúng

Ghi/xóa thẻ = 1

Sai

Đúng Là thẻ mới

Ghi thẻ

Ghi/xóa thẻ = 0

Xóa thẻ

Ghi/xóa thẻ = 0

Đúng

Sai

Sai

Là thẻ đã lưu

Báo thẻ không

đúng

Sai

Cửa đóng Đúng

Mở cửa

Đóng cửa

Đúng

Sai

Sai

Hình 5.1: Sơ đồ giải thuật đóng mở cửa dùng thẻ RFID

46

5.2.2. Hoạt động theo các kịch bản:

Kịch bản 1 – Cơ bản:

Bắt đầu

Đọc cảm biến

Trời tối

và có người

Bật đèn

Tắt đèn

Đúng

Sai

Hình 5.2: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn phòng vệ sinh

Bắt đầu

Rò khí gas

Báo động

ResetDừng báo động

Đọc cảm biến

Đúng

Đúng

Sai

Sai

Hình 5.3: Sơ đồ giải thuật báo động khí gas

47

Bắt đầu

Đọc cảm biến

Có mưa

Đóng cửa sổ

Đúng

Cửa sổ mở

Đúng

Sai

Hình 5.4: Sơ đồ giải thuật đóng cửa sổ khi trời mưa

48

Kịch bản 2 – Tiếp khách:

Bắt đầu

Đọc cảm biến

Có người

Bật đèn

Đúng

Trời sáng

Sai

Nhiệt độ lớn hơn

nhiệt độ cài đặt

Sai

Bật quạt

Có mưa

Mở cửa sổ

Đúng

Sai

Sai

Đúng

Hình 5.5: Sơ đồ giải thuật điều khiển đèn, quạt ở Kịch bản 2 - Tiếp khách

Các chức năng khác ở kịch bản này giống như kịch bản 1 nên được lập trình

theo giải thuật như trong kịch bản 1 đã nêu ở trên.

49

Kich bản 3 - Ra khỏi nhà:

Bắt đầu

Có người

Báo động

ResetDừng báo động

Đọc cảm biến

Đúng

Đúng

Sai

Sai

Tắt tất cả các thiết

bị

Hình 5.6: Sơ đồ giải thuật Kịch bản 3 – Ra khỏi nhà

Chức năng báo động rò rỉ gas lập trình như giải thuật ở kịch bản 1.

50

Kịch bản 4 – Đi ngủ:

Bắt đầu

Đọc cảm biến

Nhiệt độ lớn hơn

nhiệt độ cài đặt

Bật quạt

Tắt quạt

Đúng

Sai

Hình 5.7: Sơ đồ giải thuật điều khiển quạt Kịch bản 4 - Đi ngủ

Bắt đầu

Có người

phòng khách

Báo động

ResetDừng báo động

Đọc cảm biến

Đúng

Đúng

Sai

Sai

Hình 5.8: Sơ đồ giải thuật chống trộm Kịch bản 4 - Đi ngủ

51

Bắt đầu

Đọc thời gian thực

Thời gian thực

= thời gian hẹn

Tắt quạt, bật đèn,

mở cửa sổ

Đúng

Sai

Hình 5.9: Sơ đồ giải thuật báo thức Kịch bản 4 - Đi ngủ

Các chức năng báo động rò rỉ khí gas và điều khiển đèn phòng vệ sinh lập

trình giống như trong kịch bản 1, đã trình bày ở trên.

5.3. Lập trình cập nhật thời gian thực từ NTP sever:

Để lấy thời gian từ NTP sever ta cần biến ESP9266 thành 1 NTP client. Để làm

điều đo em sử dụng thư viện “NTPClient”. Một số lệnh cơ bản như sau:

Khai báo thư viện:

#include <NTPClient.h>

Khai báo NTP client kết nối với NTP sever:

NTPClient timeClient(ntpUDP, "europe.pool.ntp.org", 7 * 3600, 60000);

Cập nhật thời gian từ sever:

timeClient.update();

Gửi thông tin thời gian cho STM32 qua UART:

Serial.println(timeClient.getFormattedTime());

52

5.4. Lập trình điều khiển, giám sát từ xa:

5.4.1. Lập trình cho kit STM32F407 và module ESP 8266 NodeMCU:

STM32F407

Discovery

ESP8266

NodeMCU

CloudMQTT

Ứng dụng trên

smartphoneUART

WifiInternet

Internet

Hình 5.10: Sơ đồ khối điều khiển giám sát từ xa qua Internet

ESP8266 NodeMCU và smartphone lúc này đều đóng vai trò là các client

kết nối tới broker MQTT được tạo trên CloudMQTT. ESP8266 sẽ publish trạng

thái các thiết bị lên các topic trạng thái, đồng thời subscribe topic điều khiển để

nhận lệnh điều khiển. Ngược lại, ứng dụng smartphone sẽ publish lệnh điều khiển

lên topic điều khiển đồng thời subscribe các topic trạng thái để cập nhận trạng

thái thiết bị, cảm biến rồi hiển thị trên ứng dụng.

ESP8266 nhận được lệnh điều khiển thì sẽ truyền cho STM32F407 thông

qua chuẩn UART, đồng thời STM32 cũng sẽ liên tục gửi các trạng thái thiết bị,

cảm biến cho ESP8266.

53

Bắt đầu

Nhận được lệnh

từ ESP8266

Thực hiện lệnh

Truyền dữ liệu cho

ESP8266

Đúng

Sai

Hình 5.11: Sơ đồ giải thuật lập tình STM32F407 giao tiếp ESP8266

54

Bắt đầu

Giao tiếp với

STM32F4

Kết nối Wifi

Kết nối

CloudMQTT

Publish trạng thái

lên topic trạng thái

Subscribe topic

điều khiển

Hình 5.12: Sơ đồ giải thuật lập trình ESP8266

Để ESP8266 có thể kết nối với CloudMQTT em sử dụng thư viện “PubSubClient”.

Một số lệnh cơ bản trong thư viên:

Thực hiện kết nối đến MQTT server: client.setServer(mqtt_server, mqtt_port);

Lệnh subscribe topic: client.subscribe(topic);

Lệnh publish thông tin lên topic: client.publish(topic, message );

5.4.2. Tạo Broker MQTT trên CloudMQTT:

Để tạo broker MQTT trên CloudMQTT trước hết ta phải tạo 1 tài khoản trên

trang web cloudmqtt.com. Cloud MQTT cung cấp nhiều gói dịch vụ khác nhau

tùy nhu cầu người dùng, từ miễn phí đến tính phí.

55

Trong luận văn em sử dụng gói “Humble Hedgehog” với phí 5$ mỗi tháng

để đảm bảo tốc độ và số lượng topic cần thiết.

Hình 5.13: Gói “Humble Hedgehog” của CloudMQTT

Khi đã có tài khoản CloudMQTT ta tiến hành tạo broker sau đó tạo các topic

của broker theo bản sau:

Topic Tác dụng

control Nhận và truyền lệnh điều khiển

temp Nhận và truyền nhiệt độ

rh Nhận và truyền độ ẩm

fan_lr Nhận và truyền trạng thái quạt phòng khách

lamp_lr Nhận và truyền trạng thái đèn phòng khách

fan_br_1 Nhận và truyền trạng thái quạt phòng ngủ 1

lamp_br_1 Nhận và truyền trạng thái đèn phòng ngủ 1

fan_br_2 Nhận và truyền trạng thái quạt phòng ngủ 2

lamp_br_2 Nhận và truyền trạng thái đèn phòng ngủ 2

lamp_kc Nhận và truyền trạng thái đèn phòng bếp

lamp_tl Nhận và truyền trạng thái đèn phòng vệ sinh

door_1 Nhận và truyền trạng thái cửa chính

door_2 Nhận và truyền trạng thái cửa bếp

window_1 Nhận và truyền trạng thái cửa sổ phòng ngủ

window_2 Nhận và truyền trạng thái cửa sổ phòng khách

script_1 Nhận và truyền trạng thái thực hiện kịch bản 1

56

script_2 Nhận và truyền trạng thái thực hiện kịch bản 2

script_3 Nhận và truyền trạng thái thực hiện kịch bản 3

script_4 Nhận và truyền trạng thái thực hiện kịch bản 4

alarm Nhận và truyền trạng thái báo động

Bảng 5.1: Các topic phải tạo

ESP8266 sẽ subscribe topic “control” để nhận lệnh điều khiển và publish các

topic còn lại để gửi trạng thái các thiết bị lên. Ngược lại smartphone sẽ publish

topic “control” và subscribe các topic còn lại.

Ví dụ: Để điều khiển bật quạt phòng khách, smartphone sẽ publish lên topic

“control” tin nhắn với nội dung “B1”, ESP8266 vì đã subscribe topic “control” nên

nhận được tin nhắn sau đó truyền tin nhắn đến kit STM32 để điều khiển bật đèn,

sau đó STM32 bật quạt rồi truyền cho ESP8266 tin nhắn với nội dung “B1” có

nghĩa là đã bật quạt phòng khách, khi nhận được ESP8266 sẽ publish nội dung

“B1” lên topic “fan_lr” để thông tin cho smartphone.

5.4.3. Thiết lập, tạo giao diện trên ứng dụng IoT OnOff:

Đầu tiên ta cần tải ứng dụng từ Google Play hoặc App Store. Sau đó mở ứng

dụng lên vào phần Settings => Configuration => Broker rồi điền toàn bộ thông

tin của broker đã tạo trên CloudMQTT.

Hình 5.14: Cung cấp thông tin broker cho ứng dụng IoT OnOff

57

Khi cung cấp đúng thông tin thì ứng dụng sẽ tự động kết nối broker.

Hình 5.15: Ứng dụng IoT OnOff kết nối broker

Sau khi đã kết nối ta tiếng hành tạo giao diện bằng cách thêm các widget (nút

nhấn, đèn hiển thị, hay biểu đồ,…). Cuối cùng ta thiết lập các topic subscribe hay

publish cho các widget.

Hình 5.16: Giao diện điều khiển được tạo trên ứng dụng IoT OnOff

58

Chương 6. KẾT QUẢ, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

6.1. Kết quả và hạn chế của đề tài:

6.1.1. Kết quả:

Sau 15 tuần thực hiện, luận văn cũng đã cơ bản hoàn thành được những yêu

cầu đặt ra ban đầu:

Thiết kế và gia công bộ điều khiển ngôi nhà với những tính năng cơ bản sau:

Có khả năng bật, tắt các thiết bị trong nhà bằng tay hoặc tự động theo

các kịch bản.

Đọc và xử lý tín hiệu từ các cảm biến.

Đóng mở cửa bán tự động sử dụng thẻ RFID.

Báo trộm, rò khí gas.

Hẹn giờ báo thức.

Có thể điều khiển, giám sát bằng điện thoại kết nối mạng Internet.

Xây dựng mô hình ngôi nhà để có thể vận hành thử nghiệm bộ điều khiển trên.

Hình 6.1: Bộ điều khiển và mô hình ngôi nhà sau khi hoàn thành

59

6.1.2. Hạn chế:

Do còn kiến thức còn hạn chế, nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót

và những vấn đề chưa khắc phục được. Có thể nêu ra một số điểm như sau:

Chưa thể tự lập trình một ứng dụng riêng để điều khiển mà sử dụng ứng

dụng có sẵn.

Chỉ dừng lại ở việc điều khiển on/off các thiết bị.

Tính năng còn rất cơ bản, cần bổ sung thêm nhiều tính năng mới để ngôi

nhà được thông minh hơn.

Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến bằng dây nên để sử dụng được ngoài

thực tế cần phải tính toán lại điện trở dây và áp dụng các biện pháp chống

nhiễu cho cảm biến.

6.2. Hướng phát triển đề tài:

Mô hình nhà thông minh với những tính năng cơ bản như trên là nền tảng để phát

triển thành mô hình với những yêu cầu và tính năng cao hơn.

Không chỉ dừng lại ở việc điều khiển on/off thiết bị, mô hình có thể phát triển để

điều khiển analog, với sức mạnh của vi điều khiển STM32F407 thì điều này không

quá khó khăn.

Ngoài ra có thể phát triển thêm các tính năng mới như: nhận diện mặt chủ nhà

thông qua camera, điều khiển bằng giọng nói,...

60

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] “Thị trường công nghệ nhà thông minh tại Việt Nam hiện nay”. Internet:

https://tinhte.vn/threads/thi-truong-cong-nghe-nha-thong-minh-tai-viet-nam-

hien-nay.2676688/

[2] “Discovery kit with STM32F407VG MCU”, [Online]. Available:

http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/user_manual/70/f

e/4a/3f/e7/e1/4f/7d/DM00039084.pdf/files/DM00039084.pdf/jcr:content/trans

lations/en.DM00039084.pdf

[3] “RM0090 Reference manual”, [Online]. Available:

https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manu

al/3d/6d/5a/66/b4/99/40/d4/DM00031020.pdf/files/DM00031020.pdf/jcr:cont

ent/translations/en.DM00031020.pdf

[4] Internet: https://hshop.vn/products/kit-rf-thu-phat-wifi-esp8266-nodemcu

[5] “DHT11 Temperature & Humidity Sensor”, [Online]. Available:

https://www.mouser.com/ds/2/758/DHT11-Technical-Data-Sheet-Translated-

Version-1143054.pdf

[6] “HC-SR501 PIR MOTION DETECTOR”, [Online]. Available:

https://www.mpja.com/download/31227sc.pdf

[7] Internet: https://hshop.vn/products/mach-rfid-rc522-nfc-13-56mhz

[8] “SERVO MOTOR SG90 DATASHEET” ”, [Online]. Available:

http://www.ee.ic.ac.uk/pcheung/teaching/DE1_EE/stores/sg90_datasheet.pdf