TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN

====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
GIẢI PHÁP TÍCH HỢP
ĐIỀU KHIỂN KHÔNG DÂY CHO
HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

Giáo viên hƣớng dẫn : Th.S Đào Quý Thịnh
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Xuân Đại

Lớp – Khóa

: ĐK&TĐH 7 – K54

Mã số sinh viên

: 20090642

Hà Nội – 06/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN
-------------------------------


...............................................................................................................................................


4. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
5. Họ tên cán bộ hướng dẫn:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:...............................................................................................
7. Ngày hoàn thành đồ án: ...................................................................................................
Ngày ....... tháng ....... năm ..….
Trưởng bộ môn

Cán bộ hướng dẫn

( Ký, ghi rõ họ, tên)

( Ký, ghi rõ họ, tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày…. tháng …. năm 2012
Người duyệt

Sinh viên

( Ký, ghi rõ họ, tên)

( Ký, ghi rõ họ, tên)



Quan điểm thiết kế của nhóm ...................................................................... 7

1.2

Giải quyết vấn đề ................................................................................................. 8

1.2.1

Truyền thông hữu tuyến .................................................................................. 9

1.2.2

Truyền thông vô tuyến .................................................................................... 9

CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI ...................................................................... 11
2.1

Phát triển ý tưởng .............................................................................................. 11

2.2

Sơ đồ cấu trúc hệ thống nhà thông minh ......................................................... 13

2.3

Nhiệm vụ thiết kế. .............................................................................................. 16

2.3.1

Thiết kế hệ thống mạng .............................................................................. 16

3.2

Thiết kế bộ điều khiển trung tâm ..................................................................... 34

3.2.1

Tính toán chọn thiết bị: .............................................................................. 35

3.2.2

Chương trình điều khiển của PLC S7-1200.............................................. 40

3.3

Thiết kế hệ thống chấp hành ............................................................................. 45

3.3.1

Yêu cầu thiết kế ............................................................................................. 46


3.3.2

Chọn thiết bị .................................................................................................. 47

3.3.3

Thiết kế mạch nguyên lí................................................................................. 49

3.3.4


Mạch chấp hành ................................................................................................. 65

5.3

Hướng truyền thông .......................................................................................... 66

KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 68
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 69


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay chúng ta nghe nói nhiều đến nhà thông minh- SmartHome. Câu hỏi đặt ra
là: nhà thông minh là? Nó giải quyết vấn đề gì trong xã hội và cuộc sống của con ngƣời?
Về kỹ thuật thì nhà thông minh có những đặc điểm gì?
Đứng ở góc độ nhà nghiên cứu, tìm hiểu về nhà thông minh, câu trả lời của em là:
Nhà thông minh là một ngôi nhà có một hệ thống kỹ thuật hoàn hảo, đƣợc lập trình tối ƣu
hoá cho việc điều khiển vận hành toàn bộ các thiết bị điện trong nhà một cách hoàn toàn
tự động hoặc bán tự động, nó kết nối tất cả các hệ thống của ngôi nhà trong cùng một
mạng và đƣơc điều khiển tập trung hoặc phân tán nhằm thay thế hoặc làm giảm các thao
tác điều khiển của con ngƣời. Hiện nay, trên thế giới nhà thông minh đƣợc nhiều doanh
nghiệp và hãng phát tham gia nghiên cứu, phát triển và đƣa ra các sản phẩm với các gói
chức năng khác nhau. Sản phẩm của họ đã đƣợc nghiên cứu và phát triển trong một thời
gian dài mang tính hệ thống rất cao và đáp ứng tốt cho đại đa số ngƣời sử dụng.
Tuy nhiên các sản phẩm này tại thị trƣờng Việt Nam vẫn còn khá xa lạ với đại đa số
khách hàng. việc áp dụng công nghệ đó vào Việt Nam thì lại gặp rất nhiều khó khăn với
những lý do từ điều kiện khí hậu, phong tục tập quán, và tài chính. Những sản phẩm này
đều đƣợc nhập từ nƣớc ngoài nên giá thành rất cao. Các thiết bị đƣợc nhập mang tính hệ
thống nên sẽ rất khó khăn trong việc linh động tích hợp thêm các lựa chọn theo ý kiến


CHƯƠNG 1 :
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH
1.1 Đặt vấn đề
1.1.1 Một số hệ thống nhà thông minh ở Việt Nam
Hiện nay tại Việt Nam đã và đang có những nhà sản xuất và cung cấp các ứng
dụng của hệ thống nhà thông minh. Ví dụ nhƣ là Crestron, Bkav smarthome, X10,
Homeplus, hay nhóm phát triển dự án Homeon... Sau đây ta sẽ đi sâu vào hƣớng thiết kế
của một số hãng theo tìm hiểu của cá nhân em để tìn ra những điểm mấu chốt nhất của hệ
thống nhà thông minh hiện đang đƣợc sử dụng:
Crestron
Crestron lần đầu tiên xuất hiện tại Việt Nam vào năm 2009 với nhà phân phối
chính hãng là UDICTECH JSC.
Hãng đã thiết kế đƣợc hệ thống chiếu sáng (lighting), hệ thống hình ảnh âm thanh
đa vùng (A/V) chuẩn HDMI, công nghệ Digital media với những tính năng mạnh mẽ về
âm thanh cũng nhƣ hình ảnh. Điểm đáng chú ý đó là Crestron còn tƣơng thích với Apple
tạo cho công nghệ những hệ thống giải trí khá hài hòa, kiểm soát âm thanh, video, đèn
chiếu sáng, rèm và cảm biến nhiệt trực tiếp từ Ipad, Iphone. Đó chính là công nghệ giải
trí tên là Home theatre.
Bộ điều khiển trung tâm của Crestron là iLux, một giải pháp tích hợp chiếu sáng,
thiết kế dạng gắn tƣờng, ứng dụng linh hoạt từ các phòng họp, phòng hòa nhạc, tới phòng
giải trí, phòng khách gia đình, hay bất cứ loại phòng nào với mức đầu tƣ phù hợp.
iLux có 2 dòng sản phẩm là:
-

CLSI-C6M: có kèm theo cảm biến chuyển động (motion detector) – cảm biến sự
tồn tại của sự kiện (occupancy sensing); tự động bật sáng khi phát hiện chuyển
động; tự động tắt đèn sau một khoảng thời gian không cảm nhận chuyển động
trong phòng.
3

cao.

Bkav smarthome
Công ty đầu tƣ và phát triển công nghệ ngôi nhà thông minh smarthome có trụ sở
tại khu đô thị Yên Hòa – Cầu Giấy. Ra đời năm 2004, Smarthome đến nay đã xây dựng
đƣợc cơ sở hạ tầng vật chất hiện đại, có đội ngũ các nhân viên kỹ sƣ hùng hậu trong lĩnh
vực nghiên cứu và phát triển các thiết bị điện tử thông minh.
Có năng lực phát triển sản phẩm từ giai đoạn nghiên cứu, thiết kế, sản xuất cho tới
phân phối sản phẩm ra thị trƣờng. Smarthome đã nghiên cứu sản xuất và đƣa ra thị
trƣờng một số các sản phẩm nhƣ van cảm ứng, bật đèn thông minh, máy sấy tay siêu tốc
và tiến tới là toàn bộ hệ thống ngôi nhà thông minh…
Hệ thống ngôi nhà thông minh SmartHome sử dụng công nghệ tùy biến kịch bản,
cho phép cấu hình hệ thống hoạt động theo những kịch bản bất kỳ. Việc thêm các thiết bị
theo nhu cầu sử dụng của chủ nhà có thể thực hiện bằng việc khai báo trên hệ thống.
Ngoài ra, SmartHome còn sử dụng các công nghệ truyền thông nhƣ PLC (truyền dữ liệu
qua đƣờng điện) và Zigbee (truyền dữ liệu vô tuyến) cho phép việc triển khai hệ thống dễ
dàng trên các ngôi nhà đã xây từ trƣớc mà không phải sửa lại ngôi nhà.
Trong đó một số thông tin về mạng Zigbee:
Zigbee là một tiêu chuẩn đƣợc định nghĩa: là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng
vô tuyến khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp.
Các thiết bị vô tuyến dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915
MHz và 2.4GHz.
5


Với những đặc điểm chính :
-

Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps.


bài toán cực khó. Hơn thế nữa ở Việt Nam chƣa có một chuẩn nào cho việc đi dây
khi thiết kế nhà dân cũng nhƣ chung cƣ cao cấp. Việc sử dụng bừa bãi cách đấu
dây, chọn dây đấu đã khiến công nghệ Power line communication khó đi vào ứng
dụng tại Việt Nam. Ngoài ra Zigbee dù là 1 công nghệ giá rẻ và dễ dàng trong việc
thực hiện nhƣng nó có khả năng hoạt động không cao, nhất là khả năng xuyên
tƣờng thì yếu, không phù hợp cho địa hình phức tạp.

X10 và UPB&PLCBUS
Ra đời vào những thập niên 80 của thế kỷ 20, công nghệ truyền tín hiệu trên
đƣờng dây điện đƣợc đầu tiên đƣợc nghiên cứu và phát triển tại mỹ với dự án mang tên
X10. Kể từ đó X10 trở thành tên thƣơng mại của hàng loạt các sản phẩm điều khiển tự
động sử dụng công nghệ này.
Năm 2002 đánh dấu một bƣớc ngoặt lớn của công nghệ PLC khi chuẩn UPB &
PLCBUS ra đời. Công nghệ UPB & PLCBUS sử dụng sóng mang có dải tần từ 4-40Khz,
6


điện áp tín hiệu 40V để truyền tín hiệu điều khiển. Không giống nhƣ X10 sử dụng tần số
sóng mang cố định 120Khz, các thiết bị sử dụng công nghệ UPB & PLCBUS sẽ chọn ra
trong dải tần 4-40Khz một tần số ít bị can nhiễu từ đƣờng truyền nhất tại thời điểm truyền
để truyền tín hiệu điều khiển.

Sau đây là sơ đồ tổng quan của hệ thống X10:

Hình 1. 3 Sơ dồ tổng quan của X10
-

Ưu điểm: Phát triển lâu đời. Có nền tảng công nghệ. Và sử dụng luôn hệ thống
dây điện có sẵn trong gia đình. Nhƣ vậy sẽ tiết kiệm chi phí cũng nhƣ việc chỉnh
sửa lại căn nhà.

đến việc thiết kế hệ thống nhà thông minh với điều khiển các thiết bị bằng không
dây

-

Giảm giá thành hệ thống để tính cạnh tranh cao nhất có thể. Vì trong khi một số
hãng hoạt động tại Việt Nam đang thầu nhà thông minh hiện nay, các thiết bị phụ
thuộc hoàn toàn vào một hãng cụ thể nên giá thành rất đắt và không có khả năng
sáng tạo khi không thiết kế đƣợc phần mềm và nguyên lý điều khiển. Do vậy mà
nhóm phát triển đến việc tích hợp nhiều nhà sản xuất, nhiều chuẩn truyền thông và
linh hoạt hơn trong sử dụng linh kiện, thiết bị các hãng nhằm hạn chế sự phụ thuộc
đồng thời tăng tính linh hoạt khi xây dựng hệ thống nhà thông minh

-

Khả năng ứng dụng cao của hệ thống cho những ngôi nhà cụ thể. Với việc làm hài
lòng khách hàng đƣợc đặt lên hàng đầu, tiêu chí đƣợc đặt ra phải là thực hiện lắp
đặt nhanh gọn nhẹ. Tránh chỉnh sửa trong nhà cũng nhƣ thay đổi kết cấu đƣờng
điện.
1.2 Giải quyết vấn đề
Từ những yêu cầu thiết yếu của cuộc sống nhƣ đã phân tích ở trên mà hệ thống do

nhóm thiết kế đi theo hai hƣớng cụ thể là:

8


-

Truyền thông hữu tuyến.

thiết bị nhƣ smartphone hiện nay tích hợp. Ta chỉ cần truy cập vào mạng trung tâm của
căn nhà là có thể điều khiển các thiết bị điện mà không cần phải di chuyển.
Sóng radio RF không phải là giả pháp mới nhƣng hiệu quả của nó thì rất đáng kể.
Việc sử dụng sóng radio trong việc thiết kế thay cho đƣờng dây điện điều khiển truyền

9


thống sẽ là giải pháp khả thi cho mục đích của nhóm. Công suất phát không cần lớn,
không cần duy trì liên tục và chỉ cần gửi những gói tin mang dữ liệu nhỏ dạng đóng cắt,
tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm hay phát hiện ngƣời đến bộ phận điều khiển trung tâm… Khi tích
hợp đƣợc RF vào hệ thống sẽ linh hoạt hơn trong việc điều khiển hệ thống đèn, hệ thống
rèm và các vật dụng điện khác mà không cần quá quan tâm tới việc chúng ở vị trí nào
trong tòa nhà. Hoặc cũng có thể tùy biến khi các đồ đạc bị thay đổi theo ý gia chủ.

10


CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI
2.1 Phát triển ý tưởng

Hình 2. 1 Mô hình lí tưởng
Hƣớng giải quyết: Từ yêu cầu bài toán nhƣ ở trên, tức là hệ thống nhà thông mình
đƣợc nhóm chủ yếu đi sâu vào vấn đề truyền thông không dây. Và cụ thể ở đây, bài toán

11


đặt ra của nhóm em là liên kết các phân tầng với nhau để đƣa ra đƣợc một hệ thống hoàn
chỉnh từ cấp quản lý giám sát đến cấp hiện trƣờng.

Phân tầng 3: Cấp điều khiển trung tâm. cấp này thực hiện việc điều khiển các quá
trình công nghệ và thực hiện việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển
logic khả trình PLC. Bên cạnh đó, cấp điều khiển thực hiện chức năng truyền
thông với cấp cảm biên chấp hành để lấy dữ liệu từ đầu vào; sau đó xử lý tín hiệu
thực hiện thuật toán điều khiển vừa gửi tín hiệu điều khiển ra các đầu ra và đến các
thiết bị chấp hành ở cấp trƣờng thông qua mạng truyền thông. Các bộ điều khiển
có thể đọc, trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng truyền thông ở cấp điều

12


khiển. Đồng thời, các bộ điều khiển - cấp điều khiển đƣa thông tin về cấp cao hơn
- cấp vận hành giám sát.
Bao gồm các thiết bị nhƣ PLC, máy tính làm server tổng nhằm lƣu trữ dữ liệu. Với
PLC xử lý các tín hiệu logic cùng với đó là việc chứa webserver trong bộ nhớ ngoài.
-

Phân tầng 4 và 5: Cấp trƣờng này bao gôm các cảm biến/ mạng cảm biến và các
chấp hành. Cụ thể là các bộ vào ra để ghép nối với các sensor, các cơ cấu chấp
hành có chức năng kết nối vào/ ra cà xử lí sơ bộ trƣớc khi chuyển lên cấp điều
khiển.
Thiết bị cảm biến nhận giá trị giúp ngƣời lập trình có thể tổng hợp dữ liệu liên

quan đến việc:
-

Phát hiện ngƣời trong phạm vi theo dõi.

-


Hình 2. 2 Sơ đồ điều khiển lai
Số lƣợng bộ điều khiển ở các nút mạng trong cùng một lớp mạng là có giới hạn
theo tiêu chuẩn. Những nút mạng này liên kết với nhau trong mạng LAN thông qua
chuẩn ethernet. Do vậy mà chỉ có tối đa 255 địa chỉ IP cung cấp ở lớp mạng C.
Mỗi một zone đƣợc triển khai thành từng hệ thống riêng biệt. Nhƣng lại có chung
cơ sở dữ liệu lƣu trữ trên internet và webbase.
Việc sử dụng linh hoạt các loại truyền thông khiến hệ thống tuy phúc tạp trong quá
trình thực hiện nhƣng sẽ tiện lợi khi nâng tầm hệ thống, mở rộng ra phạm vi lớn.

14


Từ phân tích này, ta có sơ đồ cấu trúc tổng thể của hệ thống. Với những yếu tố đƣợc hình
thành trên cơ sở các nút mạng:

Hình 2. 3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tích hợp nhà thông minh

15


2.3 Nhiệm vụ thiết kế.
2.3.1
Thiết kế hệ thống mạng

Internet

Modem

Các thiết bị cần sử dụng:
- Modem wifi kết nối internet

Router wifi
Dây cáp enthernet

-

Nguồn nuôi thiết bị

Nhiệm vụ thiết kế
-

Lập trình PLC giao tiếp enthernet

-

Lập trình PLC locgic xử lý dữ liệu nhận về và truyền dữ liệu điều khiển
Cấu hình router và PLC

-

Lâp trình webserver giao diện ngƣời dùng

2.3.3

Thiết kế hệ thống cảm biến

Hình 2. 5 Sơ đồ hệ thống cảm biến
Các thiết bị cần sử dụng:
-

Cảm biến nhiệt độ


2.3.4

Thiết kế mạch chấp hành

Hình 2. 6 Sơ đồ bộ chấp hành
Các thiết bị cần sử dụng:
-

Đèn led
Quạt
Rèm cửa
Module RF
Vi điều khiển
Relay đóng cắt

-

Nguồn nuôi

18


Nhiệm vụ thiết kế:
-

Lập trình vi điều khiển giao tiếp UART để truyền nhận dữ liệu từ PLC

-