CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHÀ THÔNG MINH SMART HOME 1.1 Khái niệm về hệ thống nhà thông minh (Smart Home) Nhà thông minh (tiếng anh là “Smart Home”) là những ngôi nhà, căn hộ được trang bị các hệ thống tự động thông minh cùng với các bố trí hợp lý, điều phối các hoạt động trong ngôi nhà theo thói quen sinh hoạt và nhu cầu cá nhân của gia chủ. Tất cả các thiết bị điện tử gia dụng trong nhà đều được liên kết với thiết bị điều khiển trung tâm và có thể phối hợp với nhau để cùng thực hiện một chức năng. Kết nối tổng quan trong ngôi nhà thông minh Hình 1.1 thể hiện mô hình hoạt động hệ thống của nhà thông minh, thông qua mạng internet 4G, mạng LAN kết nối các hệ thông thông minh với nhau xử lý qua bộ xử lý trung tâm và được điều khiển qua thiết bị smartphone.2 Chức năng của Smarthome - 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. - Khả năng thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng: chủ nhân ngôi nhà có thể điều 2 IoT ứng dụng trong mô hình Smart-Home khiển theo ý muốn hoặc theo những kịch bản được lập trình sẵn.
- Cung cấp các dịch vụ giải trí chất lượng cao: thiết bị giải trí đa phương tiện như Tivi, Radio, Film, Music, Camera. - 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. - Khả năng điều khiển, cảnh báo từ xa qua kết nối internet thông qua wifi, 4G… Các thiết bị như: bóng đèn, điều hòa, ti vi, 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.3 Các ưu khuyết điểm của nhà thông minh - Ưu điểm: + Tăng tính tiện nghi: Dễ dàng điều khiển các thiết bị như quạt, đèn ngủ, tivi … + Tiết kiệm điện: Nhà thông minh sẽ tự bật và tắt các thiết bị chẳn hạn như đèn. Vì vậy bạn không cần phải lo lắng đi ra ngoài mà quên tắt các thiết bị điện. + Đảm bảo an toàn: Hệ thống an ninh luôn hoạt động 24/7, vì vậy bạn có thể an tâm khi đi chơi hoặc công tác xa. + Tạo sự đẳng cấp và sang trọng: Những vị khách mỗi lần ghé thăm ngôi nhà thân yêu của bạn đều sẽ kinh ngạc và thán phục.
Họ sẽ tận hưởng khoảng thời gian tuyệt vời được sống trong thế giới siêu hiện đại, bị ấn tượng sâu sắc và thích bạn hơn. - Nhược điểm + Giá thành cao: Chi phí để xây dựng một Smart Home rất cao. Vì vậy, chúng không phù hợp với gia đình có thu nhập bình dân. + Khó sử dụng đối với những người không quen với công nghệ: Một số người, đặc biệt là những người lớn tuổi, gặp có khăn khi thao tác trên các ứng dụng thông minh.
+ Vấn đề bảo mật: Luôn tìm ẩn những nguy cơ về an ninh mạng. Nếu không may hệ thống Smart Home bị hacker đột nhập, chúng có thể tự do điều khiển 3 IoT ứng dụng trong mô hình Smart-Home cả ngôi nhà, tự động mở khóa cửa và xâm nhập và không gian sống của bạn.4 Các yêu cầu đặt ra đối với hệ thống điều khiển nhà thông minh - Hệ thống thông minh: giúp người dung thuận tiện trong thao tác, tiết kiệm thời gian - Kiến trúc hài hòa, đơn giản gọn nhẹ nhất có thể - Nhà thông minh thân thiện với môi trường - Tiết kiệm năng lượng.5 Mục tiêu đề tài - Xây dựng được một mô hình smarthome hoàn chỉnh - Viết được một chương trinh điều khiển hoàn chỉnh - Có thể đưa mô hình vào áp dụng thực tế. 4 IoT ứng dụng trong mô hình Smart-Home CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 2.1 Sơ đồ kết cấu Từ một ngôi nhà thông thường, chúng em lựa chọn thiết kế ra một mô hình cơ bản dành cho 1 gia đình với 4 người ở, với thiết kế (Hình 2. Phòng khách 4.
Phòng bếp 5. Phòng ngủ 6. Nhà vệ sinh Hình 2.1: Mặt bằng mô phỏng nhà thông minh 2.2 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: 1. Hệ thống cảnh báo cháy tự động 2.
Hệ thống cánh báo trộm đột nhập 3. Hệ thống đèn chiếu sáng tự động 4. Hiển thị nhiệt độ và độ ẩm 5. Cửa cuốn điều khiển bằng app trên điện thoại smart phone và nút nhấn 6.
Hệ thống cửa chính và cửa sổ điều khiển bằng app trên điện thoại smart phone 5 IoT ứng dụng trong mô hình Smart-Home và nút nhấn 7. Hệ thống đèn điều khiển bằng app trên điện thoại smart phone và nút nhấn 8. Hệ thống quạt điều khiển bằng app trên điện thoại smart phone và nút nhấn 9. Hệ thống bếp từ và hút mùi điều khiển bằng app trên điện thoại smart phone và nút nhấn 10.
Hệ thống điều khiển từ xa qua giao diện.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển có 4 thành phần chính gồm: Khối cảm biến Khối xử lý Khối chấp hành Router Wifi Các khối được thiết lập nhận tín hiệu và xử lý tín hiệu một cách logic, hình 2.2 thể hiện sơ đồ khối hệ thống.2 Sơ đồ khối hệ thống a) Khối cảm biến gồm các cảm biến sau: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm: đo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường Cảm biến nhiệt độ: đo nhiệt độ để báo cháy 6 IoT ứng dụng trong mô hình Smart-Home Cảm biến chuyển động: bật/tắt đèn sân Cảm biến ánh sáng: chống trộm b) Khối xử lý gồm các modul: ARDUINO MEGA PRO NODE MCU c) Khối chấp hành gồm các thiết bị: Servo: đóng/mở cửa chính cửa sổ Bếp từ Còi báo động Động cơ điện DC: truyền động đóng/mở cửa cuốn.4 Sơ đồ mạch điều khiển 2.1 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống Dựa trên các mục tiêu đề ra, sơ đồ mạch điều khiển của hệ thống được thiết kế (Hình 2.3) như sau: Hình 2.3 Sơ đồ mạch điều khiển của hệ thống 7 IoT ứng dụng trong mô hình Smart-Home 1. Board mạch Arduino Mega Pro: Nhận, xử lý tín hiệu từ các cảm biến và thực thi lệnh đã lập trình cho các cảm biến và thiết bị gắn trên board mạch 2. Board mạch Node Mcu: Giao tiếp tín hiệu từ app trên Smart Phone và board mạch Arduino Mega Pro để xử lý tín hiệu. Động cơ Sevor: nhận tín hiệu đầu ra từ chân Arduino 4.
Nguồn: Adapter 12V được nối trực tiếp vào board mạch 1584 -5V để cấp nguồn cho động cơ sevor, Arduino Mega Pro, Node MCU 5. Mạch điện quạt, đèn, hút mùi 6. Màn hình LCD: nhận tín hiệu từ cảm biến DHT11 thông qua Arduino Mega Pro để hiển thị nhiệt độ, độ ẩm lên trên màn hình 7. Mạch điện chống trộm 8.
Cảm biến chuyển động của đèn hành lang.2 Sơ đồ mạch điều khiển từng phòng 2.1 Sân vườn a) Chức năng: - Cửa chính mở ra qua app trên smart phone khi ở ngoài nhà và đóng mở khi điều khiển trên app hoặc nút nhấn - Cảnh báo có người lạ xâm nhận còi báo hiệu sẽ kêu - Đèn cửa tự động sáng khi có người trước cửa, tắt sau khi người rời đi 5s. b) Cơ cấu chấp hành: - 1 cảm biến chuyển động ở cổng, khi phát hiện có người sẽ truyền tín hiệu về Arduino mega pro và sẽ xuất tín hiệu để đèn sáng, tự động tắt khi người rời khỏi sau 5s. - 1 laze thiết kế cùng với cảm biến ánh sáng, khi có người xâm nhập vào lúc cửa chính đang đóng và đi qua laze thì chuông báo động sẽ kêu, khi cửa chính mở thì còi báo động sẽ không báo động. - 1 động cơ sevor có nghiệm vụ mở cửa chính ra từ bên ngoài khi có tín hiệu điều khiển của app trên điện thoại smart phone, khi mở từ bên trong nhà thì có thể đóng mở qua app trên điện thoại smart phone hoặc nút nhấn.
c) Sơ đồ nguyên lý: 8 IoT ứng dụng trong mô hình Smart-Home Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của sân vườn 2.2 Gara để xe a) Chức năng: - Mở cửa cuốn qua app trên smart phone và nút nhấn. b) Cơ cấu chấp hành: - 1 động cơ điện DC có chức năng đóng/mở cửa cửa cuốn, điều khiển qua app trên smart phone và nút nhấn.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của gara để xe 2.3 Phòng khách: 9 IoT ứng dụng trong mô hình Smart-Home a) Chức năng - Cửa phòng khách đóng mở khi điều khiển qua app trên smart phone hoặc nút nhấn. - Đèn, quạt đóng tắt khi điều khiển qua app trên smart phone hoặc nút nhấn.
- Thông báo nhiệt độ, độ ẩm hiện tại trong nhà. - Nút nhấn tắt còi báo động. b) Cơ cấu chấp hành - 2 động cơ servo có nhiệm vụ đóng mở cửa chính và cửa sổ khi tín hiệu điều khiển từ app trên smart phone hoặc nút nhấn. - 1 cảm biến nhiệt độ, độ ẩm truyền tín hiệu đến Arduino mega pro để xử lý và xuất tín hiệu lên màn hình LCD.
- 1 đèn, 1 quạt đóng tắt khi điều khiển qua app trên smart phone hoặc nút nhấn.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của phòng khách 2.4 Phòng bếp a) Chức năng - Bếp từ bật tắt qua app trên Smart phone và nút nhấn. 10 IoT ứng dụng trong mô hình Smart-Home - Quạt hút mùi bật khi bếp từ bật và tắt khi bếp từ tắt. - Báo động khi nhiệt độ quá mức quy định. - Đèn bật tắt qua app trên smart phone và nút nhấn.
b) Cơ cấu chấp hành: - 1 bếp từ có điện áp 220v được bật tắt qua nút nhấn hoặc từ app trên điện thoại smart phone. - 1 quạt hút mùi bật khi bếp từ bật và tắt khi bếp từ tắt. - 1 cảm biến nhiệt độ LM35 khi nhiệt độ trong nhà quá mức quy định sẽ truyền tín hiệu đến board mạch Arduino Mega Pro để xử lý và truyền tín hiệu để bật còi báo động. - 1 còi báo động kêu khi có tín hiệu từ board mạch Arduino Mega Pro.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của phòng bếp 2.5 Phòng ngủ a) Chức năng - Đèn bật tắt qua app trên smart phone và nút nhấn.