Đồ án HCMUTE: Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị và giám sát nhà

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế và thi công một hệ thống điều khiển thiết bị và giám sát nhà, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Hải Triều
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết kế và thi công một hệ thống điều khiển thiết bị và giám sát nhà
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.3. GIỚI HẠN
• 1.4. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về tin SMS
• 2.2. Giới thiệu Module SIM900A
• 2.3. Khảo sát sơ đồ chân và chức năng từng chân của module SIM 900A
• 2.4. Khảo sát tập lệnh AT Command của Module SIM 900A
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Nhà Thông Minh

Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào thiết kế và thi công hệ thống điều khiển và giám sát nhà thông minh. Hệ thống sử dụng vi điều khiển PIC16F887 làm trung tâm điều khiển, kết nối với các module khác nhau như module SIM900A, cảm biến hồng ngoại, cảm biến khí gas MQ2, và cảm biến nhiệt độ LM35. Mục tiêu chính là xây dựng một mô hình nhà thông minh nhỏ gọn, có khả năng điều khiển từ xa và giám sát các thông số môi trường. Nhà thông minh ngày càng phổ biến do sự phát triển của công nghệ IoT và nhu cầu nâng cao chất lượng cuộc sống. Hệ thống nhà thông minh này ứng dụng các nguyên lý điều khiển tự động và giám sát từ xa, đáp ứng các yêu cầu về an ninh và tiện ích.

1.1 Tổng quan về Nhà Thông Minh

Sự phát triển của công nghệ thông tin và điện tử đã tạo điều kiện cho sự ra đời và phổ biến của nhà thông minh. Nhà thông minh là một hệ thống tích hợp các thiết bị điện tử, cho phép người dùng điều khiển và giám sát các thiết bị trong nhà từ xa thông qua các thiết bị như điện thoại di động. Hệ thống nhà thông minh hiện đại mang lại nhiều lợi ích: tiết kiệm năng lượng, tăng cường an ninh, và tiện nghi hơn. Giải pháp nhà thông minh đa dạng, từ các hệ thống đơn giản đến các hệ thống phức tạp. Việc lựa chọn giải pháp nhà thông minh phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu và ngân sách của người sử dụng. Xu hướng nhà thông minh đang phát triển mạnh mẽ, với sự tích hợp ngày càng nhiều các thiết bị và công nghệ mới. Cảm biến nhà thông minh đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu môi trường, hỗ trợ cho việc điều khiển và giám sát. Ứng dụng nhà thông minh không chỉ dừng lại ở các hộ gia đình, mà còn mở rộng sang các lĩnh vực khác như khách sạn, văn phòng.

1.2 Công nghệ và Thiết bị sử dụng

Hệ thống sử dụng vi điều khiển PIC16F887 như bộ xử lý trung tâm. Module SIM900A cho phép điều khiển và giám sát từ xa qua tin nhắn SMS. Cảm biến LM35 đo nhiệt độ, cảm biến hồng ngoại phát hiện chuyển động, và cảm biến khí gas MQ2 phát hiện rò rỉ gas. Phần mềm được lập trình để xử lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị. Sự lựa chọn các thiết bị này dựa trên độ tin cậy, chi phí và khả năng tích hợp. IoT nhà thông minh được thể hiện rõ qua việc kết nối và truyền dữ liệu giữa các thiết bị. Thiết bị nhà thông minh cần được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo tính tương thích và hiệu quả hoạt động. Tích hợp hệ thống nhà thông minh đòi hỏi kiến thức chuyên môn về điện tử, lập trình và mạng lưới.

II. Thiết kế Hệ thống

Phần này trình bày chi tiết thiết kế hệ thống nhà thông minh. Thiết kế nhà thông minh bao gồm việc lựa chọn các thiết bị, thiết kế mạch điện, lập trình phần mềm điều khiển. Thiết kế mạch điện cần đảm bảo sự hoạt động ổn định và an toàn của hệ thống. Thiết kế phần mềm tập trung vào việc xử lý dữ liệu từ các cảm biến và giao tiếp với người dùng. Smart home design cần xem xét đến các yếu tố như khả năng mở rộng, bảo trì và chi phí. Home automation design đòi hỏi sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm.

2.1 Thiết kế phần cứng

Thiết kế phần cứng bao gồm việc chọn lựa các thành phần điện tử như vi điều khiển PIC16F887, module SIM900A, các cảm biến, và các thành phần hỗ trợ khác. Sơ đồ mạch điện được thiết kế để đảm bảo khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống. Việc bố trí các linh kiện trên mạch in được tối ưu để giảm thiểu kích thước và tăng tính thẩm mỹ. Thiết kế mạch điều khiển cần đảm bảo sự tương thích giữa các thành phần. Thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về kỹ thuật điện tử. Thi công nhà thông minh cần tuân thủ các quy trình kỹ thuật để đảm bảo chất lượng và an toàn. Sự lựa chọn thiết bị nhà thông minh ảnh hưởng đến hiệu quả và chi phí của hệ thống. Lắp đặt hệ thống nhà thông minh đòi hỏi sự cẩn thận và chính xác.

2.2 Thiết kế phần mềm

Thiết kế phần mềm bao gồm việc viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển PIC16F887. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C và tập trung vào việc xử lý dữ liệu từ các cảm biến, điều khiển các thiết bị, và giao tiếp với module SIM900A để thực hiện điều khiển từ xa và giám sát. Phần mềm nhà thông minh cần có giao diện thân thiện với người dùng. Ứng dụng nhà thông minh là cầu nối giữa người dùng và hệ thống. Phần mềm điều khiển nhà thông minh cần đảm bảo tính ổn định và bảo mật. Smart home control phụ thuộc vào hiệu quả của phần mềm điều khiển. Smart home monitoring đòi hỏi phần mềm phải có khả năng thu thập và hiển thị dữ liệu một cách hiệu quả.

III. Thi công và Thử nghiệm

Phần này mô tả quá trình thi công hệ thống nhà thông minh và các kết quả thử nghiệm. Quá trình thi công bao gồm việc lắp ráp các thành phần, kết nối các mạch điện, và cài đặt phần mềm. Các bài thử nghiệm được thực hiện để kiểm tra hiệu quả hoạt động của hệ thống. Thi công hệ thống nhà thông minh đòi hỏi sự chính xác và cẩn thận. Smart home installation là một bước quan trọng để hoàn thành hệ thống. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.

3.1 Quá trình thi công

Quá trình thi công tuân thủ nghiêm ngặt các bước quy trình kỹ thuật. Việc lắp ráp các thành phần điện tử được thực hiện một cách cẩn thận để tránh gây hư hỏng. Kết nối các mạch điện được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo tính ổn định và an toàn. Quy trình thi công nhà thông minh cần được chuẩn bị kỹ lưỡng. Home automation installation cần có sự hỗ trợ của các thiết bị và dụng cụ chuyên dụng. Việc lắp đặt hệ thống nhà thông minh cần được thực hiện bởi những người có chuyên môn. Bảo trì hệ thống nhà thông minh là cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động tốt trong thời gian dài. Chi phí hệ thống nhà thông minh phụ thuộc vào các thiết bị và quy mô của hệ thống.

3.2 Kết quả thử nghiệm và đánh giá

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt hiệu quả cao. Hệ thống đáp ứng được các yêu cầu về điều khiển từ xa và giám sát. Việc bảo trì hệ thống được thực hiện định kỳ để đảm bảo hiệu quả hoạt động lâu dài. Lập đặt hệ thống nhà thông minh cần được kiểm tra kỹ lưỡng. Báo giá hệ thống nhà thông minh cần được tính toán chính xác. Mở rộng hệ thống nhà thông minh có thể được thực hiện dễ dàng. Giải pháp nhà thông minh này có tính ứng dụng cao và hiệu quả kinh tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Trong chương này chúng ta tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan đến đồ án: lý thuyết về PIC16F887, MODULE SIM, tập lệnh AT, lý thuyết liên quan đến các loại cảm biến (cảm biến hồng ngoại, cảm biến gas, cảm biến khói).  Chƣơng 3:Thiết Kế và Tính toán.

Trong chương này chúng ta đặt ra yêu cầu cho sản phẩm, lựa chọn phương án thực hiện tính toán và thiết kế đi đến thi công thành hệ thống hoàn thiện. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2 do an CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN  Chƣơng 4:Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày kết quả đạt được, nhận xét và đánh giá các kết quả đó.  Chƣơng 5:Kết Luận và Hướng Phát Triển Đưa ra kết luận, mức độ hoàn thiện đề tài, đưa ra hướng phát triển của đề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2.1 Tổng quan về tin SMS[4] SMS là từ viết tắt của Short Message Service. Đó là một công nghệ cho phép gửi và nhận các tín nhắn giữa các điện thoại với nhau. Dữ liệu có thể được lưu giữ bởi một tin nhắn SMS là rất giới hạn.

Một tin nhắn SMS có thể chứa tối đa là 140 byte (1120 bit) dữ liệu. Vì vậy, một tin nhắn SMS chỉ có thể chứa:  160 kí tự nếu như mã hóa kí tự 7 bit được sử dụng.  70 kí tự nếu như mã hóa kí tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng. Tin nhắn SMS dạng text hỗ trợ nhiều ngôn ngữ khác nhau.

Nó có thể hoạt động tốt với nhiều ngôn ngữ mà có hỗ trợ mã Unicode, bao gồm cả Arabic, Trung Quốc, Nhật bản và Hàn Quốc.2 Giới thiệu Module SIM900A 2.1 Tổng quan về Module SIM 900A[17] Một modem GSM là một modem wireless, nó làm việc cùng với một mạng wireless GSM. Một modem wireless thì cũng hoạt động giống như một modem quay số. Điểm khác nhau chính ở đây là modem quay số thì truyền và nhận dữ liệu thông qua một đường dây điện thoại cố định trong khi đó một modem wireless thì việc gửi nhận dữ liệu thông qua sóng. Giống như một điện thoại di động GSM, một modem GSM yêu cầu 1 thẻ sim với một mạng wireless để hoạt động.

Module SIM 900A là một trong những loại modem GSM. Nhưng Module SIM 900A được nâng cao hơn có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn. Nó sử dụng công nghệ GSM/GPRS hoạt động ở băng tầng GSM 850Mhz, EGSM 900Mhz, DCS 1800 Mhz và PCS 1900Mhz, có tính năng GPRS của Sim 900. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 do an CHƢƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 Đặc điểm của module SIM 900A Bảng 2. Đặc điểm Module SIM 900A. Tính năng Chi tiết Nguồn cung cấp  Khoảng 3,4 – 4,5V Nguồn lưu trữ  Tiêu thụ năng lượng điển hình ở chế độ ngủ là 1.0mA (BS-PA-MFRMS = 9) Băng tần  EGSM 900, DCS 1800. Có thể tự động tìm kiếm băng tần, cũng có thể được chọn bởi lệnh: “AT+CBAND”.

 Tương thích với GSM Pha 2/2+. Truyền tải điện  Class 4 (2W) at EGSM 900  Class 1 (1W) at DCS 1800 Kết nối GPRS  GPRS multi-slot class 10 (mặc định). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  GPRS multi-slot class 8 (option) Giới hạn nhiệt độ  Bình thường: -30°C ~ +80°C  Hạn chế: -40°C ~ -30°C và +80 °C ~ +85°C*  Nhiệt độ bảo quản: -45°C ~ +90°C Dữ liệu GPRS  GPRS dữ liệu tải xuống: Max 85.6 kbps  GPRS dữ liệu úp lên: Max 42.8 kbps  Sơ đồ mã hóa: CS-1, CS-2, CS-3 và CS-4  Tích hợp giao thức TCP/IP.

 Hỗ trợ Kênh điều khiển Broadcast Packet (PDCCH) SMS  MT, MO, CB, Text and PDU mode  Bộ nhớ SMS: SIM card Sim card  Hỗ trợ sim card: 1,8v; 3v Anten ngoài  Đế anten Âm thanh Chế độ mã hóa:  Mức chế độ (ETS 06.20)  Toàn bộ chế độ (ETS 06.10)  Toàn bộ chế độ tăng cường (ETS 06.80)  Loại bỏ tiếng dội Giao tiếp nối tiếp và Cổng nối tiếp: sự ghép nối  Giao diện đầy đủ với tình trạng và kiểm soát dòng, không cân bằng, không đồng bộ  Hỗ trợ tốc độ truyền 1200 BPS tới 115200 BPS BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Cổng kết nối có thể Sd với CSD Fax, GPRS và gửi lệnh AT Command tới module điều khiển  Cổng hiệu chỉnh lỗi: 2 cổng nối tiếp TXD và RXD Quản lý danh sách  Hỗ trợ mẫu danh sách: SM, FD, LD, RC, ON, MC Đồng hồ thời gian  Hỗ trợ. thực Đặc tính vật lý  Kích thước: 24*24*3mm  Cân nặng: 3.3 Khảo sát sơ đồ chân và chức năng từng chân của module SIM 900A Hình 2.2 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong đồ án sử dụng Breakout SIM 900A (hình 2.2), tức là SIM 900A đã được thiết kế kết nối phù hợp thành module để dễ dàng sử dụng trong ứng dụng, các chức năng không cần thiết đã được lược bỏ.

Sơ đồ và chức năng thành phần của module SIM 900A V3.3 Sơ đồ chân module SIM 900A V3.3 mô tả sơ đồ chân và cách kết nối của module SIM 900A V3.2, trong đó:  Số 1: Module sim 900A.  Số 2: Đèn bào nguồn.  Số 3: Cổng kết nối RS232-TTL.  Số 4: Đèn báo trạng thái.

 Số 6: cổng kết nối nguồn.  Số 7: IC RS 232.  Số 8: Cổng kết nối RS232- DB9.  Số 9: Khe gắn thẻ SIM.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lưu ý: Khi sử dụng cổng kết nối RS232-DB9 để kết nối với vi điều khiển hoặc máy tính cần phải kết nối cổng kết nối RS232-TTL như hình (2. Còn cổng RS232- TTL hỗ trợ kết nối với vi điều khiển 5V và 3V, khi kết nối vi điều khiển 5V thi sử dụng cặp chân 5R và 5T, khi kết nối vi điều khiển 3V thì dùng cặp chân 3R và 3T, khi kết nối với máy tính dùng thêm module chuyển đổi USB thành TTL và kết nối như hình (2.5), kết nối với vi điều khiển cũng tương tự. Kết nối dùng cổng RS232-DB9 Hình 2.5 Kết nối dùng cổng RS232-TTL 2.3 Khảo sát tập lệnh AT Command của Module SIM 900A[18] Các lệnh AT là các hướng dẫn được sử dụng để điều khiển một modem.

AT là một cách viết gọn của chữ Attention. Mỗi dòng lệnh của nó bắt đầu với “AT” hay “at”. Đó là lý do tại sao các lệnh modem được gọi là các lệnh AT. Nhiều lệnh của nó được sử dụng để điều khiển các modem quay số sử dụng dây mối (wired dial-up modems), chẳng hạn như ATD (Dial), ATA (Answer), ATH (Hool control) và ATO (return to online data state), cũng được hỗ trợ bởi các modem GSM/GPRS và các điện thoại di động.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bên cạnh bộ lệnh AT thông dụng này, các modem GSM/GPRS và các điện thoại di động còn được hỗ trợ bởi một bộ lệnh AT đặc biệt đối với công nghệ GSM. Nó bao gồm các lệnh liên quan tới SMS như AT+ CMGS (gửi tin nhắn SMS), AT+CMSS (gửi tin nhắn SMS từ một vùng lưu trữ), AT+CMGL (chuỗi liệt kê các tin nhắn SMS) và AT+CMGR (đọc tin nhắn SMS). Ngoài ra, các modem GSM còn hỗ trợ một bộ lệnh AT mở rộng.

Những lệnh AT mở rộng này được định nghĩa trong các chuẩn của GSM. Với các lệnh AT mở rộng này có thể làm một số thứ như sau :  Đọc, viết, xóa tin nhắn.  Gửi tin nhắn SMS.  Kiểm tra chiều dài tín hiệu.

 Đọc, viết và tìm kiếm về các mục danh bạ. Số tin nhắn SMS có thể được thực thi bởi một modem SMS trên một phút thì rất thấp, nó chỉ khoảng từ 6 đến 10 tin nhắn SMS trên 1 phút. Trong khuôn khổ của đồ án em chỉ tìm hiểu một số tập lệnh cơ bản phục vụ cho đồ án của mình. Sau đây em xin giới thiệu một số tập lệnh cơ bản để thao tác dùng cho dịch vụ SMS, bao gồm :  Khởi tạo.

 Nhận cuộc gọi.  Thiết lập cuộc gọi.  Nhận tin nhắn.  Gửi tin nhắn.

Các thuật ngữ được sử dụng :  <CR>: carriage return (0x0D).  <LF>: Line Feed (0x0A).  MT: Mobile Terminal: Thiết bị đầu cuối mạng (chính là module).  TE: Terminal Equipment: Thiết bị đầu cuối (chính là vi điều khiển).

Trong khi kiểm tra hoạt động của module SIM mình kết nối với máy tính và dùng phần mềm SDIAGS để thực hiện việc truyền và nhận tín hiệu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10 do an CHƢƠNG 2.1 Khởi tạo cấu hình mặc định cho Module TE MT (1) ATZ<CR> ATZ<CR><CR><LF>OK<CR><LF> (2) ATE0<CR> ATE0<CR><CR><LF>OK<CR><LF> (3) AT+CLIP=1<CR> <CR><LF>OK<CR><LF> (4) AT&W<CR> <CR><LF>OK<CR><LF> (5) AT+CMGF=1<CR> <CR><LF>OK<CR><LF> (6) AT+CNMI=2,0,0,0,0<CR> <CR><LF>OK<CR><LF> (7) AT+CSAS<CR> <CR><LF>OK<CR><LF> Hình 2. Cấu hình mặc định cho SIM900A Hình 2.6 mô tả quá trình gửi tin nhắn cấu hình cho module và nhận tín hiệu trả về, chi tiết trong bảng 2. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11 do an CHƢƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2. Chi tiết cấu hình mặc định cho SIM 900A. STT LỆNH CHÚ THÍCH ATZ<CR> Reset modem, kiểm tra modem đã hoạt động bình thường chưa. Gửi nhiều lần, cho đến khi nhận được 1 chuỗi: ATZ<CR><CR><LF>OK<C><LF ATE0<CR> Tắt chế độ TE cho lệnh.

Chuỗi trả về có dạng: 2 ATE0<CR><CR><LF>OK<CR><LF> AT+CLIP=1<CR> Sau khi lệnh AT+CLIP=1<CR> đã được thực thi, 3 chuỗi trả về sẽ có dạng: <CR><LF>RING<CR><LF><CR><LF>+CLIP :”01659316497”,129,””,,””,0,<CR><LF Chuỗi trả về có chứa thông tin về số điện thoại gọi đến. Thông tin này cho phép xác định việc có nên nhận cuộc gọi hay từ chối cuộc gọi. AT&W<CR> Lưu cấu hình cài đặt được thiết bị bởi các tập lệnh 4 AET0 và AT+CLIP vào bộ nhớ. AT+CMGF=1<CR Thiết lập quá trình truyền nhận tin nhắn được thực 5 > hiện ở chế độ text (mặc định là ở chế độ PDU) Chuỗi trả về sẽ có dạng: <CR><LF>OK<CR><LF> AT+CNMI=2,0,0,0, Thiết lập chế độ thông báo cho TE khi MT nhận 0<CR> được tin nhắn mới.

Chuỗi trả về sẽ có dạng: <CR><LF>OK<CR><LF>. Sau khi lệnh trên được thiết lập, tin nhắn mới nhận được sẽ được lưu 6 trong SIM, và MT không truyền tở về TE bất cứ thông báo nào. TE sẽ đọc tin nhắn được lưu trong sim trong trường hợp cần thiết AT+CSAS<CR> Lưu cấu hình cài đặt được thiết lập bởi các lệnh 7 AT+CMGF và AT+CNMI.2 Xóa tin nhắn trong SIM. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12 do an CHƢƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TE MT (1) AT+CMGD=1<CR> <CR><LF>OK<CR><LF> (2) AT+CMGD=1<CR> <CR><LF>OK<CR><LF> Hình 2.7 Lệnh xóa tin nhắn trong SIM.