60 Khoa học & Công nghệ - Số 30/Tháng 6 - 2021

(1)

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT NHÀ THÔNG MINH (SMART HOME)

Bùi Văn Dân^1,*, Trần Đình Toàn², Vũ Trọng Trường¹

1 Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên

2 Trường Cao đẳng Cơ điện và Xây dựng Bắc Ninh

* Tác giả liên hệ: [email protected] Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 05/02/2021

Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 16/04/2021 Ngày bài báo được duyệt đăng: 25/06/2021 Tóm tắt:

Bài báo này trình bày các bước Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát nhà thông minh (SMART HOME). Mục tiêu của việc thiết kế hướng đến tạo công cụ, thiết bị hỗ trợ cho việc quản lý nhà ở, nhà xưởng một cách thuận lợi, tiện dụng hơn, an toàn hơn. Đồng thời là sản phẩm thực tế phục vụ công tác giảng dạy.

Qua đó thúc đẩy việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị ứng dụng cho giảng dạy thực hành trong nhà trường.

Từ khóa: Hệ thống nhà thông minh, Công nghiệp 4.0, Smart Home.

1. Giới thiệu

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao, Vì vậy việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống, công việc càng cần thiết hơn. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử, trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực đời sống như khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp, nông nghiệp, đời sống, quản lý thông tin…

1.1. Do nhu cầu xã hội

Trong thời kỳ phát triển hiện nay, điện thoại di động là một thiết bị không thể thiếu trong cuộc sống. Năm 2019, dân số Việt Nam đạt mốc xấp xỉ 97 triệu dân, với tỷ lệ dân thành thị là 36%. có 64 triệu người sử dụng Internet, tăng đến 28% so với năm 2017 [1].

Theo số liệu thống kê, có tới 58 triệu người dùng mạng xã hội trên thiết bị di động tính đến đầu năm 2019, con số này tăng đến 8 triệu người dùng so với cùng kỳ năm trước. Mặc dù dân số chỉ đạt 96,96 triệu người nhưng số thuê bao điện thoại đã được đăng ký lên tới 143,3 triệu số. Điều này cho thấy phần đông người dân Việt Nam đã tiếp cận với điện thoại di động thông minh và cũng không ít người sử dụng 2-3 chiếc điện thoại cùng một lúc để phục vụ cho cuộc sống, cũng như công việc [1].

Ngoài chức năng nghe và nhận cuộc gọi, nhắn tin, xem phim, chơi game, chụp ảnh…điện thoại

còn có khả năng giám sát và điều khiển thiết bị từ khoảng cách xa thông qua kết nối internet /wifi. Từ nhu cầu thực tế cần có một thiết bị điều khiển hệ thống chiếu sáng trong nhà; hệ thống nhiệt độ và độ ẩm trong gia đình; hệ thống mở cửa bằng vân tay;

hệ thống cảnh báo cháy trong nhà...bằng điện thoại di động, thông qua Module Wifi ESP8266. Điều này giúp hệ thống hoạt động chính xác, linh hoạt và đáng tin cậy.

Hình 1. Tình hình sử dụng Internet ở Việt Nam năm 2019. [1]

1.2. Do nhu cầu thị trường

Thị trường nhà thông minh tại Việt Nam được đánh giá có tiềm năng rất cao.

Trong tổng số các sản phẩm nhà thông minh được bán ra thì đóng góp nhiều nhất vào doanh thu có thể thấy ở thông qua infographic [2].

(2)

Các nhà thông minh ở Việt Nam hiện nay đang phát triển về chủ yếu thành phần điều khiển và vẫn còn sơ khai. Vì vậy tiềm năng của thị trường nhà thông minh ở Việt Nam là rất lớn. Sự bùng nổ của cuộc cách mạng 4.0 sẽ mang đến nhiều thiết bị điện thông minh cho ngôi nhà. Đó là cơ hội cho sự phát triển của thị trường nhà thông minh ở Việt Nam.

1.3. Do sự phát triển của khoa học công nghệ Đề xuất phương pháp thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển và giám sát nhà thông minh. Để tạo ra một môi trường tiện nghi, an toàn, thông minh và tiết kiệm, ứng dụng trong mọi mặt của cuộc sống như:

• Ứng dụng trong trường học

- Sản phẩm của đề tài được ứng dụng làm phương tiện trực quan giảng dạy cho các môn học Đo lường và cảm biến, Vi điều khiển,Vi xử lý, Điều khiển điện - khí nén, Trang bị điện,...đáp ứng đầy đủ cho mục tiêu đào tạo.

- Mô hình sản phẩm mẫu gần giống với một ngôi nhà thông minh hiện nay, giúp cho sinh viên khi ra trường được tiếp cận nhanh chóng với sản phẩm thực tế.

• Ứng dụng IoT vào trong nông nghiệp [3]

- Áp dụng công nghệ khoa học vào toàn bộ quá trình trong nông nghiệp (khép kín). Cụ thể là áp dụng công nghệ thông tin, điện tử, viễn thông vào các quá trình từ chuẩn bị giống, đất,... => Trồng trọt - chăn nuôi => Thu hoạch => Chế biến => Bảo quản

=> Phân phối => Đến bàn ăn.

- Dữ liệu thu thập được phải tạo thành database ở quy mô lớn, để dần tự động hóa được cả quá trình (tức là loại bỏ dần “kinh nghiệm” của con người, chủ động nhận biết vấn đề và đề xuất cách giải quyết), có thể gọi là trí tuệ nhân tạo, thay con người đưa ra quyết định.

Hệ thống điều khiển tưới: Hệ thống bao gồm các thiết bị: đầu tưới nhỏ giọt hoặc đầu tưới phun sương/mưa, bộ châm phân, bộ điều khiển tưới...

hệ thống giúp tưới nước/phân một cách tiết kiệm, hiệu quả và đạt năng suất cao. Giúp người nông dân giảm giá thành chi phí sản xuất.

Hệ thống điều khiển khí hậu: Hệ thống bao gồm các cảm biến nhận biết nhiệt độ, độ ẩm bên trong và bên ngoài nhà kính, hệ thống quạt thông gió để đối lưu không khí, hệ thống đèn chiếu sáng để có thể tăng cường ánh sáng khi cần thiết, trạm đo

thời tiết để biết các thông số: cường độ bức xạ mặt trời, cảnh báo mưa, tốc độ gió, lưu lượng mưa,....

Mục đích giúp nhà kính duy trì ở điều kiện mong muốn.

Hình 2. Mô hình nhà kính - green house

• Ứng dụng trong công nghiệp [4]

Việc ứng dụng IoT trong công nghiệp được gọi là IIoT (Industrial Internet hay Industry 4.0).

IIoT sẽ cách mạng hóa viêc sản xuất nhờ việc thu nhận và truy cập vào nguồn dữ liệu khổng lồ với tốc độ lớn hơn và hiệu quả hơn nhiều trước đây. Nhiều công ty đã bắt đầu áp dụng IIoT bằng cách sử dụng các tiết bị có kết nối mạng và trí tuệ nhân tạo trong nhà máy, tiêu biểu như:

Hình 3. Máy bán hàng tự động

Với những chiếc máy bán hàng tự động sẽ cung cấp dịch vụ 24/7 không ngừng nghỉ. Với bộ I/O phong phú có thể kết nối và điều khiển các thiết bị ngoại vi và cảm biến chính để cung cấp thu thập dữ liệu và phân tích dữ liệu theo thời gian thực cũng như quản lí tự động để đảm bảo hoạt động trơn tru.

(3)

Hình 4. Sản xuất bia Craft thông minh Giải pháp IIoT sẽ giúp các nhà sản xuất bia theo dõi nhiệt độ dể đảm bảo chất lượng. Thu thập và báo cáo dữ liệu để giúp người dùng đảm bảo tiến trình của bia diễn ra tốt nhất. Đặc biệt là giám sát việc vận chuyển bia.

Hình 5. Hệ thống vận tải thông minh

Các nhà khai thác vận tải cố gắng đạt được tổng chi phí sở hữu thấp nhất có thể cho các đội xe của mình trong khi đó phải tuân thủ các quy định an toàn và môi trường nghiêm ngặt. Tiêu thụ nhiên liệu, quản lý tuyến đường, hiệu xuất lái xe và bảo dưỡng góp phần vào mục tiêu này.

May mắn là IIoT cũng đóng một phần bằng cách kết nối các ứng dụng để cung cấp dữ liệu và dịch vụ cho hoạt động của đội vận tải an toàn hơn, xanh hơn và tiết kiệm chi phí.

2. Xây dựng mô hình điều khiển 2.1. Yêu cầu công nghệ

- Thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển trên mô hình thực tế.

- Sử dụng cảm biến vân tay để quản lý dữ liệu người ra vào và đóng mở cửa chính.

- Sử dụng các cảm biến phù hợp cho từng hệ thống như: DHT11, MQ2, AS608, SR505 [5].

- Sử dụng phần mềm SpeedTest để đo tốc độ truyền dữ liệu [6].

- Sử dụng Module Wi-Fi ESP8266 để điều khiển và xử lý tín hiệu [7].

- Hiển thị qua màn hình LCD, máy tính, điện thoại.

- Sử dụng phần mềm Blynk để điều khiển giám sát hệ thống [4].

Sơ đồ khối hệ thống được xây dựng trong Hình 6 đưa ra chức năng các khối như sau:

- Khối nguồn có nhiệm vụ cấp nguồn cho bộ

Hình 6. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống

(4)

mạch điều khiển và nguồn xoay chiều cấp cho tải hoạt động.

- Thiết bị ngoại vi ở đây là các thiết bị thông minh như: điện thoại, máy tính. Kết nối với module wifi esp8266 thông qua phần mềm blynk cho phép người dùng có thể tạo ra giao diện và điều khiển thiết bị theo ý muốn của mình để xuất ra tín hiệu điều khiển.

- Khối hiển thị: Hiển thị trạng thái của thiết bị trên màn hình Led hay điện thoại.

- Khối công suất: Tín hiệu xuất ra ở các chân của module NodeMCU v1.0 Lua - ESP8266 ESP12E rồi đưa đến bộ module relay để điều khiển tải.

- Khối cảm biến: Đo tín hiệu thông qua cảm biến rồi gửi về bộ xử lý trung tâm.

- Khối thiết bị điều khiển thủ công: Hệ thống các nút nhấn, công tắc điều khiển trạng thái của tải.

Các bản vẽ thiết kế phần cứng và giao diện điều khiển ngoại vi.

Hình 7. Mô hình bộ điều khiển trung tâm

Hình 8. Giao diện điều khiển trên điện thoại 3. Kết quả thực nghiệm

Hình 9. Sơ đồ mạch nguyên lý mạch điều khiển

(5)

 Xây dựng thuật toán điều khiển [8].

Hình 10. Lưu đồ thuật toán của toàn bộ hệ thống

 Kết quả khảo sát

Khảo sát đo khoảng cách từ bộ điều khiển đến bộ phát Wifi:

Bảng 1. Bảng giá trị khảo sát thực tế STT Tốc độ mạng Wi-fi Độ trễ khi tác động

1 4-10 Mbps 1s

2 10-15 Mbps 0.8

3 15-50 Mbps 0.6

4 Trên 50 Mbps 0.2

Từ bảng khảo sát ta có thể thấy độ trễ tác động từ bộ điều khiển đến tải phụ thuộc vào tốc độ của mạng internet. Kiến nghị là nên sử dụng mạng internet có tốc độ cao và ổn định để đạt hiệu quả điều khiển tốt nhất.

 Hướng dẫn sử dụng Điều kiện hoạt động:

- Sản phẩm được kết nối Internet bằng sóng wifi và thiết bị điều khiển có 3G/4G, wifi…

- Cảm biến vân tay được lấy mẫu vân tay trước khi hoạt động.

+ Cài đặt phần mềm điều khiển trên điện thoại:

Hình 11. Giao diện điều khiển trên điện thoại Khi các thiết bị đang ở trạng thái không hoạt động thì hiển thị nút “OFF” như trong Hình 11.

Khi chủ nhà bật Đèn 1 thì ấn nút “OFF” trên màn hình hoặc ấn nút nhấn bên ngoài thì trạng thái chuyển sang “ON” báo hiệu Đèn 1 đã được bật.

+ Các bước thực hiện chạy hệ thống vân tay:

Bước 1: Nhập vân tay đã được lấy mẫu từ trước vào module cảm biến vân tay.

Bước 2: Chờ 1s cho LCD hiển thị phòng và trạng thái led chuyển từ “đỏ” sang “xanh dương” là cửa đã mở và đã có tên trong danh sách.

Bước 3: Đi ra khỏi phòng thì ấn nút nhấn trên bộ điều khiển cửa sẽ tự mở.

4. Kết luận

Bài báo đã thực hiện hệ thống điều khiển giám sát nhà thông minh và các kết quả đạt được như sau:

- Đã thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển với không gian của một căn nhà thực tế. Trên mô hình này được lắp đặt tất cả các thiết bị cũng như trình bày các giải pháp được đề xuất.

+ Tự động đóng/mở rèm cửa từ xa thông qua Smartphone.

+ Điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng trong phòng thông minh, tiết kiệm và an toàn. Tự động bật tắt đèn thông qua việc hẹn giờ bật/ tắt thiết bị trong phòng.

+ Giám sát và điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm

(6)

của phòng từ SmartPhone nhằm cung cấp một môi trường sinh hoạt trong lành.

+ Đưa ra những cảnh báo nhanh, chính xác khi có sự cố như hỏa hoạn hay có trộm đột nhập từ hệ thống cảnh báo an ninh.

+ Mở cửa bằng vân tay ứng dụng thực tế ngay trong công tác điểm danh tự động trong trường học hay chấm công tự động trong các siêu thị, văn phòng, công ty,...

+ Theo dõi tình trạng trong phòng từ bất kỳ thông qua Camera của hệ thống giám sát.

- Toàn bộ hệ thống đã có thể được điều khiển và theo dõi từ trung tâm chỉ huy được đặt ở một căn phòng trong căn nhà, cũng như có thể được nâng

cấp để điều khiển trên điện thoại cầm tay.

- Giúp người sử dụng không gian có tiện nghi, an toàn hơn, góp phần tiết kiệm các nguồn tài nguyên như điện, nước,…

- Sản Phẩm được lắp đặt thử nghiệm tại tòa nhà chữ “U” phòng 106 của trường ĐHSPKT Hưng Yên.

Hướng phát triển

- Có thể nâng cấp độ bảo mật và chống nhiễu cao hơn, phát triển ứng dụng sản phẩm đưa vào thực tế trong nhà xưởng, trường học, nhà dân.

- Phát triển thành mạch điều khiển tích hợp lớn điều khiển đồng thời nhiều thiết bị, tích hợp nhiều cảm biến để giúp hệ thống thông minh hơn như: cảm biến không khí, cảm biến đo nhịp tim…

Tài liệu tham khảo

[1]. https://vnetwork.vn/news/cac-so-lieu-thong-ke-internet-viet-nam-2019.

[2].https://www.brandsvietnam.com/congdong/topic/10470-Thi-truong-nha-thong-minh-Viet-Nam- voi-nhung-con-so-day-trien-vong-Quy-12018.

[3]. https://bkaii.com.vn/tin-tuc/168-ung-dung-iot-trong-nong-nghiep-cong-nghe-cao.

[4]. https://mechasolution.vn/Blog/blynk-la-gi.

[5]. Nguyễn Ngọc Minh, Đề cương Đo lường cảm biến, Trường ĐHSPKT Hưng Yên, 2008.

[6].https://vienthong.com.vn/tin-tuc/cong-nghe-24h/ung-dung-speedtest-la-gi-huong-dan-cach-tai- va-su-dung-speedtest.html.

[7]. Nguyễn Tất Bảo Thiện, hạm Quang Huy, Lập trình IoT với Arduino ESP8266 & XBEE, NXB Thanh Niên.

[8]. Vũ Hồng Sơn, Giáo trình lập trình C ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 06/2019.

DESIGN OF MONITORING AND CONTROL SYSTEM FOR SMART HOME Abstract:

This article presents the steps of designing a monitoring and control system for smart home. The goal of the design is to create tools and equipment to support management of home, workshops for convenient and safe objectives. Besides, the proposed system is able to use as an equipment for teaching activities.

Therefoce, the proposed system is very intested in researching and implementing equipment applied to practical teaching activities at UTEHY.

Keywords: Smart workshop, Industry 4.0, Smart Home.