Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh

- VI THỊ NGỌC MĨ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI CHO NHÀ THÔNG MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- VI THỊ NGỌC MĨ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI CHO NHÀ THÔNG MINH Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- HOÀNG PHƯƠNG CHI Hà Nội – 2015 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Tác giả Vi Thị Ngọc Mĩ iv Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Hệ thống chiếu sáng.
- Hệ thống an ninh.
- 8 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC HỆ THỐNG.
- Tổng quan hệ thống Smart Home.
- Phân tích hệ thống.
- Kiến trúc hệ thống.
- 14 i Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- 53 ii Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Thiết kế hệ thống.
- 69 CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG.
- Kiểm thử hệ thống.
- 80 iii Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Hoàng Phương Chi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Convert AP Access Point CAN controller area network DHCP Dynamic Host Configuration Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IP Intenet Protocol HAL Hardware Abstract Layer HVAC Heating, Ventilation, Air Condition LAN Local Area Network M2M Machine to Machine MCU Micro Controller Unit MI Master Input slave output data MO Master Output slave input data NWK Network OSAL Operating System Abstract Layer PHY Physical ZAP ZigBee Application Processor ZCL ZigBee Cluster Library ZDO ZigBee Device Object ZNP ZigBee Network Processor v Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Hoàng Phương Chi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Tổng quan hệ thống Smarthome.
- 4 Hình 1.2: Các thành phần trong Smart hom.
- 6 Hình 2.1: Mô hình tổng quát hệ thống.
- 9 Hình 2.2: Sơ đồ truyền dữ liệu.
- 10 Hình 2.3: Đồ hình mạng Mesh của hệ thống.
- 11 Hình 2.4: Sơ đồ khối của Main – board.
- 14 Hình 2.5: Sơ đồ khối Sub – board.
- 21 Hình 3.1: Orcad Capture.
- 25 Hình 3.5: Khối MCU.
- 25 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối Wifi.
- 26 Hình 3.7: CC3000 [13.
- 29 Hình 3.9: Module CC2530.
- 35 Hình 4.3: Lệnh AREQ.
- 36 Hình 4.4: Lệnh POLL.
- 37 vi Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Hoàng Phương Chi Hình 4.5: Lệnh SREQ.
- 51 Hình 4.19: Thêm thiết bị mới.
- 51 Hình 4.20: Cập nhật thiết bị.
- 56 Hình 4.25: Mô hình kết nối hệ thống.
- 69 vii Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- 70 viii Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- 73 Bảng 5.4: Kết quả kiểm thử hệ thống.
- 75 ix Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Đồng thời các thiết bị điện tử cá nhân như smartphone, tablet,… trở nên rất gần gũi và phổ biến đối với cuộc sống hằng ngày của mỗi người.
- Các hệ thống nhà thông minh còn cung cấp khả năng tương tác với người sử dụng thông qua các thiết bị điện tử cá nhân và mạng Internetcho phép con người có thể giám sát và điều khiển ngôi nhà từ bất cứ đâu, đáp ứng nhu cầu cho người bận rộn thường xuyên xa nhà.
- Hiện nay, các hệ thống nhà thông minh đã được triển khai tại Việt Nam khá nhiều.
- Tuy nhiên, các thiết bị đầu cuối trong nhà thông minh thường được nhập từ nước ngoài với giá thành đắt.
- Nghiên cứu thiết kế một thiết bị đầu cuối dùng cho nhà thông minh là cần thiết, hướng tới sản phẩm có chất lượng tốt với chi phí hợp lý.
- Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh” Nội dung của đề tài được chia ra làm 5 chương: Chương 1: Đặt vấn đề Tổng quan về nhà thông minh – Smarthome Chương 2: Kiến trúc hệ thống Giới thiệu cơ bản về kiến trúc hệ thống, phương pháp thiết kế, thông số kỹ thuật của các thành phần trong hệ thống Chương 3: Thiết kế phần cứng Chương này đưa ra sơ đồ nguyên lý của main – board, sub – board.
- Chương 4: Thiết kế phần mềm Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 1 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 2 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Đồng thời đưa ra các tiêu chuẩn mạng có dây/ không dây có thể sử dụng để các thiết bị trong Smarthome giao tiếp được với người sử dụng.
- Smart home Những thiết bị thông minh đang dần gần gũi hơn với cuộc sống con người, trong đó không thể không nhắc đến loại hình là nhà thông minh - Smarthome.
- đã ra đời như là ý tưởng về một ngôi nhà thân thiện với các thiết bị vận hành một cách tự động theo ý muốn hay trạng thái của chủ nhân.
- Trong những năm gần đây, Smarthome đang phát triển cực kì mạnh mẽ, cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử cá nhân như máy tính bảng - tablet và điện thoại thông minh - smartphone cùng hạ tầng thông tin ngày càng tiên tiến như internet hoặc các mạng thông tin di động 3G, 4G.
- Ngày nay các hệ thống nhà thông minh còn cung cấp khả năng tương tác với người dùng thông qua các thiết bị điện tử cá nhân cho phép con người có thể giám sát và điều khiển ngôi nhà từ bất cứ đâu.
- Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 3 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Hoàng Phương Chi Hình 1.1: Tổng quan hệ thống Smarthome Nhà thông minh là một ý tưởng tương đối rộng, nó có thể bảo gồm từ những thiết bị điều khiển đơn giản như điều khiển ti vi bằng điều khiển từ xa cho đến những điều khiển tự động bằng cảm ứng như thay đổi ánh sáng, nhiệt độ phòng tùy theo sở thích của chủ nhân hay thay đổi đề phù hợp với các điều kiện thời tiết thay đổi để tạo sự dễ chịu nhất cho chủ nhân.
- Và các thành phần để triển khai những kĩ thuật này có một số loại như sau: các thiết bị được điều khiển bằng phần cứng (hardware controller), và bằng phần mềm điều khiển (software controller), các thiết bị cảm ứng (sensors).
- Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 4 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Hoàng Phương Chi Bảng 1.1: So sánh một số đặc điểm của Zigbee, Bluetooth, và Wifi (bảng này với đặc điểm của các chuẩn nguyên thủy – chưa cải tiến) Chuẩn 802.15.4/ZigBee 802.15.1/Bluetooth 802.11/Wi-Fi Tầm hoạt động (mét Thời gian sống nuôi bằng pin (ngày Số lượng các nút trong mạng Ứng dụng Giám sát và điều khiển (Monitoring & Control) Web, Email, Video Thay thế dây nối trong giao tiếp máy tính – thiết bị ngoại vi Kích thước stack (kb Tốc độ truyền (kb/s Mạng ZigBee đang dần trở nên phổ biến trong các hệ thống Smart home.
- Hệ thống cũng cần có một hoặc nhiều thiết bị giao tiếp, giúp con người tương tác được với hệ thống để quản lý và điều khiển.
- Các thiết bị đó có thể là smartphone, máy tính cá nhân, máy tính bảng.
- Các thiết bị giao tiếp có thể kết nối thông qua mạng có dây/ không dây sử dụng các chuẩn khác nhau như M2M, CAN… Các thiết bị thông minh trong Smart home được đặt xung quanh nhà và được điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm.
- Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 5 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Sau đây là những công việc trong hệ thống Smart home: Hình 1.2: Các thành phần trong Smart hom 1.2.1.
- Hệ thống chiếu sáng Hệ thống điều khiển ánh sáng được sử dụng để điều khiển các thiết bị phát sáng trong nhà giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh.
- Bật tắt đèn bằng các thiết bị điều khiền không dây.
- Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 6 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Hệ thống này cho phép người dùng điều khiển độ ẩm, nhiệt độ bằng cách điều khiển chế độ làm việc của các thiết bị như máy phát nhiệt, điều hòa nhiệt độ hoặc có thể đóng, mở cửa sổ để không khí được thông thoáng hơn.
- Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 7 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Thiết kế, triển khai và kiểm thử hệ thống có chức năng điều khiển cơ bản như bật tắt các thiết bị có trong mạng Zigbee bằng cách sử dụng phần mềm trên điện thoại thông qua mạng WiFi.
- Và người dùng có thể cập nhật được một số thông tin từ thiết bị như nhiệt độ, công suất … Mạng WiFi và ZigBee có khả năng tự cấu hình, tự khắc phục sự cố khi có các node bị hỏng trong quá trình vận hành hoặc do mất điện.
- Thiết kế thiết bị đầu cuối trung tâm cho phép kết nối các thiết bị đo và điều khiển nhà và kết nối với mạng Internet.
- Thiết bị cho phép người dùng điều khiển toàn bộ các thiết bị trong nhà thông qua mạng Internet.
- Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 8 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Tổng quan hệ thống Smart Home Hình 2.3: Mô hình tổng quát hệ thống.
- Trong ngôi nhà chúng ta thấy các thiết bị được bố trí xung quanh căn phòng, các thiết bị được kết nối với nhau và kết nối với trung tâm qua mạng ZigBee.
- Module trung tâm có vai trò chuyển đổi dữ liệu nhận được từ các thiết bị trong mạng ZigBee sang mạng Internet sử dụng module Wifi.
- Trên điện thoại smartphone được cài đặt phần mềm cho phép người dùng tương tác với hệ thống.
- Trên phần mềm có chứa danh sách các thiết bị có trong mạng ZigBee.
- Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 9 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- ZigBee Coordinator sẽ truyền gói dữ liệu tới thiết bị cần thực hiện lệnh (thiết bị thực hiện lệnh được xác định bằng địa chỉ chứa trong gói dữ liệu).
- Thiết bị thực hiện lệnh sẽ chấp hành lệnh mà người dùng gửi tới, kết thúc một chu trình hoạt động.
- Với những chức năng như vậy, các thành phần chứa trong module trung tâm được thể hiện trong bảng 2.1: Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 10 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Hoàng Phương Chi ZC ZR ZED ZR ZR ZR ZED ZED ZED ZED ZED ZED Bảng 2.2: Thành phần module trung tâm Thành phần Chức năng Module ZigBee Đóng vai trò là Coordinator, truyền và nhận dữ liệu từ router và end device Module Wifi Kết nối vào mạng Wifi, tạo ra server cho phép các thiết bị cùng mạng có thể kết nối vào 2.2.2.
- Đặc điểm của các thiết bị trong mạng Smart home là sự phân bố rời rạc, gần nhau.
- ZigBee Coordinator ZigBee router ZigBee end device Hình 2.5: Đồ hình mạng Mesh của hệ thống Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 11 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Có ba loại thiết bị chính trong mạng ZigBee, bao gồm: ZigBee Coordinator, ZigBee router, ZigBee end device.
- ZigBee Coordinator có chức năng tạo mạng ZigBee, cho phép các thiết bị khác kết nối vào mạng, định tuyến các message trong mạng.
- ZigBee Router có chức năng hình thành các nhánh cho phép các thiết bị khác kết nối vào mạng mà nó đã kết nối trước đó.
- ZigBee End device là thiết bị đơn giản nhất trong mạng ZigBee.
- Node là một thiết bị điểm được ghép nối lại cùng với nhiều thiết bị khác tạo nên một mạng ZigBee.
- Mỗi node gồm những thành phần chứa trong bảng sau: Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 12 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Khối cảm biến nhiệt độ Đo nhiệt độ từ môi trường Khối Switch Thực hiện lệnh tắt, bật, điều chỉnh mức độ của các thiết bị khi nhận được lệnh từ người dùng 2.3.
- Main - board: Đây chính là module trung tâm của hệ thống.
- Sub – board: Đây chính là các node trong hệ thống.
- Các thiết bị được điều khiển sẽ được kết nối tới Main – board để nhận lệnh và gửi dữ liệu lên mạng ZigBee.
- Phần mềm nhúng chịu trách nhiệm tạo ra và quản lý mạng ZigBee… Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 13 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Khối Wifi có chức năng kết nối vào mạng Wifi, tạo ra server cho phép smartphone/tablet có thể kết nối vào và điều khiển thiết bị.
- Nguồn Module ZigBee MCU Module WIifi SPI SPI Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 14 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS.
- Đây chính là cầu nối giữa thiết bị với người dùng.
- 10m (không có vật cản) Điện áp 3.3V Giao tiếp ngoại vi SPI Học viên: Vi Thị Ngọc Mĩ Page 15 Nghiên cứu thiết kế thiết bị đầu cuối cho nhà thông minh GVHD: TS

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt