Tài liệu Xây dựng ứng dụng android truy xuất csdl giao diện web điều khiển nhà thông minh trên nền mã nguồn mở

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ANDROID TRUY XUẤT CSDL GIAO DIỆN WEB ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH TRÊN NỀN MÃ NGUỒN MỞ Giáo viên hướng dẫn : TS. ĐẶNG THÁI VIỆT Giáo viên duyệt : TS………………………. Sinh viên thực hiện : NGUYỄN NGỌC TUẤN 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HÀ NỘI, 6/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Thông tin sinh viên: Họ tên Sinh viên: Nguyễn Ngọc Tuấn Lớp : CN-KT Cơ điện tử 02 Khóa : K58 2. Nhiệm vụ thực hiện: - Phân tích, lựa chọn thiết kế mô hình nhà thông minh. - Xây dựng ứng dụng Android truy xuất CSDL giao diện Web điều khiển nhà Smart Home trên nền mã nguồn mở. - Khả năng mở rộng mô hình với các thiết bị và hệ thống ngoại vi. 3. Nội dung yêu cầu: - Thiết kế mô hình với các thiết bị có khả năng điều khiển tự động, tương tác với nhau và có chức năng giám sát từ xa, đảm bảo an ninh và bảo mật. - Xây dựng ứng dụng Android truy xuất CSDL giao diện Web với chức năng giám sát và điều khiển, hiển thị các trạng thái hoạt động, các thong số điều khiển của các thiết bị trong ngôi nhà. - Mở rộng kết nối với thiết bị ngoại vi. 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trưởng bộ môn Cán bộ hướng dẫn Sinh viên thực hiện (ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên) 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………  ĐIỂM HƯỚNG DẪN:…………………………………………………………….... ………………………………………………………………………………………….. Ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn (ký tên) 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. Ngày tháng năm 2018 Giáo viên duyệt (ký tên) 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ANDROID TRUY XUẤT Giáo viên hướng dẫn : TS. ĐẶNG THÁI VIỆT Giáo viên duyệt : TS………………………. Sinh viên thực hiện : NGUYỄN NGỌC TUẤN 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HÀ NỘI, 6/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4. Thông tin sinh viên: Họ tên Sinh viên: Nguyễn Ngọc Tuấn Lớp : CN-KT Cơ điện tử 02 Khóa : K58 5. Nhiệm vụ thực hiện: - Phân tích, lựa chọn thiết kế mô hình nhà thông minh. - Xây dựng ứng dụng Android truy xuất CSDL giao diện Web điều khiển nhà Smart Home trên nền mã nguồn mở. - Khả năng mở rộng mô hình với các thiết bị và hệ thống ngoại vi. 6. Nội dung yêu cầu: - Thiết kế mô hình với các thiết bị có khả năng điều khiển tự động, tương tác với nhau và có chức năng giám sát từ xa, đảm bảo an ninh và bảo mật. - Xây dựng ứng dụng Android truy xuất CSDL giao diện Web với chức năng giám sát và điều khiển, hiển thị các trạng thái hoạt động, các thong số điều khiển của các thiết bị trong ngôi nhà. - Mở rộng kết nối với thiết bị ngoại vi. 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trưởng bộ môn Cán bộ hướng dẫn Sinh viên thực hiện (ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên) 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………  ĐIỂM HƯỚNG DẪN:…………………………………………………………….... ………………………………………………………………………………………….. Ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn (ký tên) 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. Ngày tháng năm 2018 Giáo viên duyệt (ký tên) 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH...................13 1. Tổng quan về nhà thông minh....................................................................13 1.1. Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh....................................13 1.2. Các mô hình nhà thông minh đang được áp dụng hiện nay..............16 2. Lựa chọn hướng thiết kế..............................................................................19 CHƯƠNG 2: ........................................................................................21 1. Sơ đồ kết cấu ngôi nhà và chức năng.........................................................21 2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động..........................................................................23 2.1. Hệ thống điện tử.....................................................................................23 3. Sơ đồ mạch điện hệ thống............................................................................24 4. Giới thiệu modul Arduino...........................................................................25 4.1. Giới thiệu chung.....................................................................................25 4.2. Arduino Uno...........................................................................................26 4.3. Arduino Ethernet W5100......................................................................29 4.4. Arduino Mega 2560...............................................................................31 4.5. Một số ứng dụng của Arduino..............................................................35 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ CẤU CHẤP HÀNH CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH.....................................................36 1. Sơ đồ mạch điện điều khiển các cơ cấu chấp hành...................................36 2. Tổng quan về các thiết bị sử dụng trong hệ thống cơ cấu chấp hành.....36 2.1. Động cơ servo SG90...............................................................................36 2.2. Động cơ bước DC 5.6V/2.1A và modul điều khiển A4988.................38 3. Các modul thiết bị được sử dụng trong mô hình và chức năng...............39 3.1. Vườn và ngoại vi....................................................................................39 3.2. Phòng khách...........................................................................................40 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.3. Gara để xe...............................................................................................41 3.4. Phòng ngủ...............................................................................................42 3.5. Phòng giải trí/xem phim........................................................................43 3.6. Phòng bếp...............................................................................................44 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH.....................................................45 1. Sơ đồ mạch điều khiển các thiết bị cảm biến.............................................45 2. Tổng quan về các cảm biến được sử dụng trong hệ thống giám sát, cảnh báo45 2.1. Cảm biến nhiệt độ LM35......................................................................45 2.2. Cảm biến khí gas MQ2..........................................................................46 2.3. Cảm biến chuyển động HC-SR510.......................................................49 3. Nguyên lý hoạt động các hệ thống giám sát...............................................52 3.1. Lưu đồ thuật toán..................................................................................52 3.2. Hệ thống báo cháy hoạt động dựa trên cảm biến nhiệt độ LM35.....52 3.3. Hệ thống báo rò rỉ khí gas.....................................................................56 3.4. Hệ thống cảnh báo xâm nhập...............................................................57 CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH QUA MẠNG INTERNET........................................60 1. Mạng internet(Ethernet).............................................................................60 2. Địa chỉ IP.......................................................................................................62 3. Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển qua internet.............................63 4. Thư viện Ethernet cho Arduino..................................................................64 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ................................................................................................................65 1. Mô hình thực tế............................................................................................65 2. Giao diện giám sát và điều khiển................................................................66 3. Kết quả điều khiển một số thiết bị..............................................................67 3.1. Báo có xâm nhập trái phép...................................................................67 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.2. Giám sát nhiệt độ phòng khách và phòng ngủ....................................67 4. Kết quả đạt được..........................................................................................69 KẾT LUẬN............................................................................................70 1. Kết quả đạt được của đồ án...........................................................................70 2. Hướng phát triển cho hệ thống.....................................................................70 PHỤ LỤC..............................................................................................71 CODE HOẠT ĐỘNG.........................................................................................71 Phòng bếp............................................................................................................71 Phòng ngủ(cảm biến nhiệt độ hiển thị lên màn lcd).....................................75 Tài liệu tham khảo................................................................................84 MỤC LỤC HÌNH VẼ 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.1. Mô hình tổng minh……………………………….............. quát nhà thông Hình 1.2. Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome thế giới ……………………. …... 14 15 Hình 1.3. Biểu đồ tăng trưởng thị trường Smarthome (Bắc Mỹ).………………. 15 ….. Hình 1.4. Mô hình Smart Technology………….............. home của công ty Compro 16 Hình 1.5. Mô hình Smart home của công ty IEI Integration.……...…………….. 17 ….. Hình 1.6. Mô hình Smart home Eco-Future-World……………..…………….. 17 ……. Hình 1.7. Mô hình BKAV……………………………………......... Smart home của Hình 1.8. Mô hình Lumi…………………………………………... Smart home của 18 18 Hình 1.9. Xu hướng phát triển của smarthome……………………………….. 20 …….. Hình 2.1. Sơ đồ kết cấu ngôi nhà thông minh………...……………………….. 21 ……. Hình 2.2. Các chức năng sử dụng………………………………………….. 22 ……….. Hình 2.3. Sơ đồ nguyên tử……………………................ lý hoạt động hệ thống điện 23 Hình 2.4. Sơ đồ mạch điện hệ thống…………..…………………………….. 24 ……… Hình 2.5. Hình ảnh Arduino Uno R3 …………………………………….... 25 ……...... Hình 2.6. Cấu trúc phần cứng của Arduino Uno………………………………. 27 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ……. Hình 2.7. ……….. Arduino Ethernet W5100……………………………………….. 29 Hình 2.8. Kết nối chân điều khiển cho board mạch Arduino Ethernet 31 W5100……… Hình 2.9. Arduino Mega 2560………………………………………………. 32 ……... Hình 3.1. Sơ đồ mạch điện điều khiển…………………………………………... 36 ….. Hình 3.2. Sơ đồ chân động cơ servo SG90…………………………………….. 37 …… Hình 3.3. ………….. Sơ đồ chân A4988……………………………………………. 38 Hình 3.4. Sơ đồ mạch ĐC bước và A4988……………………………………... 38 …… Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý vườn và ngoại vi……………………………………... 40 …. Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý phòng khách…………………………………………. 41 … Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý gara để xe…………………………………………….. 42 … Hình 3.8. Sơ đồ nguyên ngủ………………………………………………. lý phòng 43 Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý phòng xem phim……………………………………. 43 ….. Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý khu bếp…………………………………………….. 44 ….. 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.1. Sơ đồ chân cảm biến LM35………………………………………….. 45 …... Hình 4.2. Module cảm biến khí gas MQ2……………………………………….. 47 ….. Hình 4.3. Cấu tạo module cảm biến khí gas MQ2……………………………….. 48 …. Hình 4.4. Module cảm SR510……………………………..... biến Hình 4.5. Sơ đồ chân SR510………………………….... Hình 4.6. Nguyên tắc động………………............... cảm chuyển biến động chuyển hoạt động của cảm Hình 4.7. Lưu đồ thuật sát………………………………….. toán các hệ động biến HCHCchuyển thống giám Hình 4.8. Sơ đồ nối LM35……………………………………….. cảm biến nhiệt độ Hình 4.9. Sơ đồ nối MQ2………………………………………..... cảm biến khí gas Hình 4.10. Sơ đồ nối SR510……………………………. biến chuyển động HC- cảm Hình 5.1. Mạng internet cầu…………………………………………..... kết Hình 5.2. Sơ đồ khối khiển………………………………. giám hệ thống nối sát toàn và điều Hình 6.1. Mô hình nhà 3D………………………………………... thông minh dạng Hình 6.2. Mô hình nhà tế………………………………….............. thông minh thực Hình 6.3. Giao diện giám sát và 50 50 51 52 53 56 58 61 63 65 66 điều 66 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP khiển………………………………………..... Hình 6.4. Báo xâm nhập web……………………………..... trái phép trên giao diện 67 Hình 6.5. Hiển thị nhiệt độ của phòng khách và phòng ngủ trên giao diện 68 web…....... Hình 6.6. Nhiệt độ hiển khách……………………………………… thị trong phòng 68 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU Xã hội thế kỷ 21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ và đánh dấu sự mở đầu của những thiết bị thông minh. Smart phone, Smart Tivi đều là những thiết bị ngày càng phổ biến, thông dụng trong đời sống hằng ngày của con người. Đúng như tên gọi, những thiết bị này không những có khả năng đáp ứng những yêu cầu cơ bản của con người, mà còn hơn thế, các thiết bị smart ra đời đã thay thế con người trong việc kiểm soát và điều khiển các chức năng khác 1 cách chuyên nghiệp, dễ dàng và hiệu quả. Tiếp nối thành công của những thiết bị thông minh ấy, Smart home ra đời như một sự khởi đầu táo bạo về tư duy làm chủ công nghệ ngay trong cuộc sống của con người. Một ngôi nhà thông minh với khả năng thấu hiểu tư duy điều khiển của con người nhanh chóng trở thành đề tài công nghệ có sức hấp dẫn. Nhà thông minh hay smart home, home automation là kiểu nhà được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có tác dụng tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giáo tiếp với chủ nhân nhà thông qua bẳng điện tử được đặt sẵn trong nhà, phần mềm điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web. Lúc đầu, ý tưởng được thực hiện nhờ vào tia hồng ngoại để điều khiển từ xa, nhưng khoảng cách là hạn chế. Về sau, nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện khoảng cách điều khiển mang lại nhiều thành công và có ý nghĩa thực tiễn như điều khiển thông qua đường dây điện thoại, tuy nhiên đây vẫn chưa phải biện pháp tối ưu. Khi công nghệ wireless phát triển, người ta lại nghĩ đến điều khiển qua mạng không dây, điều khiển từ xa dùng máy tính ra đời. Không dừng lại ở đó, khi chiếc điện thoại trở thành vật dùng không thể thiếu với mỗi cá nhân, người ta lại nghĩ về một chiếc điện thoại tích hợp khả năng điều khiển từ xa với sự phát triển công nghệ và giá thành của Smartphone và 3G hiện nay. Đồ án này trình bày một giải phát điều khiển và giám sát ngôi nhà một cách thông minh thông qua internet và Smartphone. Giải pháp này được đưa ra rất khả khi với cơ 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP chế hoạt động chính xác và mang tính ổn định để tạo bước phát triển một hệ thống thông minh ứng dụng vào thực tế. Dữ liệu và các thông số thiết bị của nhà thông minh được truyền lên website và phần mềm giao diện giúp đảm bảo cơ chế an ninh, an toàn và tự động. Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao dựa trên nhu cầu công nghệ hiện nay, được nghiên cứu, chế tạo dựa trên những kiến thức chúng em đã học, kế thừa và phát huy những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây. Em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ cho bản thân em hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, đặc biệt là nhóm Smart Home. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã tận tình chỉ bảo để nhóm em có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Bên cạnh đó là sự hướng dẫn, góp ý của giáo viên hướng dẫn TS. Đặng Thái Việt và sự giúp đỡ của giáo viên phản biện TS. Nguyễn Thành Hùng. Do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế, đề tài của em sẽ không tránh khỏi những sai sót, em mong thầy cô góp ý, chỉnh sửa để có thể hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực hiện 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ THÔNG MINH 1. Tổng quan về nhà thông minh 1.1. Bối cảnh và nhu cầu sử dụng nhà thông minh Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, những nhu cầu của con người đòi hỏi những sự tiện nghi và hỗ trợ tốt nhất. Cùng với đó là sự mở rộng không ngừng của mạng lưới internet trên khắp các vùng quốc gia và lãnh thổ làm cho việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng internet trở thành tất yếu. Từ những yêu cầu và điều kiện thực tế đó , ý tưởng về ngôi nhà thông minh được hình thành, nơi mà mọi hoạt động của con người đều được hỗ trợ và giúp đỡ một cách linh hoạt, ngoài ra ngôi nhà còn có thể tự động quản lí một cách thông minh nhất. Vậy, như thế nào là nhà thông minh ? Sự thông minh của một ngôi nhà được thể hiện trên 4 phương diện như sau:  Thứ nhất, là khả năng tự động hóa. Căn nhà được trang bị hệ thống các cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí gas, cảm biến báo cháy, cảm biến vật cản, cảm biến ánh sáng… với khả năng tự động hoạt động theo điều kiện môi trường. Nhà thông minh giúp chúng ta giám sát được mức tiêu thụ điện, nước tốt hơn so với thông thường.  Thứ hai, là khả năng thỏa mãn nhu cầu của người sử dụng. Chủ nhân ngôi nhà có thể điều khiển theo ý muốn hoặc theo những kịch bản được lập trình sẵn.  Thứ ba, là khả năng bảo mật, giám sát an ninh. Hệ thống giám sát an ninh, báo cháy, báo rò rỉ khí gas sẽ tự động báo trạng thái của ngôi nhà qua mạng internet.  Thứ tư, là khả năng điều khiển, cảnh báo từ xa thông qua kết nối internet thông qua wifi,3g… Các thiết bị như: bóng đèn, điều hòa, ti vi, tủ lạnh,….. cũng đều được kết nối tới mạng internet. Người sử dụng chỉ cần có một thiết bị kết nối internet là có thể theo dõi dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị trong nhà theo ý muốn của bản thân. 20