Thiết kế thi công mô hình Automation home dùng Arduino NodeMCU

Dịch vụ thiết kế thi công mô hình automation home trọn gói, hiện đại và chuẩn kỹ thuật. Giải pháp nhà thông minh tiện ích, tiết kiệm điện năng tối ưu.

• Trường học: Đại học Lạc Hồng
• Chuyên ngành: Cơ điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết kế thi công mô hình Automation home
• Loại tài liệu: Báo cáo nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Đồng Nai

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế thi công mô hình automation home hiện đại

Công nghệ thông minh đang thay đổi diện mạo của đời sống hiện đại. Các thiết bị tự động hóa ngày càng phổ biến trong các hộ gia đình. Khái niệm nhà thông minh hay automation home đại diện cho xu hướng tích hợp kỹ thuật số vào không gian sống. Mục tiêu chính là thay thế các thao tác thủ công bằng hệ thống tự động hoàn toàn hoặc bán tự động. Người dùng tương tác trực tiếp với ngôi nhà thông qua ứng dụng di động, bảng điều khiển hoặc nền tảng web. Lịch sử phát triển ban đầu sử dụng sóng hồng ngoại với khoảng cách giới hạn. Tiếp theo, hệ thống điều khiển qua đường dây điện thoại được thử nghiệm nhưng chưa đạt hiệu quả tối ưu. Sự bùng nổ của mạng không dây và Internet đã mở ra kỷ nguyên mới. Dữ liệu từ các cảm biến trong nhà được truyền tải liên tục lên máy chủ. Việc thiết kế thi công mô hình automation home giúp hiện thực hóa các giải pháp kiểm soát thiết bị từ xa, nâng cao mức độ an toàn và tiết kiệm năng lượng cho công trình.

1.1. Khái niệm và quá trình phát triển của automation home

Automation home là mô hình ứng dụng công nghệ điện tử và mạng truyền thông nhằm điều khiển thiết bị gia dụng tự động. Giai đoạn đầu, các hệ thống điều khiển sử dụng tín hiệu hồng ngoại. Phương pháp này bộc lộ nhược điểm nghiêm trọng về cự ly và vật cản. Sau đó, giải pháp truyền tín hiệu qua mạng dây điện thoại hữu tuyến được phát triển. Tuy nhiên, tính phức tạp trong lắp đặt và chi phí bảo trì vẫn là rào cản lớn. Sự xuất hiện của vi điều khiển giá rẻ cùng kết nối Wi-Fi đã giải quyết triệt để vấn đề này. Hệ thống hiện đại cho phép kết nối đa thiết bị, phản hồi trạng thái tức thời và điều khiển linh hoạt qua nền tảng đám mây.

1.2. Vai trò của công nghệ vi điều khiển trong hệ thống

Vi điều khiển đóng vai trò bộ não trung tâm trong toàn bộ kiến trúc nhà thông minh. Thiết bị tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến ngoại vi và xử lý logic theo chương trình lập sẵn. Các bo mạch như Arduino Mega 2560 cung cấp số lượng lớn chân xuất nhập tín hiệu số và tín hiệu tương tự. Khả năng này đáp ứng yêu cầu kết nối đồng thời nhiều cảm biến và rơ le chấp hành. Bộ vi điều khiển thực hiện việc đóng ngắt tải điện chính xác, hạn chế sai sót và bảo đảm an toàn hệ thống. Ngoài ra, việc kết hợp với module truyền thông giúp đồng bộ hóa dữ liệu nhanh chóng về máy chủ điều khiển.

II. Phân tích thách thức kỹ thuật khi thi công mô hình automation home

Quá trình thi công mô hình automation home gặp nhiều thách thức về cả phần cứng lẫn giải pháp truyền thông mạng. Vấn đề đầu tiên là tính ổn định của đường truyền tín hiệu không dây. Môi trường sinh hoạt có nhiều sóng vô tuyến và vật cản kiến trúc gây suy hao tín hiệu. Điều này dẫn đến tình trạng trễ lệnh điều khiển hoặc mất kết nối giữa máy chủ và thiết bị chấp hành. Thách thức thứ hai liên quan đến độ chính xác và độ bền của các cảm biến môi trường. Cảm biến ánh sáng hoặc nhiệt độ thường chịu tác động của nhiễu điện từ và biến động điện áp. Nếu mạch so sánh không chuẩn xác, hệ thống sẽ đưa ra quyết định sai lệch. Thêm vào đó, việc đồng bộ giữa các vi điều khiển khác nhau đòi hỏi chuẩn giao tiếp tương thích chặt chẽ. Bảo mật thông tin truyền qua Internet cũng là bài toán kỹ thuật cấp thiết. Việc thiếu cơ chế mã hóa dữ liệu dễ dẫn đến nguy cơ bị can thiệp trái phép, đe dọa sự an toàn của toàn bộ công trình.

2.1. Hạn chế về phạm vi truyền thông và độ trễ tín hiệu

Khoảng cách truyền tín hiệu là vấn đề cốt lõi trong các giải pháp điều khiển không dây. Các công nghệ cũ như sóng hồng ngoại chỉ hoạt động trong phạm vi hẹp và hướng nhìn thẳng. Mạng không dây Wi-Fi khắc phục được nhược điểm này nhưng dễ bị suy hao do tường bê tông và nhiễu sóng từ thiết bị gia dụng khác. Độ trễ tín hiệu tăng cao làm giảm trải nghiệm người dùng khi cần bật tắt thiết bị khẩn cấp. Việc mất gói tin truyền nhận giữa bộ thu phát NodeMCU và máy chủ làm sai lệch trạng thái thực tế của ngôi nhà. Để khắc phục, hệ thống cần giải thuật lọc nhiễu và cơ chế gửi lại bản tin tự động.

2.2. Nguy cơ mất an toàn điện và sai số từ module cảm biến

An toàn điện và độ chính xác phần cứng là tiêu chí kỹ thuật sống còn. Hệ thống điều khiển vi xử lý sử dụng nguồn điện một chiều áp thấp từ 3V đến 5V. Trong khi đó, các thiết bị tải gia dụng như đèn chiếu sáng hoặc quạt máy hoạt động với điện lưới xoay chiều 220V. Mạch rơ le cách ly không đạt chuẩn dễ dẫn đến nguy cơ rò điện và chập cháy. Ngoài ra, module cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở có thể bị trôi điểm chuẩn theo nhiệt độ môi trường. Sai lệch điện áp tại chân analog A0 làm vi điều khiển nhận định sai mức sáng. Điều này dẫn đến tình trạng tự động bật tắt đèn không mong muốn trong thực tế.

III. Giải pháp thiết kế thi công mô hình automation home bằng Arduino

Mô hình automation home hoàn chỉnh kết hợp sức mạnh xử lý của Arduino Mega 2560 và NodeMCU ESP8266. Bo mạch Arduino Mega 2560 đóng vai trò điều khiển phần cứng trung tâm. Chip Atmega 2560 sở hữu 54 chân I/O số cùng 16 chân ngõ vào analog, vận hành ở xung nhịp 16MHz. Module NodeMCU ESP8266 đảm nhiệm vai trò cầu nối truyền thông không dây kết nối Wi-Fi. Dữ liệu từ các module cảm biến được thu thập và chuyển đổi liên tục. Tiêu biểu là module cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở kết hợp IC so sánh LM393. Cảm biến cung cấp cả đầu ra số D0 lẫn đầu ra analog A0, cho phép thiết lập ngưỡng kích hoạt rơ le linh hoạt. Tín hiệu điều khiển được gửi đến các module relay đóng ngắt mạch điện 220V an toàn. Hệ thống tích hợp ứng dụng di động trên smartphone và giao diện website quản trị. Người quản lý có thể giám sát trạng thái thiết bị theo thời gian thực và kích hoạt các kịch bản tự động hóa chính xác.

3.1. Kiến trúc phần cứng với Arduino Mega 2560 và NodeMCU

Kiến trúc phần cứng phân tách rõ ràng nhiệm vụ xử lý cục bộ và truyền thông mạng. Arduino Mega 2560 chịu trách nhiệm đọc dữ liệu cảm biến và xuất lệnh điều khiển relay. Bo mạch tích hợp chip Atmega16U2 hỗ trợ giao tiếp cổng USB ổn định. Nguồn cấp cho hệ thống sử dụng bộ chuyển đổi điện áp xoay chiều sang một chiều chuẩn 5V. Module NodeMCU ESP8266 giao tiếp với Arduino qua chuẩn nối tiếp UART để truyền dữ liệu trạng thái lên máy chủ đám mây. Kiến trúc này giảm tải xử lý cho từng vi điều khiển, hạn chế hiện tượng treo máy và duy trì độ ổn định liên tục cho toàn bộ hệ thống.

3.2. Thiết kế mạch cảm biến ánh sáng và điều khiển rơ le

Module cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở làm từ chất bán dẫn trở kháng cao không tiếp giáp. Khi photon ánh sáng chiếu vào, các hạt electron tự do giải phóng làm điện trở giảm từ vài MΩ xuống vài trăm Ω. Mạch tích hợp IC so sánh điện áp LM393 giúp nhận diện mức sáng chuẩn xác với sai số nhỏ. Điện áp hoạt động của module dao động từ 3.3V đến 5V, kích thước nhỏ gọn 3cm x 1.6cm. Ngõ ra số D0 được kết nối trực tiếp với ngõ vào số của vi điều khiển. Khi cường độ ánh sáng thấp hơn ngưỡng cài đặt, vi điều khiển kích hoạt module rơ le đóng mạch để bật đèn tự động.

IV. Đánh giá ứng dụng thực tiễn của mô hình automation home

Mô hình automation home chứng minh tính khả thi cao trong các ứng dụng thực tế. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và có độ trễ phản hồi thấp. Dữ liệu trạng thái thiết bị và các cảnh báo an ninh được cập nhật theo thời gian thực lên giao diện ứng dụng. Giải pháp này giúp người sử dụng kiểm soát năng lượng hiệu quả, tự động tắt các thiết bị khi không cần thiết. Mô hình đáp ứng đồng thời hai tiêu chí quan trọng: tiện ích sống và bảo mật an toàn. Khả năng tùy biến và mở rộng phần cứng cũng là ưu điểm nổi bật. Hệ thống dễ dàng tích hợp thêm các cảm biến báo khói, cảm biến khí gas hoặc camera quan sát. Trong tương lai, mô hình có thể phát triển theo hướng tích hợp trí tuệ nhân tạo để học thói quen người dùng. Việc ứng dụng công nghệ IoT vào tự động hóa nhà ở đánh dấu bước tiến lớn trong xây dựng đô thị thông minh hiện đại.

4.1. Hiệu quả vận hành và khả năng tiết kiệm năng lượng

Ứng dụng mô hình vào thực tế mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt thông qua việc cắt giảm điện năng hao phí. Hệ thống tự động tắt nguồn các thiết bị chiếu sáng khi phát hiện không gian đủ ánh sáng tự nhiên. Việc phân quyền và giám sát tập trung trên điện thoại giúp người dùng phát hiện ngay các sự cố rò rỉ điện hoặc thiết bị quên tắt. Cơ chế phản hồi thông tin hai chiều bảo đảm mọi thay đổi trạng thái đều được lưu trữ trên hệ thống nhật ký. Đây là cơ sở dữ liệu quan trọng để tối ưu hóa biểu đồ tiêu thụ năng lượng theo chu kỳ sinh hoạt của gia đình.

4.2. Xu hướng mở rộng và tích hợp IoT trong tương lai

Tiềm năng phát triển của mô hình automation home trong tương lai gắn liền với hệ sinh thái Internet of Things. Nền tảng phần cứng mã nguồn mở Arduino cho phép mở rộng không giới hạn các module chức năng mới. Hệ thống có thể tích hợp trợ lý ảo điều khiển bằng giọng nói tiếng Việt và học máy nhận diện ngữ cảnh. Các thuật toán dự đoán hành vi sẽ tự động điều chỉnh nhiệt độ phòng và ánh sáng theo thói quen sinh hoạt thường nhật. Mô hình nghiên cứu này tạo tiền đề vững chắc cho việc thương mại hóa các giải pháp nhà thông minh giá thành hợp lý, phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học công nghệ trong thế kỷ 21 đã thúc đẩy sự ra đời và phổ biến của các thiết bị thông minh như điện thoại thông minh (SmartPhone) và ti vi thông minh (Smart Tivi). Tiếp nối xu hướng đó, mô hình nhà thông minh (Smart Home, Home Automation hay Automation Home) được hình thành nhằm tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động các thiết bị điện, điện tử, thay thế con người thực hiện các thao tác quản lý, giám sát và điều khiển không gian sống.

Lịch sử phát triển các giải pháp điều khiển nhà ở trải qua nhiều giai đoạn công nghệ: ban đầu sử dụng tia hồng ngoại để điều khiển từ xa trong phạm vi hẹp; tiếp đó là điều khiển qua đường dây điện thoại; sau đó là điều khiển qua mạng không dây và máy tính. Khi hạ tầng mạng Internet và công nghệ không dây mở rộng toàn cầu, giải pháp kết nối, giám sát và điều khiển thiết bị qua Internet trở thành hướng tiếp cận phổ biến. Trên thế giới, thị trường nhà thông minh (đặc biệt là khu vực Bắc Mỹ) đạt quy mô hàng tỷ USD với nhiều giải pháp thương mại từ các hãng như Compro Technology, Hi-Tech Home. Tại Việt Nam, các nhà sản xuất như BKAV và Lumi cũng đã phát triển các hệ thống phù hợp với thị trường trong nước.

Đề tài "Thiết kế thi công mô hình Automation home" do nhóm tác giả thuộc Khoa Cơ điện - Điện tử, Trường Đại học Lạc Hồng thực hiện (hoàn thành tháng 12/2021 tại Đồng Nai), tập trung nghiên cứu và chế tạo một mô hình nhà thông minh ứng dụng vi điều khiển và kết nối mạng không dây.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm các nội dung cụ thể sau:

1. Thiết kế và thi công mô hình Automation Home quy mô kích thước 1100 cm x 1000 cm, với cấu trúc không gian đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của một gia đình 4 người.
2. Thiết kế hệ thống giám sát và hệ thống cảnh báo tiện ích (báo cháy, báo rò rỉ khí gas, cảnh báo đột nhập, tự động hóa theo môi trường) thông qua việc ứng dụng công nghệ điều khiển, sử dụng các module cảm biến kết hợp board điều khiển Arduino Mega 2560 và module thu phát Wi-Fi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102.
3. Thiết kế hệ thống quản lý, điều khiển và giám sát từ xa thông qua ứng dụng Blynk cài đặt trên điện thoại thông minh qua mạng Internet/Wi-Fi.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình nhà ở thông minh tích hợp phần cứng điều khiển và cảm biến đa chức năng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế kết cấu không gian (1 phòng khách, 1 khu bếp, 2 phòng ngủ, 2 nhà vệ sinh, 1 khu vực phơi đồ), thiết kế mạch nguyên lý, lập trình giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến và tích hợp giao diện điều khiển di động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên định nghĩa 4 phương diện thông minh của công trình Automation Home:

• Khả năng tự động hóa: Hệ thống cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, ánh sáng, mưa, chuyển động thân nhiệt) tự động kích hoạt thiết bị theo điều kiện môi trường và giám sát năng lượng.
• Khả năng thỏa mãn nhu cầu người dùng: Thiết bị có thể vận hành linh hoạt theo thao tác trực tiếp hoặc kịch bản lập trình sẵn.
• Khả năng bảo mật và giám sát an ninh: Tự động phát hiện và cảnh báo các nguy cơ cháy nổ, rò rỉ khí độc hại hoặc xâm nhập trái phép.
• Khả năng điều khiển và cảnh báo từ xa: Toàn bộ thông số môi trường và trạng thái thiết bị được đồng bộ lên máy chủ và ứng dụng di động qua kết nối mạng không dây (Wi-Fi, 3G/4G).

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong công trình bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Khảo sát các giải pháp công nghệ nhà thông minh thương mại trên thế giới (Bắc Mỹ, Compro Technology, Hi-Tech Home) và tại Việt Nam (BKAV, Lumi) nhằm lựa chọn kiến trúc phần cứng và giao thức truyền thông phù hợp.
• Phương pháp thiết kế hệ thống kỹ thuật: Phân chia hệ thống thành 5 khối chức năng (khối nguồn, khối cảm biến, khối xử lý trung tâm, khối chấp hành, khối hiển thị); phân định chức năng xử lý giữa vi điều khiển đa kênh (Arduino Mega 2560) và vi điều khiển tích hợp Wi-Fi (ESP8266 NodeMCU).
• Phương pháp thực nghiệm và hiệu chuẩn: Lập trình giao tiếp cảm biến theo các chuẩn tín hiệu Analog, Digital, 1-wire, UART, SPI, I2C; xây dựng phương pháp hiệu chuẩn ngưỡng cảnh báo khí gas MQ2 bằng thực nghiệm; kiểm thử giải thuật đọc dữ liệu cảm biến DHT11 và kiểm tra tổng Checksum 40 bit.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm thông số kỹ thuật (datasheet) của các dòng vi xử lý ATmega2560, SoC ESP8266, các IC so sánh LM358, LM393, thông số vận hành của các linh kiện cảm biến điện tử và các nghiên cứu liên quan trong lĩnh vực Internet of Things (IoT).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển và giám sát mô hình Automation Home được xây dựng theo kiến trúc phân tầng gồm 5 khối chức năng chính:

• Khối nguồn: Cung cấp điện áp một chiều từ 5VDC đến 9VDC cho toàn bộ hệ thống mạch điều khiển và các module ngoại vi.
• Khối cảm biến: Thu thập dữ liệu trạng thái và môi trường, chuyển đổi thành tín hiệu tương tự (Analog) hoặc tín hiệu số (Digital).
• Khối xử lý trung tâm: Gồm bo mạch Arduino Mega 2560 chịu trách nhiệm giao tiếp với đầu đọc thẻ RFID, xử lý logic đóng mở cửa; bo mạch ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 thu thập dữ liệu cảm biến, điều khiển thiết bị chấp hành và truyền dữ liệu thời gian thực lên máy chủ Blynk.
• Khối chấp hành: Gồm động cơ servo điều khiển cửa ra vào, động cơ servo kéo giàn phơi đồ, rơ le đóng cắt đèn chiếu sáng, quạt thông gió và còi báo động.
• Khối hiển thị: Sử dụng màn hình LCD 16x2 tích hợp mạch chuyển đổi giao tiếp I2C để hiển thị thông số tại chỗ.

Thành phần / Thiết bị	Thông số kỹ thuật chính	Giao tiếp / Tín hiệu	Chức năng trong mô hình
Arduino Mega 2560	Vi điều khiển ATmega2560 (16 MHz), Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, 54 chân Digital I/O (15 chân PWM), 16 chân Analog, nguồn khuyên dùng 7-12V	Digital, PWM, Analog, SPI, I2C, UART	Xử lý tín hiệu thẻ từ RFID, điều khiển góc quay servo mở cửa chính, phát âm thanh cảnh báo sai thẻ
ESP8266 NodeMCU Lua CP2102	Chip Wi-Fi SoC ESP8266, chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n, Flash 4 MB, chip nạp UART CP2102, điện áp hoạt động 3.3V, 11 chân I/O, 1 chân Analog Input (max 3.3V)	Wi-Fi, GPIO, PWM, 1-wire, UART, ADC	Đọc dữ liệu các cảm biến trong phòng, điều khiển thiết bị, truyền nhận dữ liệu với ứng dụng Blynk
Cảm biến nhiệt độ LM35	Điện áp 4-30V, công suất 60 µA, độ phân giải 10 mV/°C, dải đo từ -55°C đến 150°C (hệ thống dùng dải 0-150°C), vỏ TO-92 3 chân	Tín hiệu tương tự (Analog Vout)	Đo nhiệt độ phòng khách, phòng ngủ và nhà bếp; phục vụ kích hoạt quạt và hệ thống cảnh báo cháy
Cảm biến khí gas MQ2	Cấu tạo chất bán dẫn SnO2, nhạy với LPG, Propane, Hydrogen, CH4, nguồn 5V, tích hợp IC so sánh LM358	Tín hiệu Analog (Aout) và Digital (Dout)	Phát hiện rò rỉ khí gas tại khu vực bếp, kích hoạt còi báo động và quạt hút khi nồng độ vượt ngưỡng
Cảm biến chuyển động HC-SR501	Cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR), điện áp 4.3-5V, thấu kính Fresnel, khoảng cách phát hiện 2-4.5m, 2 chế độ kích hoạt (L/H)	Tín hiệu số (Digital OUT)	Phát hiện xâm nhập trái phép tại nhà bếp và tự động bật/tắt đèn chiếu sáng khi có người vào nhà vệ sinh
Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm DHT11	Điện áp 3.3-5.5V, đo nhiệt độ 0-50°C (±2°C), đo độ ẩm 20-90% RH (±5% RH), tần số lấy mẫu 1 Hz	Chuẩn 1 dây (1-wire), truyền chuỗi 5 byte (40 bit)	Đo nhiệt độ và độ ẩm phòng khách, môi trường trong/ngoài phòng ngủ, gửi dữ liệu lên LCD và ứng dụng Blynk
Module cảm biến mưa	Mạch cảm biến ngoài trời + khối điều chỉnh độ nhạy dùng IC LM358, nguồn 5V, có LED báo nguồn và báo mưa	Tín hiệu Analog (A0) và Digital (D0)	Phát hiện trời mưa, gửi tín hiệu kích hoạt động cơ servo kéo dây phơi đồ vào mái hiên và đưa ra khi khô ráo
Module cảm biến ánh sáng	Mạch quang trở (LDR), IC so sánh LM393, kích thước PCB 3 cm x 1.6 cm, điện áp 3.3-5V, có biến trở chỉnh ngưỡng	Tín hiệu Analog (A0) và Digital (D0)	Tự động bật đèn chiếu sáng ngoài trời khi trời tối và tắt đèn khi trời sáng; hỗ trợ giám sát qua ứng dụng

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh ra đời của nhà thông minh trong kỷ nguyên bùng nổ thiết bị kết nối. Tác giả phân tích 4 đặc tính cốt lõi cấu thành hệ thống Automation Home: khả năng tự động hóa theo môi trường, khả năng đáp ứng nhu cầu cá nhân hóa, khả năng bảo mật - giám sát an ninh, và khả năng điều khiển từ xa qua mạng không dây. Chương này cũng phân tích xu hướng tăng trưởng của thị trường nhà thông minh thế giới và Bắc Mỹ, đồng thời khảo sát các giải pháp công nghệ thương mại tiêu biểu của Compro Technology, Hi-Tech Home (quốc tế) cùng BKAV và Lumi (Việt Nam). Trên cơ sở phân tích điều kiện kinh tế và kỹ thuật, tác giả xác định hướng thiết kế mô hình Automation Home sử dụng vi điều khiển kết nối Wi-Fi, tập trung vào các chức năng cơ bản: khóa cửa thẻ từ RFID, cảnh báo rò rỉ khí gas, báo cháy, chống đột nhập, giàn phơi tự động theo thời tiết và điều khiển thiết bị qua ứng dụng di động trên quy mô mô hình 1100 cm x 1000 cm.

Chương 2: Thiết kế tổng quan hệ thống điều khiển mô hình Automation Home

Chương 2 mô tả chi tiết sơ đồ kết cấu không gian và nguyên lý phân bổ thiết bị cho 5 khu vực chức năng:

• Phòng khách: Trang bị 1 board Arduino Mega 2560 kết nối đầu đọc thẻ RFID bên ngoài và động cơ servo để mở cửa chính (phát còi khi quét thẻ sai); 1 nút nhấn cơ bên trong để mở cửa; 2 nút nhấn cùng ứng dụng điều khiển đèn và quạt; 1 cảm biến nhiệt độ LM35, 1 cảm biến DHT11 và 1 màn hình LCD 16x2 hiển thị thông số và gửi lên ứng dụng di động qua ESP8266 NodeMCU.
• Phòng ngủ: Gồm 2 phòng ngủ, trang bị nút nhấn và ứng dụng bật/tắt đèn, quạt; sử dụng cảm biến LM35 và màn hình LCD đo nhiệt độ trong phòng; sử dụng cảm biến LM35 và DHT11 đo nhiệt độ, độ ẩm ngoài phòng hiển thị LCD và đồng bộ lên ứng dụng.
• Phòng bếp: Trang bị cảm biến khí gas MQ2 kết hợp cảm biến nhiệt độ LM35; khi nồng độ gas hoặc nhiệt độ vượt ngưỡng, còi báo động sẽ hú và quạt hút tự động bật, đồng thời gửi cảnh báo lên ứng dụng; trang bị cảm biến chuyển động HC-SR501 gần cửa để phát hiện đột nhập, kích hoạt còi và gửi thông báo.
• Nhà vệ sinh: Gồm 2 nhà vệ sinh, trang bị cảm biến chuyển động PIR để tự động bật đèn khi có người bước vào và tắt đèn khi ra ngoài đóng cửa, kết hợp tùy chọn bật/tắt qua ứng dụng di động.
• Khu vực phơi đồ và sân ngoài: Module cảm biến mưa lắp đặt ngoài trời gửi tín hiệu về ESP8266 để điều khiển động cơ servo kéo dây phơi vào mái hiên khi có mưa và kéo ra khi trời tạnh; module cảm biến ánh sáng dùng quang trở điều khiển bật đèn khi trời tối và tắt khi trời sáng.

Chương này cũng phân tích chi tiết cấu trúc phần cứng của bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 (chip ATmega2560, 54 chân Digital I/O, 16 chân Analog, 4 cổng Serial, bộ nhớ Flash 256 KB) và module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 (chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n, điện áp 3.3V, tích hợp bộ nạp CP2102, bộ nhớ Flash 4 MB).

Chương 3: Thiết kế hệ thống giám sát, cảnh báo cho mô hình Automation Home

Chương 3 đi sâu vào thông số kỹ thuật, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của 6 dòng cảm biến chuyên dụng:

• Cảm biến nhiệt độ LM35: Hoạt động tuyến tính với độ nhạy 10 mV/°C, tính toán nhiệt độ qua công thức đọc điện áp từ chân Analog của vi điều khiển.
• Cảm biến khí gas MQ2: Hoạt động dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của lớp chất bán dẫn SnO2 khi tiếp xúc với các khí dễ cháy (LPG, CH4, Propane, H2). Do việc quy đổi chính xác từ điện áp sang đơn vị ppm phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, tác giả đưa ra quy trình định ngưỡng cảnh báo thực nghiệm: đo điện áp không khí sạch ($V_{out1}$), đo điện áp khi cho rò rỉ gas từ bật lửa ($V_{out2}$), lấy $V_{out2}$ làm ngưỡng cảnh báo và tinh chỉnh biến trở so sánh áp trên IC LM358.
• Cảm biến chuyển động thân nhiệt HC-SR501: Sử dụng 2 đơn vị cảm biến pyroelectric đặt sau thấu kính Fresnel nhằm phân tách bức xạ hồng ngoại môi trường thành các vùng kiểm soát, phát hiện xung nhiệt khi cơ thể người di chuyển vuông góc với cảm biến trong cự ly 2-4.5 m.
• Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11: Trình bày chi tiết giao thức truyền dữ liệu 1 dây (1-wire) qua 2 bước: bước 1 là MCU gửi tín hiệu Start (kéo chân DATA xuống mức 0 trong khoảng thời gian lớn hơn 18 ms, thiết lập trong mã nguồn là 25 ms, sau đó chờ DHT11 kéo chân DATA xác nhận trong các khoảng thời gian 20-40 µs và 80 µs); bước 2 là MCU đọc chuỗi 40 bit (5 byte gồm byte 1: độ ẩm nguyên, byte 2: độ ẩm thập phân, byte 3: nhiệt độ nguyên, byte 4: nhiệt độ thập phân, byte 5: Checksum kiểm tra tổng).
• Module cảm biến mưa và Module cảm biến ánh sáng: Trình bày sơ đồ nguyên lý mạch so sánh điện áp sử dụng IC LM358 (cảm biến mưa) và LM393 (cảm biến ánh sáng), chuyển đổi trạng thái tiếp xúc nước hoặc cường độ ánh sáng tác động lên quang trở thành mức logic $D_0$ phục vụ điều khiển tức thời.

Chương này cũng trình bày các lưu đồ thuật toán điều khiển cho hệ thống báo cháy, hệ thống báo rò rỉ gas và hệ thống cảnh báo xâm nhập.

Chương 4: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mô hình Automation Home qua App Blynk

Chương 4 giới thiệu cấu trúc phần mềm Blynk bao gồm Blynk App, Blynk Server và Blynk Libraries. Tác giả trình bày các bước cài đặt phần mềm trên điện thoại thông minh, tạo dự án mới, cấu hình các Widget điều khiển (Button để đóng/ngắt đèn, quạt, cửa), Widget hiển thị số liệu (Value Display, Gauge hiển thị nhiệt độ, độ ẩm, trạng thái gas), và Widget thông báo (Notification/Alert gửi cảnh báo về máy). Chương này cũng hướng dẫn cấu hình thông số kết nối Auth Token và tích hợp thư viện Blynk vào môi trường phát triển Arduino IDE để nạp mã nguồn cho bo mạch ESP8266 NodeMCU.

Chương 5: Thiết kế, chế tạo mô hình thực tế

Chương 5 trình bày quá trình thi công mô hình vật lý từ bản vẽ thiết kế 3D đến mô hình hoàn thiện. Các cụm mạch vi điều khiển, cảm biến và cơ cấu chấp hành được lắp đặt đúng vị trí theo thiết kế từng phòng. Tác giả thực hiện kiểm nghiệm thực tế các chức năng: quét thẻ từ RFID mở cửa chính; tự động bật tắt đèn nhà vệ sinh theo chuyển động; tự động kéo dây phơi khi trời mưa và thu vào khi tạnh; tự động đóng ngắt đèn sân theo ánh sáng; thử nghiệm hệ thống báo động còi hú và bật quạt khi phát hiện rò rỉ khí gas hoặc vượt ngưỡng nhiệt độ; kiểm tra tính năng giám sát nhiệt độ, độ ẩm và nhận tin nhắn cảnh báo trên giao diện ứng dụng Blynk qua mạng Wi-Fi.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

• Chế tạo thành công mô hình vật lý Automation Home kích thước 1100 cm x 1000 cm với đầy đủ 5 khu vực chức năng (1 phòng khách, 1 khu bếp, 2 phòng ngủ, 2 nhà vệ sinh, 1 sân phơi đồ).
• Xây dựng hệ thống điều khiển kết hợp hai nền tảng phần cứng: Arduino Mega 2560 phụ trách bảo mật cửa vào bằng thẻ RFID (kèm còi báo sai thẻ) và điều khiển góc quay động cơ servo; ESP8266 NodeMCU phụ trách mạng cảm biến và kết nối Wi-Fi.
• Vận hành thành công 6 khối cảm biến: đo chính xác nhiệt độ phòng khách/phòng ngủ qua LM35 và DHT11; đo độ ẩm qua DHT11; phát hiện khí gas qua MQ2 kết hợp kích hoạt còi và quạt thông gió; phát hiện chuyển động qua PIR HC-SR501 để chống trộm và bật đèn tự động; điều khiển giàn phơi đồ tự động bằng cảm biến mưa kết hợp servo; điều khiển đèn ngoài trời tự động theo quang trở LM393.
• Thiết lập thành công giao diện điều khiển và giám sát từ xa qua ứng dụng Blynk, cho phép người dùng theo dõi dữ liệu môi trường thời gian thực và nhận thông báo cảnh báo khẩn cấp khi có sự cố rò rỉ gas hoặc phát hiện xâm nhập.

Đóng góp của đồ án là đã hiện thực hóa giải pháp nhà thông minh hoàn chỉnh ở quy mô mô hình thực nghiệm với chi phí hợp lý, sử dụng các linh kiện điện tử nguồn mở phổ biến. Báo cáo cung cấp đầy đủ sơ đồ kết nối chân, nguyên lý giải thuật truyền thông 1-wire và phương pháp xác định ngưỡng cảnh báo thực nghiệm cho các module cảm biến.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được ghi nhận trong báo cáo bao gồm:

• Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chưa triển khai đóng cắt trực tiếp cho hệ thống tải điện công suất lớn trong công trình dân dụng thực tế.
• Việc chuyển đổi giá trị điện áp ngõ ra của cảm biến khí gas MQ2 thành giá trị nồng độ tuyệt đối (ppm) gặp khó khăn do phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm, do đó hệ thống phải sử dụng phương pháp định ngưỡng điện áp cảnh báo thủ công.
• Khoảng cách truyền dữ liệu của cảm biến DHT11 bị giới hạn trong phạm vi dây dẫn dưới 20 m và không sử dụng được trong các môi trường độ ẩm đặc biệt (môi trường ủ kín, yếm khí dễ sinh nấm mốc làm hỏng màng cảm biến).

Các hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Tích hợp thêm module xử lý và nhận diện giọng nói sử dụng ESP8266 để điều khiển thiết bị rảnh tay.
• Bổ sung các giải pháp bảo mật nâng cao cho hệ thống như đăng nhập bằng Passcode, sinh trắc học vân tay hoặc nhận diện mống mắt.
• Triển khai tính năng cập nhật chương trình điều khiển từ xa qua mạng không dây (OTA - Over The Air) cho module ESP8266.
• Nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) giúp ngôi nhà có khả năng phân biệt giọng nói từng thành viên và tự động ghi nhớ thói quen sinh hoạt của người sử dụng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Công nghệ Thông tin (chuyên ngành IoT).

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

• Phương pháp phối ghép phần cứng giữa vi điều khiển ATmega2560 và vi điều khiển Wi-Fi ESP8266 NodeMCU.
• Sơ đồ chân, thông số vận hành và mạch so sánh tín hiệu của các module cảm biến phổ biến (LM35, MQ2, HC-SR501, DHT11, cảm biến mưa, cảm biến quang trở).
• Thuật toán định thời và phân tích chuỗi xung 40 bit theo chuẩn giao tiếp 1-wire của cảm biến DHT11.
• Quy trình thiết lập giao diện điều khiển, gán chân ảo (Virtual Pins) và cấu hình thông số truyền nhận dữ liệu qua nền tảng Blynk.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống Automation Home trong đồ án sử dụng các vi điều khiển nào và phân chia nhiệm vụ ra sao? Hệ thống sử dụng kết hợp 2 loại bo mạch vi điều khiển:

• Arduino Mega 2560 (chip ATmega2560): Chịu trách nhiệm nhận, xử lý tín hiệu từ board mạch đọc thẻ RFID RC522, kiểm tra mã thẻ, điều khiển động cơ servo mở cửa ra vào phòng khách và kích hoạt còi báo động khi quét sai thẻ.
• ESP8266 NodeMCU Lua CP2102: Đóng vai trò là khối xử lý trung tâm và kết nối mạng, chịu trách nhiệm thu thập tín hiệu từ 6 loại module cảm biến trong nhà, thực thi các lệnh điều khiển thiết bị chấp hành cục bộ và truyền/nhận dữ liệu với ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh qua sóng Wi-Fi.

2. Cảm biến khí gas MQ2 được định ngưỡng cảnh báo như thế nào trong mô hình? Do việc quy đổi từ điện áp Analog ($A_{out}$) sang nồng độ ppm tuyệt đối của MQ2 phức tạp và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm môi trường, nhóm tác giả đã xác định ngưỡng cảnh báo bằng phương pháp thực nghiệm thủ công:

• Bước 1: Đo điện áp ngõ ra của cảm biến trong điều kiện không khí sạch để thu giá trị $V_{out1}$.
• Bước 2: Cho khí gas từ bật lửa rò rỉ ở cự ly thử nghiệm tương ứng với nồng độ bắt đầu nguy hiểm để ghi nhận giá trị điện áp $V_{out2}$.
• Bước 3: Thiết lập giá trị $V_{out2}$ làm ngưỡng cảnh báo và điều chỉnh biến trở trên module để điện áp tại chân so sánh của IC LM358 đạt mức $V_{out2}$. Khi nồng độ khí vượt quá ngưỡng này, chân Digital ($D_{out}$) sẽ chuyển trạng thái kích hoạt còi báo động và quạt hút.

3. Quy trình đọc dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm từ cảm biến DHT11 diễn ra như thế nào? Quá trình giao tiếp theo chuẩn 1-wire giữa vi xử lý và DHT11 được thực hiện qua 2 giai đoạn:

• Gửi tín hiệu Start: Vi xử lý cấu hình chân DATA thành Output, kéo chân DATA xuống mức 0 trong khoảng thời gian lớn hơn 18 ms (trong mã nguồn thiết lập 25 ms), sau đó kéo lên 1 và chuyển thành Input. Cảm biến DHT11 phản hồi bằng cách kéo chân DATA xuống thấp 80 µs rồi kéo lên cao 80 µs.
• Đọc 40 bit dữ liệu: Cảm biến gửi liên tiếp 5 byte dữ liệu về vi xử lý (Byte 1: phần nguyên độ ẩm, Byte 2: phần thập phân độ ẩm, Byte 3: phần nguyên nhiệt độ, Byte 4: phần thập phân nhiệt độ, Byte 5: Checksum). Vi xử lý xác định bit 0 (xung mức 1 kéo dài 26-28 µs) hoặc bit 1 (xung mức 1 kéo dài 70 µs). Kết quả đo chỉ hợp lệ khi Byte 5 = (Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4) theo phép toán 8 bit.

4. Cơ chế tự động của hệ thống giàn phơi đồ và đèn chiếu sáng ngoài trời hoạt động ra sao?

• Hệ thống giàn phơi đồ: Module cảm biến mưa đặt ngoài trời sử dụng IC LM358 so sánh điện áp khi có nước rơi vào bề mặt dẫn điện. Khi trời mưa, chân $D_0$ chuyển xuống mức thấp (0V) và LED đỏ sáng lên, ESP8266 nhận tín hiệu và điều khiển động cơ servo kéo dây phơi vào trong mái hiên; khi cảm biến khô ráo, servo tự động kéo dây phơi ra ngoài.
• Hệ thống đèn chiếu sáng ngoài trời: Module cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở kết hợp IC so sánh LM393. Khi trời tối, điện trở quang trở tăng cao, mạch so sánh đưa tín hiệu về ESP8266 để tự động bật đèn; khi trời sáng, điện trở quang trở giảm xuống mức vài trăm Ohm, hệ thống tự động tắt đèn.

5. Ứng dụng Blynk đảm nhận những chức năng gì trong đồ án? Ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh đóng vai trò là giao diện điều khiển và giám sát trung tâm từ xa qua kết nối Internet:

• Giám sát thông số môi trường: Hiển thị liên tục nhiệt độ và độ ẩm thực tế đo được tại phòng khách và phòng ngủ.
• Điều khiển thiết bị: Cho phép người dùng bật/tắt thủ công hệ thống đèn chiếu sáng, quạt thông gió và đóng/mở cửa từ xa thông qua các Widget nút bấm ảo.
• Tiếp nhận cảnh báo an ninh: Hiển thị trạng thái nồng độ khí gas và nhận thông báo khẩn cấp (Push Notification) khi hệ thống phát hiện rò rỉ gas vượt ngưỡng hoặc cảm biến PIR phát hiện có chuyển động đột nhập trái phép vào ban đêm.

Kết luận

Báo cáo nghiên cứu khoa học "Thiết kế thi công mô hình Automation home" của sinh viên Khoa Cơ điện - Điện tử, Trường Đại học Lạc Hồng đã xây dựng thành công một mô hình nhà thông minh hoàn chỉnh với kết cấu 5 khu vực chức năng đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của gia đình 4 người. Hệ thống tích hợp hiệu quả nền tảng phần cứng Arduino Mega 2560 và ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 cùng mạng lưới 6 cảm biến chuyên dụng để tự động hóa điều khiển thiết bị, cảnh báo cháy nổ, báo rò rỉ khí gas và chống đột nhập. Công trình đã chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển và giám sát nhà thông minh qua ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh, tạo cơ sở thực tiễn cho việc phát triển các ứng dụng IoT dân dụng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1Tổng quan về nhà Automation Home 1.1 Bối cảnh và nhu cầu sử dụng Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu của con người đòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất. Cùng với đó là sự mở rộng không ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnh thổ làm cho việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tất yếu. Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó, ý tưởng về ngôi nhà thông minh được hình thành, nơi mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ và giúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài ra ngôi nhà còn có thể tự động quản lý một cách thông minh nhất. Vậy, như thế nào là Automation Home? Sự thông minh của một ngôi nhà được thể hiện trên 4 phương diện như sau: ● Thứ nhất, là khả năng tự động hóa.

Căn nhà được trang bị hệ thống các cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến báo cháy, cảm biến vật cản, cảm biến ánh sáng… với khả năng tự động hoạt động theo điều kiện môi trường. Nhà thông minh giúp chúng ta giám sát được mức tiêu thụ điện, nước tốt hơn so với thông thường. ● Thứ hai, là khả năng thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng. Chủ nhân ngôi nhà có thể điều khiển theo ý muốn hoặc theo những kịch bản được lập trình sẵn.

● Thứ ba, là khả năng bảo mật, giám sát an ninh. Hệ thống giám sát an ninh, báo cháy, báo rò rỉ khí gas sẽ tự động báo trạng thái của ngôi nhà qua mạng internet. ● Thứ tư, là khả năng điều khiển, cảnh báo từ xa thông qua kết nối internet thông qua wifi, 3g… Các thiết bị như: bóng đèn, điều hòa, tivi, tủ lạnh. cũng đều được kết nối tới mạng internet.

Người sử dụng chỉ cần có một thiết bị kết nối internet là có thể theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị trong nhà theo ý muốn của bản thân. 1 Mô hình tổng quát Automation Home 1 Hiện nay, nhà thông minh đã và đang là một thị trường tiềm năng với thị trường toàn cầu lên đến con số tỉ đô. Không những vậy, chỉ riêng thị trường Bắc Mỹ, theo các con số thống kê, hoàn toàn là có cơ sở để nhận định rằng đây chính là tương lai của một ngôi nhà mà chúng ta cần phải có. 2 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Automation Home thế giới2 1 https://hethongsmarthome.com/2017/06/xu-huong-nha-thong-minh-viet.html 2 https://www.vn/tin-tuc-noi-bat/-/view-content/435260/nha-thong-minh-no-ro-co-hoi-ty-do 6 Hình 1.

3 Biểu đồ tăng trưởng thị trường Automation Home chỉ tính riêng thị trường Bắc Mỹ 3 1.2 Các mô hình Automation Home hiện nay 1.1 Các giải pháp Automation Home trên thế giới Hiện nay là thị trường Automation home lớn nhất thế giới là Bắc Mỹ. Với quy mô cũng như tính tiện nghi dành cho một ngôi nhà với 4 người, sẽ có thiết kế cơ bản với khả năng như: Cảnh báo đột nhập, cảnh báo khí gas, hệ thống cửa tự động, hệ thống camera an ninh, hệ thống giải trí… Dưới đây là ví dụ về một ngôi nhà thông minh của một số nhà sản xuất tại Mỹ và châu Âu, với tiêu chuẩn từ cơ bản đến cao cấp dành cho một gia đình: 3 https://www.com/webintel/articles/smart-home-market-size-trends-projections/ 7 Hình 1. 4 Mô hình Automation Home của công ty Compro Technology. 5 Mô hình Automation Home của Hi-Tech Home5 4 https://www.com/int/Newsarchive/compro-smart-home-solution-at-computex-2010 5 https://hitechhome.net/alarm-com-seamlessly-connects-the-key-devices-in-your-home-on-one-platform/ 8 1.2 Các giải pháp Automation Home ở Việt Nam Tại Việt Nam, không đứng ngoài dòng chảy công nghệ về nhà thông minh, đã có rất nhiều nhà sản xuất cũ và mới tham gia thị trường đầy tiềm năng này, dẫn đầu là BKAV và Lumi.

Với đầy đủ các chức năng như các nhà sản xuất nước ngoài, lại thêm yếu tố phù hợp với riêng thị trường Việt Nam, hiện nay họ đang có một lợi thế không nhỏ so với các nhà sản xuất nước ngoài tại Việt Nam. 6 Mô hình Automation Home của BKAV6 Hình 1. 7 Mô hình Automation Home của Lumi7 6 https://www.vn/tieu-diem/-/view-content/139869/bkav-smarthome-voi-chien-luoc-quoc-gia- thong-minh-cua-singapore 7 https://thietbidienchinhhang.com/copy-of-giai-phap-nha-thong-minh-lumi-smarthome 9 1.3Lựa 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, bảo mật mống mắt… Đi kèm đó là khả năng cảnh báo đột nhập giúp gia chủ có thể phát hiện ra tại bất kỳ nơi đâu với kết nối Wifi/GPRS. Và gần đây, xu thế điều khiển thiết bị bằng giọng nói cũng được thêm vào giải pháp xây dựng nhà thông minh, giúp cho việc sử dụng trở nên dễ dàng hơn mọi người trong nhà.

Trong tương lai, nhờ các thiết bị công nghệ mới kết hợp trí tuệ nhân tạo, ngôi nhà có thể phân biệt giọng nói từng thành viên và ghi nhớ thói quen của mỗi người trong gia đình. 8 Xu hướng phát triển của Automation Home8 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 Điện - Điện Tử cũng như dòng chảy công nghệ cao, vậy nên ở đề tài này, nhóm em xin chọn thiết kế 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 1100 cm x 1000cm với các chức năng cơ bản như: cửa đóng/mở tự động, giám sát và cảnh báo cháy, cảnh báo khí gas rò rỉ, cảnh báo xâm nhập trái phép, rèm cửa tự động theo ánh sáng, đèn và quạt bật tự động theo người sử dụng và nhiệt độ môi trường.com/tin-tuc/smarthome-xu-huong-danh-cho-tuong-lai-hay-chi-trong-phim-- 657960 11 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH AUTOMATION HOME 2.1Các module thiết bị được sử dụng trong mô hình và chức năng 2.1 Phòng khách a. Chức năng - Đóng/ mở cửa bằng thẻ RFID - Bật/tắt đèn, quạt bằng nút nhấn và bằng app trên Smartphone - Giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong phòng khách và hiển thị lên LCD đồng thời gửi dữ liệu lên app.

Bộ xử lý - 1 board mạch Arduino Mega 2560: Nhận, xử lý tín hiệu từ board mạch RFID và thực thi các lệnh đã được lập trình cho RFID và các thiết bị được gắn trên mạch - 1 board mạch ESP8266 NodeMCU: Nhận, xử lý tín hiệu từ các cảm biến và thực thi lệnh đã được lập trình cho các cảm biến và thiết bị được gắn trên mạch, sau đó gửi dữ liệu lên App Blynk. Cơ cấu chấp hành - 1 động cơ servo để đóng mở cửa ra vào - 2 nút nhấn đặt bên trong để bật tắt đèn và quạt, đồng thời đèn và quạt cũng được điều khiển bật tắt bằng App trên Smartphone - 1 nút nhấn đặt bên trong để đóng mở cửa ra vào từ bên trong. Cơ cấu bảo mật, giám sát - 1 mạch RFID đặt bên ngoài và màn hình hiển thị, khi người dùng quét thẻ đúng sẽ thông báo lên màn hình, đồng thời servo sẽ xoay và mở cửa. - 1 cảm biến nhiệt độ LM35, 1 cảm biến độ ẩm DHT11 và 1 màn hình LCD: nhiệt độ và độ ẩm trong phòng khách sẽ được 2 cảm biến này giám sát và thông số sẽ được hiển thị lên màn hình LCD, đồng thời sẽ gửi dữ liệu lên trên App - 1 Còi báo động sẽ kêu khi có người quét thẻ sai.2 Phòng ngủ a.

Chức năng - Bật/ tắt đèn, quạt trong phòng ngủ bằng nút nhấn và app trên Smartphone - Giám sát nhiệt độ, độ ẩm bên trong và ngoài phòng hiển thị lên LCD và gửi dữ liệu lên app. Bộ xử lý - 1 board mạch ESP8266 NodeMCU: Nhận, xử lý tín hiệu từ các cảm biến và thực thi lệnh đã được lập trình cho các cảm biến và thiết bị gắn trên board mạch. Cơ cấu chấp hành - 2 nút nhấn đặt bên trong phòng dùng để điều khiển bật/tắt đèn, quạt d. Cơ cấu bảo mật, giám sát - 1 cảm biến nhiệt độ LM35 đặt bên trong phòng và 1 màn hình LCD: dùng để đo nhiệt độ trong phòng và hiển thị thông số lên màn hình, đồng thời người dùng cũng có thể giám sát được nhiệt độ trong phòng thông qua App trên Smartphone.

- 1 cảm biến nhiệt độ LM35, 1 cảm biến độ ẩm DHT11 và 1 màn hình LCD được đặt bên ngoài phòng: để giám sát nhiệt độ, độ ẩm bên ngoài phòng và hiển thị thông số lên màn hình, đồng thời cũng sẽ gửi dữ liệu lên App trên Smartphone để gửi dùng có thể biết được thông số nhiệt độ, độ ẩm bên ngoài phòng.3 Phòng bếp a. Chức năng - Đèn được bật/ tắt bằng nút nhấn và bằng app trên Smartphone - Báo rò rỉ khí gas khi nồng độ khí gas và nhiệt độ cao thì còi báo động sẽ kêu lên đồng thời quạt sẽ được bật, bên cạnh đó thông số về nồng độ khí gas sẽ được hiển thị lên LCD và trên app. - Báo động khi có trộm, khi có trộm vào nhà thì cảm biến chuyển động sẽ nhận tín hiệu đồng thời còi báo động sẽ kêu lên đồng thời sẽ gửi thông báo lên trên app.