GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài đồ án
Em chọn “Thiết kế, chế tạo, điều khiển, giám sát các module trong nhà thông minh ” làm đề tài đồ án tốt nghiệp vì những lý do sau đây:
Nhà thông minh đang trở thành xu hướng phổ biến toàn cầu, giúp tiết kiệm thời gian và công sức nhờ công nghệ hiện đại Tại Việt Nam, công nghệ này ngày càng được ưa chuộng và trở thành lựa chọn hàng đầu của người tiêu dùng.
Vào thứ hai, em sẽ áp dụng kiến thức lập trình vi điều khiển và các cảm biến như chuyển động, thân nhiệt, khói, khí gas, và lửa vào đề tài Đây cũng là cơ hội để em mở rộng hiểu biết, rèn luyện tính tự chủ và tinh thần trách nhiệm trong công việc.
Thứ ba, dưới sự phổ biến của công nghệ nhà thông minh hiện nay, thì nhu cầu tìm hiểu và phát triển càng trở nên cấp thiết
Cuối cùng, mục tiêu tạo ra các thiết bị điều khiển với tính năng cơ bản, có thể áp dụng cho ngôi nhà của mình, đã thúc đẩy em thực hiện đề tài này.
Mục tiêu của đề tài
Ngôi nhà thông minh có những đặc điểm và tính năng nổi bật, bao gồm hệ thống chiếu sáng, báo cháy và báo trộm Để tối ưu hóa trải nghiệm sống, việc hiểu rõ cấu trúc và chức năng của các hệ thống này là rất quan trọng Thiết kế và gia công thiết bị điều khiển ngôi nhà cần chú trọng đến các tính năng cơ bản, nhằm nâng cao sự tiện nghi và an toàn cho người sử dụng.
- Có khả năng bật, tắt các thiết bị trong nhà bằng tay hoặc tự động theo các kịch bản
- Đọc và xử lý tín hiệu từ các cảm biến
- Cập nhật thời gian thực, hẹn giờ
- Có thể điều khiển, giám sát từ xa bằng điện thoại kết nối mạng Internet
Xây dựng mô hình ngôi nhà để có thể vận hành thử nghiệm thiết bị điều khiển trên.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi của nhà thông minh rất rộng, từ cơ sở hạ tầng cho đến các chức năng, chế độ hoạt động
Trong đồ án này, chúng tôi nghiên cứu và thiết kế một hệ thống thông minh để bật tắt các thiết bị trong nhà dựa trên các kịch bản khác nhau, bao gồm chức năng báo trộm, cảnh báo rò rỉ khí gas và hẹn giờ Hệ thống cho phép người dùng điều khiển và giám sát từ xa qua Internet, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho không gian sống.
Ý nghĩa của đề tài
Tài liệu này rất hữu ích cho những người mới bắt đầu khám phá hệ thống nhà thông minh, đặc biệt là những ai mong muốn tự thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho ngôi nhà với các tính năng cơ bản.
TỔNG QUAN
Tổng quan về nhà thông minh
Nhà thông minh là hệ thống thiết bị tự động hóa được sắp xếp hợp lý, tự điều phối theo thói quen và nhu cầu cá nhân của người dùng Nó bao gồm mạng lưới thiết bị liên kết qua bộ điều khiển trung tâm, cho phép kết hợp tạo ra ngữ cảnh lập trình trước Hệ thống này hỗ trợ điều khiển và giám sát từ xa, mang lại tiện lợi cho người lớn tuổi, người tàn tật và những người sống theo quy tắc.
2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của nhà thông minh
Nhà thông minh là mạng lưới các thiết bị điện tử kết nối và hoạt động theo kịch bản, tạo ra môi trường sống hiện đại, an toàn và tiết kiệm Hệ thống này thường bao gồm một bộ điều khiển trung tâm để giám sát và vận hành các thiết bị trong nhà Tất cả các thiết bị được kết nối qua internet (như Zigbee, MQTT), cho phép người dùng điều khiển và giám sát hệ thống từ xa thông qua điện thoại, laptop hoặc máy tính bảng thông qua Home Server.
2.1.3 Các thành phần cơ bản của nhà thông minh
2.1.3.1 Hệ thống quản lý chiếu sáng:
Ánh sáng trong nhà đóng vai trò quan trọng, bao gồm các thiết bị như đèn huỳnh quang, đèn sợi đốt, đèn ngủ và đèn trang trí Việc điều phối ánh sáng không hợp lý có thể gây khó chịu, lãng phí năng lượng và giảm độ bền của thiết bị Ngoài ra, nhiều công tắc có thể làm tăng sự bất tiện cho người sử dụng.
Kết hợp hệ thống phát sáng với các hệ thống khác sẽ mang lại sự thuận tiện cho người dùng, đồng thời giúp việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn, tối ưu hóa tính tự động hóa trong ngôi nhà.
2.1.3.2 Hệ thống kiểm soát ra vào:
Việc kiểm soát ra vào là rất quan trọng để ngăn chặn trộm cướp, và ngôi nhà thông minh mang đến giải pháp hiệu quả Hệ thống này cho phép chỉ những thành viên trong gia đình và người thân được quyền truy cập, đảm bảo an ninh tối đa cho ngôi nhà.
Có rất nhiều cửa thông minh lắp vân tay, thẻ, nhận diện khuôn mặt,…
2.1.3.3 Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc:
Hệ thống này cung cấp khả năng theo dõi người ra vào, giúp người dùng kiểm soát an ninh ngôi nhà hiệu quả Nó còn hỗ trợ nhận diện kẻ xấu thông qua các thiết bị giám sát như camera.
2.1.3.4 Hệ thống giải trí đa phương tiện:
Cung cấp hệ thống giải trí đa phương tiện phục vụ cho mọi độ tuổi
2.1.3.5 Hệ thống quản lý tiêu thụ năng lượng:
Hệ thống nhà thông minh, có bộ điều khiển trung tâm điều phối các thiết bị tiết kiệm năng lượng một cách tối đa
2.1.3.6 Hệ thống cảm biến và báo động:
Bất kì ngôi nhà nào điều quan tâm nhất cũng là việc phát hiện sự cố để kịp thời xử lí
Hệ thống cảm biến và báo động giúp người dùng an tâm hơn, bảo vệ ngôi nhà khi có sự thay đổi thất thường
2.1.3.7 Hệ thống kiểm soát môi trường:
Sức khỏe con người chịu ảnh hưởng lớn từ môi trường sống xung quanh Hệ thống kiểm soát môi trường đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì không khí trong lành trong nhà, thông qua việc quản lý các thiết bị như máy lạnh và quạt gió.
2.1.3.8 Hệ thống các công tắc điều khiển trạng thái:
Hệ thống này giúp người dùng giao tiếp với thiết bị cung cấp trạng thái của thiết bị cũng nhận là nhận lệnh điều khiển từ người dùng
2.1.3.9 Hệ thống xử lý trung tâm, điều khiển, giám sát từ xa:
Giám sát và điều khiển từ xa là yếu tố thiết yếu để biến ngôi nhà thành ngôi nhà thông minh Tất cả các thiết bị và sự thay đổi trong ngôi nhà đều được theo dõi và điều khiển thông qua bộ điều khiển trung tâm, đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối và phối hợp tất cả các thiết bị, tạo ra kịch bản hoạt động nhịp nhàng cho ngôi nhà.
2.1.4 Tiêu chuẩn của nhà thông minh
Tự động hóa ngôi nhà sử dụng bộ xử lý trung tâm để phân tích thông tin từ các cảm biến như độ ẩm, nhiệt độ, khói và khí gas Dựa trên các kết quả phân tích, hệ thống sẽ điều khiển các thiết bị một cách tối ưu, đồng thời cung cấp tính năng tự động tắt/mở cho các thiết bị như đèn, rèm và máy lạnh.
Bảo vệ ngôi nhà đảm bảo sự an toàn cho người sử dụng
Công nghệ phục vụ con người trên nhiều phương diện, từ việc nâng cao thẩm mỹ và tạo cảm giác thoải mái, đến việc cải thiện chất lượng cuộc sống Nó giúp tiết kiệm thời gian và công sức, đồng thời cho phép người dùng điều khiển và giám sát từ xa một cách hiệu quả.
2.1.5 Xu hướng phát triển nhà thông minh
2.1.5.1 Xu hướng phát triển nhà thông minh thế giới
Ngày nay nhà thông minh trên thế giới rất phát triển do thời đại công nghệ 4.0 và công nghệ IOT đang là một thì trường tiềm năng
Các công ty công nghệ hàng đầu như Google, Amazon, Apple và Samsung đang nỗ lực chiếm lĩnh thị trường Smart Home Đối với những gã khổng lồ này, việc thống trị và kiểm soát hệ sinh thái của một xu hướng mới là vô cùng quan trọng và có ý nghĩa sống còn.
Hình 2.1: Hệ sinh thái nhà thông minh trên thế giới
Các ông lớn trong ngành công nghệ đều có mong muốn kiểm soát hệ sinh thái Smart Home, nhưng mỗi hãng lại áp dụng những chiến lược khác nhau Chúng ta sẽ phân tích chiến lược của bốn công ty lớn: Google, Amazon, Samsung và Apple cho đến thời điểm hiện tại.
Google has made significant investments in Internet of Things (IoT) technologies, particularly in the smart home sector, with initiatives like the Google Beacon Platform, Brillo & Weave, OnHub Router, and Google Cloud IoT.
Hình 2.2: Bộ điều nhiệt Nest
Thiết bị điều hòa thông minh của Nest đã nhanh chóng chiếm được cảm tình của thị trường nhờ vào thiết kế hấp dẫn và tính năng tự học thói quen người dùng, giúp tiết kiệm điện năng lên đến 15%.
Samsung đang chú trọng vào thị trường Smart Home do sự chững lại của thị trường smartphone Mặc dù là một nhà sản xuất lớn, Samsung không kiểm soát được hệ sinh thái di động, phụ thuộc vào Android của Google và phải đối mặt với sự cạnh tranh ngày càng gay gắt từ các hãng Trung Quốc Để gia nhập thị trường Smart Home, Samsung đã mua lại công ty SmartThings với giá 200 triệu USD, trong khi Google đã chi 3,2 tỷ USD để mua Nest.
Phân tích, lựa chọn phương án thực hiện đề tài
Các hệ thống nhà thông minh hiện nay đã đáp ứng được hầu hết nhu cầu của người dùng, nhưng giá thành vẫn còn cao, khiến những người có thu nhập trung bình và thấp khó tiếp cận Do đó, việc giảm giá thành sản phẩm là cần thiết để tăng cường sự phổ biến của nhà thông minh trong cộng đồng.
Khai thác tiềm năng và ưu điểm của Home Assistant giúp tạo ra một hệ thống nhà thông minh cho ngôi nhà của bạn Hệ thống này dễ dàng mở rộng và có khả năng kết nối với các thiết bị do nhóm phát triển cũng như các thiết bị từ những hãng khác, mang lại sự thuận tiện trong việc sử dụng.
- Sử dụng raspberry pi 3 làm bộ điều khiển trung tâm giám sát điều khiển trực tiếp qua home assistant
- Sử dụng tích hợp từ home assistant để kết nối các thiết bị zigbee thông minh qua Zigbee và MQTT
Chế tạo các thiết bị thông minh:
Cảm biến ánh sáng và chuyển động
Báo cháy,khói, nhiệt độ và độ ẩm
Điều khiển từ xa IR
- Kết nối các thiết bị trên với bộ điều khiển trung tâm qua giao thức MQTT
- Sử dụng tích hợp từ Home assistant để kết nối với app home trên Iphone qua Home bridge
Hình 2.10: Sơ đồ tổng quan hệ thóng Smart home
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lí thuyết
3.1.1 Raspberry Pi 3 – Made in the UK – Tích hợp Wifi và Bluetooth:
Raspberry Pi 3 là một máy tính được thiết kế rất nhỏ gọn với kích thước 85mmx56mm
Sản phẩm này tích hợp đầy đủ các thành phần như CPU, GPU, RAM, Wifi, Bluetooth và khe cắm thẻ SD, cùng với 4 cổng USB 2.0, mang đến trải nghiệm sử dụng như một máy vi tính thu nhỏ.
Thông số kỹ thuật chi tiết [13]:
Vi xử lý: Broadcom BCM2837B0, quad-core A53 (ARMv8) 64-bit SoC @1.4GHz
Kết nối: 2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac wireless LAN, Bluetooth 4.2, BLE, Gigabit Ethernet over USB 2.0 (Tối đa 300Mbps)
Hỗ trợ: 40-pin GPIO, 4 cổng USB2.0
Video và âm thanh: 1 cổng full-sized HDMI, Cổng MIPI DSI Display, cổng MIPI CSI Camera, cổng stereo output và composite video 4 chân
Multimedia: H.264, MPEG-4 decode (1080p30), H.264 encode (1080p30); OpenGL ES 1.1, 2.0 graphics
Điện áp hoạt động: 5V/2.5A DC cổng microUSB, 5V DC trên chân GPIO, Power over Ethernet (PoE) (yêu cầu thêm PoE HAT)
Các khối chức năng chính được sử dụng trong đồ án:
+ Khối ngõ vào ra đa chức năng (GPIO):
Raspberry Pi 3 có 40 chân GPIO mở rộng nằm ở cạnh trên của bo Sơ đồ chức năng của các chân GPIO như sau:
Hình 3.2: Sơ đồ chân gpio raspberry Pi 3
Các chân GPIO này có thể được chia làm các nhóm:
Chân cấp nguồn: Có 2 chân cấp nguồn 5V, 2 chân cấp nguồn 3.3V và 8 chân GND
Chân IO: ký hiệu GPIOx, các chân này có điện áp mức cao là 3.3V và điện áp mức thấp 0V
Các chân ngoại vi: PWM (pulse-width modulation)
Software PWM ở tất cả các chân IO
Hardware PWM tại các chân GPIO12, GPIO13, GPIO18, GPIO19 - SPI: có 2 bộ SPI là SPI0 và SPI1
SPI0: MOSI (GPIO10); MISO (GPIO9); SCLK (GPIO11); CE0 (GPIO8), CE1 (GPIO7)
SPI1: MOSI (GPIO20); MISO (GPIO19); SCLK (GPIO21); CE0 (GPIO18); CE1 (GPIO17); CE2 (GPIO16) -I2C
EEPROM Data: (GPIO0); EEPROM Clock (GPIO1) - Serial
3.1.2 Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU:
Hình 3.3: Module thu phát Wifi 8266 NodeMCU
Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU là vi điều khiển tích hợp WiFi 2.4 GHz, giúp điều khiển thiết bị điện tử dễ dàng Với khả năng lập trình thông qua trình biên dịch Arduino, việc nạp code trở nên đơn giản hơn bao giờ hết Kit này được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực Internet of Things (IOT).
Hình 3.4: Các chân của Module Wifi 8266 NodeMCU
IC chính: ESP8266 Wifi SoC
Phiên bản firmware: NodeMCU Lua
Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102
GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU
Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin
GIPO giao tiếp mức 3.3VDC
Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash
Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino
3.1.3 Module thu phát hồng ngoại:
Module thu tín hiệu hồng ngoại
Tổng quan về tín hiệu hồng ngoại:
Tia hồng ngoại là loại ánh sáng không nhìn thấy bằng mắt thường, có bước sóng từ 700nm đến 1mm và vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng Tia hồng ngoại được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp, đặc biệt trong việc điều khiển từ xa, nơi chùm tia này phát ra theo hướng hẹp và cần phải được thu nhận đúng hướng.
Module thu tín hiệu hồng ngoại KY- 022:
Hình 3.5: Module thu tín hiệu hồng ngoại KY- 022
Module thu hồng ngoại KY-022 là thiết bị chuyên dụng để nhận tín hiệu hồng ngoại từ các nguồn phát như remote Với thiết kế dễ sử dụng, module này là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Hình 3.6 : Led thu hồng ngoại 1383
Thu ánh sáng và khếch đại chúng
Có kích thước nhỏ gọn
Hoạt động với tần số 38KHz
Tần số hoạt động: 38KHz
Khoảng cách truyền và góc hiệu quả:
Hình 3.7: Khoảng cách đo và góc hiệu quả
Khoảng cách tối đa là 8m và góc là 60 độ tùy thuộc và môi trường và bộ thu
❖ Led phát tín hiệu hồng ngoại
Dùng để phát tín hiệu hồng ngoại và dùng trong ứng dụng như đọc ecoder hoặc đếm sản phẩm
THÔNG SỐ KỸ THUẬT Điện áp hoạt động 1.2-1.6V 10-20mA
Bước sóng tối đa: 940nm
Cường độ bức xạ cao
Hình 3.9: Cấu tạo của Led hồng ngoại
Led hồng ngoại cũng giống như led thường nhưng chúng phát ra ánh sáng có bước sóng là 940nm Dải bước sóng dao động từ 760nm-1mm
3.1.4 Cảm Biến Thân Nhiệt Chuyển Động PIR HC-SR501
Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 được thiết kế để phát hiện chuyển động từ các vật phát ra bức xạ hồng ngoại như con người và động vật Thiết bị cho phép điều chỉnh độ nhạy để xác định khoảng cách phát hiện gần hay xa, đồng thời có thể tùy chỉnh thời gian trễ mong muốn thông qua biến trở tích hợp sẵn Sản phẩm nổi bật với độ nhạy cao và độ bền vượt trội.
Hình 3.10: Cảm Biến Thân Nhiệt Chuyển Động PIR HC-SR501
Góc quét 360 độ hình nón
Thời gian báo: 30 giây có thể tùy chỉnh bằng biến trở
Có độ nhạy cao có thể điều chỉnh qua biến trở
3.1.5 Module Cảm Biến Cường Độ Ánh Sáng Lux BH1750
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 đo cường độ ánh sáng bằng đơn vị lux, cung cấp giá trị trực tiếp mà không cần qua xử lý hay tính toán Điều này nhờ vào việc cảm biến tích hợp ADC nội và bộ tiền xử lý.
Hình 3.11: Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Khoảng cách đo: 1 đến 65535 lux
Địa chỉ thiết bị (I2C): 0x23 (ADDR = LOW)/0x5c (ADDR = HIGH)
Cảm biến tích hợp bộ chuyển đổi bitad
Hình 3.12: Module GSM GPRS Sim800L
Module sim800L là một thiết bị phổ biến cho phép gửi SMS, thực hiện cuộc gọi và sử dụng GPRS, tương tự như một điện thoại di động nhưng với kích thước nhỏ gọn Việc điều khiển module này rất đơn giản thông qua bộ lệnh AT.
Nguồn: 3.7-4.2V 1A để sử dụng ổn định
Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến
Cảm biến DHT22 là thiết bị phổ biến được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm với độ chính xác cao Nó giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp đơn giản, giúp dễ dàng tích hợp vào các hệ thống tự động hóa.
Nguồn hoạt động: 5V Đo nhiệt độ: khoảng -40-80 độ C sai số 0.5% Đo độ ẩm: từ 0-100% RH sai số 2% RH
Tần số lấy mẫu tối đa 0.5HZ (2s/lần)
3.1.8 Module Cảm biến khí gas MQ-2:
Cảm biến khí gas MQ-2 là một thiết bị nhạy cảm với các khí dễ cháy, sử dụng SnO2 với độ dẫn điện thấp hơn không khí Khi có khí dễ cháy, cảm biến nhận diện hiệu quả hơn; nồng độ khí càng cao, độ dẫn điện của SnO2 càng tăng, chuyển đổi thành tín hiệu điện Cảm biến này được ứng dụng rộng rãi và xuất ra hai dạng tín hiệu: Analog và Digital.
Hình 3.14: Module cảm biến khói và khí gas MQ-2
Xuất tín hiệu: Analog hoặc digital
Phạm vi phát hiện lớn
Phản hồi nhanh và có độ nhạy cao
Sử dụng rất ổn định
3.1.9 Cảm Biến Cân Nặng Load Cell 50Kg
Cảm biến Load Cell 50kg là thiết bị đo khối lượng tối đa 50kg, được chế tạo từ kim loại với độ chính xác cao Sản phẩm này rất phù hợp cho các ứng dụng như cân điện tử, đo khối lượng và các hệ thống cảm biến cân nặng khác.
Hình 3.15: cảm biến cân nặng Loadcell 50kg
Khi sử dụng với vi điều khiển cần có thêm mạch cảm biến cân nặng HX711 chuyên dùng cho loadcell
3.1.10 HX711 Cảm Biến Cân Nặng 25mm
HX711 là cảm biến trọng lượng giúp đo lực và trọng lượng một cách dễ dàng Khi kết nối với vi điều khiển, nó có khả năng đọc những thay đổi và điện trở của cảm biến lực, từ đó cung cấp số đo cân nặng chính xác Cảm biến này thường được sử dụng kết hợp với Loadcell để tối ưu hóa hiệu suất đo lường.
Có 2 ngõ vào được lựa chọn Two selectable differential input channels
Có tích hợp PGA nhiễu thấp với độ lợi được lựa chọn 32, 64 và 128
Có chip ổn ấp nguồn cho load-cell và ADC
Có chip dao động oscillator
Giao tiếp và điều khiển đơn giản, không cần lập trìnhCó thể lựa chọn tốc độ data 10SPS or 80SPS
Dòng điện tiêu thụ: normal operation < 1.5mA, power down < 1uA
Điện áp hoạt động: 2.6 ~ 5.5 VDC
3.1.11 Module Zigbee CC2530 + PA CC2591 V2
Mạch thu phát RF Zigbee UART CC2530+PA V2 sử dụng IC CC2530 từ TI kết hợp với tầng khuếch đại công suất PA CC2591, cho phép truyền nhận khoảng cách xa lên tới 1000m trong điều kiện lý tưởng Mạch đã được lập trình sẵn firmware, giúp người dùng dễ dàng sử dụng như một module truyền nhận dữ liệu không dây chuẩn Zigbee Giao tiếp UART của mạch rất thuận tiện cho việc kết nối với vi điều khiển hoặc máy tính thông qua cáp chuyển USB-UART, chỉ cần thực hiện một vài bước cấu hình đơn giản bằng nút nhấn.
Mạch thu phát RF Zigbee UART CC2530+PA V2 hỗ trợ khoảng cách truyền nhận xa với chuẩn truyền sóng Zigbee 2.4GHz, mang lại độ ổn định cao trong môi trường công nghiệp Thiết bị này có khả năng cấu hình linh hoạt, cho phép tạo thành mạng truyền nhận không dây với nhiều nút và điểm mạng khác nhau thông qua giao thức Zigbee.
Mạch thu phát RF Zigbee UART CC2530+ PA V2
Hình 3.17: Module Zigbee CC2530 + PA CC2591 V2
Mạch thu phát RF Zigbee UART CC2530+PA V2
IC chính RF Zigbee SoC CC2530 từ TI, khuếch đại công suất PA CC2591
Điện áp sử dụng: 2.8 - 3.5VDC
Chuẩn truyền sóng Zigbee 2.4Ghz
Tốc độ truyền sóng tối đa 3300bps
Khoảng cách truyền lý tưởng: 1000m
Giao thức kết nối UART TTL 3.3V, Baudrate tối đa 115200
3.1.12 TTP223 Phím Cảm Ứng Điện Dung 1 Kênh V3:
Phím cảm ứng điện dung 1 kênh V3 TTP223 được sử dụng nhiều làm bàm phím, công tắc cảm ứng Chỉ cần chạm nhẹ
Hình 3.18: TTP223 Phím Cảm Ứng Điện Dung 1 Kênh V3
Các phần mềm được sử dụng
Hình 3.19: Logo phần mềm arduino IDE
Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở, cho phép người dùng kết nối và điều khiển các thiết bị điện tử mà họ tự xây dựng Phần mềm này được ứng dụng rộng rãi trong lập trình, giúp thực hiện các dự án tự động hóa một cách dễ dàng, hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
Phần mềm Arduino IDE cung cấp nhiều thư viện ESP8266Wifi, hỗ trợ lập trình cho module Wifi Esp8266 NodeMCU Arduino được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như máy bay không người lái, robot, máy in 3D và điều khiển cảm biến Những ưu điểm nổi bật của Arduino bao gồm tính linh hoạt và dễ sử dụng.
Khả năng kết nối cao : arduino các thể kết nối với nhau, kết nối với các thiết bị khác
Hình 3.20: Giao diện điều khiển Home Assistant
Home Assistant là một nên tảng tự động hóa mã nguồn mở chạy trên Python 3
HomeAssistant là hệ thống điều khiển trung tâm cho các thiết bị nhà thông minh, cho phép người dùng theo dõi và kiểm soát tất cả các thiết bị trong nhà một cách tự động Hệ thống này tập trung vào quyền kiểm soát cục bộ và bảo vệ quyền riêng tư của người dùng.
Người dùng có thể truy cập 28 thông qua giao diện web, ứng dụng trên Android và iOS, hoặc bằng lệnh thoại thông qua các trợ lý ảo như Google Assistant và Amazon Alexa.
Các công nghệ và thiết bị IoT hiện đại tích hợp nhiều mô-đun, hỗ trợ các giao thức kết nối như Bluetooth, MQTT, Zigbee và Z-Wave Chúng cũng có khả năng kiểm soát hệ sinh thái độc quyền thông qua API công khai cho các giao diện bên thứ ba Khi cài đặt ứng dụng phần mềm Home Assistant trên thiết bị máy tính, nó hoạt động như một trung tâm điều khiển cho tự động hóa gia đình, thường được gọi là "trung tâm", "cầu nối", "cổng vào", "bộ điều khiển" hoặc "bộ điều phối".
Thông tin từ các thực thể mà hệ thống nhận diện có thể được quản lý và sử dụng thông qua các tập lệnh tự động hóa Điều này bao gồm việc sử dụng các chương trình con "kế hoạch chi tiết" và lập lịch để điều khiển ánh sáng, khí hậu, hệ thống giải trí và thiết bị.
Home Assistant là nền tảng tự động hóa nhà linh hoạt, cho phép chạy trên bất kỳ thiết bị hoặc dịch vụ nào hỗ trợ Python, khác với một số nền tảng chỉ cung cấp Python như một phần mở rộng.
3, từ máy tính để bàn đến Raspberry Pi
3.2.2.2 Một số đặc điểm của Home Assistant:
Home Assistant cung cấp ứng dụng client trên điện thoại và máy tính, cho phép người dùng điều khiển các thiết bị nhà thông minh từ xa, giống như nhiều hệ thống tự động khác.
- Home Assistant cũng không có các thành phần điện toán đám mây
Home Assistant is not fundamentally different from other IoT frameworks, making it easy to connect with various platforms, including Nest, Arduino, and Kodi.
- Có một điểm mạnh của Home Assistant do Python mang tới đó là: Việc mở rộng hệ thống rất dễ dàng
Home Assistant là một nền tảng mạnh mẽ, có thể được cài đặt trên nhiều thiết bị như máy tính một bo mạch (Hardkernel ODROID, Raspberry Pi, Asus Tinkerboard, Intel NUC) và các hệ điều hành như Windows, macOS, Linux Nó cũng hỗ trợ cài đặt trên máy ảo và hệ thống NAS, mang lại sự linh hoạt cho người dùng.
Trên các máy tính như ODROID N2+ và Raspberry Pi 3/4, quá trình cài đặt yêu cầu flash một hình ảnh hệ thống vào thẻ nhớ microSD hoặc bộ nhớ cục bộ để khởi động Home Assistant có thể hoạt động như cổng kết nối cho các thiết bị IoT khác nhau như Zigbee và Z-Wave, với phần cứng gắn vào các chân I/O đa năng hoặc qua cổng USB Nó cũng hỗ trợ kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp với các thiết bị IoT cục bộ, trung tâm điều khiển, hoặc dịch vụ đám mây từ nhiều nhà cung cấp, bao gồm cả các hệ sinh thái nhà thông minh mở và đóng.
3.2.2.3 Tính năng của Home assistant:
Home Assistant có khả năng theo dõi tình trạng của tất cả các thiết bị trong ngôi nhà của bạn, miễn là chúng nằm trong danh sách hỗ trợ của Home Assistant.
Nền tảng này hỗ trợ nhiều thiết bị từ các thương hiệu như Nest, IFTTT, Google, Hue, MQTT, Facebook, và Microsoft, cho phép người dùng điều khiển tất cả thiết bị từ một giao diện duy nhất, thân thiện với điện thoại Đặc biệt, nền tảng không lưu trữ dữ liệu người dùng trên máy chủ, đảm bảo tính riêng tư cao.
Thiết lập các quy tắc tiên tiến để kiểm soát thiết bị Và từ đó biến ngôi nhà của bạn thành một thiên đường sống đáng mơ ước.
Giao thức giao tiếp MQTT
MQTT, viết tắt của Message Queue Telemetry Transport, là một giao thức truyền thông điệp theo mô hình publish/subscribe, nổi bật với khả năng sử dụng băng thông thấp và độ tin cậy cao Giao thức này đặc biệt hiệu quả trong các điều kiện đường truyền không ổn định, giúp tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu Sự phổ biến của MQTT ngày càng gia tăng nhờ sự phát triển mạnh mẽ của Internet vạn vật (IoT).
Hình 3.22: Hình tượng trưng giao thức MQTT
MQTT là lựa chọn lý tưởng trong các môi trường như:
Trong môi trường mạng kém, thiếu tin cậy
Khi chạy trên thiết bị nhúng bị giới hạn về tài nguyên tốc độ và bộ nhớ Được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực dầu khí, nhà thông minh
Trong những khu vực có giá cước viễn thông cao, băng thông hạn chế hoặc độ tin cậy thấp, việc sử dụng thiết bị nhúng với tài nguyên giới hạn về tốc độ và bộ nhớ trở nên khó khăn Điều này ảnh hưởng đến khả năng truy cập và trải nghiệm người dùng.
Các máy khách MQTT có kích thước nhỏ gọn và hiệu quả, yêu cầu tài nguyên tối thiểu, phù hợp cho việc sử dụng trên các bộ vi điều khiển nhỏ Hơn nữa, tiêu đề tin nhắn MQTT cũng được thiết kế nhỏ gọn nhằm tối ưu hóa băng thông mạng.
MQTT hỗ trợ truyền thông hai hướng, cho phép nhắn tin giữa thiết bị và đám mây, cũng như giữa đám mây và thiết bị Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền tải thông tin đến các nhóm một cách dễ dàng.
- Quy mô lớn: MQTT có thể mở rộng quy mô để kết nối với hàng triệu thiết bị IoT
Gửi tin nhắn đáng tin cậy là yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng IoT Để đảm bảo độ tin cậy, giao thức MQTT cung cấp ba mức chất lượng dịch vụ: 0 - gửi nhiều nhất một lần, 1 - gửi ít nhất một lần, và 2 - gửi chính xác một lần.
MQTT hỗ trợ kết nối cho các thiết bị IoT qua mạng di động không đáng tin cậy, giúp duy trì các phiên liên tục Điều này giảm thiểu thời gian kết nối lại giữa khách hàng và nhà môi giới, nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu.
MQTT đã tích hợp bảo mật mạnh mẽ thông qua việc mã hóa tin nhắn bằng TLS và xác thực máy khách bằng các giao thức hiện đại như OAuth Điều này giúp đảm bảo an toàn cho dữ liệu trong quá trình truyền tải Ứng dụng của MQTT rất đa dạng, từ các hệ thống IoT đến các nền tảng truyền thông thời gian thực.
Với những ưu điểm nổi bật, MQTT đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều dự án và lĩnh vực khác nhau như nhà thông minh, ô tô, và ngành dầu khí.
Các ứng dụng thực tế [8]:
- OpenHAB, nền tảng nhà thông minh mã nguồn mở hỗ trợ MQTT
SensorThings API của Open Geospatial Consortium có thông số kỹ thuật tiêu chuẩn bao gồm phần mở rộng MQTT trong giao thức tin nhắn Đặc biệt, nó đã được kiểm chứng qua một đơn vị thí điểm IoT thuộc Bộ An ninh Nội địa Hoa Kỳ.
- XIM, Inc đã giới thiệu một ứng dụng MQTT client cho Android và iOS, tên là MQTT Buddy
- Node-RED hỗ trợ MQTT với TLS kể từ phiên bản 0.14
- Home Assistant, nền tảng nhà thông minh mã nguồn mở, hỗ trợ MQTT và cung cấp bốn tùy chọn cho MQTT broker
- Ejabberd hỗ trợ MQTT kể từ phiên bản 19.02
Eclipse Foundation đã phát triển giao thức Sparkplug, tương thích với MQTT, nhằm cung cấp các tính năng cần thiết cho các ứng dụng công nghiệp thời gian thực Sparkplug được xây dựng dựa trên nền tảng MQTT, mang lại hiệu suất và độ tin cậy cao trong việc truyền tải dữ liệu.
3.3.2 Mô hình Pub/Sub và Cơ chế hoạt động của MQTT:
Publisher - Nơi gửi thông điệp
Subscriber - Nơi nhận thông điệp
● Broker - Máy chủ môi giới
Client của MQTT là bất kỳ thiết bị nào sử dụng thư viện MQTT và kết nối với MQTT Broker qua internet Client được chia thành hai thành phần chính: Publisher và Subscriber Mỗi Client có thể thực hiện ít nhất một trong hai nhiệm vụ, bao gồm việc phát hành (publish) các thông điệp lên một hoặc nhiều chủ đề (topic) hoặc đăng ký (subscribe) vào một chủ đề để nhận thông tin từ đó.
Broker được coi như một trung tâm của các client thưc hiện Pub/Sub Có thể nhận và xử lí thông tin từ hàng ngàn Client khác nhau
Hình 3.23: Mô hình Pub/Sub Ưu điểm [8]:
Kết nối riêng rẽ, độc lập.Khả năng mở rộng
Thời gian tách biệt (Time decoupling)
Đồng bộ riêng rẽ (Synchronization decoupling)
Máy chủ môi giới (Broker) không cung cấp thông tin về trạng thái gửi tin nhắn, dẫn đến việc không thể xác định liệu tin nhắn đã được gửi thành công hay chưa.
Publisher không hề biết gì về trạng thái của subscribe và ngược lại Vậy làm sao chúng ta có thể đảm bảo mọi thứ đều ổn
Những kẻ xấu (Malicious Publisher) có thể gửi những thông điệp xấu, và các Subscriber sẽ truy cập vào những thứ mà họ không nên nhận
2 Cơ chế hoạt động của MQTT:
Hình 3.24: Cơ chế hoạt động
MQTT sử dụng cơ chế Publish/Subscribe, cho phép các thiết bị biên xuất bản thông tin cho Broker Client kết nối với Broker này, đóng vai trò trung gian giao tiếp giữa các thiết bị Mỗi thiết bị có khả năng đăng ký các kênh cụ thể Khi một client gửi thông báo trên kênh đã đăng ký, Broker sẽ chuyển tiếp thông báo đó đến tất cả các client đã đăng ký.
MQTT là giao thức truyền thông dựa trên bản tin, trong đó mỗi bản tin được coi là một đoạn tín hiệu độc lập mà broker không thể nhìn thấy Mỗi bản tin được phát hành đến một địa chỉ cụ thể, được gọi là kênh (Topic) Các client có thể đăng ký (subscribe) vào nhiều kênh khác nhau để nhận hoặc gửi dữ liệu, cho phép chúng nhận thông tin từ nhiều nguồn khác nhau.
34 khi bất kỳ trạm nào khác gửi dữ liệu vào kênh đã đăng ký Khi một client gửi một bản tin đến một kênh nào đó gọi là publish.[8]
Lượng dữ liệu được theo dõi và kiểm soát nhiều do tính năng gọn nhẹ hiệu quả của MQTT
3.3.3 Kiến trúc MQTT Publish/Subscribe:
Thành phần chính của MQTT là Client (Publisher/Subscriber), Server (Broker), Sessions (tạm dịch là Phiên làm việc), Subscriptions và Topics.[8]
MQTT Client (Publisher/Subscriber): Clients sẽ subscriber một hoặc nhiều topics để gửi và nhận thông điệp từ những topic tương ứng.[8]
MQTT Server (Broker): Broker nhận những thông tin subscriber (Subscriptions) từ client, nhận thông điệp, chuyển những thông điệp đến các Subscriber tương ứng dựa trên Subscriptions từ client.[8]
Topic có thể được xem như một hàng đợi các thông điệp, với khuôn mẫu dành riêng cho Subscriber hoặc Publisher Điều này cho phép Client trao đổi thông tin với những ngữ nghĩa đã được định nghĩa trước Chẳng hạn, một ví dụ điển hình là dữ liệu cảm biến nhiệt độ của một tòa nhà.
Session: Một session được định nghĩa là kết nối từ client đến server Tất cả các giao tiếp giữa client và server đều là 1 phần của session.[8]
Giao thức Zigbee
3.4.1 Giới thiệu sơ lược về mạng Zigbee
ZigBee là một giao thức truyền thông tiên tiến, được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio để thiết lập các mạng cá nhân (PAN - personal area network).
ZigBee là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu bảo mật cao và thời gian hoạt động dài, mặc dù không cần tốc độ truyền dữ liệu lớn Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được phát triển từ cuối những năm 1990, khi các nhà khoa học nhận thấy rằng Wifi và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp Đến năm 2004, tiêu chuẩn ZigBee chính thức được hình thành và phê duyệt bởi tổ chức ZigBee Alliance.
Zigbee được đặt dựa theo điệu nhảy của loài ong mật sưt dụng để trao đổi thông tin với nhau về chổ cảu hoa và nước
• Sử dụng đơn giản, giá thành hợp lý, tiết kiệm năng lượng
Thiết bị này được thiết kế cho cả người dùng tự lắp đặt và các nhà tích hợp hệ thống chuyên nghiệp, giúp tối ưu hóa năng lượng và giảm thiểu hao phí điện năng trong quá trình sử dụng.
Thiết bị sử dụng tiêu chuẩn mở phù hợp với mọi thiết bị điện - điện tử trên thị trường
Công nghệ không dây giúp giảm chi phí và những phiền phức liên quan đến mạng có dây truyền thống Việc sử dụng tần số quốc tế 2.4 GHz mang lại sự dễ dàng trong lắp đặt và sử dụng, giúp người dùng tiết kiệm thời gian và công sức.
Tính năng điều khiển tự động hoặc bán tự động giúp giảm bớt sức lao động của con người Kết nối Internet cho phép người dùng điều khiển thiết bị từ xa một cách thuận tiện Hệ thống còn hỗ trợ tự lắp đặt và tự cài đặt một cách dễ dàng.
Cảm biến không dây dễ dàng lắp đặt giúp giám sát an ninh cho ngôi nhà của bạn Hệ thống sẽ gửi thông báo ngay lập tức khi phát hiện sự kiện bất thường Hệ thống AES được mã hóa đặc biệt, đảm bảo chỉ có chủ nhà mới có quyền điều khiển.
Tích hợp điều khiển và giám sát các phân hệ điện của ngôi nhà cũng như các hệ an ninh, kiểm soát truy nhập…
Các ứng dụng được thiết kế theo dạng module cho phép người dùng chỉ mua những thiết bị cần thiết Người sử dụng có thể kết hợp nhiều dòng sản phẩm mà không cần lo lắng về khả năng tương thích với các thiết bị từ nhà sản xuất khác khi sử dụng mạng ZigBee.
• Tần số chung toàn cầu 2.4 GHz
• Pin sử dụng có tuổi thọ lớn
• Khoảng cách không dây 70m trong nhà, 400m ngoài nhà
• Việc kết nối mạng linh hoạt đảm bảo đáp ứng mọi quy mô của ngôi nhà
• Khả năng mở rộng tới hàng ngàn thiết bị
• Tích hợp khả năng điều khiển và giám sát trạng thái hoạt động của các hệ chiếu sáng, an ninh, rèm cửa, bơm nước, bình nóng lạnh, điều hòa
Có 3 cấu hình mạng cơ bản, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà người ta thiết lập mạng theo các cấu hình khác nhau: + Mạng hình sao (star network) + Mạng hình lưới (mesh network) + Mạng hình câu (cluster tree topology)
Hình 3.27: Các loại mô hình mạng
ZigBee là một công nghệ kết nối mạnh mẽ và linh hoạt, cho phép kết nối nhiều thiết bị với khả năng chống nhiễu tốt và tương tác hoàn hảo trong cùng một mạng Nhờ vào những ưu điểm này, ZigBee dự kiến sẽ tiếp tục được sử dụng rộng rãi trong tương lai, đặc biệt trong các giải pháp nhà thông minh.
CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ HÌNH NGÔI NHÀ
Giới thiệu
Đề tài này tập trung vào việc thiết kế hệ thống điều khiển cho thiết bị module trong nhà thông minh, cho phép người dùng điều khiển qua ứng dụng di động hoặc web Hệ thống sử dụng vi xử lý để thực hiện các lệnh điều khiển và truyền dữ liệu hiển thị lên ứng dụng Chương này sẽ tính toán và thiết kế các khối cho hệ thống dựa trên chức năng chính của thiết bị, lựa chọn linh kiện và cảm biến phù hợp, cũng như thiết kế bản vẽ cho hệ thống điều khiển Ngoài ra, sẽ trình bày chức năng và đặc tính của các thiết bị trong mô hình, cùng với thiết kế giao diện giám sát và điều khiển.
Xây dựng sơ đồ khối chung của hệ thống
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống
Thiết bị điều khiển và giám sát (Raspberry Pi 3B)
Khối xử lí trung tâm NodeMCU ESP-8266
Khối phát Khối đọc Khối thu dữ liệu Khối nguồn
Xây dựng mạch và phần cứng cho từng thiết bị
Công tắc thông minh là giải pháp hiệu quả cho vấn đề di chuyển bất tiện khi muốn bật/tắt thiết bị như đèn hoặc rèm từ xa Với các chức năng hiện đại, người dùng có thể dễ dàng điều khiển thiết bị ngay cả khi không ở gần.
Điều khiển bật/tắt cho đầu ra các thiết bị điện hỗ trợ hai đầu vào và hai đầu ra Đầu ra được kết nối với các thiết bị điện, trong khi đầu vào có thể được cấu hình để làm tín hiệu kích hoạt cho các cảnh hoặc lịch trình.
- Điều khiển Bật/Tắt chỉ với 1 chạm nhẹ
- Điều khiển từ xa thông qua Internet (Sử dụng App Home Assistant)
- Hẹn giờ bật/tắt tự động
- Cơ chế nhóm trực tiếp với các thiết bị cùng loại trong mạng MQTT
Từ đó, nhóm xây dựng sơ đồ khối để thiết kế thiết bị
4.3.1.2 Sơ đồ khối của thiết bị
Hình 4.2: Sơ đồ khối công tắc thông minh
Khối nguồn Khối xử lí trung tâm
Khối xử lý trung tâm nhận tín hiệu từ khối thu, xử lý tín hiệu đó và truyền lên bộ điều khiển trung tâm để vận hành khối phát Dữ liệu được thu thập từ khối đọc và khối phát, được giám sát và điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn để các thiết bị hoạt động trong hệ thống
Khối phát: Dùng để truyền tín hiệu đã qua xử lý từ khối xử lý trung tâm đến các thiết bị ngoại vi
Khối thu: Thu thập tín hiệu từ các cảm biến truyền về khối xử lý trung tâm để xử lý a) Khối xử lí trung tâm của thiết bị
Sau khi nghiên cứu các thiết bị điều khiển cho công tắc bật/tắt đèn thông minh, nhóm đã quyết định chọn module NodeMCU ESP 8266 làm bộ xử lý trung tâm Module này nổi bật với khả năng tích hợp nhiều ngoại vi thông qua các chân I/O cần thiết, đồng thời hỗ trợ thu và phát wifi, phù hợp cho việc giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm như Raspberry.
Hình 4.3: NodeMCU ESP8266 b) Khối thu tín hiệu
Khối thu tín hiệu của thiết bị tiếp nhận tín hiệu đầu vào từ nút nhấn, chuyển tiếp tín hiệu này đến khối xử lý trung tâm Để đáp ứng yêu cầu, nhóm đã lựa chọn TTP223, một phím cảm ứng điện dung 1 kênh V3.
Với điện áp làm việc từ 2-5.5VDC và dòng hoạt động tối đa chỉ 3uA, sản phẩm này hoàn toàn tương thích với dòng ra của ESP8266 Thời gian phản hồi nhanh từ 60ms đến 220ms, sử dụng IC chính TTP223, kích thước nhỏ gọn 11.5*8mm, rất phù hợp cho các ứng dụng sản phẩm thông minh.
Bảng 4.1: Nối chân giữa Module TTP223và NodeMCU ESP8266
Hình 4.4: Nối chân giữa Module TTP223và NodeMCU ESP8266 c) Khối phát tín hiệu
Thiết bị này sử dụng đèn điện 220V, phổ biến trong các ngôi nhà để chiếu sáng Để điều khiển đèn, nhóm sử dụng Module relay 5V kết nối với khối trung tâm nhằm bật và tắt đèn một cách hiệu quả.
Hình 4.5: Kết nối mạch d) Khối nguồn
Nhóm không thiết kế nguồn nuôi riêng cho mạch hoạt động mà sử dụng nguồn điện gia đình thông qua bộ adapter Để đáp ứng yêu cầu hoạt động, cần cấp nguồn 5V với dòng trung bình khoảng 200mA Do đó, lựa chọn adapter có ngõ ra 5V - 0.5A là phù hợp Khi sử dụng, chỉ cần cắm điện và mạch sẽ hoạt động.
4.3.1.3 Sơ đồ nguyên lí mạch:
Sử dụng nút nhấn để điều khiển các thiết bị như đèn và rèm thông qua relay, kết nối với bộ xử lý ESP8266 Bộ xử lý này sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến bộ điều khiển trung tâm và hiển thị thông tin trên Home Assistant.
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lí mạch công tắc thông minh
Hình 4.7: Mô hình vỏ của thiết bị
Hình 4.8: Mô hình của vỏ màn hình thiết bị
Hình 4.9: Mô hình màn hình cuả thiết bị
Sơ đồ lắp ráp thiết bị
Hình 4.10: Sơ đồ lắp ráp thiết bị
Hình 4.11: Mô phỏng thiết bị đã lắp ghép
4.3.2 Module nhận biết cường độ ánh sáng, chuyển động:
4.3.2.1 Chức năng chính: Điện năng là một nguồn năng lượng quan trọng trong cuộc sống hiện đại, chính vì vậy mà điện phải được sử dụng một cách thích hợp và hợp lí Việc chế tạo ra một sản phẩm dựa trên nhu cầu tiết kiệm điện nhưng vẫn không tốn công sức trong việc điều khiển hệ thống chiếu sáng đem lại nhiều lợi ích cho con người
Module nhận biết ánh sáng và chuyển động là cầu nối với các thiết bị thông minh khác, hoạt động bằng cách phát hiện chuyển động để tự động bật đèn khi có người Thiết bị này có khả năng liên kết với các thiết bị khác, tạo ra kịch bản sử dụng theo mong muốn của người dùng Với tính năng cảm biến ánh sáng, nó điều chỉnh ánh sáng phòng một cách hợp lý thông qua việc điều chỉnh đèn và rèm Sự thông minh của thiết bị mang lại tiện nghi, tiết kiệm điện và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Thiết bị thích hợp để sử dụng tại:
-Cầu thang, hành lang, gara, nhà xe, nhà vệ sinh
-Phòng ngủ, nhà bếp, phòng khách
Từ những chức năng trên nhóm xây dựng sơ đồ khối để thiết kế thiết bị
4.3.2.2 Sơ đồ khối của thiết bị:
Hình 4.12: Sơ đồ khối thiết bị
Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ nhận và xử lý tín hiệu từ khối thu, sau đó gửi tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm để điều hành khối phát Dữ liệu được thu thập từ khối đọc và khối phát, được giám sát và điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm.
Khối xử lí trung tâm NodeMCU ESP-8266
Khối nguồn: Cung cấp nguồn để các thiết bị hoạt động trong hệ thống
Khối thu: Thu thập tín hiệu từ các cảm biến truyền về khối xử lý trung tâm để xử lý a) Khối xử lí trung tâm của thiết bị
Sau khi nghiên cứu về các thiết bị điều khiển cho module cảm biến cường độ ánh sáng và chuyển động, nhóm đã quyết định chọn module NodeMCU ESP-8266 làm bộ xử lý trung tâm NodeMCU ESP-8266 nổi bật với khả năng tích hợp nhiều ngoại vi qua các chân I/O cần thiết, đồng thời hỗ trợ thu và phát WiFi, giúp giao tiếp hiệu quả với bộ điều khiển trung tâm như Raspberry Pi.
Hình 4.13: NodeMCU ESP8266 b) Khối thu
Khối thu tín hiệu trong thiết bị này có chức năng đo cường độ ánh sáng và phát hiện chuyển động Để đáp ứng yêu cầu này, nhóm đã lựa chọn hai module: Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 và Module phát hiện chuyển động PIR.
1 Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 cho phép đo trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không cần xử lý hay tính toán thêm Thiết bị hoạt động thông qua giao tiếp I2C với mức điện áp từ 3-5VDC và dòng cung cấp từ 0.5mA đến 2.5mA, phù hợp với yêu cầu của bộ xử lý trung tâm để đảm bảo hoạt động ổn định.
Bảng 4.2: Nối chân giữa Module BH1750 và NodeMCU ESP8266
Hình 4.14: Nối chân giữa Module TDH11 và NodeMCU ESP8266
2 Module cảm Biến Thân Nhiệt Chuyển Động PIR HC-SR501
