Đồ án thiết kế hệ thống nhúng (6)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ******* BÁO CÁO ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG Đề tài: Mô hệ thống nhà thông minh theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển thiết bị từ xa ESP8266 thông qua MQTT Giảng viên: Thầy Nguyễn Ngọc Minh Nhóm mơn học: 03 Nhóm BTL: 07 Thành viên: Đào Quý Anh – B18DCDT003 Nguyễn Huy Hùng – B18DCDT091 Nguyễn Việt Anh – B18DCDT011 Nguyễn Đức Hiếu – B18DCDT075 MỞ ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, cơng nghiệp, cung cấp thơng tin Do sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử phải biết nắm bắt vận dụng cách có hiệu nhằm góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật giới nói chung phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Bên cạnh cịn thúc đẩy phát triển kinh tế nước nhà Như biết,nhu cầu sống ngày nâng cao,nên nhu câu tiện nghi ngơi nhà khơng nằm ngồi xu Các thiết bị nhà điều khiển cách tự động giám sát từ xa đem lại sống thoải mái cho thành viên gia đình Từ u cầu nhóm em chọn để tài “Mơ hệ thống nhà thông minh theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển thiết bị từ xa ESP8266 thông qua MQTT” làm đề tài mơn học Trong q trình thực có lẽ khó tránh khỏi thiếu sót, hạn chế nhóm em mong có góp ý nhắc nhở từ thầy giáo để hồn thiện đề tài Em xin trân thành cảm ơn! MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Kỹ thuật điện tử ngành công nghệ liên quan đến việc ứng dụng kỹ thuật đại, kỹ thuật điều khiển kỹ thuật máy tính vào việc vận hành điều khiển q trình sản xuất Ngày nay, nhu cầu thị hiếu người ngày cao, yêu cầu số lượng chất lượng sản phẩm xã hội khơng ngừng tăng, điều địi hỏi dây chuyền sản xuất cơng nghiệp ngày đại, có mức độ tự động hóa ngày cao với việc sử dụng kỹ thuật điều khiển đại có trợ giúp máy tính Hệ thống điều khiển tự động hóa có mặt dây chuyền sản xuất ngành kinh tế khác như: công nghiệp, nơng nghiệp, giao thơng vận tải,… Vì hệ thống điều khiển thơng minh hồn tồn tự động xu tất yếu Ưng dụng hệ thống thông minh vào điều khiển cac thiết bị nhà sân vườn mẻ Việt Nam Nhóm định chọn đề tài ngơi nhà thông minh để làm đề tài nguyên cứu để đón đầu xu 1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nhóm xây dựng đề tài chọn theo hướng xây dựng hệ thống sử dụng ESP8266 để quản lý nơi mà người phải bỏ sức để thực công việc lặp lặp lại ngày Nhằm bỏ qua tác động người, người bận tâm nhiều đến việc quản lý nhà Mang lại sống thoải mái 1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nhóm thực đề tài đặt mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau: tìm hiểu nguyên tắc hoạt động cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ESP8266, ngơn ngữ lập trình web thông dụng HTML/CSS, NodeJS sử dụng web để làm giao diện điều khiển CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN VÀ NGÔN NGỮ SỬ DỤNG 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MODULE ESP8266 2.1.1 Tổng quan module ESP8266 Kit ESP8266 kit phát triển dựa chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sử dụng tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 board Bên ESP8266 có sẵn lõi vi xử lý bạn trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà khơng cần thêm vi xử lý Hiện có hai ngơn ngữ lập trình cho ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE Arduino để lập trình với thư viện riêng sử dụng phần mềm node MCU Module ESP8266 module wifi giá rẻ đánh giá cao cho ứng dụng liên quan đến Internet Wifi ứng dụng truyền nhận sử dụng thay cho module RF khác ESP8266 chip tích hợp cao, thiết kế cho nhu cầu giới kết nối mới, giới Internet of thing (IOT) Nó cung cấp giải pháp kết nối mạng Wi-Fi đầy đủ khép kín, cho phép lưu trữ ứng dụng để giảm tải tất chức kết nối mạng Wi-Fi từ xử lý ứng dụng ESP8266 có khả xử lý khả lưu trữ mạnh mẽ cho phép tích hợp với cảm biến, vi điều khiển thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIOs với chi phí tối thiểu PCB tối thiểu 2.1.2 Thơng số kỹ thuật • • • • • • • • • IC chính: ESP8266 Wifi SoC Phiên firmware: NodeMCU Lua Chip nạp giao tiếp UART: CP 2101 GPIO tương thích hồn tồn với firmware Node MCU Nguồn: 5v DC MicroUSB Vin GPIO giao tiếp mức 3.3 VDC Tích hợp led báo trạng thái, nút Rst, Flash Tương thích hồn tồn với Arduino IDE Kích thước: 59*32 mm 2.1.3 Các tính • • • • SDIO 2.0, SPI, UART 32-pin QFN (Chip ESP8266) Tích hợp RF switch, balun, 24dBM PA, DCXO, and PMU Tích hợp xử lý RISC chip nhớ giao diện nhớ ngồi • • • Tích hợp vi xử lý MAC / baseband Tích hợp Wep, TKIP, AES cơng cụ WAPI Băm xung PWM (tất chân ) Sơ đồ chân: Hình ảnh thực tế: 2.2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DHT11 DHT11 cảm biến kỹ thuật số giá rẻ để cảm nhận nhiệt độ độ ẩm Cảm biến dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển vi Arduino, Raspberry Pi, để đo độ ẩm nhiệt độ DHT11 cảm biến độ ẩm tương đối Để đo khơng khí xung quanh, cảm biến sử dụng điện trở nhiệt cảm biến độ ẩm điện dung 2.2.1 Cấu tạo Cảm biến DHT11 bao gồm phần tử cảm biến độ ẩm điện dung điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất giữ ẩm làm chất điện môi chúng Thay đổi giá trị điện dung xảy với thay đổi mức độ ẩm IC đo, xử lý giá trị điện trở thay đổi chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số Để đo nhiệt độ, cảm biến sử dụng nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm giá trị điện trở nhiệt độ tăng Để có giá trị điện trở lớn thay đổi nhỏ nhiệt độ, cảm biến thường làm gốm bán dẫn polymer Sơ đồ chân: Số chân Tên chân VCC Data NC GND Mô tả 3,5 - 5V Đầu nhiệt độ độ ẩm thông qua liệu nối tiếp No Conect Nối đất Cảm Biến Nhiệt Độ Và Độ Ẩm DHT11 cảm biến thông dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu thông qua giao tiếp wire (giao tiếp digital dây truyền liệu nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp cảm biến giúp bạn có liệu xác mà khơng phải qua tính tốn So với cảm biến đời DHT22 DHT11 cho khoảng đo độ xác nhiều Thơng số kỹ thuật: − − − − − − Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC Dòng điện tiêu thụ: 2.5mA Phạm vi cảm biến độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH Phạm vi cảm biến nhiệt độ: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây lần) Kích thước: 23 * 12 * mm 2.2.2 Cách sử dụng cảm biến DHT11 Như hình trên, chân liệu kết nối với chân I / O vi điều khiển điện trở kéo lên 5K sử dụng Chân liệu xuất giá trị nhiệt độ độ ẩm dạng liệu nối tiếp Đầu đưa chân liệu theo thứ tự liệu số nguyên độ ẩm bit + bit liệu thập phân độ ẩm + liệu số nguyên nhiệt độ bit + liệu nhiệt độ phân đoạn bit + bit chẵn lẻ bit Để yêu cầu module DHT11 gửi liệu này, chân I / O phải đặt mức thấp giây lát sau giữ mức cao biểu đồ thời gian bên Thời lượng tín hiệu host giải thích datasheet DHT11, với bước sơ đồ thời gian minh họa 2.3 TỔNG QUAN VỀ RTOS 2.3.1 Khái niệm RTOS viết tắt cụm từ Real-time operating system hay hệ điều hành thời gian thực thường nhúng dòng vi điều khiển dùng để điều khiển thiết bị cách nhanh chóng đa nhiệm (multi tasking) Hệ điều hành thời gian thực (realtime): sinh cho tác vụ cần phản hồi nhanh hệ thống, thường nhúng loại vi điều khiển khơng có giao diện (GUI) tương tác với người dùng Chúng cần phản hồi nhanh đa số tác vụ tương tác với thiết bị, máy móc khác khơng phải người Các tài nguyên bên hữu hạn nên chậm trễ làm hệ thống làm việc hoàn toàn sai lệch 2.3.2 Các thành phần Kernel – Nhân: Kernel hay gọi Nhân có nhiệm vụ quản lý điều phối Task Mọi kiện (Even) ngắt, Timer, data truyền tới… qua Kernel xử lý để định xem nên làm Thời gian xử lý Kernel thường nhanh nên độ trễ thấp Task – Tác vụ: Task đoạn chương trình thực thi nhiều vấn đề đó, Kernel quản lý Kernel quản lý việc chuyển đổi task, lưu lại ngữ cảnh task bị hủy khôi phục lại ngữ cảnh task cách: − − − − Kiểm tra thời gian thực thi định nghĩa trước (time slice tạo ngắt systick) Khi có kiện unblocking task có quyền cao xảy (signal, queue, semaphore,…) Khi task gọi hàm Yield() để ép Kernel chuyển sang task khác mà chờ cho hết time slice Khi khởi động kernel tạo task mặc định gọi Idle Task Task States – Trạng thái Task: Một task RTOS thường có trạng thái sau: − − − − RUNNING: thực thi READY: sẵn sàng để thực WAITING: chờ kiện INACTIVE: không kích hoạt Scheduler – Lập lịch: Đây thành phần kernel định task thực thi Có số luật cho scheduling như: • Cooperative: giống với lập trình thơng thường, task thực thi task chạy dừng lại, nhược điểm task dùng hết tất tài nguyên CPU 10 Để xây dựng ứng dụng realtime cần phải sử dụng Socketio Socketio có khả giúp bên có địa điểm khác thực dễ dàng kết nối với để truyền tải liệu cách nhanh chóng thơng qua hệ thống server trung gian Ngồi ra, Socketio sử dụng cho mục đích khác như: chat, game online, cập nhật kết trận đấu xảy ra, Để cài đặt, ta sử dụng command sau: $ npm install socket.io 22 2.6 GIỚI THIỆU VỀ GIAO THỨC MQTT 2.6.1 Khái niệm MQTT (Message Queueing Telemetry Transport) giao thức mạng kích thước nhỏ (lightweight), hoạt động theo chế publish – subscribe (tạm dịch: xuất – đăng ký) theo tiêu chuẩn ISO (ISO/IEC 20922) OASIS mở để truyền tin nhắn thiết bị Giao thức hoạt động tảng TCP/IP MQTT thiết kế cho kết nối cho việc truyền tải liệu cho thiết bị xa, thiết bị hay vi điều khiển nhỏ có tài nguyên hạn chế ứng dụng có băng thơng mạng bị hạn chế MQTT lựa chọn lý tưởng môi trường như: − − − Những nơi mà giá mạng viễn thông đắt đỏ băng thông thấp hay thiếu tin cậy Khi chạy thiết bị nhúng bị giới hạn tài nguyên tốc độ nhớ Bởi giao thức sử dụng băng thông thấp môi trường có độ trễ cao nên giao thức lý tưởng cho ứng dụng M2M (Machine to Machine) Tính năng, đặc điểm bật: − − − Dạng truyền thơng điệp theo mơ hình Pub/Sub cung cấp việc truyền tin phân tán chiều, tách biệt với phần ứng dụng Việc truyền thông điệp lập tức, không quan tâm đến nội dung truyền Sử dụng TCP/IP giao thức 23 − − − − − Tồn ba mức độ tin cậy cho việc truyền liệu (QoS: Quality of service) QoS 0: Broker/client gửi liệu lần, trình gửi xác nhận giao thức TCP/IP QoS 1: Broker/client gửi liệu với lần xác nhận từ đầu kia, nghĩa có nhiều lần xác nhận nhận liệu QoS 2: Broker/client đảm bảo gửi liệu phía nhận nhận lần, trình phải trải qua bước bắt tay Phần bao bọc liệu truyền nhỏ giảm đến mức tối thiểu để giảm tải cho đường truyền 2.6.2 Cơ chế hoạt động Một phiên MQTT chia thành bốn giai đoạn: kết nối, xác thực, giao tiếp kết thúc Client (máy khách) bắt đầu cách tạo kết nối Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) tới broker cách sử dụng cổng tiêu chuẩn cổng tùy chỉnh xác định nhà phát triển broker Các cổng tiêu chuẩn 1883 cho giao tiếp khơng mã hóa 8883 cho giao tiếp mã hóa – sử dụng Lớp cổng bảo mật (SSL) / Bảo mật lớp truyền tải (TLS) Trong trình giao tiếp SSL/TLS, máy khách cần kiểm chứng xác thực máy chủ Sau đó, Client gửi tin lên broker Publisher nhận tin từ broker Subscriber Quá trình kết nối giữ đến Kết thúc kết nối Sau kết thúc để truyền nhận MQTT, lại tiếp tục quay lại bước 24 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ THỐNG 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 3.2 KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM Ở phần ta tiến hành xây dựng task sau: • • Task Wifi Task MQTT 25 • • Tasks lấy liệu Task đóng gói JSON Tạo cờ Semaphore để quản lý task Nếu kết nối Wifi MQTT giữ kết nối, ta tiến hành gửi dự liệu Lưu đồ thuật toán: Task wifi Các task MQTT NTP server yêu cầu kết nối Wifi cần giữ kết nối wifi suốt q trình chạy Ở ta tiến hành nhập thơng tin wifi password giữ kết nối suốt trình gửi liệu Nếu trình kết nối có đề, thị ngồi hình để dễ dàng việc debug Task MQTT 26 Khởi tạo kết nối tới broker đăng ký vào topic relay để nhận message bật/tắt đèn Nếu nhận thông báo ta liền tiến hành bật/tắt đèn Các task lấy dữ liệu Đầu tiên task lấy thời gian thực từ server NTP Thay lấy liệu thời gian từ server ta lấy thời gian thời điểm lấy liệu thu từ vi xử lý Điều khiến cho biểu đồ thời gian thực xác Tiếp theo task lấy nhiệt độ, độ ẩm ánh sáng Sau lấy đầy đủ tất liệu, ta tiến hành biến đổi tất liệu thành chuỗi JSON để gửi qua MQTT 3.3 KHỐI FRONT-END 3.3.1 Layout bảng điều khiển 3.3.2 Các thành phần trang web − Header: Thanh điều hướng, điều khiển thiết bị nhà Cụ thể bao gồm: + Home: Nút điều hướng trở lại trang chủ + Tiêu đề trang web + History: Nút điều hướng đến trang lịch sử đo 27 − − Sidebar: Chứa thành phần tiêu đề, tìm kiếm tùy chọn cài đặt khác + Nút bấm điều khiển thiết bị + Nút START dùng để bắt đầu nhận dạng giọng nói điều khiển thiết bị Information: Nơi hiển thị thông số, giá trị đo lên trang web theo thời gian thực − Graph: Vẽ biểu đồ hiển thị thay đổi thông số theo thời gian − History page: Lưu lịch sử đo 28 3.3.3 Xử lí trang web Điều khiển thiết bị qua giọng nói web API: Web Speech API định nghĩa JavaScript API cho phép chúng kết hợp nhận dạng tổng hợp giọng nói vào trang web Nó cho phép chuyển đổi văn giọng nói với − − − Web Speech API có chức chính: + Speech synthesis: tổng hợp giọng nói hay chuyển văn thành giọng nói (text to speech) + Speech recognition: nhận dạng giọng nói hay chuyển giọng nói thành văn (speech to text) Trong đề tài này, sử dụng Speech Recognition để nhận dạng giọng nói điều khiển thiết bị Ban đầu, cần khai báo options cho Speech Recognition để sử dụng 29 − Viết hàm open close để bật tắt thiết bị − Nhấn vào button Voice phần sidebar để bắt đầu việc thu giọng nói − Sau đó, xử lý event onresult để nhận kết chuyển từ giọng nói thành văn để thực hàm xử lý logic khác 30 − Sự kiện onspeechend cho phép tự động dừng việc nhận dạng giọng nói khơng có giọng nói đầu vào − Sự kiện onerror thơng báo lỗi có lỗi xảy 31 3.3.3 Giao diện demo 3.4 KHỐI BACK-END 3.4.1 Hệ quản trị sở dữ liệu Mysql MySQL chương trình dùng để quản lý hệ thống sở liệu (CSDL), CSDL hệ thống lưu trữ thông tin xếp rõ ràng, phân lớp ngăn nắp thơng tin mà lưu trữ Vì thế, bạn truy cập liệu cách thuận lợi, nhanh chóng MySQL hỗ trợ đa số ngơn lập trình Chính 32 mà mã nguồn mở phổ biến WordPress sử dụng MySQL làm sở liệu mặc định Máy chủ sở liệu MySQL đáp ứng nhiều tính linh hoạt, có sức chứa để xử lý ứng dụng nhúng sâu với 1MB dung lượng để chạy kho liệu khổng lồ lên đến hàng terabytes thơng tin Đặc tính đáng ý MySQL linh hoạt flatform với tất phiên Windows, Unix Linux hỗ trợ Và đương nhiên, tính chất mã nguồn mở MySQL cho phép tùy biến theo ý muốn để thêm yêu cầu phù hợp cho database server Các đặc điểm Mysql: − − − Hiệu cao: Với kiến trúc storage-engine cho phép chuyên gia sở liệu cấu hình máy chủ sở liệu MySQL đặc trưng cho ứng dụng chuyên biệt Dù ứng dụng website dung lượng lớn phục vụ hàng triệu người/ngày hay hệ thống xử lý giao dịch tốc độ cao MySQL đáp ứng khả xử lý khắt khe hệ thống Với tiện ích tải tốc độ cao, chế xử lý nâng cao khác đặc biệt nhớ caches, MySQL đưa tất tính cần có cho hệ thống doanh nghiệp khó tính Tính sẵn sàng cao: MySQL đảm bảo tin cậy sử dụng MySQL đưa nhiều tùy chọn “mì ăn liền” từ cấu hình tái tạo chủ/tớ tốc độ cao, để nhà phân phối thứ đưa điều hướng dùng cho server sở liệu MySQL Hỗ trợ giao dịch mạnh mẽ: MySQL đưa số engine giao dịch sở liệu tốt thị trường Các đặc trưng bao gơm, khóa mức dịng khơng hạn chế, hỗ trợ giao dịch ACID hoàn thiện, khả giao dịch phân loại hỗ trợ giao dịch đa dạng (multi-version) mà người đọc không cản trở cho người viết ngược lại Dữ liệu đảm bảo suốt q trình server có hiệu lực, mức giao dịch độc lập chun mơn hóa, phát có lỗi khóa chết tức 3.4.2 Thiết kế sở dữ liệu Để lưu trữ liệu thị cho người dùng (client) ta cần lưu số thông tin cần thiết như: Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ngày cuối bóng đèn Bảng sensor: STT Mã trường Id mô tả Số thứ tự kiểu dữ liệu int 33 Phân tích code: date Humidity Temperature Light Relay1 Relay2 Relay3 Relay4 Ngày Độ ẩm Nhiệt dộ Ánh sáng Đèn Đèn Đèn Đèn Date Int Int Int Varchar Varchar Varchar Varchar Tiến hành kết nối với database broker MQTT Sau tiến hành tạo bảng đẩy liệu thu từ phần code nhúng vào database 34 Ngay sau xử lý trạng thái bật tắt đèn Ở nhận kiện bật/tắt đèn ta tiến hành gửi message với topic để tiến hành bật /đèn 35 36 ... Subscriber Quá trình kết nối giữ đến Kết thúc kết nối Sau kết thúc để truyền nhận MQTT, lại tiếp tục quay lại bước 24 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ THỐNG 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 3.2 KHỐI XỬ... (ISO/IEC 20922) OASIS mở để truyền tin nhắn thiết bị Giao thức hoạt động tảng TCP/IP MQTT thiết kế cho kết nối cho việc truyền tải liệu cho thiết bị xa, thiết bị hay vi điều khiển nhỏ có tài nguyên... Semaphore để quản lý task Nếu kết nối Wifi MQTT giữ kết nối, ta tiến hành gửi dự liệu Lưu đồ thuật toán: Task wifi Các task MQTT NTP server yêu cầu kết nối Wifi cần giữ kết nối wifi suốt trình chạy