Đang tải... (xem toàn văn)
Khóa luận tốt nghiệp Đại học: Thiết kế mô hình smart home đơn giản sử dụng module wifi ESP8266 có nội dung giới thiệu về smart home, link kiện và module sử dụng, tổng quan về mô hình smart home xây dựng, chương trình hoạt động của client trong mô hình smart home. Để nắm vững nội dung chi tiết mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.
TẬP ĐỒN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN/KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài : “Thiết kế mơ hình smart home đơn giản sử dụng module wifi ESP8266” Người hướng dẫn : Sinh viên thực hiện: Trần Văn Tiệp Lớp : D12DTMT NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM (Của giảng viên hướng dẫn) Điểm: (Bằng chữ:…………………………… ) Đồng ý/Không đồng ý cho sinh viên bảo vệ trước hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp…? Hà Nội, Ngày… Tháng… Năm 2013 CÁN BỘ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (ký, họ tên) LỜI CẢM ƠN Bước vào ngưỡng cửa ước mơ cánh cửa đại học với biết bao niềm ước mơ về cơng nghệ thơng tin thế nhưng em tưởng trừng như ngã gục và khơng thể đứng dậy được khi ngày em biết tin em trượt ngành cơng nghệ thơng tin đại học Bách Khoa Hà Nội những tháng ngày kế tiếp là những tháng ngày em sống trong tuyệt vọng khơng biết mình sẽ đi đâu và làm gì, nhưng cơ hội đã mở ra với em một lần nữa khi có cơ hội bước vào học viện Bưu Chính Viễn Thơng nhưng có một sự thay đổi là ngành em chọn khơng phải là cơng nghệ thơng tin nữa mà em đi theo một con đường trong em mách bảo là ngành kỹ thuật điện tử, ngày em bước vào trường em cũng chưa hiểu biết nhiều về điện tử với biết bao hồi nghi khơng biết cơng việc sau này ra trường em sẽ làm gì, trong q trình học em sẽ nghiên cứu điều gì Nhưng thời gian thực tế học ở học viện đã trả lời em tất cả em thực rất thích thú đam mê và như bị cuấn vào ngành điện tử với những ứng dụng của nó rất gần với cuộc sống và rất hưu ích theo xu thế của xã hội Nhưng điều khiến em thực sự ấn tượng và q trọng hơn rất nhiều đó là sự nhiệt huyết, tận tâm của các thầy cơ trong khoa Em xin cảm ơn cơ Bùi Thị Dân, cơ Vũ Anh Đào, thầy Nguyễn Trung Hiếu, thầy Nguyễn Ngọc Minh thầy cơ thực sự đã đưa em đến với khoa điện tử, đem đến cho em sự đam mê và nhiệt huyết tuổi trẻ, điện tử của các thầy cơ em và các bạn đã rất may mắn có được đón nhận tình cảm của thầy cơ danh cho. Sau cánh cửa đồ an là một tương lại mới, một con đường mới, một cơng việc mới cho em và các bạn ở tập đồn FPT sofware, khoảng 40 bạn trên tổng số hơn một trăm bạn làm việc cùng em ở tập đồn FPT sofware và cịn nhiều bạn khác đã có việc ở tập đồn khác là sảm phẩm đào tạo và tâm huyết của thầy cơ Em xin một lần nữa thay mặt các bạn cảm ơn các thầy cơ rất nhiều em xin chúc các thầy cơ sức khỏe và thành cơng a ! DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CPU: Central Process Unit Khối xử lý trung tâm RAM: Random Access Memory Bộ Nhớ truy nhập ngẫu nhiên ROM: Read Only Memory Bộ Nhớ chỉ đọc HDMI: HighDefinition Multimedia Interface Giao diện đa phương tiện độ phân giải cao GPIO: General Purpose Input Output Cổng vào ra vơi mục đích cơ bản MQTT: Message Queuing Telemetry Transport Giao thức publish/subscribe bản tin IOT: Internet Of Things Là liên kết máy đến máy WPA: WiFi Protected Access Giao Thức an ninh mạng không dây UART: Universal Asynchronous Receive/Transmit Truyền nhận dữ liệu không đồng bộ TXD: Transmitted Data Truyền dữ liệu RXD: Received Data Nhận dữ liệu RST: Reset Làm lại Page 3 IC: Integrated Circuit dẫn Mạch điện chứa các link kiện bán VCC: Voltage Constant Current Điện áp có dịng khơng đổi VDD: Voltage Drain – Drain Điện áp cực máng AC: Alternating Current Dịng thay đổi theo thời gian GND: Ground Đấ t EEPROM:Electrically Erasable Programmable Vùng nhớ khơng bay hơi QoS: Quality of Service Khả năng giúp cho việc truyền dữ liệu IP: Internet Protocol Giao thức internet TCP: Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển vận chuyển MAC: Media Access Control Địa chỉ vật lý SSL: Secure Sockets Layer Tiêu chuẩn của công nghệ bảo mật TTL: Time To Live Thời gian sống URL: Uniform Resource Locator Sử dụng tham chiếu đến tài nguyên mạng PIR: Passive Infrared Sensor Hồng ngoại thụ động DANH MỤC CÁC BẢNG/ HÌNH VẼ MỤC LỤC Page 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 Giới thiệu về smart home MỞ ĐẦU Điện tử đang là ngành khoa học đa nhiệm điện tử đã đáp ứng được những địi hỏi khơng ngừng của các ngành và lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hằng ngày. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất cảu điện tử là wifi ứng dụng vào trong mơ hình smart home IOT, wifi được ứng dụng vào nhiều trong cơng cơng nghiệp và trong cuộc sống với nhiều các ứng dụng khác nhau với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất kinh tế thật cao. Xuất phát từ ứng dụng đó em thiết kế mơ hình smart home sử dụng module wifi ESP8266 Thiết kế mudule thực thi: mạch điều khiển thiết bị theo kích thước hộp âm tường để ứng dụng đưa vào ngơi nhà xây dựng thực tế module gồm 3 kênh cảm biến điện dung gắn vào mặt trơn SINO S190 của gộp âm tường để có thể dễ dàng trạm cảm biến đóng ngắt thiết bị và tăng giảm độ sáng của thiết bị trong nhà mỗi module được thiết kế điều khiển tối đa 4 thiết bị (đèn ) trên module tích hợp ESP 8266 để nhận lệnh từ server raspberry pi, và gửi trạng thái hoạt động của module lên server qua chuẩn giao thực MQTT của IOT. Thiết kế tách rời module cảm biến: đặt ở các phịng làm nhiệm vụ đếm số người trong phịng, đọc cảm biến độ ẩm, nhiệt độ cảm biến khi gas, đo dịng điện tiêu thụ của tồn bộ các thiết bị trong mơ hình smart home và gửi những dữ liệu thu thập của cảm biến về cho server, server gửi lại giá trị cảm biến nhận được cho module thực thi phân tích và có những độn thái thực hiện tương ưng Nội dung bao gồm 4 chương : Chương 1: Giới thiệu về smart home Chương 2: Link kiện và module sử dụng Chương 3: Tổng quan về mơ hình smart home xây dựng Chương 4: Chương trình hoạt động của client trong mơ hình smart home Đề tài này giúp em hiểu rõ ngun lý thu phát phát và ứng dụng nó vào trong q trình ngiên cứu thì em đã : 1. Đã làm được Thiết kế các module thực thi điều khiển thiết bị điện áp 1 chiều điện áp từ 5 đến 60V Thiết bị cảm biến: nhiệt độ , độ ẩm, khi gas, cảm biến đo dịng, cảm biển hồng ngoại hoạt động chính xác và nhạy cảm các mơi trường kích thích Thực hiện truyển nhận tốt data trên web openhab và phần mềm openhab viết trên androi Mơ hình xây dựng đã được vào xây dụng trong ngơi nhà thực tế 2.Vẫn đề chưa làm được Trong 3 tháng làm đồ án cũng là 3 tháng em thử việc ở tập đồn FPT Sofware nên em gặp nhiều khó khăn về thời gian giữa áp lực cơng việc mới, và đồ án nghiên cứu được trực tiếp vào xây dựng trong ngơi nhà thực tế của anh quản lý em ở tập đồn FPT sofware với những địi hỏi khắt khe về ngơi nhà mà khiến cho áp lực đề tài tăng cao thực hiện đề tài trong thời gian ngắn nên sản phẩm demo trong đồ an chưa được tích hợp nhiều những tính năng như ngơi nhà xây dựng thực tế 3. Hướng phát triển đề tài tiếp theo Trần Văn Tiệp – D12DTMT Page 5 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 Giới thiệu về smart home Sẽ xây dựng tích hợp đầy đủ những tình năng của smart home thực tế đã làm, xây dựng đầy đủ chi tiết tài liệu để các bạn khóa sau có thể nghiên cứu phat triển kế thừa CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ SMART HOME 1.1 Giới thiệu về smart home Nhà thơng minh đang và sẽ là một xu hướng cơng nghệ tất yếu trên thế giới, trở thành tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại trong kỷ ngun Internet of Things – kết nối vạn vật qua internet. Bên cạnh đó, sự tiện nghi và tiết kiệm năng lượng cũng dần trở thành một tiêu chuẩn cần thiết nhằm nâng cao chất lượng sống của chúng ta. Vậy nên hãy bắt đầu cho một "kỷ ngun cơng nghệ" mới Cơng nghệ và thiết bị cho ngơi nhà thơng minh đang được các cơng ty trong ngành xây dựng quan tâm nhiều. Tại châu Âu, ngày càng có nhiều điều luật bắt buộc các ngơi nhà mới xây phải có chứng chỉ thân thiện mơi trường, như cách nhiệt tốt, giảm tiêu thụ điện, nước và khí đốt, Dưới đây là 5 cách mà một ngơi nhà thơng minh giúp bạn có một cuộc sống tiện nghi và thoải mái hơn: Hình 1. Mơ hình smart home 1. Các cánh cửa đều tự động đóng và mở khi chúng nhận diện được bạn là ơng chủ của ngơi nhà 2. Tự điều chỉnh độ sáng các bóng đèn điện khi bạn đọc sách, xem tivi hay đi ngủ 3. Các thiết bị điện tử từ gia dụng đến giải trí trong ngơi nhà được điều khiển dễ dàng thơng qua giọng nói hay Smartphone của bạn 4. Đưa ra các cảnh báo các vật dụng có thể gây nguy hiểm cho trẻ em khi chúng có ý định sử dụng các vật dụng đó Trần Văn Tiệp – D12DTMT Page 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 Giới thiệu về smart home 5. Tính năng an ninh như tự báo động khi có một người cố tình xâm nhập trái phép, tự động khóa trái cửa, báo cảnh sát,… ln trong trạng thái sẵn sàng 1.2 u cầu tổng thể Có kịch bản cho từng đèn và từng chế độ (ngủ, đọc sách, làm việc ) Tự động đóng ngát đèn khi có người trong phịng, phịng có >2 cửa ra vào Đóng ngắt đèn có dimmer (sáng từ từ, tắt từ từ). Phịng có nhiều đèn và mỗi đèn đều có thể điều khiển độc lập. Đèn chỉ sáng khi ngồi trời tối. Mùa đơng thì bật đèn sáng ấm, mùa hè thì bật đèn sáng lạnh Điều chỉnh sáng tối của đèn theo ý muốn Đo dịng điện và báo lượng điện tiêu thụ Cảnh báo cho chủ nhà (bật đèn, hú cịi) khi có người vào khi kích hoạt chế độ chống trộm Báo vị trí chính xác người đang ở phịng nào Báo cửa nào chưa đóng Kéo rèm khi trời sáng Đo mực nước trong bể, hiển thị theo %. độ mịn là 510% Tự động bơm nước khi bể dùng làm đèn hắt ở tủ bếp hoặc hắt lên trần trong phịng ngủ. Remove bỏ điện trở trên thanh LED LED âm tường: 36v > dùng làm đèn trần phịng khách. Remove bỏ bộ đổi nguồn 220 > 36v và điện trở hạn dịng LED 12v (3 bóng cắt từ led thanh) > dùng làm đèn tường Điện áp tối đa 1 bóng led là 3.3v. Nối tiếp các bóng để ra điện áp khác nhau Nguồn Ưu tiên dùng nguồn 24V Nguồn cho LED: Điện áp là bội của 3.3v > mỗi phòng dùng 1 cục sạc laptop 1920v Nguồn cho hệ thống điều khiển: 5V từ điện lưới hoặc acquy Optional: Nguồn dự phòng: 2 acquy 12v 20AH (giá 1M) Trần Văn Tiệp – D12DTMT Page 7 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 Giới thiệu về smart home Pin năng lượng mặt trời: 1 tấm 100W (1mx0.8m) + bộ sạc. Đi dây trong tường: Đi đường nguồn 1 chiều 20v dây to mỗi phịng sẽ có 1 cục adapter 20v – 4A Đi đường nguồn 1 chiều 5V dây vừa – mỗi tầng sẽ có 1 cục adapter 5v – 2A Đường 220v đi quanh nhà phục vụ cho các ổ cắm và các adapter Nguồn 24V (pin mặt trời) đấu thẳng vào các phịng) Mỗi tầng có 1 tủ điện 1.4 Kịch bản cho từng phịng Phịng khách Đếm số người trong phịng Khi có người vào Kiểm tra độ sáng và bật đèn với độ sáng phù hợp, có dimmer Bật tivi, âm lượng nhỏ Bật quạt trần khi nhiệt độ > 30o Khi hết người, giảm độ sáng đèn trần cịn 10%, đèn tường cịn 50%, tắt quạt. Tắt hết đèn sau 5p Trên tường có nút điều chỉnh độ sáng, tắt mở theo ý muốn. (reset về auto khi hết người trong phịng) Phịng ngủ Đếm số người trong phịng Khi có người vào, check độ sáng và bật đèn với độ sáng phù hợp, có dimmer Khi hết người, tắt hết đèn Trên tường có nút điều chỉnh độ sáng theo ý muốn Bật quạt thơng gió khi CO2 trên ngưỡng cho phép Điều chỉnh độ ẩm. Tăng đần nhiệt độ về sáng Kéo dèm theo thời gian đặt trước Trên tường có nút điều chỉnh độ sáng theo ý muốn Phịng bếp Báo động khí gas, Co2 Bật quạt thơng gió khi CO2 đạt ngưỡng Tủ bếp có đèn, bật đèn tủ khi mở cửa tủ Đếm số người trong phịng Khi có người vào, check độ sáng và bật đèn với độ sáng phù hợp, có dimmer Khi hết người, giảm độ sáng đèn trần cịn 10%, đèn tường cịn 50%. Tắt hết đèn sau 5 phút Trên tường có nút điều chỉnh độ sáng, tắt mở theo ý muốn. (reset về auto khi hết người trong phịng) Phịng tắm Đếm số người trong phịng Khi có người vào, check độ sáng và bật đèn với độ sáng phù hợp, có dimmer Khi hết người, giảm độ sáng đèn trần cịn 10%, Tắt hết đèn sau 5p Trên tường có nút điều chỉnh độ sáng, tắt mở theo ý muốn. (reset về auto khi hết người trong phịng) Cửa ngõ Bấm chng, màn hình home server tự hiện camera cửa ngõ Camera ghi hình khi có chuyển động Trần Văn Tiệp – D12DTMT Page 8 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 Giới thiệu về smart home Khi có người vào, check độ sáng và bật đèn với độ sáng phù hợp, có dimmer Khi hết người, giảm độ sáng đèn cịn 50%, Tắt hết đèn sau 10p Trần Văn Tiệp – D12DTMT Page 9 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 Link kiện va mudule sử dụng CHƯƠNG 2: LINK KIỆN VÀ MODULE SỬ DỤNG 2.1 Server raspberry pi 2 2.1.1 Giới thiệu về raspberry pi 2 Hình 2. Mặt trên của raspberry pi2 Chip Raspberry pi 2 sử dụng CPU 4 nhân lõi ARM cotex A7 chip đồ họaBroadcom VideoCore IV – 250MHz, RAM 1 GB bị chia sẻ 250MB cho chip đồ họa và 1 khe cắm thẻ nhớ micro SD phục vụ lưu trữ điện rộng Raspberry pi 2 được tích hợp nhiều cổng kết nối trong đó có cổng HDMI, cổng kết nối ethernet 10/100, USB 2.0, microUSB, cổng kết nối camera, màn hình đầy đủ chân cắm GPIO như một vi mạch điều khiển thơng thường. Mạch hỗ trợ bộ sạc 5V 2A hỗ trợ sạc Camera: Connector 15pin MIPI Camera Serial Interface (CSI2) Display: Connector Display Serial Interface (DSI) Memory Card Slot: Micro SD Cũng giống như một số model máy tính Raspberry pi 2 khác, model Raspberry pi 2có thể chạy trên nền tảng Androi hoặc một số nền tảng dựa trên linux bao gồm: Raspbian: hệ điều hành dựa trên Debian Ubuntu Mate: Ubuntu Desktop Snappy Ubuntu Core: chủ yếu dành cho các nhà phát triển Openelec: hệ thống giải trí đa phương tiện OSMC: hệ thống giải trí đa phương tiện Pidora: hệ điều hành dựa trên Fedora RISC OS: khơng phải hệ điều hành Linux, … 2.1.2 Mục đích sử dụng Raspberry pi 2 trong đề tài smart home Sử dụng Raspberry pi 2 trong smart home đóng vai trị như server lưu trữ dữ liệu, tương tác với các thiết bị ( Device ) trao đổi dữ liệu với các thiết bị thơng qua chuẩn giao thức IOT MQTT, Orange pi one đóng vai trị MQTT server (Broker) trong mơ hình MQTT cịn thiết bị đóng vai trị MQTT client. Trong đó mỗi MQTT client đăng ký 1 vài kênh (topic) gửi để trao đổi dữ liệu với MQTT server gọi là Subcribe mỗ client (có thể là điện thoại máy tính ) mỗi Trần Văn Tiệp – D12DTMT Page 10 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4 Chương trình hoạt động của client trong mơ hình smart home Chương trình xây dựng : Khi ESP8266 mqtt client khơng kết nối mạng wifi : Trạm phím 1 lần để đảo trạng thái thiết bị LIGHTx tương ứng Trạm phím 2 lần (khoảng thời gian giữa 2 lần trạm