Nhà thông minh kết hợp điện năng lượng mặt trời điều khiển đa chức năng thông qua công nghệ iot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NHÀ THÔNG MINH KẾT HỢP ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ĐIỀU KHIỂN ĐA CHỨC NĂNG THÔNG QUA CÔNG NGHỆ IoT Ngành KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn PGS TS Nguyễn Hùng SVTH Nguyễn Quang Thành MSSV 1711020078 Lớp 17DDCA1 SVTH Võ Thành Vinh MSSV 1711020062 Lớp 17DDCA1 SVTH Lý Thái Tài MSSV 1711020076 Lớp 17DDCA1 Tp HCM, ngày 31 tháng 08 năm 2021 ii LỜI CẢM ƠN Trong cuộc sống, cùng với những giây phút thành công, mỗi cá nhâ.

Giới thiệu nhà thông minh

Tầm quan trọng và ý nghĩa của đề tài

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và Internet, cùng với sự giảm giá của hệ thống nhà thông minh, nhu cầu ngày càng cao từ người tiêu dùng đã tạo ra tiềm năng lớn cho lĩnh vực này Theo ABI Research, đã có hơn 1,5 triệu hệ thống nhà thông minh được lắp đặt tại Mỹ vào năm 2012, và dự đoán con số này sẽ tăng lên 8 triệu vào năm 2017 Trong tương lai gần, nhà thông minh hứa hẹn sẽ trở thành một xu hướng mới trong cuộc sống hiện đại.

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) là một hệ thống trong đó mọi đồ vật và con người đều có định danh riêng, cho phép trao đổi thông tin và dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần tương tác trực tiếp IoT phát triển từ sự kết hợp của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet, tạo thành một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và thế giới bên ngoài để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.

Những công trình nghiên cứu trên thế giới

Lịch sử của thiết bị kết nối Internet bắt đầu từ khi nhà nghiên cứu John Romkey phát minh ra máy nướng bánh mì có khả năng điều khiển qua Internet tại hội nghị INTEROP tháng 10/1989 Đến năm 2000, sự phát triển của công nghệ này đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc kết nối và điều khiển thiết bị từ xa.

LG vừa ra mắt tủ lạnh Internet đầu tiên của mình, đánh dấu bước tiến lớn trong việc phát triển các giải pháp cho ngôi nhà thông minh Từ những thiết bị kết nối rời rạc, công nghệ hiện nay đã trở nên ưu việt và được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các tòa nhà hiện đại.

Samsung đã chính thức ra mắt tủ lạnh thông minh Family Hub tại Việt Nam, được coi là một quản gia thông minh giúp quản lý thực phẩm Tủ lạnh này sở hữu tính năng View Inside, cho phép người dùng xem thực phẩm bên trong qua điện thoại và màn hình tủ lạnh Nó tự động cảnh báo về số lượng và ngày hết hạn thực phẩm, đồng thời cho phép người dùng tạo danh sách mua sắm cá nhân Ứng dụng Smart Recipes gợi ý hàng ngàn công thức nấu ăn dựa trên thực phẩm có sẵn và sở thích gia đình Người dùng có thể dễ dàng kiểm tra thực phẩm mọi lúc mọi nơi nhờ tính năng View Inside.

Tủ lạnh Family Hub là trạm điều khiển trung tâm cho ngôi nhà thông minh, kết nối và kiểm soát hơn 1000 sản phẩm tương thích SmartThings Người dùng có thể điều khiển hệ thống chiếu sáng, âm thanh và kiểm tra camera trong và ngoài nhà ngay trên màn hình tủ lạnh, mang lại sự tiện lợi và an toàn Chỉ cần sử dụng giọng nói hoặc chạm trên màn hình, người dùng có thể quản lý các thiết bị thông minh và IoT, như chọn chế độ giặt và theo dõi tình trạng hoạt động của máy giặt.

Thiết bị này mang đến trải nghiệm giải trí đa phương tiện tuyệt vời, cho phép người dùng nghe nhạc, lướt web và xem phim với hệ thống loa chất lượng cao và màn hình sắc nét Điều này giúp dễ dàng thư giãn và tạo cơ hội gắn kết với gia đình trong không gian bếp.

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Thị trường nhà thông minh tại Việt Nam chủ yếu do các hãng nước ngoài chiếm lĩnh, dẫn đến lo ngại về chi phí cao từ phía khách hàng Để khắc phục vấn đề này và giúp khách hàng dễ dàng lựa chọn, chúng tôi giới thiệu ba giải pháp nhà thông minh Giải pháp đầu tiên tập trung vào việc thay đổi phong cách sống cơ bản, mang lại sự tiện nghi và hiện đại cho người dùng.

Hệ thống công tắc chạm cảm ứng hiện đại mang đến sự tiện lợi cho người sử dụng Nó cho phép tích hợp tất cả các thiết bị điện và điều khiển từ xa, giúp người dùng dễ dàng quản lý mọi thiết bị trong nhà Đặc biệt, giải pháp nhà thông minh cho phép kiểm soát và điều khiển các thiết bị điện từ xa, bất kể bạn đang ở đâu, từ cơ quan cho đến khi đang đi du lịch.

Bộ giải pháp thiết kế nhà thông minh của chúng tôi đảm bảo giá thành hợp lý, dễ dàng lắp đặt và sử dụng thân thiện Nhờ những ưu điểm này, sản phẩm nhà thông minh tại Việt Nam hoàn toàn có khả năng cạnh tranh trên thị trường toàn cầu.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

 Nghiên cứu nhu cầu của người dùng IoT

 Những thiết bị cần thiết để thiết kế nhà thông minh 1 cách hiệu quả

 Nghiên cứu thông tin dữ liệu được truyền tải trên internet

 Bảo mật những thông tin quan trọng trong nhà

 Nghiên cứu điều khiển các thiết bị trong 1 hệ sinh thái khép kín

 Các dịch vụ lưu dữ liệu trên đám mây lưu trữ

 Tốc độ phản hồi của những thiết bị trong hệ thống nhà thông minh

 Nghiên cứu thiết kế giao diện điều khiển trên web và trên điện thoại thông minh một cách đơn giản và thuật tiện cho việc sử dụng.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu việc sử dụng hai loại vi điều khiển Arduino và Raspberry Pi để quản lý và thu thập thông tin từ các thiết bị như đèn, tivi, và máy lạnh trong một ngôi nhà Hệ thống được xây dựng trên nền tảng IoT, kết nối qua mạng Internet Tất cả thông tin và lệnh điều khiển được hiển thị trên một trang web, cho phép chủ nhà có thể dễ dàng điều khiển và điều chỉnh các thiết bị từ xa thông qua Internet.

Đề tài tập trung vào việc phát triển ứng dụng Smarthome có khả năng mở rộng hệ thống thiết bị thông qua kết nối giữa các vi điều khiển Sử dụng Raspberry Pi làm Node chính và các vi điều khiển Arduino làm Node phụ, hệ thống cho phép người dùng dễ dàng thêm hoặc bớt thiết bị điều khiển thông qua ứng dụng Web.

Mục đích cuối cùng của việc phổ biến công nghệ là giải quyết vấn đề và cải thiện cuộc sống, giúp cuộc sống trở nên dễ dàng, tốt đẹp, đơn giản và thú vị hơn Khoảng cách giữa các ngôi nhà sẽ không còn xa vời, và hình ảnh ngôi nhà của Bill Gates sẽ trở thành hiện thực trong cuộc sống hàng ngày.

1.6 Các kết quả đạt đƣợc của đề tài

 Tiện ích ở khắp mọi nơi trong nhà từ nhà khách đến tầng thượng mọi thứ điều được áp dụng những cảm biến siêu nhạy

 Dễ dàng thao tác lắp đặt trên những thiết bị trong nhà

 Dễ dàng điều khiển những thiết bị trong nhà thông qua điện thoại thông hoặc web

 Giá thành rẻ dễ tiếp cận với người dùng phổ thông

 Chất lượng cao, độ bền b cao

 Xây dựng mô hình biểu diễn hệ thống điện trong nhà

 Xây dựng ứng dụng Web điều khiển thiết bị trong mô hình thông qua Internet

 Thiết lập giao thức để giao tiếp giữa các Node bao gồm Node chính và nhiều Node phụ

 Xây dựng ứng dụng Web có khả năng mở rộng các Node phụ trong mô hình

1.7 Kết cấu của đề tài

Tầm quan trọng và ý nghĩa của đề tài Nghiên cứu

Kết cấu của đề tài

Tầm quan trọng và ý nghĩa của đề tài Nghiên cứu

Tổng quan giải pháp iot

Tìm hiểu về thuật ngữ ” Internet of things”

Thuật ngữ "Internet of Things" (viết tắt là IoT) đang ngày càng phổ biến và thu hút sự chú ý trong lĩnh vực công nghệ Sự bùng nổ của IoT trong tương lai hứa hẹn sẽ tác động mạnh mẽ đến cuộc sống, công việc và xã hội của con người.

Internet of Things (IoT) đã bắt đầu hình thành từ nhiều thập kỷ trước, nhưng mãi đến năm 1999, thuật ngữ này mới được Kevin Ashton, một nhà khoa học và người sáng lập Trung tâm Auto-ID tại MIT, giới thiệu Tại đây, ông đã đóng góp vào việc thiết lập các tiêu chuẩn toàn cầu cho RFID và nhiều loại cảm biến không dây khác.

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) là một hệ thống trong đó mỗi đồ vật và con người đều có định danh riêng, cho phép truyền tải và trao đổi thông tin qua một mạng duy nhất mà không cần tương tác trực tiếp IoT phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, vi cơ điện tử và Internet, tạo thành một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.

Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu, dự báo rằng đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, và con số này có thể tăng cao hơn nữa Mạng lưới IoT có khả năng chứa từ 50.000 đến 100.000 đối tượng kết nối, cho phép theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng Một người sống trong thành phố có thể bị bao quanh bởi từ 1.000 đến 5.000 đối tượng có khả năng theo dõi, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng cho IoT.

IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thư như sau:

 Quản lý và lập kế hoạch quản lí đô thị

 Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp

 Quản lý các thiết bị cá nhân

 Đồng hồ đo thông minh

 Tự động hóa ngôi nhà

Nhà thông minh, hay còn gọi là tự động hóa nhà ở, là một ứng dụng nổi bật trong lĩnh vực Internet of Things (IoT) Đây là loại hình nhà được trang bị các thiết bị điện và điện tử, cho phép tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong việc thực hiện các thao tác quản lý và điều khiển.

Hệ thống điện tử này tương tác với người dùng thông qua bảng điều khiển điện tử trong nhà, ứng dụng di động, máy tính bảng hoặc giao diện web.

Trong một ngôi nhà thông minh, mọi thiết bị từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều được trang bị bộ điều khiển điện tử kết nối Internet và điện thoại di động, giúp người dùng có thể điều khiển từ xa hoặc lập trình các thiết bị trong nhà một cách dễ dàng.

Nhà thông minh tích hợp nhiều hoạt động theo lịch và các ứng dụng sáng tạo như hệ thống điều khiển giải trí, liên lạc nội bộ và tưới nước Các thành phần chính bao gồm cảm biến (nhiệt độ, ánh sáng, chuyển động), bộ điều khiển và thiết bị chấp hành Hệ thống cảm biến cho phép bộ điều khiển và máy chủ theo dõi trạng thái bên trong ngôi nhà, từ đó đưa ra quyết định hợp lý để điều chỉnh thiết bị, nhằm tạo ra môi trường sống tốt nhất cho cư dân.

Hình 2.2: Hệ thống nhà thông minh [2]

Trong tương lai, ngôi nhà thông minh sẽ có khả năng "tư duy", tự động điều chỉnh các thiết bị một cách hợp lý và giao tiếp với con người giống như trong các bộ phim viễn tưởng.

Hình 2.3: Tương lai nhà thông minh [2]

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và Internet, cùng với việc giảm chi phí cho hệ thống nhà thông minh, nhu cầu sử dụng ngày càng cao đã tạo ra cơ hội lớn cho lĩnh vực này Theo ABI Research, số lượng hệ thống nhà thông minh tại Mỹ đã vượt 1,5 triệu vào năm 2012 và dự kiến sẽ đạt 8 triệu vào năm 2017 Trong tương lai gần, nhà thông minh hứa hẹn sẽ trở thành xu hướng mới trong cuộc sống hiện đại.

Tổng quan về nhà thông minh

2.2.1 Giới thiệu nhà thông minh

Nhà thông minh, hay còn gọi là home automation, domotics, smart home hoặc Intellihome, là một loại hình nhà được trang bị các thiết bị điện và điện tử có khả năng điều khiển tự động hoặc bán tự động Các thiết bị này thay thế con người trong việc thực hiện các thao tác quản lý và điều khiển, đồng thời hệ thống điện tử này có thể giao tiếp hiệu quả với người dùng.

11 qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web

Trong một ngôi nhà thông minh, các thiết bị như đèn, máy lạnh hay hệ thống an ninh được trang bị bộ điều khiển điện tử kết nối Internet và điện thoại di động, cho phép người dùng điều khiển từ xa hoặc lập lịch hoạt động Những thiết bị này có khả năng tự động xử lý các tình huống đã được lập trình hoặc được giám sát và điều khiển từ xa Hệ thống tự động hóa nhà thông minh mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, giúp tăng cường tiện nghi và tiết kiệm thời gian.

_Lợi ích 1 Tăng thêm sự an toàn qua việc điều khiển chiếu sáng và thiết bị điện (Appliance and Lighting Control)

Một trong những lợi ích nổi bật của hệ thống tự động hóa nhà ở là nâng cao mức độ an toàn cho gia đình Người dùng có thể dễ dàng kiểm soát các thiết bị điện và hệ thống chiếu sáng chỉ với một cú chạm trên thiết bị thông minh Không chỉ giúp tiết kiệm điện năng bằng cách tự động tắt khi không có người, hệ thống điều khiển ánh sáng còn có khả năng tự động bật tắt đèn theo chu kỳ, tạo cảm giác như có người ở nhà, từ đó ngăn chặn kẻ xấu Điều này góp phần tăng cường an ninh cho ngôi nhà của bạn.

_Lợi ích 2 Gia tăng quan sát thông qua camera an ninh

Chúng ta không thể có mặt ở mọi nơi cùng lúc, dẫn đến việc bỏ lỡ nhiều sự kiện, ngay cả trong ngôi nhà hay sân vườn của mình Hệ thống tự động hóa nhà thông minh giúp chúng ta dễ dàng quan sát mọi hoạt động diễn ra Các camera an ninh không chỉ gia tăng độ an toàn cho gia đình mà còn ghi lại hình ảnh khi phát hiện chuyển động hoặc tự động ghi hình vào những thời điểm nhất định trong ngày.

_Lợi ích 3 Gia tăng tiện nghi thông qua việc hiệu ch nh nhiệt độ điều hòa

Nhiều người thường quên điều chỉnh nhiệt độ của bộ điều chỉnh nhiệt (thermostat) trước khi rời nhà đi làm, dẫn đến tình trạng quá nóng hoặc quá lạnh khi trở về Tuy nhiên, với hệ thống nhà thông minh, bạn có thể dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ từ xa vài giờ trước khi về, giúp tạo ra không gian thoải mái và tiết kiệm chi phí cũng như năng lượng.

_Lợi ích 4 Tiết kiệm thời gian

Dễ dàng tiết kiệm được các khoảng thời gian quý báu và dành hiệu năng tốt hơn cho công việc

_Lợi ích 5 Tiết kiệm tiền và gia tăng tiện nghi

Như vừa đề cập trên, hệ thống home automation giúp bạn tiết kiệm tiền

2.2.2 Nguyên tắc hoạt động của nhà thông minh

Nhà thông minh là hệ thống kết nối các thiết bị điện tử gia dụng, hoạt động theo kịch bản tùy biến để tạo ra môi trường sống tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lượng Hệ thống này bao gồm một máy chủ (Home Server) làm trung tâm, có nhiệm vụ kết nối và điều khiển toàn bộ các thiết bị trong nhà.

Các thiết bị gia dụng đầu cuối bao gồm các thiết bị điện tử trong nhà như hệ thống an ninh, cửa, điều hòa, rèm mành, đèn, quạt thông gió, ti vi và bếp gas Những thiết bị này được kết nối với nhau qua mạng thiết bị bằng công nghệ truyền dữ liệu, sử dụng đường điện (Power line communication – PLC) hoặc kết nối không dây (Zigbee), và được liên kết trực tiếp với Home Server.

Hệ thống phần mềm điều khiển ngôi nhà được cài đặt trên Home Server, cùng với các thiết bị điều khiển và thiết bị điện tử gia dụng, cho phép chủ nhân của Hệ thống nhà thông minh dễ dàng kiểm soát và quản lý ngôi nhà của mình.

13 bị trong nhà bằng nhiều phương tiện như: điện thoại di động, tablet, laptop… ở bất kì đâu và bất kỳ lúc nào

2.2.3 Tiêu chuẩn của nhà thông minh

Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học hiện đại, con người ngày càng nâng cao chất lượng cuộc sống và hướng tới một cuộc sống tiện nghi hơn Từ những nhu cầu thiết thực đó, khái niệm "ngôi nhà thông minh" đã ra đời, nhằm đáp ứng mong muốn sống hiện đại Mặc dù các công nghệ phục vụ cho ngôi nhà mơ ước đã tồn tại từ lâu, nhưng gần đây mới được giới thiệu rộng rãi Nhiều công ty đã phát triển các giải pháp cho ngôi nhà thông minh, tất cả đều hướng đến những tiêu chuẩn nhất định để cải thiện trải nghiệm sống.

Tự động hóa ngôi nhà thông qua cảm biến và giám sát giúp thu thập thông tin như nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa, từ đó phân tích và điều khiển các thiết bị một cách tối ưu Các tính năng như bật đèn và đóng mở rèm có thể được cài đặt tự động theo nhu cầu người dùng Để đảm bảo an ninh và an toàn, hệ thống giám sát như camera, dấu vân tay và nhận diện hình ảnh ngày càng phổ biến, giúp nâng cao chất lượng an ninh cho ngôi nhà Cuối cùng, thiết kế ngôi nhà hướng tới sự thoải mái cho người sử dụng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

Cung cấp dịch vụ giải trí chất lượng cao là điều cần thiết trong bối cảnh nhu cầu giải trí ngày càng gia tăng Để đáp ứng mong muốn của người tiêu dùng, mỗi gia đình hiện nay đều được trang bị các hệ thống giải trí tiên tiến và chất lượng nhất.

Ngôi nhà thông minh cung cấp khả năng giám sát và điều khiển từ xa hiệu quả Mỗi ngôi nhà đều được trang bị hệ thống giám sát kết nối trực tiếp với thiết bị của người sử dụng, đảm bảo việc giám sát luôn được thực hiện tốt Tất cả các thiết bị đều liên kết với bộ quản lý trung tâm, cho phép người dùng dễ dàng điều khiển mọi thiết bị từ xa, bất kỳ lúc nào và ở bất kỳ đâu, miễn là có kết nối internet.

Tăng cường hiệu suất của hệ thống và giảm mức tiêu thụ điện năng là mục tiêu quan trọng Việc áp dụng các hệ thống điều khiển đơn giản nhưng hiệu quả giúp tiết kiệm năng lượng một cách tối ưu.

2.2.4 Những xu hướng phát triển của nhà thông minh ở Việt Nam

Trong những năm gần đây, khi thế giới chuyển mình vào kỷ nguyên Internet of Things (IoTs), nhà thông minh đã trở thành xu hướng công nghệ tất yếu và tiêu chuẩn của nhà ở hiện đại Tại Việt Nam, khái niệm nhà thông minh ngày càng trở nên quen thuộc, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hải Phòng, Hà Nội, Đà Nẵng và TP Hồ Chí Minh, nơi người dân dễ dàng tiếp cận các công nghệ và ý tưởng mới.

Xu hướng nhà thông minh trên thế giới đang trở thành cơ hội tỷ USD cho các công ty công nghệ lớn trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghệ 4.0 và sự phát triển của công nghệ IoT Theo thống kê của Statista, giá trị thị trường của nhà thông minh dự kiến sẽ đạt 43 tỷ USD vào năm 2020, gấp ba lần so với năm 2014 Nhà thông minh được dự đoán sẽ là một trong những ứng dụng nổi bật trong tương lai.

15 dụng công nghệ một cách toàn diện nhất vào cuộc sống, là cả một căn nhà chứ không ch là một thiết bị thông minh

Xu hướng nhà thông minh tại Việt Nam:

Vi điều khiển

Vi điều khiển là một hệ thống nhúng khép kín bao gồm thiết bị ngoại vi, bộ xử lý và bộ nhớ Hiện nay, vi điều khiển được lập trình chủ yếu cho các thiết bị điện tử tiêu dùng như máy móc, điện thoại, thiết bị ngoại vi, xe hơi và đồ dùng điện lạnh trong gia đình Vì vậy, vi điều khiển còn được gọi là “Bộ điều khiển nhúng”.

Hình 2.4: Tổng quan về vi xử lý

Có nhiều loại vi điều khiển khác nhau, được phân loại và lập trình dựa trên các thông số cơ bản như số bit, kích thước Flash, kích thước bộ nhớ RAM, số lượng chân vào/ra, loại bao bì, điện áp cung cấp và tốc độ hoạt động.

Các vi điều khiển đều có thiết kế chung gồm chân đầu vào / đầu ra Số lượng các chân khác nhau tùy thuộc vào vi điều khiển)

Vi điều khiển là thành phần quan trọng trong nhiều thiết bị tự động, bao gồm công cụ điện, đồ chơi, thiết bị y tế cấy dưới da, máy móc văn phòng, hệ thống điều khiển động cơ, thiết bị điều khiển từ xa và nhiều hệ thống nhúng khác.

Raspberrt Pi

2.4.1.1 Giới Thiệu Về Raspberry Pi

Raspberry Pi là một chiếc máy tính tí hon giá ch 35$ chạy hệ điều hành Linux ra mắt vào tháng 2 năm 2012

Hình 2.6: Hình ảnh thực tế của Raspberry Pi [5]

Raspberry Pi có thể chạy hệ điều hành Linux, cho phép người dùng thực hiện 99% các tác vụ giống như trên máy tính Windows, với một lợi thế lớn là tất cả đều hoàn toàn miễn phí.

Cộng đồng Raspberry Pi đang phát triển mạnh mẽ toàn cầu, nơi người dùng nhanh chóng nhận được giải đáp cho các thắc mắc của mình Họ có thể khám phá hàng ngàn dự án đã thực hiện và vô số ý tưởng sáng tạo Nhờ những ưu điểm nổi bật, Raspberry Pi đã vượt ra ngoài môi trường học đường, trở thành thiết bị ưa chuộng của nhiều người đam mê điện tử và lập trình.

CẤU TẠO CỦA RASPBERRY PI 3 B+

Hình 2.7: Mô hình Board Raspberry Pi 3 Model B [5]

Raspberry Pi được trang bị chip SOC Broadcom với tốc độ 700MHz, tương đương với nhiều chip trong smartphone phổ thông hiện nay, cho phép chạy hệ điều hành Linux Chip này tích hợp nhân đồ họa Broadcom VideoCore IV, đủ mạnh để chơi một số game phổ thông và phát video chuẩn full HD.

GPIO (General Purpose Input Output) có 8 ngõ, cho phép kết nối và điều khiển đa dạng thiết bị điện tử và cơ khí.

 Ngõ HDMI: dùng để kết nối Raspberry Pi với màn hình máy tính hay tivi có hỗ trợ cổng HDMI

Cổng RCA Video (analog) trên Raspberry Pi được thiết kế để phục vụ người dùng ở các nước đang phát triển, nơi mà nhiều người không có điều kiện sở hữu tivi mới tích hợp cổng HDMI Nhờ vào cổng video analog này, người dùng có thể dễ dàng kết nối Raspberry Pi với tivi cũ mà không gặp phải khó khăn nào.

Ngõ audio 3.5mm cho phép kết nối dễ dàng với loa ngoài hoặc headphone Đối với tivi có cổng HDMI, âm thanh đã được tích hợp qua đường tín hiệu HDMI, vì vậy không cần sử dụng ngõ audio 3.5mm này.

Cổng USB trên Raspberry Pi giúp mở rộng khả năng ứng dụng với 2 cổng USB 2.0, cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị như bàn phím, chuột, webcam và bộ thu GPS Nhờ vào việc chạy hệ điều hành Linux, hầu hết các thiết bị đều hỗ trợ tính năng cắm-và-chạy (Plug-&-Play) mà không cần cài đặt driver phức tạp.

 Cổng Ethernet: cho phép kết nối Internet tốc độ tối đa 100Mbps

 Khe cắm thẻ SD: Raspberry Pi không tích hợp ổ cứng Thay vào đó nó dùng thẻ SD

 Đèn LED: trên Pi có 5 đèn LED để hiển thị tình trạng hoạt động

Sơ đồ các chân ngõ vào ra trên Raspberry Pi 3 model B:

Hình 2.8: Sơ đồ chân GPIO của Raspberry [5] Đặc tính điện của các chân GPIO:

GPIO của Raspberry Pi 3 model B bao gồm 40 chân, được tổ chức thành hai hàng với mỗi hàng chứa 20 chân Một hàng có các chân được đánh số lẻ từ 1 đến 39, trong khi hàng còn lại có các chân được đánh số chẵn từ 2 đến 40, theo cách đánh số theo mạch (BOARD number).

GPIO của Raspberry Pi 3 model B gồm có:

2 chân có mức điện áp 3.3V (chân số 1 và chân số 17)

2 chân có mức điện áp 5V (chân số 2, chân số 4)

8 chân Ground (0V) (chân số 6, 9, 14, 20, 25, 30, 34 và 39)

Cùng với chức năng đơn giản của các chân ngõ vào và ngõ ra, các chân GPIO cũng có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhau

2.4.1.2 Phụ Kiện Hỗ Trợ Kèm Theo

Raspberry Pi được cung cấp dưới dạng một bo mạch đơn lẻ mà không bao gồm phụ kiện, nhằm giảm chi phí sản xuất Điều này cho phép người dùng tự do lựa chọn các phụ kiện phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình.

Sau đây sẽ là tổng hợp một số phụ kiện hữu ích cho Pi:

- Nguồn: loại có jack micro USB, 5V, tối thiểu 700mA

Thẻ nhớ SD là phần quan trọng lưu trữ toàn bộ hệ điều hành và dữ liệu của Raspberry Pi, vì vậy nên chọn thẻ nhớ chất lượng cao với tốc độ từ class 6 trở lên Raspberry Pi yêu cầu thẻ nhớ có dung lượng tối thiểu 4 GB để hoạt động hiệu quả.

- Bàn phím + chuột: là hai thành phần nhập liệu cơ bản của máy tính

- Cáp mạng: để kết nối Internet hoặc kết nối với máy tính Ch cần cáp RJ45 bình thường, bắt chéo hay không đều được

- Cáp màn hình: tùy theo loại màn hình sử dụng mà tương thích với cáp HDMI-

HDMI hoặc HDMI-DVI hoặc HDMI-VGA hay RCA Video

- Case bảo vệ: để tránh vô tình chạm vào mạch điện của Raspberry Pi hoặc bảo vệ

Raspberry Pi khi đặt ở ngoài trời thì case bảo vệ là rất cần thiết

Hình 2.9: Phụ kiện kèm theo với Raspberry Pi 3+ [5]

- Webcam hoặc Pi camera module (25$): cả hai đều hoạt động tốt trên

Raspberry Pi Điểm khác biệt là webcam kết nối qua USB còn camera module sử dụng khe cắm CSI có sẵn trên Raspberry Pi

Wifi USB dongle là thiết bị giúp Raspberry Pi kết nối với mạng wifi qua cổng USB Hai sản phẩm phổ biến được sử dụng là Edimax EW-7811Un và Ralink RT5370, nhờ kích thước nhỏ gọn, giá thành khoảng 10$ và hiệu suất tốt trên Raspberry Pi.

- Màn hình cảm ứng: gắn lên Raspberry Pi thay cho bàn phím và chuột giá bán khoảng 30$ (Raspberry, 2015)

2.4.1.3 Làm Việc Với Raspberry Pi Qua Máy Tính

Trong các ứng dụng có không gian hạn chế như sử dụng Raspberry Pi để điều khiển cửa tự động, việc kết nối màn hình, bàn phím và chuột trở nên không cần thiết Thay vào đó, người dùng có thể điều khiển Raspberry Pi từ xa thông qua hai công nghệ phổ biến là SSH và VNC Mỗi công nghệ này có những đặc điểm riêng, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể mà sẽ được trình bày sau đây.

Để điều khiển thiết bị, yêu cầu đầu tiên là biết địa chỉ IP của nó Đối với Raspberry Pi, bạn có thể dễ dàng xác định địa chỉ IP bằng cách mở LXTerminal và nhập lệnh sau:

Hình 2.10: Thông tin địa ch IP

23 Ở phần eth0, inet addr chính là địa ch IP Trong hình minh họa trên, địa ch IP chính là 192.168.1.9

Lưu ý: đây là địa ch IP động nên có thể thay đổi sau mỗi lần khởi động lại Raspberry

Có thể ch nh thành IP tĩnh bằng lệnh: sudo nano /etc/network/interfaces

Để cấu hình địa chỉ IP mong muốn, hãy chỉnh sửa phần eth0, sau đó lưu thay đổi và thoát bằng cách nhấn Ctrl + X Cuối cùng, khởi động lại Raspberry để áp dụng các thay đổi.

- Giao tiếp Raspberry Pi bằng SSH

SSH, viết tắt của Secure Shell, là một phương thức trao đổi dữ liệu an toàn và hiệu quả Để sử dụng SSH, người dùng cần cài đặt trên cả Raspberry Pi và máy tính.

Cài đặt SSH server trên Raspberry Pi

Raspbian đã tích hợp sẵn SSH nên để sử dụng chúng ta ch cần activate SSH server ở menu

Rasp-config bằng cách gõ ở LXTerminal: sudo raspi-config

Lúc này màn hình Raspi-config sẽ hiện ra cho phép tùy ch nh nhiều thông số hệ thống của Pi Chọn mục Advance Options – SSH – Enable rồi OK

Hình 2.11: Giao diện raspi-config

Cài đặt SSH client trên máy tính Windows

Phương pháp giải quyết

Các ứng dụng điều khiển hệ thống

3.1.1 Giới thiệu về IBM Bluemix

Các ứng dụng hiện nay đang thay đổi cách chúng ta tương tác với công nghệ trong công việc hàng ngày, dẫn đến một cuộc cách mạng ứng dụng Điện toán đám mây IBM Bluemix thúc đẩy "cuộc cách mạng ứng dụng" này bằng cách cho phép kết nối nhanh chóng giữa các ứng dụng IBM Bluemix, dịch vụ "nền tảng như một dịch vụ" của IBM, khuyến khích lập trình viên phát triển ứng dụng web và di động một cách nhanh chóng và minh bạch hơn.

Hình 3.1: Các mô hình dịch vụ trên đám mây

Lợi ích của việc sử dụng Bluemix :

- Thiết lập môi trường thực thi và triển khai ứng dụng nhanh chóng

- Cơ sở hạ tầng và nền tảng chạy ứng dụng được quản lý bởi nhà cung cấp dịch vụ

Chỉ cần một khoảng thời gian ngắn để cấu hình và triển khai ứng dụng cùng với dữ liệu, giúp bạn tập trung vào việc phát triển ứng dụng và quản lý dữ liệu hiệu quả hơn.

- Trong phạm vi đề tài ch tìm hiểu về những giải pháp về Internet of Things hiện có trên IBM Bluemix

3.1.2 Phương thức giao tiếp được sử dụng trên Waston IOT Platform

Giải pháp IoT dựa trên Waston IoT Platform

Hình 3.2: Mô hình dự án IoT trên Waston IoT Platform

Quy trình thiết kế mô hình nhà thông minh

Thiết kế mô hình nhà

Mô hình nhà ba tầng hiện đại này bao gồm garage, phòng ngủ và một khu vườn cây xanh, phù hợp với xu hướng thiết kế nhà phố hiện nay Thiết kế nhà không chỉ mang tính thẩm mỹ mà còn tối ưu hóa công năng sử dụng cho các gia đình ở thành phố.

Hình 4.1: Mẫu nhà tổng quát

Nhóm đã sử dụng vật liệu form cứng trong xây dựng để mô phỏng căn nhà, tiến hành đo đạc và cắt thành các miếng nhỏ Các miếng form này được cố định với nhau bằng keo 502 và keo đốt.

Thi công mô hình nhà thông minh

Lưu đồ giải thuật

5.1.1 Sơ đồ toàn bộ ứng dụng hệ thống SmartHome

Hình 5.1: Sơ đồ toàn bộ ứng dụng hệ thống SmartHome [13]

Trong hệ thống này, có hai thành phần chính: máy chủ (server) và máy khách (client) Máy chủ có thể là một website hoặc dịch vụ hosting, trong khi máy khách là bộ Raspberry Pi được cài đặt một đoạn mã agent bằng Python Bộ Raspberry Pi sẽ thường xuyên truy cập máy chủ để kiểm tra trạng thái bật/tắt của các thiết bị và điều khiển các thiết bị tại nhà thông qua các rơ-le.

Máy chủ sẽ có 3 kết nối với từng vai trò cụ thể:

 Kết nối giao diện web UI giúp truy cập và bật/tắt thông qua các sensor và thiết bị

 Kết nối với lưu dữ liệu trên đám mây đơn thuần ch lưu giữ tình trạng của các sensor

 Kết nối với arduino nhiệm vụ đọc trạng thái sensor và thiết bị từ dữ liệu trên đám mây Sau đó gửi về cho client khi có yêu cầu

Giải thuật thực hiện trên Arduino

Bảng 5.1: Lưu đồ giải thuật trên Arduino

Giới thiệu về bộ điều khiển: Cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển Mô hình nhà thông minh được thiết kế với các chức năng như sau:

- Điều khiển các thiết bị từ xa và biết được trạng thái của các thiết bị

- Đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà hiển thị lên LCD và điện thoại

- Hệ thống tưới cây dựa vào độ ẩm đất

- Tự động bật tắt bóng đèn khi có chuyển động

Hệ thống tự động bật đèn khi trời tối sẽ kiểm tra sự sẵn sàng của thiết bị và đọc lệnh điều khiển từ các cảm biến Nếu có lệnh điều khiển từ xa, hệ thống sẽ thực hiện điều khiển và sau đó kết thúc lệnh đó.

Trong trường hợp không có điều khiển từ xa, việc phân tích lệnh điều khiển sẽ được thực hiện qua công tắc Nếu phát hiện có điều khiển từ công tắc, thiết bị sẽ được điều khiển; nếu không, hệ thống sẽ kiểm tra cảm biến chuyển động Nếu có chuyển động, thiết bị sẽ hoạt động; nếu không, sẽ kiểm tra cảm biến hồng ngoại Khi có người trong phạm vi hồng ngoại, thiết bị sẽ được điều khiển; nếu không, sẽ kiểm tra cảm biến độ ẩm đất Nếu đất khô, thiết bị sẽ được bật; nếu đất ẩm, thiết bị sẽ tự động tắt và chuyển sang chế độ kiểm tra cảm biến ánh sáng.

Nếu trời tối thì bật đèn và nếu trời sáng thì tắt đèn Quá trình xét lệnh này lặp đi lặp lại không dừng.

Kết nối với các iot platfrom

Truy vấn thông tin địa ch các slave node Đọc trạng thái device và sensor

Begin by checking the status of the device and sensors Read the data from the DHT11 sensor, followed by the rainfall sensor, soil moisture sensor, light sensor, temperature sensor, and gas sensor.

Dữ liệu điểu khiển device

Dữ liệu yêu cầu điều khiển 1 decive

Dữ liệu yêu cầu điều khiển tắt tất cả Device

Dữ liệu yêu cầu điều khiển bật tất cả Device

Dữ liệu yêu cầu điều khiển khởi động lại hệ thống

So sánh dữ liệu hiện tại với trước đó

Bảng 5 2: Lưu đồ giải thuật thực hiện trên Raspberry

Lưu trữ và gửi dữ liệu đến iot platform

Sự kiện từ iot platform

Phân tích dữ liệu nhận được

Gửi yêu cầu kết nối và dữ liệu đến slave node

Trình duyệt sẽ kết nối với server được cài đặt trên Raspberry Pi, nơi hiển thị thông tin và nhận dữ liệu điều khiển từ người dùng Sau khi server xử lý và lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu, thông tin này sẽ được chuyển tới Master.

Kết quả đo đạc tại các node

Để theo dõi hiệu suất và trạng thái của từng Node, chúng ta lập trình để mỗi Node xuất giá trị qua các giao tiếp cụ thể Raspberry Pi kết nối qua SSH cho phép hiển thị trạng thái làm việc qua Putty, trong khi Arduino sử dụng UART để in kết quả lên màn hình console.

Tại Raspberry Pi – Master Node:

Hình 5.2: Thông tin trạng thái đọc được tại Raspberry Pi

Raspberry Pi có khả năng đọc dữ liệu từ các thiết bị và cảm biến mà nó kết nối Sau đó, Raspberry Pi gửi yêu cầu lấy dữ liệu từ các Slave Node theo địa chỉ được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu trực tuyến Cuối cùng, nó so sánh sự khác biệt trước khi gửi dữ liệu lên ứng dụng Web.

Mô hình thực tế

Hình 5.3: Mô hình thực tế

Raspberry Pi cung cấp thông tin cho người quản trị, cho phép theo dõi các giá trị thu được từ các Node cùng với các giá trị mà nó tự thu thập Mỗi Node chứa các giá trị từ thiết bị và cảm biến tương ứng.

Tại các Arduino – Slave Node:

- Các giá trị tại dãy “00…00” là các giá trị trạng thái của các chân Device đọc được Ở đây gồm có 10 giá trị thiết bị

Các giá trị tiếp theo bao gồm 8 dãy được đọc từ các cảm biến trong Node, được sắp xếp theo thứ tự: 2 giá trị nhiệt độ từ cảm biến DS18B20, độ ẩm và nhiệt độ từ cảm biến DHT11, cùng với 4 giá trị analog quy đổi về tỷ lệ phần trăm từ các cảm biến Gas, Mưa, Độ ẩm đất, và giá trị cuối cùng là giá trị dư.

Các dãy còn lại là chuỗi dữ liệu được gửi đến Master Node khi có yêu cầu, trong đó Master Node gửi “1” để yêu cầu cập nhật các giá trị từ thiết bị cảm biến.

Hình 5.4: Thông tin trạng thái đọc được tại Arduino

Để điều khiển thiết bị mong muốn trên ứng dụng Web, người dùng cần truy cập vào từng phòng có thiết bị Ví dụ, để tắt bóng đèn ở phòng "Children’s Room" tại tầng 2, chỉ cần chọn phòng đó trong ứng dụng.

Hình 5.5: Xác nhận thao tác tắt một thiết bị

Sau khi điều khiển thiết bị, ứng dụng Web gửi sự kiện đến IOT Platform Master Node theo dõi sự kiện và phân tích thông tin điều khiển Sau khi xác định thiết bị thuộc Node nào, Master Node gửi tín hiệu đến Node quản lý thiết bị đó Tại Arduino quản lý thiết bị, kết quả thu được.

Khi nhận tín hiệu “2” từ Master Node, Arduino sẽ tiếp tục thu thập giá trị Trong ví dụ này, kết quả thu được là “Device 3”, với trạng thái “0” cho biết thiết bị đó đang ở chế độ tắt.

Kết quả được thực hiện tức thì, chuỗi dữ liệu thiết bị từ “1111111110” đã thay đổi thành “1101111110” thông báo đã thay đổi

Hình 5.6: Trạng thái tại Arduino thông báo nhận tín hiệu điều khiển

Kết quả sẽ được cập nhật đến ứng dụng Web ngay sau đó, trạng thái của thiết bị “Light” đã chuyển sang đã tắt

Hình 5.7: Kết quả trả về thông báo trạng thái thiết bị Light đã tắt