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.