báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài _N8 nhà thông minh

báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài nhà thông minh. thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài nhà thông minh nhóm 8

Trang 1

THIẾT KẾ SẢN PHẨM CƠ ĐIỆN TỬ: NHÀ THÔNG MINH

Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Văn Trường

Sinh viên thực hiện : Đặng Tuấn Hiệp 2020603731Nguyễn Duy Ngọc 2020604277 Đào Thanh Sơn 2020603982

Trang 2

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung

1 Tên lớp: ME6061.4 Khóa: 15 2 Tên nhóm: N08

Họ và tên thành viên

- Nguyễn Duy Ngọc MSV: 2020604277 - Đào Thanh Sơn MSV: 2020603982

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử: Nhà thông minh2 Hoạt động của sinh viên

Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế

- Thiết lập danh sách yêu cầu

Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ - Xác định các vấn đề cơ bản - Thiết lập cấu trúc chức năng - Phát triển cấu trúc làm việc - Lựa chọn cấu trúc làm việc

Nội dung 3: Thiết kế cụ thể

- Xây dựng các bước thiết kế cụ thể - Tích hợp hệ thống

- Phác thảo sản phẩm bằng phần mềm CAD và/hoặc bằng bản vẽ phác Áp dụng các công cụ hỗ trợ: Mô hình hóa mô phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản phẩm

3 Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch bài tập lớn

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử và các tài liệu tham khảo

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính

TS Nguyễn Anh Tú TS Nguyễn Văn Trường

Trang 3

1.2.2 Tại Việt Nam 11

1.3 Thiết lập danh sách yêu cầu 11

NỘI DUNG 2: Thiết kế sơ bộ 15

2.1.3 Giai đoạn 3: Trong mức độ nhất định, khái quát lại kết quả bước trước 18

2.2 Thiết lập cấu trúc chức năng 20

Trang 4

3.1.4 Bố trí hình học 33

3.1.5 Bản vẽ xây dựng nhà thông minh 33

3.1.6 Mô hình 3D demo nhà thông minh 34

3.2 Thiết kế chi tiết 34

3.2.1 Tủ điều khiển 34

3.2.2 Sơ đồ đấu nối tổng quan các hệ thống trong nhà thông minh 36

3.2.3 Hệ thống chiếu sáng thông minh 37

Bảng 2.2: Điểm đánh giá cho các biến thể 28

Bảng 3.1: Bảng nhiệm vụ các nhóm 32

Trang 5

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1: Nhà thông minh ngày nay 7

Hình 1.2: Bộ điều khiển IOT trong hệ thống nhà thông minh 8

Hình 1.3: Điều khiển dễ dàng tất cả thiết bị trên điện thoại thông minh 9

Hình 1.4: Ước tính doanh thu thị trường smarthome tại Việt Nam giai đoạn 2017 - 2026 11

Hình 2.1: Chức năng tổng thể của nhà thông minh 20

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc tổng thể của nhà thông minh 20

Hình 3.6: Bản vẽ xây dựng nhà thông minh 33

Hình 3.7: Mô hình 3D demo nhà thông minh 34

Hình 3.8: Thiết kế mô hình 3D tủ điều khiển 34

Hình 3.9: Bản vẽ phân rã khung tủ điều khiển 35

Hình 3.10: Bố trí linh kiện bên trong tủ điều khiển 35

Hình 3.11: Bố trí linh kiện bên ngoài tủ điều khiển 36

Hình 3.12: Sơ đồ đấu nối tổng quan 36

Hình 3.13: Sơ đồ đấu nối hệ thống chiếu sáng thông minh 37

Hình 3.14: Sơ đồ đấu nối hệ thống an ninh - giám sát 38

Hình 3.15: Sơ đồ đấu nối hệ thống điều khiển nhiệt độ 39

Hình 3.16: Sơ đồ đấu nối hệ thống rèm của tự động 40

Hình 3.17: Sơ đồ đấu nối hệ thống giải trí âm thanh đa chiều 40

Trang 6

NỘI DUNG 1: NỘI DUNG THIẾT KẾ

- 1966 – 1967 - Sự ra đời của Echo IV và máy tính bếp: Echo IV là thiết bị thông minh đầu tiên được phát minh mặc dù nó không bao giờ được bán ra thị trường Echo IV là thiết bị thông minh có thể bật và tắt thiết bị, kiểm soát nhiệt độ của nhà và lên danh sách mua sắm

- 1991 - Gerontechnology kết hợp giữa công nghệ sinh dưỡng và công nghệ và làm cho cuộc sống của người già dễ dàng hơn Trong những năm 1990, đã có rất nhiều nghiên cứu và công nghệ mới trong lĩnh vực này

- 1998 - Đầu những năm 2000 – Ngôi nhà thông minh hoặc nhà tự động hóa được điều khiển từ xa thông qua việc sử dụng các loại sóng không dây bắt đầu gia tăng phổ biến vào đầu những năm 2000 Như vậy, các công nghệ thông minh khác nhau bắt đầu xuất hiện

Các xu hướng hiện tại trong Nhà thông minh tự động bao gồm điều khiển thiết bị điện từ xa, thiết lập hoạt động tự động cho hệ thống thiết bị, điều chỉnh nhiệt tự động, bảo vệ an ninh – an toàn, gửi cảnh báo bằng văn bản và cuộc gọi thông qua hệ thống giám sát từ xa

Trang 7

1.1.2 Ứng dụng

Nhà thông minh là một hệ thống kết hợp giữa thiết bị điện tử, công nghệ thông tin và internet trong nhà, giúp cho người sử dụng có thể dễ dàng kiểm soát và tự độ hóa mọi hoạt động trong cuộc sống hàng ngày Dưới đây là một số ứng dụng của nhà thông minh trong cuộc sống:

- Điều khiển thiết bị điện tử: Nhà thông minh cho phép bạn điều khiển các thiết bị điện tử như đèn, máy lạnh, tivi, hệ thống âm thanh thông qua điện thoại di động, máy tính bảng hoặc giọng nói

- Tăng cường an ninh: Hệ thống camera an ninh, cửa khóa thông minh và cảnh báo chống trộm giúp gia tăng độ an toàn cho ngôi nhà của bạn Bạn có thể theo dõi mọi hoạt động xung quanh ngôi nhà mọi lúc mọi nơi thông qua điện thoại di động

- Tiết kiệm năng lượng: Nhà thông minh giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách tắt/ mở các thiết bị điện tử khi sử dụng, điu chỉnh nhiệt độ phòng, tối ưu hóa ánh sáng tự nhiên và nhân tạo

- Tối ưu hóa không gian sống: Hệ thống điều khiển rèm cửa, điều chỉnh ánh sáng và hệ thống thông gió tự động giúp tạo ra không gian sống thoải mái và thân thiện với môi trường

- Quản lý thiết bị gia đình: Nhà thông minh giúp bạn quản lý và theo dõi các thiết bị gia đình như máy giặt, máy sấy, máy rửa bát, tủ lạnh… từ xa, giúp tiết kiệm thời gian và công sức

Hình 1.1: Nhà thông minh ngày nay

Trang 8

- Chăm sóc sức khỏe: Các thiết bị theo dõi và phân tích chất lượng không khí, nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng giúp bạn chủ động chăm sóc sứcỏe cho gia đình mình

- Giải trí: Hệ thống âm thanh thông minh, tivi thông minh giúp bạn tận hưởng những giờ phút giải trí thoải mái ngay tại nhà mà không cần phải ra ngoài

- Hỗ trợ người cao tuổi và người khuyết tật: Nhà thông minh giúp hỗ trợ người cao tuổi và người khuyết tật trong việc điều khiển các thiết bị gia đình, gọi điện thoại, tìm kiếm thông tin và giải trí, giúp họ có cuộc sống tự lập và dễ dàng hơn

Nhờ những ứng dụng trên, nhà thông minh đang trở thành xu hướng của tương lai, mang lại sự tiện nghi, an toàn và bền vững cho cuộc sống của con người

1.1.3 Chức năng

- Kết nối mọi thiết bị thông minh từ phần mềm của nhà sản xuất:

Hệ thống sinh thái nhà thông minh gồm rất nhiều các thiết bị thông minh khác nhau như đèn, camera, tivi, điều hòa, rèm cửa, khóa cửa,… Các thiết bị kết nối với nhau qua hệ thống trung tâm, cho phép thực hiện trực tiếp bằng điều khiển trung tâm hoặc từ xa thông qua một nền tảng Nền tảng quản lý thiết bị nhà thông minh được cài đặt, cập nhật trên một phần mềm chung Phần mềm này được cài đặt trên giao diện điện thoại thông minh, iPad Qua đó, người dùng có thể kết nối mọi thiết bị thông minh trong nhà, cho phép quan sát hình ảnh chân thực, theo dõi và điều khiển mọi thứ theo mong muốn

Hình 1.2: Bộ điều khiển IOT trong hệ thống nhà thông minh

Trang 9

- Điều khiển mọi thiết bị từ xa:

Khi kết nối tất cả các thiết bị trên cùng một phần mềm, người dùng có thể điều khiển cả ngôi nhà thông qua công tắc wifi một cách dễ dàng Các thiết bị điện – điện tử được thiết lập hiển thị trên ứng dụng smartphone Từ chiếc điện thoại kết nối wifi hoặc mạng di động, ở bất cứ đâu người dùng đều có thể điều khiển được các thiết bị trong nhà

- Điều khiển ánh sáng: Bạn có thể điều chỉnh độ sáng, màu sắc của đèn, tắt/mở đèn tự động theo lịch trình hoặc điều khiển từ xa qua điện thoại

- Hệ thống an ninh: Bao gồm camera giám sát, cảm biến chuyển động, cửa sổ và cửa thông báo mở/tắt, giúp bạn giám sát và bảo vệ ngôi nhà một cách hiệu quả

- Điều khiển nhiệt độ: Bạn có thể lập trình hoặc điều chỉnh nhiệt độ trong nhà thông qua thiết bị điều khiển từ xa, điều hòa không khí và hệ thống sưởi ấm

- Hệ thống âm thanh và giải trí: Các thiết bị như loa thông minh, TV thông minh, hệ thống âm thanh đa vùng cho phép bạn phát nhạc, xem phim, chơi game và sử dụng các ứng dụng giải trí khác

- Quản lý năng lượng: Các thiết bị thông minh giúp bạn theo dõi và tiết kiệm năng lượng, như đồng hồ thông minh, ổ cắm thông minh và hệ thống điều khiển năng lượng

Hình 1.3: Điều khiển dễ dàng tất cả thiết bị trên điện thoại thông minh

Trang 10

- Hệ thống điều khiển rèm cửa và cửa sổ: Bạn có thể điều khiển rèm cửa và cửa sổ mở/tắt tự động theo lịch trình hoặc điều khiển từ xa

- Hệ thống tưới cây tự động: Các cảm biến độ ẩm và hệ thống tưới cây thông minh giúp bạn chăm sóc cây cối trong nhà và vườn một cách hiệu quả

- Hỗ trợ trợ lý ảo: Các trợ lý ảo như Google Assistant, Apple Siri giúp bạn thực hiện các lệnh bằng giọng nói và điều khiển các thiết bị thông minh trong nhà

- Hệ thống báo cháy và cảnh báo khói: Hệ thống báo cháy thông minh giúp phát hiện khói và đưa ra cảnh báo kịp thời để bảo vệ gia đình bạn

- Hệ thống quản lý thông gió: Các cảm biến chất lượng không khí và hệ thống thông gió thông minh giúp duy trì không khí trong lành trong ngôi nhà của bạn

1.2 Khảo sát yêu cầu thị trường

Thị trường nhà thông minh được đánh giá là đang trong giai đoạn nóng nhất và sẽ tiếp tục tăng trưởng mạnh trong vài năm tới Theo tạp chí The New York Times, nhà thông minh là 1 trong 3 xu hướng công nghệ tạo nên điểm sáng của năm 2022 Không chỉ vậy, đây cũng là ngành được dự đoán là có tiềm năng tăng trưởng rất lớn trong thời gian tới

1.2.1 Trên thế giới

Nhờ sự phát triển vượt bậc của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và công nghệ IoT, thị trường nhà thông minh smarthome đang là “miếng bánh tỷ đô” hấp dẫn đối với nhiều ông lớn công nghệ trên thế giới

Theo số liệu từ Statista - Công ty uy tín về nghiên cứu thị trường và dữ liệu người dùng thì thị trường smarthome toàn cầu có thể đạt tới doanh thu 126,1 tỷ USD trong năm 2022

Con số này sẽ tiếp tục tăng lên nhanh chóng và đạt tới 207,8 tỷ USD trong năm 2026

Thị trường smarthome đang tăng trưởng nóng Bởi chỉ trong vòng 4 năm, doanh thu toàn thị trường có thể tăng lên tới 60%

Trang 11

1.2.2 Tại Việt Nam

Giống với xu hướng chung trên thế giới, thị trường nhà thông minh Việt Nam cũng được đánh giá là đang tăng trưởng nóng và nhu cầu nhà thông minh của người dùng sẽ tiếp tục tăng mạnh trong vài năm tới

Việt Nam nằm trong top 6 quốc gia có tỷ lệ người dùng internet sở hữu nhà thông minh cao nhất trên thế giới - Theo Global Web Index Tức là Nhu cầu nhà thông minh của người dùng Việt Nam đang là rất cao!

Theo báo cáo Tổng quan về thị trường smarthome Việt Nam 2022 của Lumi, doanh thu từ thị trường này đang ở mức 239,93 triệu USD trong 2022 Con số trên sẽ cán mốc 453,81 triệu USD vào năm 2026

1.3 Thiết lập danh sách yêu cầu

Trước khi bắt đầu phát triển sản phẩm, cần phải làm rõ được nhiệm vụ thiết kế một cách chi tiết Việc phân tích nhiệm vụ thiết kế thông qua việc khảo sát nhu cầu thị trường và nhu cầu của khác hàng

Hình 1.4: Ước tính doanh thu thị trường smarthome tại Việt Nam giai đoạn 2017 - 2026

Trang 12

Nhóm 8 Danh sách yêu cầu cho nhà thông minh

Thay đổi D

W

Yêu cầu

Chịu trách nhiệm

W W W W W W D D D W

D W

- Độ dày tường: 10 – 20 cm - Số phòng: 4 – 5 phòng

o 1 phòng khách o 2 phòng ngủ o 1 nhà vệ sinh o 1 phòng đa năng

Năng lượng:

- Điện dân dụng - Năng lượng mặt trời

Trang 13

- Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong phòng: cài đặt thủ công từ xa hoặc hoàn toàn tự động điều khiển máy lạnh, quạt, quạt thông gió, quạt hút mùi

- Hệ thống rèm cửa tự động: Có thể điều khiển từ xa hoặc cài đặt tự động theo thời gian - Hệ thống giải trí âm thanh đa chiều: Có thể phân tích hiểu được những sở thích cá nhân của chủ nhà để phát những bản nhạc thư giãn với từng trường hợp

Xây dựng, lắp đặt:

- Xây dựng theo thiết kế đã đưa ra

Trang 14

D D

W W W W

W D

W

- Dễ dàng lắp đặt và kết nối các hệ thống - Sắp xếp, trang trí nội thất đẹp mắt mắt, thuận tiện khi sử dụng

Kiểm soát chất lượng:

- Trí tuệ nhân tạo và IoT - Công nghệ không chạm - Kết nối tốc độ cao

- An ninh công nghệ cao và bảo vệ quyền riêng tư

Bảo trì, bảo dưỡng:

- Bảo trì, thay thế dễ dàng

- Nhân viên đến bảo dưỡng định kì

Chi phí:

- 1,000,000,000 – 3,000,000,000 VND

Trang 15

NỘI DUNG 2: THIẾT KẾ SƠ BỘ

- Độ dày tường: 10 – 20 cm

❖ Năng lượng:

❖ Vật liệu:

- Vật liệu sử dụng trong các hệ thống thông minh an toàn với sức khỏe con người - Có độ bền cao

❖ Hệ thống thông minh:

- Bộ điều khiển: Sử dụng bộ điều khiển IOT

- Hệ thống chiếu sáng thông minh: Có thể điều khiển bật tắt đèn từ xa và có thể cài đặt hẹn giờ hoàn toàn tự động đối với từng thiết bị

- Hệ thống an ninh – Camera quan sát: Cảm biến chuyển động, cảnh báo khi mở cửa, hệ thống cảm biến báo khí ga, báo khói, báo nhiệt độ, độ ẩm, nước tràn…

- Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong phòng: cài đặt thủ công từ xa hoặc hoàn toàn tự động điều khiển máy lạnh, quạt, quạt thông gió, quạt hút mùi

- Hệ thống rèm cửa tự động: Có thể điều khiển từ xa hoặc cài đặt tự động theo thời gian

Trang 16

- Hệ thống giải trí âm thanh đa chiều: Có thể phân tích hiểu được những sở thích cá nhân của chủ nhà để phát những bản nhạc thư giãn với từng trường hợp

- Sắp xếp, trang trí nội thất đẹp mắt mắt, thuận tiện khi sử dụng

❖ Kiểm soát chất lượng:

❖ Bảo trì, bảo dưỡng:

Trang 17

- Diện tích căn nhà, chiều dài, chiều rộng, chiều cao - Độ dày tường: 10 – 20 cm

❖ Năng lượng:

- Hệ thống giải trí âm thanh đa chiều

Trang 18

Trang 19

- Hệ thống giải trí âm thanh đa chiều

- Sắp xếp, trang trí nội thất đẹp mắt mắt, thuận tiện khi sử dụng

- Bảo trì, thay thế dễ dàng

- Nhân viên đến bảo dưỡng định kì

❖ Chi phí:

- 1,000,000,000 – 3,000,000,000 VND

Trang 20

2.2 Thiết lập cấu trúc chức năng

2.2.1 Chức năng tổng thể

- Chú thích:

Hình 2.1: Chức năng tổng thể của nhà thông minh

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc tổng thể của nhà thông minh

Trang 21

2.2.2 Chức năng con

- Chức năng lưu trữ điện dự phòng:

- Chức năng xử lý tín hiệu và điều khiển

- Chức năng bảo vệ hệ thống điện

Trang 22

- Chức năng chiếu sáng thông minh

- Chức năng an ninh – giám sát

Trang 23

- Chức năng điều khiển nhiệt độ

- Chức năng điều khiển rèm cửa thông minh

- Chức năng âm thanh đa chiều

2.3 Nguyên lý làm việc

2.3.1 Giải pháp

Trang 24

1 2 3

1

Lưu trữ điện dự phòng

Bộ chuyển đổi ac-dc

Nguồn tuyến

Công nghệ pin litium

Công nghệ pin

ni-ken Pin thể rắn

3

Bảo vệ hệ thống

điện

Chống ngắn mạch

Nguyên lý cầu trì

Nguyên lý atomat

Relay trung gian

quá tải

Nguyên lý role nhiệt

Nguyên lý cầu trì

Nguyên lý atomat

ngắt

Cầu trì Nguyên lý relay

Mạch bảo vệ rời

6

Xử lý tín hiệu và điều khiển

Xử lý tín hiệu

sáng

Cảm biến ánh sáng

Photodiode Photoresistor Phototransistor

bóng chiếu

Công nghệ huỳnh quang

Công nghệ halogen

Công nghệ led Giải pháp

Chức năng con

Trang 25

10

Hệ thống an ninh – giám sát

Camera

Công nghệ camera hồng

ngoại

Công nghệ camera AI

Công nghệ camera hỗn hợp

nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ

Cặp nhiệt điện

Ic cảm biến nhiệt độ

Nhiệt điện trở kim loại

điều hòa

Công nghệ inverter

Công nghệ nano

Công nghệ ion plasma

15

Hệ thống rèm cửa

Đóng mở rèm

Công nghệ cảm biến ánh

sáng

Điều khiển bằng giọng

nói

Điều khiểm bằng smartphone

Loa phát Loa âm trần Loa hộp ngắn

Bảng 2.1: Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng trong nhà thông minh