Đặt vấn đề Trong thời đại 4.0 hiện nay, việc mạng internet phát triển mạnh mẽ kéo theo những nhu cầu hàng ngày như kiểm soát, điều khiển một ngôi nhà từ xa mà không cần phải tác động vật lý với các công tắc, khóa cửa mà vẫn có thể ngồi trên giường hay ngoài trời dần trở nên bình thường hóa. Ngoài ra thì qua báo đài, các phương tiện truyền thông gần đây, chúng ta có thể thấy rằng việc cháy nổ xảy ra rất thường xuyên và gây ra hậu quả rất nghiêm trọng, có thể lên đến rất nhiều người chết. Vì vậy , việc phát hiện, cảnh báo sớm cháy nổ càng sớm càng tốt là việc cực kỳ quan trọng và cần thiết để tránh xảy ra những hậu quả không đáng có. Đồ án này tập trung xây dựng hệ thống nhúng để điều khiển nhà thông minh và cảnh báo cháy nổ sớm nhất có thể.2 Mục tiêu của đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển cho nhà thông minh bao gồm: • Một hệ thống đặt ở cửa giúp kiểm soát ra vào cửa, lưu lại vào hệ thống để ghi nhận những lượt vào cửa, ngoài ra còn có thể đóng mở cửa, bật tắt đèn ở cửa.
• Một hệ thống ở các tầng kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, đóng cắt các thiết bị điện và báo cháy. • Một hệ thống đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm, kiểm soát, lưu trữ tất cả các thông tin của các hệ thống khác và báo cáo cho người dùng gần như ngay lập tức mỗi khi có cháy xảy ra. • Một app điều khiển qua điện thoại hoặc màn hình để người dùng điều khiển.3 Nhiệm vụ - Thiết kế cơ khí: Thiết kế vỏ hộp, lắp đặt các thiết bị trong một không gian hợp lý - Thiết kế mạch điều khiển: + Tính toán số lượng I/O cần thiết, kiểm tra độ tương thích giữa các thiết bị ngoại vi từ đó chọn bộ điều khiển trung tâm cho các phòng hợp lý. + Chọn modun quản lý ra vào cửa + Chọn cảm biến nhiệt độ, độ ẩm có độ chính xác cao.
+ Chọn cảm biến khói có độ chính xác cao. + Chọn thiết bị đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm (gateway) + Chọn thiết bị có khả năng cảnh báo đến người dùng(còi, điện thoại, …). + Thiết kế mạch nguồn hợp lý cho mạch. + Thiết lập sơ đồ đấu nối các thiết bị, đấu nối phần cứng, kiểm tra mạch, tính ổn định của mạch.
- Thiết kế phần mềm điều khiển: + Chọn phương thức giao tiếp không dây phù hợp. 1 + Chọn hệ điều hành phù hợp cho hệ thống + Thiết kế phương thức kết nối giữa vi điều khiển và các modun cảm biến. + Thiết kế giao diện điều khiển cho người dùng dễ điều khiển hệ thống. + Thiết kế sao cho cảnh báo cháy là nhanh nhất có thể từ khi phát hiện cháy 1.4 Phạm vi Đề tài ứng dụng những kiến thức điện- điện tử, cơ khí, lập trình đã được giới thiệu ở trường để hoàn thành một sản phẩm.
Do thời gian thực hiện là hạn chế nên đồ án này sẽ tập trung chủ yếu vào thiết kế thuật toán, lập trình điều khiển, vận dụng những mã nguồn mở để thiết kế hệ thống và giao diện người dùng. Sản phẩm có thể ứng dụng được bên ngoài thực tế để phục vụ các mục đích kiểm soát các thiết bị trong nhà, báo cháy.2 Lựa chọn hướng thiết kế Nhà thông minh là một đề tài rộng và có nhiều vấn đề đặt ra. Tùy theo mục đích sử dụng của chủ nhân để thiết kế, một phần quan trọng trong hệ thống nhà thông minh là hệ thống điều khiển và giám sát. Trước đây, nhà thông minh chỉ hoàn toàn nằm trong trí tưởng tượng cũng như trên phim ảnh.
Nhờ sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, các giải pháp nhà thông minh ngày càng phong phú và thuận tiện hơn cho người sử dụng. Từ ban đầu, nhà thông minh chỉ có các thiết bị điều khiển từ xa ở trong phạm vi ngôi nhà phục vụ cho một số nhu cầu của con người. Tiếp theo là sự tự động hóa các thiết bị trong ngôi nhà với khả năng tự động điều chỉnh theo môi trường cũng như người sử dụng. Sau đó, với sự phát triển và lan rộng của mạng internet, người ta đưa ra giải pháp kết nối và điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua mạng internet và thêm vào các tiện ích như hệ thống đảm bảo an toàn, tính toán năng lượng sử dụng,… giúp chủ nhân có thể điều khiển thiết bị ở khoảng cách xa chứ không bó hẹp trong khuôn viên ngôi nhà nữa.
Khả năng bảo mật an ninh cũng được đặt lên hàng đầu, vì đi cùng với kết nối internet là khả năng bị hack vào hệ thống nhằm chiếm quyền điều khiển cũng vì thế mà gia tăng. Chủ nhân có thể sử dụng mật khẩu riêng để đăng nhập vào hệ thống cũng như ngôi nhà qua các hình thức như Passcode, bảo mật vân tay. Đi kèm đó là khả năng cảnh báo nguy cơ cháy nổ từ xa ngay cả khi chủ sở hữu ngôi nhà không có ở nhà để phòng tránh, hạn chế những hậu quả nghiêm trọng do cháy nổ có thể gây ra cả về tính mạng con người lẫn tài sản.1 Quá trình phát triển của nhà thông minh Hiện nay, ở Việt Nam, giải pháp xây dựng nhà thông minh với hệ thống điều khiển và giám sát thông qua internet vẫn phổ biến và phát triển hơn cả vì nó phù hợp với khả năng công nghệ và điều kiện kinh tế hiện có. Nhóm em cảm thấy đề tài này là phù hợp với chuyên ngành Cơ Điện Tử cũng, vậy nên ở đề tài này, nhóm em xin chọn thiết kế bộ điều khiển cho ngôi nhà thông minh theo giải pháp sử dụng hệ thống điều khiển và giám sát các thiết bị trong ngôi nhà thông qua mạng internet, mà cụ thể là mạng wifi trên một mô hình nhà thông minh quy mô bao gồm cửa và 2 phòng ngủ với các chức năng cơ bản như: điều khiển cửa đóng/mở, lưu trữ, hiển thị các lượt ra vào cửa, giám sát và cảnh báo cháy, cảnh báo nguy cơ cháy nổ, kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm các phòng, điều khiển các thiết bị điện tiêu thụ điện 220V tùy ý trong gia đình.
Mô hình sẽ được điều khiển qua giao diện web trên điện thoại hoặc màn hình điều khiển trung tâm được đặt ở phòng khách. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 2.1 Mô hình tổng quát Hình 2.1 Mô hình thiết kế của hệ thống Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm em xây dựng được mô hình hệ thống. Người sử dụng có thể tương tác với ứng dụng trên điện thoại, hoặc panel điều khiển để điều khiển các thiết bị trong ngôi nhà của mình hoặc có thể trực tiếp tác động vào các công tắc để điều khiển thiết bị và trạng thái của thiết bị sẽ được đồng bộ với trạng thái thiết bị trên ứng dụng điện thoại hoặc panel điều khiển. Dữ liệu sẽ được trao đổi 2 chiều từ thiết bị qua, qua bộ điều khiển, qua internet trao đổi với server và ứng dụng trên điện thoại(panel điều khiển).
Các giao thức để trao đổi dữ liệu bao gồm: UART, MQTT, với các chip điều khiển ESP32 chạy hệ điều hành thời gian thực RTOS. Chi tiết các thành phần trong hệ thống cũng như các giao thức sử dụng chúng em sẽ trình bày ở các phần sau.2 Sơ đồ kết cấu hệ thống và chức năng 2.1 Kết cấu của hệ thống Chúng em lựa chọn thiết kế mô hình cơ bản gồm: • Một khối điều khiển cửa ra vào • Hai khối điều khiển 2 phòng • Một khối điểu khiển trung tâm và panel điều khiển đặt ở phòng khách.2 Chức năng Với những tiêu chí về ngôi nhà thông minh tại Việt Nam, chúng em lựa chọn các chức năng tạo nên một ngôi nhà thông minh với các tiện ích như: • Bật, tắt đèn, tivi, quạt bằng công tắc hoặc bằng điện thoại • Hệ thống thông báo nhiệt độ, độ ẩm phòng. • Hệ thống báo cháy, rò rỉ khí gas tự động, tự báo cáo người chủ nhà kể cả khi chủ không có ở nhà. • Hệ thống kiểm soát ra và cửa vào lưu trữ người ra vào cửa theo thời gian đóng mở cửa.3 Sơ đồ hệ thống Dựa vào mô hình tổng quát đã trình bày ở trên, chúng em sẽ chia nhỏ thành các phần: • Các thiết bị phần cứng • Ứng dụng điều khiển • Server ➢ Các thiết bị phần cứng Đối với phần lắp đặt trong nhà được chia làm 3 khối nhỏ hơn bao gồm khối kiểm soát trung tâm, khối kiểm soát các tầng, khối kiểm soát cửa.
▪ Khối kiểm soát trung tâm Hình 2.2 Mô hình khối điều khiển trung tâm - Khối xử lý: Rasberry Pi 4 - Màn hình điều khiển: màn hình 7 inch cảm ứng. - Khối báo cháy tới người dùng: Module sim900A báo cháy tới người dùng. ▪ Khối kiểm soát cửa vào ra 5 Hình 2.3 Các bộ phận cấu thành khối kiểm soát của vào ra - Khối xử lý: ESP32 - Khối nhập mật khẩu: +Ma trận phím 4*4 +LCD 16*2 +Module I2C LCD - Khóa cửa: - Module vân tay: AS608 ▪ Khối kiểm soát các phòng Hình 2.4 Các bộ phận cấu thành khối kiểm soát các thiết bị trong phòng - Khối xử lý: ESP32 - Khối nhiệt độ, độ ẩm: DHT22. - Khối báo cháy: cảm biến khí gas đầu ra là tín hiệu số.
- Khối thiết bị tiêu thụ điện: Ở đây nhóm sẽ đi dây ra các ổ cắm 220V để người sử dụng có thể cắm các thiết bị tùy thích tiêu thụ lưới điện bình thường như đèn, nồi cơm, tủ lạnh,… 6 ➢ Ứng dụng điều khiển Chúng em xây dựng 2 phần ứng dụng điều khiển: • Một phần mềm viết bằng QT kết hợp C++ chạy trên màn hình cảm ứng kết nối với Pi 4 • Một giao diện web viết bằng Node-RED dễ sử dụng cho mọi loại điện thoại, máy tính bảng, … ➢ Sever Hình 2.5 Thiết kế server lưu trữ database và giao tiếp với hệ thống 2.3 Vi xử lý sử dụng trong hệ thống 2.1 ESP32 Đây là hệ thống điều nhà thông minh có chức năng báo cháy, việc phát hiện và báo cháy là việc cần thiết kịp thời và phải đạt được thực ngay lập tức do đó phải thiết kế khối điều khiển đáp ứng được thời gian thực thi với mức độ ưu tiên cao nên phải ưu tiên những vi điểu khiển hộ trợ hệ điều hành thời gian thực RTOS(Real-Time Operating System). Ngoài ra, vì là nhà thông minh nên các phương thức giao tiếp, điều khiển phải là không dây. Qua những điều kiện trên, chúng em quyết định chọn vi điều khiển ESP32.