ĐẶT VẤN ĐỀ Hàng ngày chúng ta đều thấy những ví dụ mới về cách thức mà công nghệ thông tin và viễn thông (ICT) tác động làm thay đổi cuộc sống của con ngƣời trên thế giới. Từ mức độ này hay mức độ khác, cuộc cách mạng kỹ thuật số đã lan rộng đến mọi ngõ ngách trên toàn cầu. Mạng không dây đã tạo ra một cầu nối liên kết loài ngƣời trên khắp hành tinh của chúng ta, và đang mở rộng không ngừng, đầy hứa hẹn, hy vọng và không một chút bí ẩn. Tuy vậy, trong một dải băng tần eo hẹp vẫn còn tồn đọng nhiều thách thức nếu muốn đạt đƣợc đầy đủ tiềm năng đó.
Bên cạnh đó Smartphone ngày càng đƣợc sử dụng phổ biến hơn trong đời sống hằng ngày của con ngƣời,nó đã trở thành một vật không thể thiếu trong cuộc sống.Từ đó một câu hỏi đặt ra là: Tại sao chúng ta không sử dụng Smartphone kết hợp với mạng viễn thông để điều khiển mọi thứ trong nhà mà chúng ta muốn,khiến mọi thứ trở nên nhỏ bé trong long bàn tay của chúng ta.Điều đó làm mọi thứ trở nên tiện lợi,nhanh chóng và hiện đại hơn. Với tính cách tòm mò của một sinh viên kỹ thuật nên nhóm em đã quyết định chọn đề tài: “GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CÁC CHUẨN MẠNG KHÔNG DÂY ĐỂ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TRONG NHÀ BẰNG SMARTPHONE.” Việc điều khiển các thiết bị trong nhà qua mạng không dây là một phần không thể thiếu trong các công trình về nhà thông minh hiện nay.Vì thế,đây là một đề tài có thể ứng dụng trong nhà thông minh,khách sạn, các khu chung cƣ… 1.2Ý NGHĨA LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng của mạng không dây để điều khiến thiết bị nhà có ý nghĩa lớn, góp phần vào sự phát triển của xã hội, sự tiến bộ của loài ngƣời. Trong những năm tới khi mà cuộc sống con ngƣời đƣợc nâng cao hơn nữa, các công nghệ hiện đại đƣợc phát triển mạnh mẽ hơn nữa thì nhà thông minh sẽ trở nên phổ biến hơn. Những ngôi nhà, biệt thự mới đƣợc xây dựng sẽ đều trang bị những hệ thống nhà thông minh.
Qua kết quả nghiên cứu của khóa luận này sẽ cung cấp những cái nhìn mới hơn về hệ thống mà nó có thể đƣợc sử dụng trong các ngôi nhà thông minh, khả năng mở 1 do an Đồ án tốt nghiệp rộng ra để kết nối internet của hệ thống này, khả năng kết hợp giữa hệ thống nhà thông minh và hệ điều hành di động. Kết quả sẽ đóng góp phần nào cho việc nghiên cứu các đề tài liên quan trong tƣơng lai của sinh viên.3MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.1 Mục tiêu tổng quát Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng hệ thống điều khiển các thiết bị trong gia đình thông qua các chuẩn mạng không dây điều khiển bằng máy tính hoặc smartphone. Hệ thống gồm: - Một bộ xử lý board ARM STM32F407VG đảm nhiệm vai trò giao tiếp với Smartphone và điều khiển các thiết bị thông qua Module Zigbee. - Một Arduino Uno đảm nhiệm vai trò kết nối với Smartphone thông qua Module Bluetooth để điều khiển các thiết bị.
- Một Arduino Mega đảm nhiệm vai trò kết nối với Smartphone thông qua Module SIM900A điều khiển các thiết bị.2 Mục tiêu cụ thể - Tìm hiểu về board ARM STM32F407VG DISCOVERY, Board mở rộng Ethernet sử dụng chip DP83848CVV qua cổng giao tiếp HR981137A. - Tìm hiểu về vi điều khiển Arduino Uno. - Tìm hiểu mô hình mạng không dây WIFI, Bluetooth, GSM(SMS), Zigbee. - Thiết kế ứng dụng điều khiển trên hệ điều hành Android.
- Kiểm tra toàn bộ hệ thống, phát hiện và khắc phục lỗi, tối ƣu hệ thống.3 Mục tiêu phụ - Tìm hiểu về Camera IP và kết nối xem trên điện thoại. - Điều khiển cƣờng độ sáng của đèn AC,DC.4 KHÁCH THỂ, ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.1 Khách thể nghiên cứu - Quá trình nghiên cứu dựa trên KIT STM32F4 Discovery của hãng STMicroelectronic sản xuất và broad mở rộng Ethernet. - Cảm biến PIR - CameraIP: LEVELONE ……………. 2 do an Đồ án tốt nghiệp - Module: Wifi, Bluetooth, SMS, Zigbee.
- Hệ điều hành di động Android do tập đoàn GOOGLE xây dựng và phát triển.2 Đối tƣợng nghiên cứu - Mạng không dây Wifi, Bluetooth, GSM(SMS), Zigbee. - Cách giao tiếp, truyền tải dữ liệu giữa KIT STM32F4 Discovery và board Arduino với ứng dụng Android. - Các hoạt động của CameraIP và các điều khiển nó. - Lập trình ứng dụng điều khiển trên hệ điều hành Android.3 Phạm vi nghiên cứu Xây dựng một hệ thống các giải pháp để điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua các mạng không dây, từ các thiết bị đơn giản nhƣ đèn, quạt đến các thiết bị có độ phức tạp cao nhƣ máy lạnh.
Đồng thời hệ thống cũng cung cấp các giải pháp an ninh cho ngôi nhà thông minh nhƣ camera an ninh, các cảm biến báo động.5 THUẬN LỢI VÀ KHÓ KHĂN 1.1 Thuận lợi Trong quá trình làm đề tài đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình của ngƣời thân, gia đình, bạn bè và đặc biệt là giáo viên hƣớng dẫn đề tài. Đồng thời, nhóm nhận đƣợc sự hỗ trợ rất nhiều từ công ty TNHH Camera Mitsuvision nhƣ hỗ trợ cho mƣợn thiết bị, dụng cụ nghiên cứu. Sự hợp tác rất tốt giữa các thành viên trong nhóm thực hiện đề tài là một phần đóng góp cho sự thành công của đề tài. Ngoài ra, với sự chia sẻ các kiến thức, kinh nghiệm của các nhóm nghiên cứu khác tại phòng ISLab cũng là nguồn lực để nhóm hoàn thành tốt đề tài này.2 Khó khăn Tuy quá trình làm đề tài khá suôn sẻ nhƣng cũng không tránh đƣợc một số khó khăn nhất định.
Khó khăn mà nhóm gặp phải là về phần lập trình Android.Tuy nhiên,nhóm đƣợc sự giúp đỡ rất tận tình của anh Cao Văn Nhàn – sinh viên trƣờng Đại Học Công Nghệ Thông Tin nên nhóm cũng đã hoàn thành đƣợc phần xây dựng App Android. 3 do an Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chƣơng này nhóm sẽ giới thiều về phần cơ sơ lý thuyết về phần cứng,các mạng không dây và các module cũng nhƣ cảm biến mà nhóm sử dụng trong đề tài này.1KIT STM32F4 DISCOVERY VÀ ZIGBEE + WIFI 2.1 Giới thiệu về Kit STM32F4 Discovery Hình 2.1: KIT STM32F4 Discovery KIT STM32F4 Discovery có vi điều khiển STM32F407VGT6 có đặc trƣng gồm: vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M4F, 1 MB Flash, 192 KB bộ nhớ RAM. STM32F4 – DISCOVERY giúp khám phá các tính năng hiệu suất cao STM32F4 và để phát triển các ứng dụng một cách dễ dàng. Nó bao gồm tất cả mọi thứ cần thiết cho ngƣời mới bắt đầu và ngƣời sử dụng có kinh nghiệm để bắt đầu một cách nhanh chóng.
KIT STM32F4 Discovery đƣợc dùng để làm Server cho hệ thống có thể xử lí đƣợc các thông tin nhận về từ các Sub, đồng thời xử lí các lệnh điều khiển của ngƣời sử dụng một cách tối ƣu nhất, với độ trễ thấp nhất. 4 do an Đồ án tốt nghiệp a. Các thành phần chính - Vi điều khiển STM32F407VGT6 có đặc trƣng gồm: vi xử lý 32-bit ARM Cortex-M4F, 1 MB Flash, 192 KB bộ nhớ RAM. - Trên bo mạch ST-LINK/V2 với các chế độ lựa chọn chuyển đổi sang sử dụng KIT nhƣ một ST-LINK/V2 độc lập (với kết nối SWD để lập trình và gỡ lỗi).
- Board đƣợc cung cấp năng lƣợng : thông qua bus USB hoặc từ một nguồn cung cấp điện áp 5V gắn ngoài. - Có các chân cung cấp điện: 3V và 5V - LIS302DL, cảm biến chuyển động ST MEMS, 3 trục đầu ra gia tốc kỹ thuật số. - MP45DT02, cảm biến âm thanh ST MEMS, micro kỹ thuật số đa hƣớng. - CS43L22, âm thanh DAC với việc tích hợp trình điều khiển load lớp D.
LD2 (LED) ( đỏ) cho nguồn vào 3. LED USB OTG LD7 ( xanh lá) Vbus và LD8 (đỏ) quá dòng. Với kết nối micro-AB. - Phần header mở rộng cho tất cả các I/O kết nối nhanh chóng để tạo mẫu bảng và dễ dàng thăm dò.
Mô tả chức năng USART Bất kỳ giao tiếp USART [18] 2 chiều nào cũng cần ít nhất là 2 chân: Receive Data In (RX) và Transmit Data Out (TX). - Chân RX: Là chân nhận dữ liệu nối tiếp. Kỹ thuật lấy mẫu Oversampling đƣợc sử dụng để phục hồi dữ liệu bằng cách tách biệt giữa dữ liệu hợp lệ và nhiễu. - Chân TX: Là chân ngõ ra truyền dữ liệu.
Khi không đƣợc sử dụng thì nó trở thành một chân I/O bình thƣờng. Khi chế độ truyền phát dữ liệu đƣợc kích hoạt và không có dữ liệu để truyền đi thì chân TX ở mức logic cao. - Thông qua các chân đó, dữ liệu nối tiếp sẽ đƣợc truyền và nhận ở chế độ USART thông thƣờng, có cấu trúc bao gồm: - Một tín hiệu trống trƣớc khi truyền và nhận. - Một bit start.
- Một từ dữ liệu (8 hoặc 9 bit), bit tối thiểu có nghĩa (LSB) truyền đầu tiên. 5 do an Đồ án tốt nghiệp - 0.5, 2 bit dừng (stop bit) báo hiệu kết thúc khung truyền. - Giao diện này sử dụng một hệ thống phát tỉ lệ tốc độ Baud với 12 bit định giá trị và 4 bit thấp. - Một thanh ghi trạng thái (USART_SR).
- Một thanh ghi dữ liệu (USART_DR). - Một thanh ghi tỉ lệ tốc độ Baud (USART_BRR) - 12 bit định giá trị và 4 bit thấp. - Một thanh ghi Guardtime (USART_GTPR) sử dụng trong chế độ Smartcard. - Các chân sau đây sử dụng trong chế độ đồng bộ: - SCLK: Ngõ ra xung truyền.
Chân này dùng để phát xung đồng hồ cho việc truyền dữ liệu đồng bộ, thiết bị phát xung này sẽ là thiết bị SPI chủ (không có xung đồng hồ ở start bit và stop bit, và một chƣơng trình sẽ tự động gửi một xung đồng hồ ở bit dữ liệu cuối cùng). Đối với dữ liệu song song có thể nhận đồng bộ trên chân RX. Nó có thể đƣợc dùng để điều khiển các thiết bị ngoại vi có thanh ghi dịch (ví dụ điều khiển màn hình LCD). Pha xung đồng hồ và cực tính của nó đƣợc lập trình bởi phần mềm.
Trong chế độ thẻ thông minh, chân SCLK có thể cung cấp xung đồng hồ đến thẻ. - Các chân sau đây đƣợc dùng để điều khiển lƣu lƣợng phần cứng: - nCTS: Xóa để gửi khối dữ liệu truyền tại cuối của dòng truyền khi ở mức cao. - nRTS: Yêu cầu gửi báo hiệu rằng USART đã sẵn sàng nhận dữ liệu (khi ở mức thấp). Board mở rộng Ethernet sử dụng chip DP83848CVV qua cổng giao tiếp HR981137A - Để KIT STM32F4 Discovery giao tiếp với môi trƣờng internet, nhóm nhóm sử dụng một broad mở rộng có cổng ethernet.
Broad mở rộng này do công ty TNHH Tầm Nhìn Thông Minh nghiên cứu và phát triển.