TIỂU LUẬN môn học đề tài mô HÌNH NHÀ THÔNG MINH CÔNG NGHỆ 4 0

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Kit Wifi Node MCU 8266 CP 2102

Kit Wifi ESP8266 NodeMCU là một bộ phát triển dựa trên chip Wifi SoC ESP8266, nổi bật với thiết kế thân thiện và dễ sử dụng Đặc biệt, kit này cho phép lập trình và nạp code trực tiếp thông qua trình biên dịch Arduino, giúp đơn giản hóa quá trình phát triển ứng dụng trên nền tảng ESP8266.

Kit Wifi ESP8266 NodeMCU là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng kết nối và thu thập dữ liệu qua sóng Wifi, đặc biệt trong lĩnh vực Internet of Things (IoT).

Kit Wifi ESP8266 NodeMCU được trang bị chip CP2102, mang đến khả năng giao tiếp UART ổn định và tự động nhận driver trên các hệ điều hành Windows và Linux Đây là phiên bản cải tiến so với các phiên bản trước sử dụng IC CH340, giúp quá trình nạp code trở nên dễ dàng, nhanh chóng và hiệu quả hơn.

Hình 1.1: Sơ đồ chân của Node MCU CP2102

Kit ESP8266 được phát triển dựa trên chip wifi SoC ESP8266, có thiết kế dễ sử dụng với mạch nạp tích hợp chip CP2102 Bên trong, ESP8266 tích hợp lõi vi xử lý, cho phép lập trình chỉ với con ESP8266 mà không cần thêm linh kiện khác.

Tải xuống TIEU LUAN MOI tại địa chỉ skknchat123@gmail.com, phần mềm Node MCU mới nhất Sơ đồ chân của Node MCU được trình bày trong hình 1.1 với các thông số chi tiết như sau [1].

Chip: ESP8266 WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n Điện áp hoạt động: 3.3V Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB

Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)

Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)

Bộ nhớ Flash: 4MB Giao tiếp: Cable Micro USB

Hỗ trợ bảo mật với các giao thức WPA/WPA2, kit wifi Node MCU CP2102 tích hợp giao thức TCP/IP, cho phép lập trình bằng các ngôn ngữ như C/C++, Micropython và NodeMCU Việc lập trình và nạp code cho kit này trở nên dễ dàng hơn nhờ khả năng tương thích với Arduino IDE, giúp người dùng dễ dàng sử dụng như một Arduino thông thường.

Mở chương trình Arduino và cửa sổ Preferences.

Enter http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json vào Additio nal Board Manager URLs Ta có thể thêm nhiều URL, cách nhau bằng dấu phẩy.

Hình 1.2: Dán link vào ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 3

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat

Mở Boards Manager từ Tools > Board menu và tìm ESP8266 platform Chọn phiên bản bạn cần từ cửa sổ Drop-down.

Click nút install. Đừng quên chọn loại ESP8266 board từ Tools > Board menu sau khi cài đặt.

1.1.3 Quản lý năng lượng NODE MCU

NODE MCU được phát triển cho các ứng dụng di động, điện tử lắp ráp và Internet of Things, nhằm tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng Thiết bị này sử dụng nhiều kỹ thuật độc quyền và có kiến trúc tiết kiệm năng lượng, hoạt động trong ba chế độ: chế độ hoạt động, chế độ ngủ và chế độ ngủ sâu.

Bằng cách áp dụng các kỹ thuật quản lý nguồn điện và kiểm soát chuyển đổi giữa chế độ ngủ, NODE MCU tiêu thụ chỉ dưới 12uA khi ở chế độ ngủ, và chỉ khoảng 1.0mW (DTIM = 3) hoặc ít hơn 0.5mW (DTIM = 10) để duy trì kết nối với các điểm truy cập.

Khi NODE MCU ở chế độ ngủ, chỉ có bộ phận hiệu chỉnh đồng hồ thời gian thực và cơ quan giám sát hoạt động Đồng hồ thời gian thực có khả năng lập trình để đánh thức NODE MCU vào thời điểm cần thiết.

NODE MCU có khả năng lập trình để tự động thức dậy khi phát hiện một điều kiện nhất định Tính năng tối thiểu thời gian báo thức của NODE MCU có thể được áp dụng trong dự án của sinh viên ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113.

MCU có thể được tích hợp vào các thiết bị di động SOC, giúp chúng duy trì chế độ chờ với mức tiêu thụ điện năng thấp cho đến khi cần sử dụng Wifi Để đáp ứng nhu cầu năng lượng của các thiết bị di động và điện tử lắp ráp, ESP8266 có khả năng được lập trình để điều chỉnh công suất đầu ra của PA phù hợp với các ứng dụng khác nhau, đồng thời tắt các khoảng tiêu thụ năng lượng không cần thiết.

Các chip có thể được thiết lập ở các trạng thái sau:

 OFF: chân CHIP_PD ở mức thấp Các RTC (đồng hồ thời gian) bị vô hiệu hóa và mọi thanh ghi sẽ bị xóa.

Khi chế độ SLEEP DEEP được kích hoạt, các RTC sẽ hoạt động, trong khi các phần còn lại của chip sẽ tắt Điều này giúp RTC phục hồi bộ nhớ nội bộ để lưu trữ thông tin kết nối WiFi cơ bản.

Trong chế độ SLEEP, chỉ có RTC hoạt động trong khi các dao động tinh thể bị vô hiệu hóa Bất kỳ sự kiện nào như wakeup từ MAC, host, RTC hẹn giờ hoặc ngắt ngoài sẽ đưa chip trở lại trạng thái wakeup.

 Wakeup: Trong trạng thái này, hệ thống đitừ trạng thái ngủ sang trạng thái

PWR Các dao động tinh thể và PLLs được kích hoạt.

Trạng thái ON cho phép xung clock tốc độ cao hoạt động, gửi tín hiệu đến các khối được kích hoạt qua việc đăng ký kiểm soát xung clock Mức độ clock gating thấp hơn được thực hiện ở cấp khối, bao gồm cả CPU, và có thể đạt được bằng cách sử dụng lệnh WAIT khi hệ thống đang ở trạng thái tắt.

Giới thiệu về Arduino IDE

Arduino IDE là phần mềm lập trình cho các kit Arduino, cho phép người dùng viết chương trình bằng ngôn ngữ C hoặc C++ Phần mềm đi kèm với thư viện "Wiring", giúp đơn giản hóa các thao tác input/output Để tạo ra một chương trình có thể chạy, người dùng chỉ cần định nghĩa hai hàm: setup() để thiết lập cài đặt khi khởi động và loop() để thực hiện các thao tác lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch.

Nhiều ngôn ngữ lập trình, đặc biệt là dành cho Windows, cung cấp một lượng lớn thư viện hỗ trợ giao diện người dùng Tuy nhiên, thư viện có sẵn trong Arduino thường không đủ để đáp ứng nhu cầu của lập trình viên, do đó, việc nạp thêm các thư viện cần thiết là rất quan trọng.

Trên giao diện IDE Arduino các bạn vào Sketch chọn Import Library, chọn tiếp Add Library và tìm đến file nén vừa tạo (file.zip) [2]. ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 5

 Cấu trúc phần mêm các ham cơ bản

Cấu trúc chương trình viết cho Arduino gồm hai phần đầu tiên là hàm khởi tạo setup() và vòng lặp loop().

Hàm setup() được kích hoạt khi khởi đầu một bản thiết kế Arduino, nơi bạn sẽ khai báo các biến khởi tạo, thiết lập chế độ cho các chân, và bắt đầu sử dụng các thư viện cần thiết Hàm này chỉ thực hiện một lần duy nhất mỗi khi nguồn được bật hoặc khi mạch Arduino được reset.

- int buttonPin = 3; void setup() { serial.begin(9600); // cấu hình cổng nối tiếp có tốc độ dữ liệu là

9600 bps pinMode(buttonPin, INPUT); // đặt chân 3 là chân input } void loop() {

} - Vòng lặp loop() sử dụng để lặp và những vòng lặp liên tiếp, chương trình có thể thay đổi và đáp ứng Sử dụng để điều khiển mạch Arduino.

- int button = 3; // ham setup se khoi tao cong serial va nut pin void setup() { beginSerial(9600); pinMode(buttonPin, INPUT);

} //vong lap loop kiem tra nut pin moi lan lap //va gui du lieu ra cong serial neu an nut void loop()

{ if(digitalRead(buttonPin) == HIGH) serialWrite(‘H’); else serialWrite(‘L’); delay(1000);

 Cá́c hàm vào ra số

Hàm pinMode(): Cấu hình một chân thành một chân vào hoặc một chân ra.

Cú pháp: pinMode(pin, mode);

Trong đó: pin là số của chân muốn đặt chế độ, mode là các chế độ INPUT, INPUT_PULLIP, OUTPUT Giá trị trả về là none.

- int ledPin = 13; //ket noi den Led voi chan so 13 void setup()

{ pinMode(ledPin, OUTPUT);// dat chan so lam chan ra } void loop() { digitalWrite(ledPin, HIGH); // den led sang delay(1000); // doi trong 1s digitalWrite(ledPin, LOW); //den led tat delay(1000); //doi trong 1s

 serial.println (giá trị): In giá trị để Monitor Serial trên máy tính.

 pinMode (pin, chế độ): Cấu hình cho một pin kỹ thuật số để đọc (đầu vào) hoặc viết (đầu ra) một giá trị kỹ thuật số.

 digitalRead (pin): Đọc một giá trị kỹ thuật số (HIGH hoặc LOW) trên một bộ pin cho đầu vào.

 digitalWrite (pin, giá trị): Ghi giá trị kỹ thuật số (HIGH hoặc LOW) với một bộ pin cho đầu ra.

Đoạn mã này thiết lập kết nối giữa đèn LED và chân số 13, đồng thời kết nối nút bấm với chân số 7 Biến 'val' được khai báo để đọc giá trị từ nút nhấn trong hàm setup().

{ pinMode(ledPin, OUTPUT);// dat chan so 13 lam chan xuat pinMode(inPin, INPUT);//dat chan so 7 lam chan nhap } void loop() ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 7

{ val = digitalRead(inPin); //doc du lieu tu chan so 7 digitalWrite(ledPin, val); //den led se sang hoac tat theo nut nhan }

Phần mềm Blynk

Blynk là một ứng dụng iOS và Android để kiểm soát thiết bị Esp8266, Arduino, Raspberry Pi và thiết bị khác trên Internet [3].

Blynk không giới hạn ở một loại phần cứng cụ thể, mà hỗ trợ đa dạng các lựa chọn như Arduino và Raspberry Pi Dù bạn muốn kết nối Internet qua Wi-Fi, Ethernet hay chip ESP8266, Blynk sẽ giúp bạn thiết lập và kiểm soát thiết bị của mình một cách dễ dàng trên Internet.

Những lý do nên sử dụng Blynk:

Dễ sử dụng: việc cài đặt ứng dụng và đăng ký tài khoản trên điện thoại rất đơn giản cho cả IOS và Android

Chức năng phong phú: Blynk hỗ trợ rất nhiều chức năng với giao diện đẹp và thân thiện, bạn chỉ việc kéo thả đối tượng và sử dụng nó.

Blynk là một ứng dụng lý tưởng cho những ai không có kiến thức lập trình ứng dụng trên Android và IOS, giúp bạn khám phá thế giới IoT một cách dễ dàng Với Blynk, bạn có thể điều khiển và giám sát thiết bị từ bất kỳ đâu qua internet, đồng thời đồng bộ hóa trạng thái và thiết bị một cách hiệu quả.

Blynk là nền tảng được phát triển dành riêng cho IoT, cho phép điều khiển phần cứng từ xa, hiển thị và lưu trữ dữ liệu cảm biến, đồng thời thực hiện nhiều tính năng thú vị khác Blynk bao gồm ba thành phần chính.

Phần 1 - Blynk App: cho phép tạo các giao diện từ Widget có sẵn Phần 2 - Blynk Server: truyền tải thông tin giữa Smarthome và thiết bị

Blynk Server có thể là 1 đám mây của Blynk hoặc có thể cài đặt trên máy cá nhân Có thể cài đặt trên Raspberry Pi.

Phần 3 - Blynk Libraries: thư viện cung cấp kết nối phần cứng đến server, xử lý các lệnh đến và đi. ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 8

Để sử dụng phần mềm Blynk trên Arduino IDE, bạn cần cài đặt thư viện Blynk thông qua Manager Libraries bằng cách tìm kiếm từ khóa "Blynk" và tiến hành cài đặt Đối với smartphone, chỉ cần vào App Store, tìm kiếm "Blynk", tải về và tạo tài khoản để bắt đầu sử dụng Thao tác trên ứng dụng Blynk rất đơn giản và dễ dàng cấu hình theo các bước hướng dẫn.

Các bạn có thể tạo tài khoản hoặc dùng tài khoản Facebook.

Tạo một project tương tự như việc phát triển một ứng dụng Để bắt đầu, bạn cần điền tên cho Project và chọn Board phần cứng, có thể lựa chọn giữa NodeMCU hoặc ESP8266.

Hình 1.4: Tạo Project cho Blynk

Mỗi dự án trên Blynk sẽ cung cấp cho bạn một mã Auth Token, cần nhập vào mã nguồn của Board mạch điều khiển NodeMCU Bạn có thể lựa chọn nhiều tính năng như nút bấm, hẹn giờ, và màn hình LCD để tích hợp vào dự án của mình.

Mỗi đối tượng các bạn chọn sẽ tốn energy (1 đơn vị giới hạn khi bạn dùng server miễn phí).

Hình 1.5: Tạo giao diện cho Blynk ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 10

Sau khi hoàn tất việc chọn đối tượng, bạn cần nhấp vào để cấu hình chân và các mức logic Những cấu hình này sẽ ảnh hưởng đến board phần cứng Chẳng hạn, khi nhấn nút, chân gp16 sẽ chuyển từ trạng thái logic 1 sang logic 0.

DHT11

Cảm biến DHT11 đang trở thành lựa chọn phổ biến nhờ vào chi phí thấp và khả năng thu thập dữ liệu dễ dàng thông qua giao tiếp 1-wire Với bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp, DHT11 cung cấp dữ liệu chính xác mà không cần bất kỳ tính toán phức tạp nào.

DHT11 có tích hợp thư viện sẵn trong Arduino IDE nên việc sử dụng nó để lập trình là khá đơn giản [4].

Hình 1.7: Cảm biến DHT11 ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 11

 Dải nhiệt độ đo: 0 -> 50°C với độ chính xác là ±2°C

 Dải độ ẩm đo: 20 -> 80% với độ chính xác là 5%

 Kích thước: 15.5mm x 12mm x 5.5mm

 Tần số lấy mẫu: 1Hz , nghĩa là 1 giây DHT11 lấy mẫu một lần.

 4 chân: VCC( cực (+) nguồn ), DATA(chân tín hiệu), NC, GND(cực (-) nguồn).

DHT11 sử dụng một dây tín hiệu DATA để gửi và nhận dữ liệu, yêu cầu dây này phải ở mức cao trong chế độ chờ (idle) Để đảm bảo điều này, cần sử dụng một trở kéo bên ngoài, thường có giá trị 4.7kΩ, trong mạch kết nối với DHT11.

DHT11 truyền tải dữ liệu gồm 40 bit, bao gồm 8 bit cho phần nguyên độ ẩm, 8 bit cho phần thập phân độ ẩm, 8 bit cho phần nguyên nhiệt độ, 8 bit cho phần thập phân nhiệt độ và 8 bit kiểm tra.

Ví dụ: ta nhận được 40 bit dữ liệu như sau:

8 bit checksum: 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0000 = 0100 1101 Độ ẩm: 0011 0101 = 35H = 53% (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000

0000, nên ta bỏ qua không tính phần thập phân)

Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°C (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000

0000, nên ta bỏ qua không tính phần thập phân)

1.4.4 Cảm biến khí ga MQ2

Hình 1.8: Cảm biến MQ2 ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 12

Cảm biến khí ga MQ2 là thiết bị nhạy cảm, có khả năng phát hiện nhiều loại khí như LPG, i-butan, propane, methane, alcohol, hydrogen, khói và khí ga Với thiết kế tối ưu, cảm biến này cung cấp thời gian phản hồi nhanh chóng và độ nhạy cao Giá trị đo được sẽ được truyền về từ chân Analog của vi điều khiển, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và kiểm soát mức độ khí trong không khí.

Nguồn hoạt động: 5VDC Dòng: 150mA

Tính hiệu tương tự (analog)Hoạt động trong thời gian dài, ổn định

Cảm biến chuyển động HC-SR501

Hình 1.9: Cảm biến chuyển động

Cảm biến chuyển động HC-SR501 có khả năng phát hiện chuyển động trong khu vực hoạt động của nó Thiết bị này được trang bị hai biến trở điều chỉnh: Sx để điều chỉnh độ nhạy và Tx để điều chỉnh thời gian đóng, giúp tùy chỉnh hoạt động của cảm biến theo nhu cầu người dùng.

 Sử dụng điện áp: 4.5V - 20V DC

 Điện áp đầu ra: 0V - 3.3V DC

 Có 2 chế độ hoạt động:

 Thời gian trễ: điều chỉnh trong khoảng 0.5-200S

 Góc quét 300){ digitalWrite(D8, HIGH);

} if (nguoi == HIGH){ digitalWrite(D3,HIGH);

Blynk.run(); // Chay Blynk timer.run(); // Chay SimpleTimer

/ Kiem tra khi co client ket noi WiFiClient client = server.available(); if (!client) { return;

// Doi client gui ket noi Serial.println("Co mot client moi ket noi xem du lieu"); while(!client.available()){ delay(1);

// Doc do am float h = dht.readHumidity();

// Doc nhiet do o do C float t = dht.readTemperature();

// Doc yeu cau tu client String req = client.readStringUntil('\r');

Serial.println(req); client.flush();

// Kiem tra yeu cau la gi if (req.indexOf("/on") != -1){ digitalWrite(D0, 1);

} else if (req.indexOf("/off") != -1) { digitalWrite(D0, 0);

} if (req.indexOf("/on1") != -1){ digitalWrite(D1, 1);

} else if (req.indexOf("/off1") != -1) { digitalWrite(D1, 0);

To prepare a web response, start with the HTTP header, indicating a successful status with "HTTP/1.1 200 OK" and setting the content type to HTML Include a viewport meta tag for responsive design and a refresh meta tag to update the page every 60 seconds Incorporate jQuery from a CDN for enhanced functionality and link to Bootstrap CSS for styling Lastly, define custom styles, such as increasing the font size for better readability.

The article discusses a control system for various devices, featuring buttons to turn lights and fans on and off, with corresponding JavaScript functions for each action It includes a temperature and humidity monitoring section, displaying real-time data Additionally, it monitors gas levels and provides alerts for intruders, showcasing a comprehensive approach to smart home management.

/ Gui phan hoi toi client (o day la giao dien web) client.print(s); delay(1); ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 24

Serial.println("Client da thoat");

// Sau khi nhan duoc thong tin thi se tu dong ngat ket noi }

2.2.4 Thiết kế phần cứng 2.2.4.1 Sơ đồ nguyên lý

Khối chấp hành (khối relay)

Hình 2 7: Sơ đồ nguyên lý

Khối chấp hành ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 25

Hình 2 8: Sơ đồ mạch in

Kết quả đạt được

Đề tài thực hiện được một số kết quả tiêu biểu như sau:

- Thiết kế được hệ thống báo cháy và chống trộm giúp người dung có thể quan sát các chỉ số của nhà mình.

- Kết nối thành công mạch với server, demo điều khiển thiết bị thông qua wifi.

- Thiết kế thành công mạch đo nhiệt độ, độ ẩm sử dụng cảm biến DHT11, và truyền lên server cũng như Blynk.

Lập trình giao diện web cho phép đo lường và hiển thị thống kê các thông số nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời điều khiển cơ cấu chấp hành Ngoài ra, việc xây dựng Webserver và hiển thị hình ảnh trên Blynk cũng được thực hiện, như mô tả trong hình 2.6 và 2.7 dưới đây.

Hình 2 9: Websever ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 26

Hình 2 10: Giao diện hiển trị trên Blynk

Thiết kế phần cứng cho việc mô phỏng nhà thông minh như hình 2.8 và 2.9. ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 27

Hình 2 11: Mô hình nhà phía trong ĐẶNG VĂN TRƯỜNG N14DCDT113 28

Hình 2 12: Mô hình nhà thực tế

 Đánh giá những kết quả đã đạt được

Thiết bị đo và hiển thị chính xác nhiệt độ và độ ẩm môi trường trên smartphone, đồng thời upload dữ liệu lên server một cách ổn định Kết quả đo được đảm bảo chính xác với sai số trong phạm vi cho phép, và mạch hoạt động rất ổn định.

Mặc dù trang web cung cấp nhiều thông tin hữu ích, nhưng một trong những hạn chế lớn là nó không tự động cập nhật giá trị mới, người dùng cần phải làm mới trang để xem dữ liệu mới nhất.

Kết quả ban đầu cho thấy khả năng kết nối truyền dữ liệu thành công qua mạng wifi, đồng thời thực hiện đo lường và điều khiển các thông số môi trường, cũng như các thiết bị như quạt và đèn Những kết quả demo này khẳng định tiềm năng phát triển của đề tài.

Tiêu đề	Mô Hình Nhà Thông Minh Công Nghệ 4.0
Tác giả	Đặng Văn Trường
Trường học	Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện Tử
Thể loại	tiểu luận
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	37
Dung lượng	3,46 MB