ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN o0o - BK TP HCM ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MƠ HÌNH I-HOME GVHD : TS TRỊNH HỒNG HƠN SVTH : DƯƠNG NGỌC BẢO KHOA 1411801 ĐINH VĂN PHÚC TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2017 i 1412933 TĨM TẮT ĐỒ ÁN Nhà thơng minh công nghệ phục vụ cho sống người, xu hướng tương lai nhằm phục vụ tối đa sống loài người Khái niệm nhà thông minh gần đần trở nên quen thuộc Cùng với việc phát triển nhanh chóng cơng nghệ thơng minh nay,nhu cầu tiện dụng xã hội ngày đòi hỏi cao Trong đó, nhà thơng minh hướng tiềm Thiết kế mơ hình nhà thơng minh khơng giúp sinh viên ứng dụng kiến thức vào thực tế mà giúp mở rộng vốn kiến thức cách giải vấn đề trước dự án có ứng dụng thực tế Bill Gates vừa chi hàng trăm triệu đô la để biến ngơi nhà trở thành khu nghỉ dưỡng thông minh với công nghệ nhà thông minh đại giới, điểm khởi đầu thuận lợi lĩnh vực đón nhận nhiều từ thành phần, việc nâng cao chất lượng sống khơng điều viển vong Đánh giá chung chuyên gia thị trường nhà thông minh ngày phát triển bùng nổ thời gian tới Các chuyên gia Berg Insight phân tích, quy mơ tới đạt 9.5 tỷ đô la vào năm 2015, bùng nổ mạnh mẽ vào năm 2017 với 44 tỷ đô la Chương 1: Khái quát định nghĩa nhà thông minh, chức nhà thông minh Tr1 Chương 2: Cơ sở lý thuyết chuẩn truyền RS485 vi điều khiển Tr14 Chương 3: Thiết kế thi công thực phần cứng cho mơ hình nhà thơng minh Tr33 Chương 4: Giải thuật phần mềm Tr42 Chương 5: Kết thực mơ hình hình ảnh thực tế mơ hình Tr56 Chương 6: Kết luận hướng phát triển đề tài Tr62 Tài liệu tham khảo Tr64 ii Chương 1: Giới thiệu GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ I-HOME: 1.1.1 Giới thiệu: Nhà thông minh hay thuật ngữ “Intelligent Home” hiểu ngơi nhà có hệ thống thiết bị điện tử gia dụng kết nối với thành mạng thiết bị hoạt động theo kịch tùy biến, nhằm tạo môi trường sống tiện nghi, an toàn, tiết kiệm lượng hay ta còn có định nghĩa khác là “một ngơi nhà tích hợp mạng truyền thông kết nối thiết bị dịch vụ điện gia dụng yếu, cho phép chủ nhân nhà điều khiển, giám sát truy cập chúng từ xa” Thành phần hệ thống nhà thông minh bao gồm cảm biến (cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng cảm biến cử chỉ), điều khiển máy chủ thiết bị điện gia dụng đầu cuối (thiết bị an ninh, hệ thống cửa, điều hòa, rèm mành, hệ thống đèn, quạt thơng gió, ti vi, bếp gas, bếp từ…) kết nối với Chủ nhà quan sát, nắm bắt đầy đủ tình hình nhà, dễ dàng điều khiển thiết bị nhà dù đâu thông qua điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính cá nhân có kết nối internet Bên cạnh đó, nhà thông minh còn có thể tự động hóa hoạt động nhà theo ngữ cảnh lập trình trước, từ ánh sáng, nhiệt độ, an ninh bảo vệ, hệ thống giải trí… Chương 1: Giới thiệu Một những điểm nhấn nhà thông minh hệ thống an ninh Hệ thống bao gồm thiết bị kiểm soát ra/vào, hàng rào điện tử, khóa cửa điện từ Camera chuyển hình ảnh khu vực cần bảo vệ đến thiết bị điều khiển, thông báo cho chủ nhà biết, đồng thời chủ nhà lệnh mở cửa thơng qua hình cảm ứng Khi gặp cố hay có người xâm nhập, hệ thống đưa cảnh báo tự động xử lý tình theo kịch cài đặt từ trước Bên cạnh đó, thông qua các thiết bị cảm biến, hệ thống giám sát môi trường nhà thông minh liên tục cập nhập thông số nhiệt độ, độ ẩm, lượng oxy… khu vực ngơi nhà Máy chủ phân tích thông số lệnh điều khiển thiết bị điều hòa nhiệt độ, máy hút ẩm, quạt thơng gió… nhằm trì tạo trạng thái mơi trường tốt tồn ngơi nhà Một đặc điểm bật khác tòa nhà thơng minh tiết kiệm lượng Hệ thống điều hoà nhiệt độ áp dụng biện pháp kiểm soát, khống chế bật/tắt tối đa, nhằm tiết kiệm lượng ưu việt; phòng lắp đặt máy cảm ứng điện tử máy xử lí loại nhỏ, tự động điều tiết nhiệt độ, nguồn ánh sáng, độ nóng lạnh và thơng gió… Ngoài ra, hệ thống đèn các phòng bật sáng có người bước vào tự động tắt khơng có người; bạn rời nhà thiết bị điện máy lạnh, quạt, đèn, tivi tự động tắt So với kiến trúc bình thường, nhà thơng minh tiết kiệm 30% nguồn lượng Với phổ biến điện thoại thơng minh, máy tính bảng; phát triển mạnh mẽ thiết bị điện thông minh, nhà thông minh trở Chương 1: Giới thiệu thành xu thịnh hành tương lai Tùy vào điều kiện tài chính, gia đình, các doanh nghiệp tự động hóa phần hay tồn nhà, nhằm quản lý hiệu thiết bị điện, nâng cao chất lượng sống Hình 0.1 Sơ đồ tổng thể một hệ thống nhà thông minh 1.1.2 Các tính năng: 1.1.2.1 An ninh Việc sử dụng hệ thống camera đại tích hợp hệ thống liên kết mạng giúp có thể quan sát hoạt động và ngồi ngơi nhà có thể cảnh báo cho biết có kẻ gian qua Chương 1: Giới thiệu điện thoại di động hay email và phát tín hiệu để cảnh báo,báo động Ngoài ra,sử dụng các khoá điện tử và cảm biến gắn nhà là lớp bảo vệ vững cho nhà để ngăn người lạ đột nhập Hệ thống an ninh thường bao gồm phận, hoạt động độc lập: điều khiển trung tâm (kiểm soát trung tâm); các thiết bị cảm biến ngoại vi khác (các sensor) cảm biến báo nhiệt, báo khói, báo trộm, cảm biến chuyển động; các thiết bị báo hiệu loa, còi hú, đèn chớp, điện thoại… Hình 0.1 Sơ đồ hệ thống giám sát camera Chương 1: Giới thiệu Hình 1.2 minh hoạ cho hệ thống giám sát đại, có khả ghi lại hoạt động xảy đồng thời có thể quan sát từ xa qua máy tính xách tay máy tính để bàn có truy cập internet Các thiết bị quan sát còn giúp người chủ có thể tiếp khách qua camera ngoài cửa không có mặt nhà Sử dụng kết hợp kĩ thuật xử lý ảnh với camera phân giải cao giúp nhận diện khuôn mặt, giảm thiểu các rắc rối và cố ngoài ý muốn thất lạc chìa khoá với các khoá truyền thống, quên mật mã các khoá điện tử … Cảnh báo khí gas, báo cháy báo khói : Một điều khiển trung tâm có thể quản lý nhiều thiết bị cảm biến khói và nhiệt kích hoạt tín hiệu báo còi kêu chỗ và xử lý theo số tính thiết lập sẵn bật sáng toàn đèn trong, ngoài nhà, gửi cảnh báo đến người chủ qua điện thoại, email…sau khoảng thời gian định trước, không có phản ứng người sử dụng, hệ thống tự động ngắt điện toàn nhà tránh việc chập cháy lan truyền, phun nước dập lửa 1.1.2.2 Chiếu sáng Các mẫu nhà thông minh sử dụng các thiết bị tự động bật tắt đèn nhận thấy diện người, các tính này mở rộng theo các tính đem lại tiện ích cho chủ nhà  Tính theo lịch trình: Các đèn vị trí cài đặt để bật hay tắt theo khung định quy định trước chủ nhà Chương 1: Giới thiệu Hình 0.2 Hệ thống đèn ngoài trời bật tắt dựa theo ánh sáng tự nhiên  Tính cảm biến chuyển động : cảm biến chuyển động nhận diện có người và truyền tín hiệu cho hệ thống điều khiển bật đèn có người.Ngoài việc tự điều khiển độ sáng phù hợp với đón khách vào nhà Đèn tự động tắt sau phút khơng có người các khu vực này Chức này thực các cảm biến chuyển động ngoài trời và nhà có tích hợp chức đo độ sáng bố trí khoa học Chương 1: Giới thiệu Hình 0.3 Đèn Led cảm ứng chủn đợng L0605  Tính điều khiển theo hoạt cảnh : Với tính này, người chủ có thể thiết lập các chế độ định sẵn kịch ứng với hoàn cảnh cụ thể, giúp tiết kiệm thời gian chỉnh định, mang lại hiệu sử dụng cao và tiết kiệm cho chủ nhà Các kịch này ta có thể thay đổi tuỳ theo sở thích sinh hoạt gia đình Ví dụ, bấm phím “tiếp khách”, đèn chùm tăng dần độ sáng, nhóm đèn hành lang tăng dần độ sáng đến 60%, các nhóm đèn phụ trợ cần thiết bật sáng Tất các hoạt động này thực lúc với phím bấm Tương tự vậy, các phím bấm “dạ tiệc”, “ăn tối” hay “bình Chương 1: Giới thiệu thường” điều chỉnh các thiết bị điện các chế độ hoạt động tối ưu cho hoàn cảnh tương ứng, 1.1.2.3 Điều khiển Tính điều khiển thơng minh thực qua các panel điều khiển với công nghệ tiên tiến, đặt các vị trí phù hợp với nội thất và thuận tiện cho việc sử dụng Từ các panel này, ta có thể thiết lập và tuỳ chỉnh toàn các hệ thống chiếu sáng, rèm cửa, an ninh, điều hoà nhiệt độ nhà Hình 0.4 Giao diện điều khiển nhà thông minh ACIS Ngoài còn có các công cụ điều khiển nâng cao phần mềm điều khiểu cài đặt điện thoại di động, laptop, trang web điều khiển, remote… Các tiện ích này giúp người dùng linh hoạt và chủ động việc giám sát và quản lý từ xa các hoạt động nhà Chương 4: Giải thuật xậy dựng phần mềm trình gửi dữ liệu Slave nút nhấn kiểm tra xem đường truyền bận hay rỗi Nếu đường truyền rỗi truyền dữ liệu thơng thường Ngược lại, đường truyền bận( có Slave khác truyền dữ liệu lên đường truyền) Slave đợi khoảng thời gian random bắt đầu truyền dữ liệu lên đường truyền sau đó trở trạng thái truyền tiếp tục lắng kiểm tra đường truyền  Slave relay Khi khởi động hòa vào mạng truyền thơng mơ hình Slave relay có nhiệm vụ gửi Frame truyền đăng kí trạng thái hoạt động đến Master, sau đó Master cho phép hoạt động Slave relay chuyển trạng thái hoạt động Khi trạng thái hoạt động, Slave relay trạng thái chờ( Chân Unable RS485 trạng thái LOW) Khi nhận Frame truyền yêu cầu làm việc đến từ Master , Slave Output chuyển sang trại thái hoạt động xử lý yêu cầu đến từ Master sau đó trở trạng thái chờ hoạt động  Phân tích Như vậy bắt đầu khởi động Master cập nhật tất trạng thái các Slave Sau đó Master Slave vào trạng thái “chờ hoạt động” Phương thức truyền thông giải vấn đề tồn chế hỏi lặp vòng cụ thể sau: - Về phần cứng: trạng thái chờ, có vi điều khiển hoạt động, các đèn LED hiển thị không sáng khơng có frame hoạt động liên tục đường truyền - Về vấn đề thời gian: Phương thức truyền thông không truyền frame lên đường truyền liên tục nên thời gian Delay liên tục 51 Chương 4: Giải thuật xậy dựng phần mềm dường không có, thay vào đó frame gửi lên đường truyền khoảng Delay nhỏ ( đủ để bật trạng thái IC RS485 lên HIGH) sau đó trở trạng thái chờ Điều khiến ta mở rộng thêm nhiều Slave mà không cần quan tâm nhiều vấn đề Delay - Về quản lý: Phương thức truyền thông không truyền frame lên đường truyền liên tục nên đường truyền trống Điều tránh các trường hợp đường truyền chồng chéo dẫn đến sai frame truyền Bên cạnh đó với chế kiểm tra đường truyền giúp giải vấn đề chồng chéo đường truyền Slave truyền lúc Tuy nhiên tỉ lệ Slave frame xảy thời gian gửi xử lý tính ms nên tỉ lệ rất nhỏ Bên cạnh đó, trạng thái Slave lưu lại hiển thị lên máy tính( Hoặc thiết bị hình hiển thị để người sử dụng cập nhật tình hình mơ hình) Bên cạnh đó là các biến lưu giá trị để quản trí trạng thái thiết bị Trong phương thức truyền việc luân chuyển giữa trạng thái quan trọng Vì trạng thái thiết bị làm những công việc khác Sau là sơ đồ trạng thái thiết bị sử dụng mơ hình Master: 52 Chương 4: Giải thuật xậy dựng phần mềm Hình 0.3 Lưu đồ trạng thái Master Slave: Hình 0.4 Lưu đồ trạng thái Slave Thiết kế và qui định Frame truyền: Một Frame truyền gồm 12 byte cấu trúc theo dạng: 0xMTX1X2X3X40xFF 0xSLXXXX0xFF Trong đó byte đầu 0x là byte đầu Frame truyền có tác dụng để nhận biết, nhiên phát triển mơ hình với nhiều Master 53 Chương 4: Giải thuật xậy dựng phần mềm sử dụng byte này, byte để xác định Frame truyền từ đối tượng là: MT: Master SL: Slave Khi đó byte mở đầu có dạng 0xMT tức là gửi từ Master byte có dạng 0xSL gửi từ Slave byte X1X2 dùng biểu diễn mã số Slave byte X3X4 dùng biểu diễn trạng thái Slave byte cuối 0xFE để kết thúc Frame Có thể dùng để mở rộng số lượng Slave trạng thái, Với quy định vây Master có số dạng Frame truyền sau: 0xMT03XX0xFE : gửi Frame truyền đến Slave 03 yêu cầu chuyển sang trạng thái XX 0xMT01XX0xFE : gửi Frame truyền đến Slave 01 yêu cầu chuyển sang trạng thái XX XX trạng thái làm việc Slave Các trạng thái khác phụ thuộc vào dạng Slave Input hay Output thể rõ đoạn code chạy chương trình Với quy định vây Slave có số dạng Frame truyền sau: 0xSL02XX0xFE : gửi Frame đến Master với 02 Slave 02, XX trạng thái Slave Tương tự với Slave lại Frame truyền trạng thái thể rõ phần phần code chạy chương trình 54 Chương 4: Giải thuật xậy dựng phần mềm 55 Chương 5: Kết thực CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 TỔNG THỂ MƠ HÌNH: Hình 0.1 Tởng thể mơ hình 5.2 KHỚI MASTER: Mạch hồn chỉnh: 56 Chương 5: Kết thực Hình 0.2 Mạch master hoàn chỉnh Layout: Hình 0.3 Layout Master 57 Chương 5: Kết thực 5.3 KHỚI SLAVE: 5.3.2 Slave nút nhấn Mạch hồn chỉnh: Hình 0.4 Mạch Slave Input Button hoàn chỉnh 58 Chương 5: Kết thực Layout: Hình 0.5 Layout Slave nút nhấn 59 Chương 5: Kết thực 5.3.3 Slave Relay Mạch hoàn chỉnh Hình 0.6 Slave Output Relay hoàn chỉnh 60 Chương 5: Kết thực Layout: Hình 0.7 Layout Output Relay 61 Chương 6: Kết luận hướng phát triển Chương 6:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1.1 Kết luận 1.1.1 Kết đạt được  Mơ hình master,2 slave chạy thành cơng ,có khả mở rộng lên nhiều slive  Thiết kế và chạy thành công giao thức truyền thông rs485  Thiết kế sản phẩm Altium thi cơng mạnh  Nắm tính số vi điều khiển các linh kiện điện tử khác 1.1.2 Hạn chế Bên cạnh những kết đạt được, ngồi hạn chế thời gian nghiên cứu,còn có những hạn chế chủ quan làm ảnh hưởng đến chất lượng đồ án  Về phần cứng: o Mới thực phần mạch để truyền nhận thành công qua giao thức truyền thông, chưa có phần cảm biến và điều khiển qua internet o Mơ hình chưa mang lại tính tối ưu và khả dụng lắp đặt cho nhà  Về hạn chế người thực hiện: o Thiếu kinh nghiệm việc thiết kế thi công mạch điện o Hạn chế khả xếp phân bố thời gian làm ảnh hưởng đến việc phát triển thuật toán o Thiếu kinh nghiệm việc xây dựng thư viện để tối ưu code, thiếu kiến thức ứng dụng IOT 62 Chương 6: Kết luận hướng phát triển 1.2 Hướng phát triển Đồ án chủ yếu tập trung tìm hiểu,thi cơng hệ thống nhà thơng minh mà cốt lõi truyền nhận qua chuẩn giao tiếp Mở rộng tìm hiểu cho việc thiết kế các tính khác interne, an ninh, ánh sáng, giải trí… Các hướng phát triển: - Tiếp tục hoàn thiện mơ hình với việc kết nối internet khối khác Tìm hiểu các tính thơng minh để phát triển theo hướng chuyên đề ứng dụng thông minh 63 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Xuân Tuấn Anh, “Thiết kế I-home”, Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ Thuật Điện, ĐHBK TP.HCM, 2016 [2] Pay it forward [3] Trần Văn Sư, “ Truyền số liệu mạng”, Nhà xuất ĐHQG TP.HCM, ĐHBK TP.HCM [4] RS-485 data sheet [5] Tự học lập trình Adruino: Adruino.vn [6] Học ARM.VN 64 Tài liệu tham khảo 65