Tiểu Luận Đồ Án Về Xây Dựng Ứng Dụng Android Truy Xuất Dữ Liệu

Đồ án nghiên cứu Tiểu luận đồ án đề tài xây dựng ứng dụng android truy xuất, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Thái Việt
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Xây Dựng Ứng Dụng Android Truy Xuất Dữ Liệu
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH
• 1.1. Tổng quan về nhà thông minh
• 1.2. Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh
• 1.3. Các mô hình nhà thông minh đang được áp dụng hiện nay
• 1.4. Lựa chọn hướng thiết kế
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
• 2.1. Sơ đồ kết cấu ngôi nhà và chức năng
• 2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động
• 2.3. Giới thiệu modul Arduino
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ CẤU CHẤP HÀNH CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH
• 5. CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Phát Triển Ứng Dụng Android Truy Xuất Dữ Liệu

Bài báo đề cập đến việc Xây Dựng Ứng Dụng Android Truy Xuất Dữ Liệu cho một ngôi nhà thông minh. Ứng dụng này cho phép người dùng giám sát và điều khiển các thiết bị trong nhà thông qua giao diện web. Phần này sẽ tập trung vào việc phân tích các yêu cầu và lựa chọn công nghệ để phát triển ứng dụng.

1.1. Nhu Cầu Sử Dụng

Sự phát triển của công nghệ và Internet đã thúc đẩy nhu cầu về nhà thông minh ngày càng tăng cao. Người dùng mong muốn một ngôi nhà tự động hóa, tiện nghi và có thể điều khiển từ xa thông qua các thiết bị di động. Ứng dụng Android là một giải pháp hiệu quả để đáp ứng nhu cầu này.

1.2. Lựa Chọn Công Nghệ

Để xây dựng ứng dụng Android truy xuất dữ liệu, bài báo đã lựa chọn ngôn ngữ lập trình Java kết hợp với môi trường phát triển Android Studio. Cơ sở dữ liệu SQLite được sử dụng để lưu trữ dữ liệu trên thiết bị Android. RESTful API được sử dụng để kết nối ứng dụng với hệ thống điều khiển nhà thông minh.

II. Thiết Kế Giao Diện Người Dùng

Giao diện người dùng (GUI) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo trải nghiệm người dùng tích cực. Phần này tập trung vào việc thiết kế giao diện thân thiện, dễ sử dụng và hiển thị thông tin một cách rõ ràng.

2.1. Các Thành Phần Giao Diện

Giao diện ứng dụng Android được thiết kế với các thành phần cơ bản như Activity, Fragment, View và ViewGroup. Các thành phần này được sắp xếp hợp lý để hiển thị thông tin và tương tác với người dùng một cách hiệu quả.

2.2. Tương Tác Người Dùng

Bài báo tập trung vào việc thiết kế giao diện người dùng dễ sử dụng, cho phép người dùng dễ dàng điều khiển các thiết bị, theo dõi trạng thái và nhận thông báo từ hệ thống nhà thông minh.

III. Kết Nối Dữ Liệu và Xử Lý

Phần này trình bày chi tiết về cách ứng dụng Android kết nối với hệ thống điều khiển nhà thông minh, truy xuất dữ liệu từ các cảm biến và gửi lệnh điều khiển đến các thiết bị.

3.1. Kết Nối Hệ Thống

Ứng dụng Android sử dụng RESTful API để kết nối và trao đổi dữ liệu với hệ thống điều khiển nhà thông minh. API cung cấp các phương thức để ứng dụng có thể đọc dữ liệu từ các cảm biến và gửi lệnh điều khiển đến các thiết bị.

3.2. Xử Lý Dữ Liệu

Dữ liệu từ hệ thống nhà thông minh được ứng dụng Android nhận về và xử lý để hiển thị lên giao diện người dùng. Ứng dụng cũng có thể thực hiện các tác vụ xử lý logic dựa trên dữ liệu nhận được, ví dụ như gửi thông báo cho người dùng khi có sự kiện bất thường xảy ra.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong thế kỷ 21, sự phát triển của công nghệ đã thúc đẩy sự xuất hiện của các thiết bị thông minh phục vụ đời sống con người. Nhu cầu nâng cao chất lượng sống đòi hỏi không gian cư trú phải đảm bảo tính tiện nghi, mức độ an toàn cao và khả năng tự động hóa tối ưu. Cùng với sự mở rộng của mạng lưới Internet (kết nối mạng không dây WiFi, mạng di động 3G), việc giám sát và điều khiển các thiết bị gia dụng từ xa trở thành xu hướng tất yếu. Ý tưởng về nhà thông minh (Smart Home / Home Automation) được xây dựng nhằm tạo ra môi trường sống tự động quản lý các tiện ích, thay thế con người thực hiện các tác vụ quản lý và vận hành.

Trong đồ án, tác giả xác định tính thông minh của ngôi nhà được biểu hiện qua 4 phương diện:

1. Khả năng tự động hóa: Trang bị hệ thống cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, khí gas, báo cháy, vật cản, ánh sáng, mưa) để tự động vận hành theo điều kiện môi trường và giám sát mức tiêu thụ năng lượng.
2. Khả năng thỏa mãn nhu cầu người dùng: Cho phép chủ nhân điều khiển thiết bị theo ý muốn hoặc theo các kịch bản lập trình sẵn.
3. Khả năng bảo mật và giám sát an ninh: Tự động cảnh báo các trạng thái đột nhập, nguy cơ cháy nổ, rò rỉ khí gas qua mạng Internet.
4. Khả năng điều khiển và cảnh báo từ xa: Kết nối các thiết bị điện tử gia dụng (đèn, quạt, điều hòa, tivi) tới mạng Internet để người dùng theo dõi dữ liệu cảm biến và gửi lệnh điều khiển từ xa.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án bao gồm:

1. Phân tích, lựa chọn thiết kế mô hình nhà thông minh.
2. Xây dựng ứng dụng Android truy xuất cơ sở dữ liệu và giao diện Web điều khiển nhà thông minh trên nền mã nguồn mở.
3. Nghiên cứu khả năng mở rộng mô hình với các thiết bị và hệ thống ngoại vi.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống giám sát, điều khiển tự động và cảnh báo an ninh cho nhà ở dân dụng dựa trên nền tảng vi điều khiển mã nguồn mở và giao thức mạng Internet.

Phạm vi nghiên cứu:

• Không gian: Thiết kế và chế tạo trên mô hình nhà ở thực nghiệm quy mô 1000 cm x 800 cm, phân chia thành các khu vực chức năng gồm vườn và ngoại vi, gara để xe, phòng khách, phòng ngủ, phòng bếp, phòng giải trí/xem phim và nhà vệ sinh.
• Thời gian thực hiện: Đồ án được hoàn thành vào tháng 6 năm 2018 tại Bộ môn Cơ điện tử, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án dựa trên các cơ sở lý thuyết kỹ thuật, mô hình truyền thông nhúng và khảo sát các giải pháp công nghệ trên thị trường:

• Mô hình giải pháp công nghệ: Khảo sát các mô hình nhà thông minh thương mại trên thế giới (Compro Technology, IEI Integration, Eco-Future-World tại thị trường Bắc Mỹ) và tại Việt Nam (BKAV SmartHome, Lumi SmartHome).
• Lý thuyết vi điều khiển và truyền thông nhúng: Kiến trúc vi xử lý Atmel AVR 8-bit (ATmega328 trên Arduino Uno R3, ATmega2560 trên Arduino Mega 2560); chuẩn truyền thông nối tiếp SPI (Serial Peripheral Interface), UART và TWI/I2C; nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM); giao thức mạng truyền thông TCP/UDP qua chip điều khiển Ethernet W5100.
• Lý thuyết cảm biến và cơ cấu chấp hành: Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC); quan hệ tuyến tính giữa điện áp và nhiệt độ trên cảm biến LM35; nguyên lý dẫn điện của oxit bán dẫn SnO2 khi tiếp xúc với chất khí dễ cháy trên cảm biến MQ2; nguyên tắc phát hiện bức xạ hồng ngoại của cảm biến HC-SR510; nguyên lý điều khiển động cơ servo bằng xung tín hiệu (PWM) và điều khiển động cơ bước qua module vi bước A4988.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu lịch sử phát triển của các phương thức điều khiển nhà từ xa (tia hồng ngoại, đường dây điện thoại, mạng không dây RF đến Internet/WiFi và điều khiển qua Smartphone), phân tích ưu nhược điểm của từng giải pháp để lựa chọn công nghệ phù hợp.
• Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử phân tán kết hợp trạm trung chuyển trung tâm; lập trình vi điều khiển bằng ngôn ngữ C/C++ trên môi trường Arduino IDE; cấu hình thư viện Ethernet cho web server nhúng.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình nhà mẫu vật lý, lắp ráp hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành thực tế, kết nối mạng WiFi cục bộ và kiểm thử độ chính xác của các kịch bản tự động hóa, cảnh báo an ninh và giao diện điều khiển.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu:

• Tài liệu thông số kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện: Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560, Arduino Ethernet Shield W5100, cảm biến LM35, cảm biến khí gas MQ2, cảm biến chuyển động HC-SR510, động cơ servo SG90, mạch điều khiển động cơ bước A4988.
• Dữ liệu thực nghiệm đo đạc điện áp ngõ ra của cảm biến, trạng thái kích hoạt rơ-le, tốc độ đóng mở của servo và tốc độ truyền nhận gói tin qua mạng LAN/Internet.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển và giám sát được thiết kế theo cấu trúc mạng phân tán kết hợp trạm trung tâm nhằm tối ưu chi phí và tải tính toán:

Thành phần phần cứng	Chip / Module xử lý	Thông số kỹ thuật chính	Chức năng trong hệ thống
Trạm trung chuyển	Arduino Mega 2560 (ATmega2560)	54 chân Digital (15 PWM), 16 chân Analog, Flash 256KB, SRAM 8KB, Clock 16MHz	Thu nhận dữ liệu từ 3 board Uno, xử lý tập trung và giao tiếp với Ethernet Shield
Module truyền thông	Arduino Ethernet Shield (W5100)	Buffer nội 16KB, tốc độ 10/100Mb, hỗ trợ 4 luồng dữ liệu song song TCP/UDP, giao tiếp SPI	Tạo kết nối với Router WiFi qua cổng RJ45, gửi dữ liệu lên Web Server (12 biến điều khiển: 8 digital, 4 analog)
Bộ xử lý khu vực	Arduino Uno R3 (ATmega328)	14 chân Digital (6 PWM), 6 chân Analog, Flash 32KB, SRAM 2KB, Clock 16MHz	Xử lý cảm biến và điều khiển trực tiếp cơ cấu chấp hành tại từng phòng
Cảm biến nhiệt độ	LM35	Điện áp 4-30V, độ phân giải 10mV/°C, dải đo -55°C đến 150°C (hệ thống dùng 0-150°C)	Giám sát nhiệt độ phòng khách, phòng ngủ, phòng bếp; kích hoạt cảnh báo cháy và điều hòa
Cảm biến khí gas	MQ2	Điện áp 3-5V, chất bán dẫn SnO2, ngõ ra Analog (0-4.5V) và Digital TTL	Phát hiện nồng độ khí LPG, H2 và khí gây cháy tại khu vực bếp
Cảm biến chuyển động	HC-SR510	Tín hiệu số Digital	Phát hiện xâm nhập tại cửa sổ phòng bếp và khu vực trước cửa chính
Cơ cấu đóng mở	Động cơ Servo SG90	Momen xoắn 1.8 kg/cm, tốc độ 60°/0.1s, điện áp 4.8-5V, góc quay điều khiển qua xung 1-2ms	Đóng/mở cửa chính, cửa gara, rèm cửa phòng ngủ, rèm phòng xem phim và dây phơi quần áo
Cơ cấu thông gió	Động cơ bước DC 5.1A & Module A4988	5 cấp điều chỉnh vi bước (1; 1/2; 1/4; 1/8; 1/16), dòng chỉnh bằng chiết áp	Quạt thông gió phòng ngủ, tự động điều chỉnh tốc độ theo giá trị nhiệt độ

Kiến trúc kết nối và phân bổ phân khu:

• Vườn và ngoại vi: 1 Arduino Uno R3, 2 cảm biến hồng ngoại tại cổng và cửa ra vào (tự động bật đèn khi có người và tắt sau 3 giây), bàn phím ma trận mật khẩu Passcode 4x4 gắn tại cửa (khi nhập sai 3 lần sẽ kích hoạt còi hú báo động).
• Phòng khách: 1 Arduino Uno R3 kết hợp cụm trung tâm Mega 2560 + Ethernet W5100; 2 động cơ servo đóng mở cửa chính khi xác nhận đúng mật khẩu hoặc nhận lệnh từ Web; cảm biến hồng ngoại cầu thang tự bật đèn/quạt khi có người và tắt sau 3 giây; cảm biến chuyển động ngoài cửa; cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến độ ẩm hiển thị thông số lên màn hình LCD; còi báo động khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn.
• Gara để xe: Dùng chung khối xử lý Arduino Uno R3 của phòng khách; 1 động cơ servo đóng/mở cửa cuốn gara qua nút bấm vật lý hoặc giao diện web.
• Phòng ngủ: 1 Arduino Uno R3, 1 cảm biến ánh sáng phối hợp 1 động cơ servo và hệ thống bánh răng - dây đai để tự động đóng/mở rèm cửa theo cường độ sáng môi trường hoặc qua web; 1 cảm biến nhiệt độ LM35, 1 màn hình LCD hiển thị nhiệt độ/độ ẩm/tốc độ quạt; 1 động cơ quạt DC điều khiển tăng giảm tốc độ tự động theo nhiệt độ.
• Phòng giải trí/xem phim: 1 Arduino Uno R3; 1 động cơ servo đóng mở rèm; tích hợp chế độ kịch bản xem phim (tự động hạ rèm, tắt đèn chiếu sáng, bật máy chiếu và quạt).
• Phòng bếp: 1 Arduino Uno R3; cảm biến chuyển động HC-SR510 tại cửa sổ phát hiện đột nhập kích hoạt còi hú; cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến khí gas MQ2 kích hoạt còi báo động khi nồng độ gas hoặc nhiệt độ vượt mức quy định; cảm biến mưa kết hợp động cơ servo tự động thu dây phơi quần áo vào trong mái hiên khi có mưa; hệ thống quạt và đèn điều khiển qua giao diện web.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nhà thông minh

Chương này phân tích sự hình thành, định nghĩa và 4 tiêu chí của mô hình nhà thông minh. Đồ án tổng hợp số liệu tăng trưởng thị trường Smart Home toàn cầu và thị trường Bắc Mỹ, đồng thời khảo sát các giải pháp công nghệ tiêu biểu của Compro Technology, IEI Integration, Eco-Future-World, BKAV và Lumi. Tác giả khái quát hóa xu hướng công nghệ từ điều khiển cự ly gần bằng hồng ngoại, truyền tín hiệu qua đường dây điện thoại, điều khiển bằng máy tính qua mạng không dây, đến điều khiển qua Smartphone/3G, điều khiển bằng giọng nói và trí tuệ nhân tạo. Từ phân tích thực trạng, tác giả xác định hướng thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát qua mạng WiFi/Internet trên mô hình nhà ở kích thước 1000 cm x 800 cm.

Chương 2: Thiết kế tổng quan hệ thống điều khiển nhà thông minh

Chương 2 trình bày sơ đồ kết cấu không gian kiến trúc và sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống điện tử. Hệ thống phân chia thành 4 khối chức năng: khối cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động, khí gas, hồng ngoại, ánh sáng, mưa), khối xử lý (Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560), khối truyền thông (Router WiFi, cổng RJ45, Ethernet Shield W5100) và khối chấp hành (cửa gara, cửa chính, rèm cửa, quạt, đèn, còi báo). Chương này thuyết minh chi tiết thông số kỹ thuật phần cứng của vi điều khiển ATmega328 (14 digital I/O, 6 analog in, nguồn 7-12V), vi điều khiển ATmega2560 (54 digital I/O, 16 analog in, 256KB flash) và module Arduino Ethernet W5100 (giao tiếp SPI qua các chân 10-CSn, 11-MOSI, 12-MISO, 13-SCK, hỗ trợ 4 luồng dữ liệu song song TCP/UDP). Giải pháp sử dụng Arduino Mega 2560 làm trạm trung chuyển dữ liệu từ 3 board Uno lên Web Server giúp tiết kiệm chi phí module mạng và chống quá tải cho các board mạch nhánh.

Chương 3: Thiết kế hệ thống cơ cấu chấp hành cho ngôi nhà thông minh

Chương 3 trình bày sơ đồ mạch điện và thông số kỹ thuật của các thiết bị chấp hành. Động cơ servo SG90 (momen xoắn 1.8 kg/cm, thời gian quay 60° trong 0.1s, điện áp 4.8-5V) được sử dụng để dẫn động hệ thống kéo rèm cửa, dây phơi quần áo, cửa chính và cửa gara thông qua tín hiệu điều chế độ rộng xung từ 1ms đến 2ms. Động cơ bước DC 5.1A kết hợp module điều khiển A4988 (hỗ trợ 5 cấp vi bước: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 bước, tích hợp bảo vệ quá nhiệt, sụt áp, ngắn mạch) được dùng để dẫn động quạt thông gió phòng ngủ với khả năng tự động thay đổi tốc độ theo nhiệt độ. Ngoài ra, chương này chi tiết hóa chức năng và sơ đồ nguyên lý của các thiết bị tại từng khu vực: vườn/ngoại vi, phòng khách, gara để xe, phòng ngủ, phòng xem phim và phòng bếp.

Chương 4: Thiết kế hệ thống giám sát, cảnh báo cho ngôi nhà thông minh

Chương 4 tập trung vào cấu tạo, thông số và thuật toán điều khiển của các khối cảm biến giám sát. Cảm biến nhiệt độ LM35 (đo dải 0-150°C, độ phân giải 10mV/°C, điện áp vào 4-30V) cung cấp tín hiệu analog về chân A0 của vi điều khiển để tính toán nhiệt độ môi trường, tự động điều khiển quạt/điều hòa và kích hoạt còi báo cháy khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt. Cảm biến khí gas MQ2 (hoạt động ở 3-5V, sử dụng vật liệu SnO2 nhạy cảm với khí dễ cháy LPG, H2) cung cấp đồng thời ngõ ra tương tự Aout (0-4.5V) và ngõ ra số Dout (TTL tích cực mức thấp) phục vụ cảnh báo rò rỉ gas. Cảm biến chuyển động hồng ngoại HC-SR510 được tích hợp tại các vị trí xung yếu (cửa sổ bếp, cửa chính) để phát hiện xâm nhập trái phép và kích hoạt còi báo động.

Chương 5: Hệ thống giám sát và điều khiển nhà thông minh qua mạng Internet

Chương 5 trình bày lý thuyết về địa chỉ IP, mô hình kết nối mạng Internet toàn cầu và sơ đồ khối điều khiển giám sát từ xa. Hệ thống sử dụng thư viện Ethernet cho Arduino để cấu hình giao tiếp mạng, thiết lập máy chủ Web Server cục bộ nhận dữ liệu từ Arduino Mega 2560. Module W5100 đóng vai trò cầu nối truyền tải 12 biến điều khiển (8 biến digital và 4 biến analog) giữa phần cứng vi điều khiển và giao diện giám sát, cho phép người dùng quan sát trực quan trạng thái cảm biến và phát lệnh đóng mở thiết bị từ xa qua trình duyệt web.

Chương 6: Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm

Chương 6 trình bày quy trình chế tạo mô hình 3D và mô hình vật lý hoàn chỉnh của ngôi nhà thông minh. Đồ án kiểm nghiệm hoạt động của giao diện giám sát và điều khiển trên nền Web và ứng dụng di động Android. Kết quả thử nghiệm thực tế ghi nhận: hệ thống phản hồi chính xác các lệnh đóng/mở cửa, tự động bật/tắt đèn chiếu sáng khi có người, hiển thị chính xác thông số nhiệt độ phòng khách và phòng ngủ lên màn hình LCD và giao diện Web, đồng thời kích hoạt chính xác cảnh báo còi hú và hiển thị cảnh báo xâm nhập trái phép trên trang quản trị mạng khi phát hiện đột nhập. Cuối chương, tác giả tổng kết các kết quả đạt được, phân tích mã nguồn lập trình nhúng cho khu vực phòng bếp, phòng ngủ và đề xuất hướng phát triển hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình nhà thông minh vật lý kích thước 1000 cm x 800 cm với 6 phân khu chức năng được bố trí đầy đủ cảm biến và cơ cấu chấp hành.
• Xây dựng thành công cấu trúc phần cứng phân tán kết hợp trạm trung chuyển: 1 board Arduino Mega 2560 kết hợp 1 module Ethernet W5100 quản trị tập trung 12 biến điều khiển (8 digital, 4 analog), tiếp nhận dữ liệu từ 3 board Arduino Uno R3 nhánh.
• Hiện thực hóa đầy đủ các kịch bản vận hành tự động:
  • Tự động đóng/mở rèm cửa theo cảm biến ánh sáng;
  • Tự động thu dây phơi khi trời mưa bằng cảm biến mưa và động cơ servo;
  • Tự động bật đèn cổng, đèn cửa, đèn cầu thang khi có chuyển động và tự ngắt sau 3 giây;
  • Cảnh báo hú còi tại chỗ khi nhập sai mật khẩu bàn phím 4x4 quá 3 lần;
  • Tự động tăng tốc độ quạt thông gió phòng ngủ khi nhiệt độ tăng cao bằng động cơ bước và module A4988;
  • Cảnh báo rò rỉ khí gas qua cảm biến MQ2, cảnh báo cháy qua cảm biến LM35 và cảnh báo đột nhập qua cảm biến HC-SR510.
• Xây dựng giao diện Web Server và ứng dụng Android cho phép theo dõi thời gian thực các thông số nhiệt độ, độ ẩm và gửi lệnh điều khiển thiết bị từ xa qua mạng WiFi.

Giải pháp và đóng góp của tác giả:

• Đề xuất giải pháp kiến trúc sử dụng 1 board Arduino Mega 2560 làm trạm trung gian giao tiếp mạng thay vì gắn module Ethernet riêng cho từng board Arduino Uno. Giải pháp này giúp cắt giảm chi phí phần cứng (chỉ cần 1 module W5100 thay vì 3 module), đồng thời giảm tải tính toán cho các vi điều khiển nhánh Uno, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định.
• Hoàn thiện một giải pháp nhà thông minh hoàn toàn trên nền tảng phần cứng và phần mềm mã nguồn mở có chi phí thấp, tính tùy biến cao, phù hợp với năng lực công nghệ và điều kiện kinh tế tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Hệ thống mới dừng lại ở việc thử nghiệm trên mô hình vật lý thu nhỏ (1000 cm x 800 cm), chưa triển khai kiểm thử trên công trình xây dựng thực tế với hệ thống điện xoay chiều công suất lớn.
• Kết nối truyền thông từ router mạng đến trạm trung chuyển Mega 2560 vẫn sử dụng cáp mạng vật lý qua cổng RJ45, chưa tối ưu hóa kết nối không dây hoàn toàn giữa các module.
• Chưa tích hợp cơ chế mã hóa bảo mật cao cấp cho các luồng dữ liệu truyền giữa Web Server và phần cứng vi điều khiển để phòng chống tấn công mạng.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo (do tác giả nêu trong văn bản):

• Mở rộng kết nối không dây hoàn toàn cho các nút cảm biến và thiết bị ngoại vi trong toàn bộ ngôi nhà.
• Tích hợp công nghệ nhận diện giọng nói và trí tuệ nhân tạo (AI) nhằm giúp hệ thống nhận diện giọng nói từng thành viên trong gia đình và tự động ghi nhớ thói quen sinh hoạt của mỗi người.
• Bổ sung các phương thức bảo mật sinh trắc học hiện đại như quét vân tay, nhận diện mống mắt và thuật toán tối ưu hóa, giám sát lượng điện nước tiêu thụ trong gia đình.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Công nghệ Thông tin (chuyên ngành IoT, Hệ thống nhúng).
• Những người thực hiện đồ án, đề tài nghiên cứu về thiết kế mô hình nhà thông minh mã nguồn mở, tích hợp cảm biến và điều khiển thiết bị qua giao diện Web/Android.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao:

• Sơ đồ nguyên lý ghép nối phần cứng phân tán giữa vi điều khiển ATmega2560, ATmega328 và Ethernet Shield W5100 qua chuẩn giao tiếp SPI.
• Mạch kết nối, nguyên lý giải thuật xử lý tín hiệu cho các cảm biến LM35, MQ2, HC-SR510 và thuật toán điều khiển cơ cấu chấp hành (động cơ servo SG90, động cơ bước qua A4988).
• Đoạn mã nguồn lập trình C/C++ trên Arduino IDE cho việc đọc cảm biến, kích hoạt chuông cảnh báo và đồng bộ trạng thái lên giao diện Web Server nhúng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả sử dụng Arduino Mega 2560 làm trạm trung chuyển thay vì gắn module Ethernet Shield trực tiếp lên từng board Arduino Uno ở các phòng?
Nếu gắn Ethernet Shield lên từng board Arduino Uno ở mỗi phòng thì phải dùng 3 module Ethernet, gây tốn kém chi phí phần cứng và có nguy cơ làm quá tải vi điều khiển Arduino Uno khi vận hành cường độ cao. Sử dụng 1 board Arduino Mega 2560 làm trạm trung gian chỉ cần 1 Ethernet Shield duy nhất, vừa tiết kiệm chi phí vừa tận dụng bộ nhớ và năng lực xử lý mạnh mẽ hơn của chip ATmega2560 (Flash 256KB, 54 chân I/O) để truyền nhận dữ liệu ổn định.

2. Động cơ servo SG90 và động cơ bước điều khiển bởi module A4988 đảm nhận những chức năng gì trong mô hình?
Động cơ servo SG90 (momen xoắn 1.8 kg/cm, thời gian quay 60°/0.1s) được sử dụng để dẫn động đóng/mở cửa chính, cửa gara, rèm cửa phòng ngủ, rèm phòng xem phim và dây phơi quần áo. Động cơ bước kết hợp module A4988 (5 cấp vi bước) được dùng làm quạt thông gió tại phòng ngủ, có khả năng tự động tăng/giảm tốc độ theo nhiệt độ phòng do cảm biến LM35 đo được.

3. Cơ chế cảnh báo an ninh và phòng cháy của ngôi nhà hoạt động dựa trên những cảm biến nào và phản ứng ra sao khi có sự cố?
Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 để phát hiện nhiệt độ tăng cao bất thường (báo cháy), cảm biến khí gas MQ2 để phát hiện rò rỉ khí LPG/H2 và cảm biến chuyển động HC-SR510 để giám sát đột nhập tại cửa sổ và cửa chính. Khi nồng độ gas, nhiệt độ vượt mức quy định hoặc phát hiện người lạ đột nhập, hệ thống sẽ kích hoạt còi hú báo động tại chỗ và đồng thời gửi cảnh báo trạng thái lên giao diện Web/Android. Ngoài ra, bàn phím Passcode nếu nhập sai 3 lần cũng sẽ tự động kích hoạt còi báo động.

4. Module Arduino Ethernet Shield W5100 giao tiếp với Arduino Mega 2560 qua chuẩn truyền thông nào và quản lý bao nhiêu biến điều khiển?
Module W5100 giao tiếp với Arduino Mega 2560 qua chuẩn giao tiếp SPI, sử dụng các chân từ chân 10 đến chân 13 (chân 10-CSn, chân 11-MOSI, chân 12-MISO, chân 13-SCK) với xung nhịp giữ nhịp truyền dữ liệu hai chiều nhằm tránh mất mát gói tin. Tổng số biến điều khiển được quản lý qua module này là 12 biến (gồm 8 biến digital và 4 biến analog).

5. Hệ thống chiếu sáng và kiểm soát ra vào ở khu vực vườn và ngoại vi được thiết kế vận hành tự động theo nguyên tắc nào?
Tại khu vực cổng và cửa chính, hệ thống trang bị cảm biến hồng ngoại. Khi phát hiện có người xuất hiện, đèn cổng hoặc đèn cửa sẽ tự động bật sáng và tự động tắt sau 3 giây kể từ khi người rời đi. Tại cửa ra vào, việc mở cửa được kiểm soát bằng bàn phím mật mã Passcode ma trận 4x4 (mật khẩu 6 ký tự số); nếu nhập đúng mật khẩu, động cơ servo sẽ mở cửa chính, nếu nhập sai quá 3 lần, hệ thống sẽ kích hoạt còi hú báo động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng ứng dụng Android truy xuất..." của sinh viên Nguyễn Ngọc Tuấn (chuyên ngành Cơ điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình nhà thông minh vật lý quy mô 1000 cm x 800 cm. Hệ thống kết hợp cấu trúc phần cứng phân tán sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560 và module Ethernet W5100 để thu thập dữ liệu đa cảm biến, điều khiển các cơ cấu chấp hành tự động và truyền thông thời gian thực qua giao diện Web và Android. Công trình thể hiện tính khả thi cao, cung cấp giải pháp nhà thông minh mã nguồn mở với chi phí hợp lý, vận hành ổn định và có tiềm năng mở rộng tích hợp công nghệ trí tuệ nhân tạo trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1. Tổng quan về nhà thông minh 1. Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh 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 lí một cách thông minh nhất. Vậy, như thế nào là nhà thông minh ? 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, 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. 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.

Mô hình tổng quát nhà thông minh. 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. 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.

Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome thế giới Hình 1. Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome chỉ tính riêng thị trường Bắc Mỹ 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Các mô hình nhà thông minh đang được áp dụng hiện nay 1. Các giải pháp nhà thông minh trên thế giới Hiện nay là thị trường Smarthome 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: Hình 1. Mô hình Smart home của công ty Compro Technology. 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1. Mô hình Smart home của công ty IEI Integration Hình 1.

Mô hình Smart home Eco-Future-World 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Các giải pháp nhà thông minh 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 Smarthome. 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. Mô hình Smart home của BKAV Hình 1.

Mô hình Smart home của Lumi 20 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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, bảo mật mống mắt… Đi kèm đó là khả năng cảnh báo đột nhập giúp gia chủ có thể phát hiện ra tại bất kì 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.

21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1. Xu hướng phát triển của smarthome 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 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 1000cm x 800cm 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… 22 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH 1. Sơ đồ kết cấu ngôi nhà và chức năng 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 gồm:  Vườn và ngoại vi  1 phòng khách  1 phòng ngủ  1 khu bếp  1 gara để xe  1 phòng giải trí xem phim  1 nhà vệ sinh Hình 2. Sơ đồ kết cấu ngôi nhà thông minh 23 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. 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:  Mở cửa bằng mật khẩu  Hệ thống rèm cửa tự động theo ánh sáng môi trường  Hệ thống thông báo nhiệt độ, độ ẩm.  Hệ thống dây phơi quần áo tự động điều chỉnh theo thời tiết.

 Chế độ xem phim tự động tại phòng giải trí xem phim.  Hệ thống báo cháy và rò rỉ khí Gas tự động.  Hệ thống điều hòa, đèn, quạt tự động.  Hệ thống điều khiển từ xa qua giao diện Web.

Các chức năng sử dụng 24 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động 2. Hệ thống điện tử Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống điện tử a) Khối cảm biến:  Cảm biến nhiệt độ: tín hiệu đầu ra là tín hiệu tương tự.

 Cảm biến độ ẩm: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.  Cảm biến chuyển động: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.  Cảm biến khí gas: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.  Cảm biến hồng ngoại: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.

 Cảm biến ánh sáng: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.  Cảm biến mưa: tín hiệu đầu ra là tín hiệu số. 25 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP b) Khối xử lý:  Arduino Uno R3. c) Router wifi kết nối với khối xử lý thông qua cổng RJ45.

d) Khối chấp hành:  Cửa nhà để xe.  Cửa ra vào.  Rèm cửa phòng ngủ và phòng xem phim. Sơ đồ mạch điện hệ thống Hình 2.

Sơ đồ mạch điện hệ thống. Giới thiệu modul Arduino 4. Giới thiệu chung Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source). Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn còn chưa được biết đến nhiều.

Hình ảnh Arduino Uno R3 Arduino cơ bản là một nền tảng tạo mẫu mở về điện tử (open-source electronics prototyping platform) được tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm. Về mặt kĩ thuật có thể coi Arduino là 1 bộ điều khiển logic có thể lập trình được. Đơn giản hơn, Arduino là một thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thông qua các cảm biến và hành vi được lập trình sẵn. Với thiết bị này, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử sẽ dễ dàng hơn bao giờ hết.