TỔNG QUAN
Tổng quan về hệ thống nhà thông minh
Nhà thông minh, một chủ đề nghiên cứu lâu đời trong ngành khoa học công nghệ, đã được áp dụng vào đời sống từ đầu thế kỷ 20, đặc biệt ở các quốc gia phát triển Công nghệ điều khiển thông minh không ngừng được nâng cấp, mang lại nhiều tiện ích như hệ thống bảo mật, an toàn cho căn nhà, cảnh báo sự cố như cháy nổ, và cơ chế tiết kiệm năng lượng Những tính năng này đã nâng cao tính hữu dụng của nhà thông minh trong cuộc sống hàng ngày Theo thống kê năm 2012, tại Mỹ có khoảng 1.5 triệu hệ thống nhà thông minh được lắp đặt và sử dụng.
Nhiều tập đoàn đang nghiên cứu và phát triển các chuẩn công nghệ nhà thông minh để đáp ứng nhu cầu ứng dụng công nghệ hiện đại Hiện nay, các chuẩn công nghệ phổ biến trong lĩnh vực điều khiển nhà thông minh bao gồm C-BUS, Z-Wave, Zigbee, HAI OmniBus và Insteon.
Tính hữu dụng và mục tiêu của đề tài nghiên cứu
Cùng với sự tiến bộ của công nghệ, nhiều hoạt động của con người đang dần được thay thế bằng máy móc Công nghệ ngày càng thâm nhập sâu vào đời sống hàng ngày, tuy nhiên, phần lớn người dùng vẫn chưa hoàn toàn thích ứng với sự thay đổi này.
Hình 1.1: Minh họa nhà thông minh
Mô hình ngôi nhà thông minh mà bài viết đề cập không chỉ dành cho những người có thu nhập cao, mà còn hướng đến việc xây dựng một hệ thống đáp ứng nhu cầu cơ bản của người dùng, phù hợp với đa số người dân Việt Nam Mục tiêu là tạo ra những giải pháp thông minh, gần gũi và dễ áp dụng cho nhiều tầng lớp khác nhau trong xã hội.
Trong đồ án ngôi nhà thông minh, nhóm tập trung vào việc nâng cao tính hữu dụng cho quá trình thi công và thiết kế Cấu trúc ngôi nhà được chọn là một ngôi nhà 1 lầu với 6 phòng, trang bị các hệ thống điều khiển hiện đại, nhằm đạt được mục tiêu tối ưu hóa trải nghiệm sống cho cư dân.
Thiết kế hệ thống ánh sáng trong nhà: thiết kế ánh sáng trong phòng khách và phòng ngủ
Hệ thống điều khiển thiết bị quạt, tivi, máy lạnh,…
Thiết kế hệ thống báo cháy trong nhà và hiển thị nhiệt độ
Thiết kế hệ thống đóng mở cửa
Thiết kế hệ thống chống trộm
Điều khiển hệ thống thông qua giao diện web.
Quá trình và phương tiện nghiên cứu
3.1/ Quá trình nghiên cứu Áp dụng các phương pháp luận đã được học cùng với sự giúp đỡ của thầy đồ án, chúng em đã đi theo một chu trình nghiên cứu và hoàn thiện ngôi nhà thông minh như sau:
Tham khảo các Hệ thống nhà thông minh đã có và đưa ra những chỉ tiêu hướng đến thực hiện trong tương lai
Đặt vấn đề cho công việc thiết kế để dễ dàng điều khiển và mang lại tính thẩm mỹ
Tiến hành thu gom vật liệu và mua sắm thiết bị vi điều khiển, đồng thời nghiên cứu các thuật toán cho từng loại cảm biến và quy trình truyền nhận dữ liệu.
Thiết kế bản vẽ và thi công mô hình phần cứng, đính kèm các vi mạch cũng như hệ thống truyền nhận thông tin
Lên kế hoạch thực hiện, tìm hiểu thuật toán điều khiển chuyên sâu
Hoàn thiện, đánh giá, nhận xét kết quả
Giáo trình, sách báo và tài liệu trực tuyến là những nguồn thông tin phong phú và chính xác, cung cấp kiến thức cần thiết cho những ai mới tìm hiểu về nhà thông minh Những tài liệu này giúp xây dựng hướng điều khiển và hình thành hiểu biết đầy đủ về công nghệ nhà thông minh.
Trong nghiên cứu học thuật về Arduino, nhóm chúng em đã xác định vi điều khiển chính là Arduino và bắt tay vào tìm hiểu Là những học viên mới, chúng em gặp không ít khó khăn, nhưng nhờ sự hỗ trợ từ thầy cô, bạn bè và những kiến thức căn bản về Arduino từ internet và sách vở, chúng em đã có được nền tảng vững chắc Điều này đã tạo điều kiện cho sự phát triển học thuật của chúng em trong việc xây dựng ngôi nhà thông minh.
Mô hình OpenHAB hiện đang được ứng dụng để thiết kế giao diện web cho hệ thống điều khiển nhà thông minh, giúp cải thiện tính thẩm mỹ và dễ sử dụng so với việc phát triển giao diện trực tiếp trên vi điều khiển Ethernet shield Tuy nhiên, để sử dụng hiệu quả OpenHAB, kỹ sư cần nắm vững các quy tắc và công cụ thiết kế mà nó cung cấp Bên cạnh đó, việc truyền dữ liệu giữa giao diện và vi điều khiển yêu cầu sử dụng giao thức Mosquitto để đảm bảo quá trình truyền nhận diễn ra suôn sẻ.
Chương 1: Tổng quan Đi tổng thể hệ thống nhà thông minh và giới thiệu đôi nét về đề tài cũng như các phương thức nghiên cứu Đồng thời đưa ra những tiêu chí hoàn thành của đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Những chỉ tiêu kỹ thuật của ngôi nhà thông minh
1.1 Chỉ tiêu về ánh sáng:
Để đảm bảo hiệu quả sử dụng ánh sáng, cần chú ý đến chất lượng ánh sáng và khả năng tiết kiệm điện Mỗi khu vực cần có mức độ ánh sáng đồng đều, tránh tình trạng có chỗ quá sáng hoặc quá tối.
- Ánh sáng có thể được tắt mở thông qua hệ thông tự động điều khiển hoặc điều khiển từ xa
- Tiêu chuẩn chất lượng chiếu sáng theo TCVN 7114-2008
Bảng 2.1: Chỉ tiêu độ sáng
STT Không gian chức năng
Tiêu chuẩn chất lượng chiếu sáng Độ rọi (lux)
Chỉ số hoàn màu tối thiểu (Ra)
Giới hạn hệ số chói lóa
1 Phòng khách, sinh hoạt chung
2 Phòng ngủ ≥ 100 ≥ 80 Không xem xét
4 Hành lang, sảnh, ban công, cầu thang
6 Phòng vệ sinh, rửa mặt
1.2 Chỉ tiêu về thông gió:
- Đảm bảo lượng gió vừa đủ, tốc độ gió phù hợp với yêu cầu chung
- Ngoài ra lượng gió và tốc độ của gió có thể được thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng
Hệ thống tự động xác định thời điểm sử dụng gió tự nhiên và gió nhân tạo thông qua quạt máy thông gió, giúp tối ưu hóa hiệu suất không khí trong không gian.
- Thông gió phù hợp theo hệ số thông gió đã được tiêu chuẩn hóa:
Hệ số thông gió trong các tòa nhà CII thường được đo bằng lưu lượng không khí bên ngoài được đưa vào, với các đơn vị phổ biến là feet khối mỗi phút (CFM) hoặc lít mỗi giây (L/s).
Hệ số thông gió có thể được xác định dựa trên số lượng người hoặc diện tích sàn, ví dụ như CFM/p hoặc CFM/ft², cũng như thông qua sự thay đổi không khí theo giờ.
Trong các tòa nhà dân sự, việc thông gió chủ yếu dựa vào sự thấm gió, và hệ số thông gió được đo bằng số lần thay thế thể tích không khí bên trong mỗi giờ, gọi là sự thay đổi không khí mỗi giờ (ACH) Đơn vị đo này là 1/h Vào mùa đông, ACH có thể dao động từ 0,50 đến 0,41 cho những ngôi nhà được cách nhiệt chặt chẽ, trong khi đối với những ngôi nhà cách nhiệt lỏng lẻo, chỉ số này có thể lên tới 1,11 - 1,47.
ASHRAE hiện nay khuyến nghị hệ số thông gió dựa trên diện tích sàn, với giá trị điều chỉnh theo tiêu chuẩn 62-2001 Cụ thể, ACH tối thiểu là 0,35, không thấp hơn 15 CFM/người (7,1 L/s/người) Đến năm 2003, tiêu chuẩn đã được cập nhật thành 3 CFM/100 sq ft.
(15 l/s/100 sq m.) cộng với 7,5 CFM / người (3,5 L / s / người)
1.3 Chỉ tiêu về nhiệt độ:
Để bảo vệ sức khỏe của gia đình, hãy duy trì nhiệt độ trong nhà phù hợp với điều kiện khí hậu bên ngoài Việc này giúp tránh tình trạng chênh lệch nhiệt độ quá lớn khi ra vào, từ đó giảm nguy cơ mắc bệnh cho các thành viên trong gia đình.
Nhiệt độ lý tưởng cho phòng ở Việt Nam thường được thiết lập ở mức 25 ºC, mặc dù chuẩn quốc tế là 20 ºC Điều này xuất phát từ đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa của Việt Nam, nơi nhiệt độ thường dao động từ 20 ºC đến 30 ºC.
- Nhiệt độ trong nhà cũng có thể thay đổi được tùy theo sở thích của mỗi người thông qua hệ thống điều khiển từ xa
Cần trang bị thiết bị cảnh báo và phòng chống khi nhiệt độ vượt quá mức an toàn, chẳng hạn như thiết bị báo cháy, để gửi thông tin kịp thời cho người chủ qua Email hoặc Twitter.
1.4 Chỉ tiêu về an toàn:
- Cần đảm bảo việc phát hiện và cảnh báo khi có người lạ xâm nhập như phát loa báo, bật đèn, tự động đóng kín các cửa ra vào
- Gửi thông tin cho người chủ sử dụng khi phát hiện đột nhập hay canh báo không an toàn
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
Mô tả thuật toán điều khiển
Hệ thống điều khiển bằng tay Hệ thống tự động điều khiển
Kiểm tra đảm bảo an toàn
Báo động bằng loa và gửi mail cho người dùng
Bật đèn tại phòng tương ứng
Xác định yêu cầu và gửi tín hiệu thực thi
Bật quạt, máy lạnh tại phòng tương ứng
Sơ đồ 3.1: Thuật toán điều khiển Đ
Sơ đồ mô tả điều khiển hệ thống bằng tay :
Sơ đồ mô tả điều khiển hệ thống theo chế độ tự động :
Turn on Fan Turn on Light Turn off Air conditioner
Web server Điều kiện về nhiệt độ, ánh sáng
Turn on Fan Turn on Light Turn off
Sơ đồ 3.2: Thuật toán điều khiển bằng tay
Sơ đồ 3.3: Thuật toán điều khiển tự động
Ngôi nhà thông minh sử dụng hai phương thức điều khiển chính: trực tiếp và tự động, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quản lý không gian sống Các ứng dụng thực tế của mô hình này có thể được phân tích chi tiết hơn để hiểu rõ hơn về lợi ích và tính năng của từng phương thức.
Thông qua giao thức MQTT, người dùng có thể dễ dàng điều khiển thiết bị trong ngôi nhà một cách nhanh chóng và hiệu quả nhờ vào giao diện trực quan trên ứng dụng OpenHab Các thông số của ngôi nhà được truyền tải qua giao thức này, giúp người dùng thực hiện các tác vụ phù hợp như bật quạt, đèn, điều hòa và lò sưởi.
Hệ thống tự động hoạt động thông minh theo các quy tắc đã được định nghĩa trước, cho phép người dùng can thiệp khi cần thiết, nhưng điều này không thường xuyên xảy ra Các tác vụ tự động như bật lò sưởi khi nhiệt độ phòng thấp hay tự động bật đèn khi ánh sáng không đủ đều được xem là hợp lý, giúp cải thiện sự tiện nghi trong sinh hoạt và làm việc.
Hệ thống nhà thông minh sử dụng giao thức HTTP để truyền nhận dữ liệu thông tin, kết hợp với ứng dụng mã nguồn mở MQTT, hỗ trợ các phiên bản 3.1 và 3.1.1 MQTT cung cấp phương pháp gửi tin nhắn nhanh chóng, lý tưởng cho các ứng dụng "máy tính đến máy" với cảm biến điện năng thấp và thiết bị di động như điện thoại, máy tính nhúng hoặc vi điều khiển như Arduino.
Hình 3.1: Mô tả giao thức truyền MQTT
Giao thức được mô tả qua hình vẽ, cho phép quét mọi quá trình kết nối và kiểm tra khi khởi động Lập trình viên có thể truy cập từng kết nối theo địa chỉ quy định để theo dõi quá trình kết nối chi tiết hoặc tổng thể Hệ thống tác vụ trong căn nhà hiện đang ở chế độ tắt, với tất cả giá trị là 0 Khi bật đèn phòng khách, địa chỉ ô đầu tiên sẽ hiển thị giá trị 1 Ngoài ra, có thể truy cập dữ liệu cảm biến của từng phòng để giám sát một cách cụ thể.
Sơ đồ dưới đây minh họa quá trình kết nối hệ thống ngôi nhà thông minh sử dụng Arduino kết nối với Ethernet shield qua router mạng, cho phép giao tiếp với người dùng trong mạng nội bộ Điều này giúp người dùng dễ dàng điều khiển ngôi nhà của mình thông qua kết nối mạng nội bộ.
MÔ HÌNH PHẦN CỨNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
i điều khiển Arduino Atmega 2560
Arduino Mega 2560 là một bo mạch vi điều khiển sử dụng chip ATmega2560, cung cấp 54 chân kỹ thuật số đầu vào/đầu ra, trong đó có 15 chân hỗ trợ đầu ra PWM Ngoài ra, nó còn có 16 đầu vào analog và 4 cổng UART cho kết nối nối tiếp phần cứng.
Bảng mạch 16 MHz với dao động tinh thể, kết nối USB, jack cắm điện, tiêu đề ICSP và nút reset cung cấp mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển Người dùng chỉ cần kết nối với máy tính qua cáp USB hoặc cấp điện bằng bộ chuyển đổi AC-to-DC hoặc pin để bắt đầu Mega tương thích với hầu hết các lá chắn được thiết kế cho Arduino Duemilanove hoặc Diecimila.
Vi điều khiển ATmega2560 Điện Áp Hoạt Động 5V Điện áp đầu vào (được đề nghị) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Digital I / O Pins 54 (trong đó có 15 cung cấp đầu ra PWM)
DC hiện tại mỗi I / O Pin 40 Ma
DC hiện tại cho 3.3V Pin 50 Ma
Bộ Nhớ Flash 256 KB trong đó 8 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động
Tốc Độ Đồng Hồ 16 MHz
i điều khiển Arduino Uno
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển sử dụng chip ATmega328, tích hợp 14 chân kỹ thuật số cho đầu vào và đầu ra, trong đó 6 chân có khả năng hoạt động như các chân đầu ra PWM.
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
Bảng mạch này bao gồm PWM, 6 đầu vào analog, 16 MHz cộng hưởng gốm, kết nối USB, jack cắm điện, tiêu đề ICSP và nút reset Nó cung cấp mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; chỉ cần kết nối với máy tính qua cáp USB hoặc cấp điện bằng bộ chuyển đổi AC-to-DC hoặc pin để bắt đầu sử dụng.
Uno khác với các phiên bản trước vì không sử dụng chip FTDI để điều khiển USB-to-serial Thay vào đó, nó trang bị vi điều khiển Atmega16U2 (hoặc Atmega8U2 ở phiên bản R2) để chuyển đổi USB-to-serial Board hoạt động với điện áp 5V, với điện áp đầu vào được khuyến nghị là 7-12V và giới hạn từ 6-20V.
Digital I / O Pins 14 (trong đó có 6 cung cấp đầu ra PWM)
DC hiện tại mỗi I / O Pin 40 Ma
DC hiện tại cho 3.3V Pin 50 Ma
Bộ Nhớ Flash 32 KB ( ATmega328 ) trong đó 0,5 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động
Tốc Độ Đồng Hồ 16 MHz
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật Arduino Uno (ATmega328)
Thiết kế bản vẽ cho quá trình thi công
28 Bản vẽ chi tiết của mô hình ngôi nhà:
Hình 4.3: Bản vẽ thiết kế ngôi nhà
29 Định vị cảm biến trên mô hình :
Hình 4.4: Vị trí cảm biến trên mô hình ngôi nhà
