Đồ án tốt nghiệp: Mô hình Smarthome sử dụng năng lượng mặt trời - ĐH SPKT TPHCM

Tài liệu đồ án tốt nghiệp về mô hình smarthome ứng dụng năng lượng mặt trời. Phân tích chi tiết thiết kế, thi công và điều khiển qua internet.

• Tác giả: Huỳnh Trí Mẫn
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
• Đề tài: Mô hình Smarthome sử dụng năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Smarthome năng lượng mặt trời

Smarthome năng lượng mặt trời là một giải pháp hiện đại kết hợp công nghệ nhà thông minh với năng lượng tái tạo. Đề tài này nhằm thiết kế và xây dựng mô hình smarthome điều khiển qua mạng internet sử dụng năng lượng mặt trời như nguồn năng lượng chính. Hệ thống được phát triển dựa trên nền tảng kit NI myRIO 1900, một công cụ điều khiển tiên tiến trong lĩnh vực điện tử-truyền thông. Giải pháp này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí điện năng mà còn thân thiện với môi trường. Mô hình smarthome được xây dựng từ mica với các module điều khiển, cảm biến, và bộ lưu trữ năng lượng. Đây là sự kết hợp giữa công nghệ kỹ thuật hiện đại và xu hướng phát triển bền vững toàn cầu, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của xã hội đối với năng lượng sạch.

1.1. Khái niệm cơ bản về Smarthome

Smarthome (nhà thông minh) là hệ thống tự động hóa toàn bộ hoặc một phần các thiết bị trong nhà thông qua công nghệ điều khiển từ xa. Người dùng có thể quản lý smarthome thông qua ứng dụng trên máy tính bảng hoặc máy tính để bàn qua mạng internet. Hệ thống này bao gồm các cảm biến, bộ điều khiển, và các thiết bị thực thi lệnh được kết nối với nhau, tạo nên một mạng lưới thông minh có khả năng học tập và tự điều chỉnh.

1.2. Ưu điểm của năng lượng mặt trời trong smarthome

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, sạch và bền vững. Sử dụng tấm pin mặt trời (solar panel) giúp giảm phụ thuộc vào điện lưới, tiết kiệm chi phí điện năng dài hạn. Với công nghệ smarthome, hệ thống có thể tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng dự trữ, tự động chuyển đổi giữa các chế độ tiêu thụ khác nhau để đạt hiệu suất cao nhất.

II. Kit NI myRIO 1900 và thành phần hệ thống

Kit NI myRIO 1900 là nền tảng phần cứng chính được sử dụng trong đề tài này. Đây là một bộ điều khiển nhúng (embedded controller) có khả năng xử lý mạnh mẽ, tích hợp nhiều cổng vào/ra kỹ thuật số và tương tự. NI myRIO 1900 được lập trình thông qua phần mềm Labview - ngôn ngữ lập trình đồ họa không yêu cầu kiến thức lập trình truyền thống. Hệ thống smarthome hoàn chỉnh bao gồm các module cảm biến (cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm), bộ chuyển đổi điện DC/AC, bộ sạc pin từ năng lượng mặt trời, và các thiết bị điều khiển (đèn, quạt, bộ điều chỉnh ánh sáng). Tất cả các thành phần này được kết nối lại với nhau tạo thành một hệ thống tích hợp.

2.1. Đặc điểm của kit NI myRIO 1900

NI myRIO 1900 là một bộ điều khiển nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ, có khả năng kết nối WiFi tích hợp, cho phép điều khiển từ xa qua mạng. Kit này hỗ trợ các cảm biến và thiết bị ngoại vi thông qua các đầu nối chuẩn. Nó có thể chạy các chương trình phức tạp với khả năng xử lý thời gian thực, phù hợp cho các ứng dụng IoT và smarthome.

2.2. Các module và thiết bị liên quan

Hệ thống smarthome năng lượng mặt trời bao gồm: tấm pin mặt trời (solar panel) để thu năp năng lượng, bộ điều chỉnh điều khiển sạc (charge controller), bộ lưu trữ năng lượng (battery), bộ chuyển đổi điện (inverter), các cảm biến môi trường, và các thiết bị điều khiển. Mỗi module có thông số kỹ thuật cụ thể cần được hiểu rõ trước khi tích hợp.

III. Thiết kế và xây dựng mô hình Smarthome

Quá trình xây dựng mô hình smarthome bắt đầu từ thiết kế kỹ thuật chi tiết và sau đó tiến hành chế tạo thực tế. Mô hình được xây dựng từ vật liệu mica, tạo nên một nhà mô phỏng với các khoang chức năng khác nhau (phòng khách, phòng ngủ, bếp, v.v.). Mỗi khoang được lắp đặt các cảm biến để đo các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. Các thiết bị điều khiển như đèn LED, quạt gió được tích hợp vào mô hình và kết nối với kit NI myRIO 1900. Hệ thống năng lượng mặt trời được mô phỏng bằng một tấm pin mặt trời nhỏ, bộ điều chỉnh sạc, và bộ pin để lưu trữ năng lượng. Toàn bộ hệ thống được lắp ráp theo sơ đồ mạch điện được thiết kế sẵn.

3.1. Quy trình thiết kế kỹ thuật

Thiết kế mô hình smarthome bao gồm: xác định các yêu cầu chức năng, vẽ sơ đồ khối hệ thống, thiết kế sơ đồ mạch điện chi tiết, chọn lựa linh kiện phù hợp, và tính toán năng lượng cần thiết. Năng lượng mặt trời được tính toán dựa trên nhu cầu tiêu thụ của các thiết bị trong smarthome và điều kiện thời tiết tại địa phương. Các thông số như công suất pin mặt trời, dung lượng pin sạc cần được xác định chính xác.

3.2. Xây dựng mô hình vật lý

Mô hình được chế tạo từ mica với cấu trúc mô phỏng một ngôi nhà thật. Các khoang được thiết kế sao cho dễ tiếp cận để lắp đặt và bảo trì thiết bị. Các cảm biến được đặt ở vị trí thích hợp để đo chính xác các thông số. Tấm pin mặt trời được lắp trên nóc mô hình để tận dụng ánh sáng tối đa.

IV. Hệ thống điều khiển và giám sát từ xa

Một trong những điểm nổi bật của đề tài này là khả năng điều khiển và giám sát smarthome qua mạng internet. Giao diện điều khiển được thiết kế dưới dạng một Web Server cho phép người dùng truy cập từ bất kỳ thiết bị nào có kết nối internet. Lập trình điều khiển được thực hiện bằng phần mềm Labview - một công cụ lập trình đồ họa tiên tiến cho phép tạo các chương trình phức tạp mà không cần viết code truyền thống. Giao diện người dùng hiển thị các thông số hiện tại như nhiệt độ, độ ẩm, mức năng lượng dự trữ, và cho phép người dùng điều khiển các thiết bị như bật/tắt đèn, điều chỉnh quạt. Hệ thống cũng có tính năng tự động hóa - có thể thiết lập các luật (rule) để smarthome tự động thực hiện các hành động dựa trên các điều kiện xác định trước.

4.1. Thiết kế Web Server giám sát hệ thống

Web Server được xây dựng trên kit NI myRIO 1900 để cung cấp giao diện truy cập từ xa. Người dùng có thể xem các biểu đồ thời gian thực về năng lượng mặt trời thu được, mức pin còn lại, và tiêu thụ năng lượng. Giao diện Web thân thiện, responsive trên các thiết bị khác nhau (máy tính, máy tính bảng, điện thoại). Các dữ liệu được truyền thông qua kết nối WiFi, đảm bảo an toàn và bảo mật.

4.2. Điều khiển thiết bị qua máy tính bảng

Thông qua ứng dụng Web hoặc ứng dụng di động, người dùng có thể điều khiển toàn bộ các thiết bị trong smarthome từ máy tính bảng hoặc smartphone. Mỗi thiết bị được biểu diễn bằng một thành phần giao diện có thể bật/tắt hoặc điều chỉnh giá trị. Hệ thống lưu giữ lịch sử điều khiển và cho phép tạo các kịch bản tự động (automation scenario) phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phần mềm lập trình labview. Chương 3: Cơ sở lý thuyết và các khối liên quan. Chương 4: Thiết kế hệ thống và mô hình. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.

Chương 6: Kết quảvànhâṇ xét. 3 CHƯƠNG 2 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH LABVIEW 2.1 Phần mềm lập trình Labview[2] 2.1 Giới thiệu Hình 2. 1: Labview khi khởi động LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi National Instruments. LabVIEW dùng trong hầu hết các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh ở các nước đặc biệt là Mỹ, Hàn quốc, Nhật Bản.

Ngôn ngữ lưu đồ đồ họa của LabVIEW hấp dẫn các kỹ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới như một phương pháp trực giác hơn trong việc tự động hóa các hệ thống đo lường và điều khiển. Ngôn ngữ lưu đồ kết hợp với I/O gắn liền và điều khiển giao diện người sử dụng tương tác cùng đèn chỉ báo làm cho LabVIEW trở thành một sự lựa chọn lý tưởng cho kĩ sư và nhà khoa học. 4 LabVIEW được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như ngôn ngữ C, Pascal. Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabVIEW đã được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắt của Graphical).

Hiện tại ngoài phiên bản LabVIEW cho các hệ điều hành Window, Linux, hãng NI đã phát triển các modul LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA).2 Ứng dụng của Labview Như đã nêu ở trên Labview được sử dụng trong các lĩnh vực đo lường, tự động hóa, cơ điện tử, robotics, vật lý, toán học, sinh học, vật liệu ô tô như: Labview giúp người lập trình kết nối bất kỳ cảm biến, và bất kỳ cơ cấu chấp hành nào với máy tính. Labview có thể được sử dụng để xử lý các kiểu dữ liệu như tín hiệu tương tự (analog), tín hiệu số (digital), hình ảnh (vision), âm thanh (audio)… Labview hỗ trợ các giao tiếp khác nhau RS232, RS485, TCP/IP, PCI, PXI,… Labview đã trở nên phổ biến ở các phòng thí nghiệm ở Nhật, Hàn, Mỹ, Anh, Đức,… ở Việt Nam, Labview đang dần tiếp cận với sinh viên, kỹ sư. Có thể kể tên một số đề tài đã được thực hiện như: Ứng dụng đo lường: thu thập dữ liệu các thông tin cần thiết của tàu vũ trụ cỡ nhỏ tại cơ quan hàng không và vũ trụ NASA, Hoa Kỳ. Ứng dụng mô phỏng 3D: mô phỏng cánh tay robot đơn giản do Thạc sĩ Đỗ Trung Hiếu thực hiện.

Ứng dụng điều khiển phương tiện không người lái: mô tả ứng dụng Labview điều khiển robot không người lái nhằm dò tìm và khám phá dưới nước của tập đoàn Nexans. Ứng dụng thu thập hình ảnh và mô phỏng động lực học: mô phỏng hệ thống lái không trục lái trong ô tô. Đồng thời hình ảnh từ webcam được thu thập và đưa lên giao diện người dùng. 5 Trong đề tài này, người thực hiện sử dụng Labview để thu thập thông tin từ cảm biến, sau đó xử lý và truyền tín hiệu lại kit myRio để thực hiện các yêu cầu của đề tài.3 Cách sử dụng phần mềm Labview Sau khi cài đặt xong phần mềm Labview, để khởi chạy, ta click vào biểu tượng của phần mềm (hình 2.2: Icon labview 2014 Để tạo project mới, chọn File -> New Vi (hoặc nhấn phím tắt Ctrl + N) Hình 2.3: Cửa sổ giao diện Labview khi mới khởi động Lúc này xuất hiện hai cửa sổ, màu xám (Front Panel) và màu trắng (Block diagram) như hình 2.

Nhấn Ctrl+T để canh đều hai cửa sổ Front panel và Block diagram.4: Front Panel và Block Diagram Front Panel là nơi để thiết kế giao diện cho toàn bộ hệ thống, là một cửa sổ giao diện người dùng có thể tương tác, quan sát kết quả hiển thị từ các thiết bị ảo… Còn Block Diagram có thể coi như là một sơ đồ khối gồm các thiết bị đầu cuối, subVis, nút, hàm chức năng, các hằng số, cấu trúc, dây kết nối, trong đó dữ liệu được truyền giữa các đối tượng khác nhau trong sơ đồ khối Trong Labview, các nút nhấn được gọi là các Control, đóng vai trò input (hay giá trị nhập vào), có thể đó là các tay nắm, nút ấn, thanh trượt, boolean, chuỗi… nó là công cụ mô phỏng thiết bị đầu vào và cung cấp dữ liệu cho sơ đồ khối của VI. Các LCD hiển thị được gọi là các Indicator, đóng vai trò output (giá trị hiển thị ra kết quả), đó có thể là các đồ thị, biểu đồ, đèn LED, chuỗi trạng thái. Để gọi các control và indicator ta click chuột phải trên cửa sổ Front Panel. Các control thì luôn kết nối vào các nút bên trái của hàm, có các mũi tên lên xuống để tăng giảm giá trị và control thì có màu trằng.

Còn các indicator thì luôn kết nối vào các nút bên phải của hàm, không thể nhập giá trị vào và có màu xám.5: Control và Indicator trên Front Panel 7 Tương tự, để gọi hàm (Function), ta click chuột phải trên cửa sổ Block Diagram, hay còn gọi là cửa sổ chứa các sơ đồ khối, ta dùng các đường dây nối để tạo mối liên kết giữa các khối và hàm lại.6: Các hàm trên Block Diagram Từ đây, người lập trình sẽ gọi các control, indicator và các hàm để lập trình theo từng yêu cầu, từng mục đích của người thực hiện. Sau khi lập trình xong, để chạy chương trình, ta click vào Operate -> Run (hoặc nhấn phím tắt Ctrl + R) hoặc click vào biểu tượng như hình 2.7: Click Run để chạy chương trình Trong Labview, để lưu file ta chọn File -> Save. Chọn đường dẫn vị trí để lưu file và đặt tên cho file cần lưu rồi nhấn OK. Đối với file chương trình Labview thì đuôi của nó là .8: Lưu file Để tạo lưu file hiện tại đang mở thành một file mới ta chọn Save as, hộp thoại như hình 2.

Ý nghĩa của ba lựa chọn trong mục copy là: Substitude… có nghĩa là file mới tạo sẽ được mở, file cũ sẽ đóng lại. Create… có nghĩa là file cũ sẽ được mở, file mới tạo sẽ được đóng lại. Open… có nghĩa là cả hai file cũ và mới tạo sẽ được mở. Nếu chọn mục Rename thì không có file mới nào được tạo nhưng có thể thay đổi tên file hiện tại.9: Các lựa chọn khi lưu file bằng Save As Để mở File, chọn File -> Open và chọn file cần mở.

Lưu ý là các file được lập trình bởi Labview phiên bản quá cũ sẽ không mở được bằng phần mềm Labview phiên bản cao, và cũng không thể mở các file được lưu bằng Labview có phiên bản cao hơn bằng Labview có phiên bản thấp hơn. Để khắc phục điều này, sử dụng chức năng Save for previous version (trong File) khi muốn file có thể mở bằng các phiên bản Labview thấp hơn. 9 Để sử dụng Labview hiệu quả, rút ngắn thời gian, giảm bớt các công đoạn vào thư viện lấy control, indicator… thì cần phải nhớ các quy tắc: Quy tắc 1: Right Click -> Create/Replace/Change to để lấy các khối, tạo khối, thay thế khối và đổi chức năng khối. Quy tắc này giúp việc lập trình được nhanh hơn, hạn chế số lần click chuột để tìm các khối cần thiết trong lập trình.

Quy tắc 2: Ctrl + H để xem sơ đồ chân của hàm và đọc hướng dẫn tóm tắt của một hàm bất kỳ (context help). Quy tắc 3: Search để tìm kiếm các đối tượng, các hàm.4 Giao tiếp giữa kit NI myRio với phần mềm Labview trên PC. Để cấu hình mạng cho NI myRio, sau khi kết nối kit myRio với PC bằng cáp USB, ta tìm và click vào biểu tượng NI MAX trên PC để cấu hình địa chỉ cho kit, ta được giao diện như 2.10: Giao diện cửa sổ NI MAX Trong mục Remote, ta chọn kit NI myRio đang kết nối, trong cửa sổ bên phải, ta tìm đến mục SSID và Network Security để thiết lập và đặt mật khẩu cho kit myRio phát wifi (theo các bước như hình 2.10) hoặc sử dụng địa chỉ mặc định 172.2 nếu sử dụng kit myRio kết nối với PC bằng cáp USB.11: Các bước thiết lập IP cho kit NI myRio Trên phần mềm Labview, để kết nối với kit myRio, ta cần gán địa chỉ của kit myRio để phần mềm Labview kết nối đến kit. Click chuột phải vào kit đang kết nối đến PC trong cửa sổ project.

Chọn properties, nhập vào địa chỉ của kit vào ô địa chỉ như hình 2.11 và nhấn OK, như vậy kit myRio đã kết nối thành công với phần mềm Labview trên PC.12: Gán địa chỉ kit myRio trên phần mềm Labview 11 2.2 Phần mềm tạo giao diện trên máy tính bảng NI Data Dashboard là một phần mềm được NI thiết kế sẵn dành cho cả 3 hệ điều hành cho thiết bị cầm tay lớn trên thị trường là Android, iOS và WindowPhone. Với tính năng chia sẻ biến (Shared Variables) trên Labview, phần mềm NI Data Dashboard có thể biến thành một màn hình hiển thị trạng thái các dữ liệu thu được, hoặc khi thêm các nút nhấn, thanh trượt ta có thể điều khiển các biến chia sẻ đó theo mục đích.13: Giao diện ứng dụng NI Data Dashboard 12 CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC KHỐI LIÊN QUAN 3.1 Kit Ni myRio 1900 [3] 3.1 Giới thiệu Hình 3. 1: Kit Nation Instruments myRio 1900 Nation Instruments myRio 1900 (NI myRio) sử dụng các công nghệ mới nhất từ Zynq Xilinx FPGA tích hợp hệ thống trên một chip với một bộ xử lý chạy một hệ điều hành thời gian thực. Công nghệ mạnh mẽ này kết hợp với một gia tốc onboard, đèn lED có thể lập trình, âm thanh I/O, analog và kỹ thuật số I/O, và cổng USB giúp hàng ngàn ý tưởng dự án đi vào cuộc sống.2 Thông số kỹ thuật NI myRIO sử dụng chip Xilinx Zynq – 7010 với một bộ vi xử lý dual-core Cortex-A9 ARM ®™ và một FPGA với 28.000 tế bào lập trình logic, 34 chân IO, trong đó có 4 chân vào, 1 chân ra tín hiệu tương tự, 10 chân vào tín hiệu số, các chân cấp nguồn 5V, 3,3V, chân GND, và các chân PWM, UART, I2C.

NI myRIO cũng bao gồm WiFi onboard, một cảm biến gia tốc ba trục, và một số đèn LED, nút nhấn. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho kit NI myRIO bằng ngôn ngữ LabView hoặc hoặc một số ngôn ngữ khác như C, C++.