TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN KHOA ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG CẢM BIẾN RUNG VÀO HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TH S ĐỖ DUY CỐP SINH VIÊN THỰC HIỆN LÊ T.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN KHOA ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG ĐỀ TÀI : ỨNG DỤNG CẢM BIẾN RUNG VÀO HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TH.S ĐỖ DUY CỐP SINH VIÊN THỰC HIỆN: LÊ THỊ THANH HẰNG MSSV: K195520207015 SINH VIÊN THỰC HIỆN: ĐỖ VĂN HÙNG MSSV: K1955202070 LỚP : K55DVT.01 Thái Nguyên, Ngày 30 tháng 11 năm 2022 TRƯỜNG ĐH KTCN KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MƠN TIN HỌC CN CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc o0o - PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC Sinh viên: Thành viên số 1: - Họ tên: Lê Thị Thanh Hằng - MSSV:K195520207015 Thành viên số (Nếu có): - Họ tên: Đỗ Văn Hùng - Mã SV: K1955202070 Lớp: 55DVT.01 Ngành: Điện tử viễn thông Giáo viên hướng dẫn: Th.s…Đỗ Duy Cốp Ngày giao đề tài: …………… Ngày hoàn thành: ……………… Tên đề tài: Ứng dụng cảm biến rung vào hệ thống nhà thông minh Nội dung thuyết minh tính tốn: - Các chức sản phẩm đồ án: - Thiết kế hệ thống: o Module phần cứng: (Các linh kiện chính) o Phần mềm: (Các tính phần mềm) Báo cáo, chương trình: Sinh viên yêu cầu nộp nội dung sau: - Báo cáo word + slide powerpoint - Mã nguồn chương trình phần mềm - Sơ đồ nguyên lý mạch - Video Demo - Sản phẩm demo (nếu khơng có điểm tối đa B) Thơng qua phần Thơng qua phần Thơng qua phần Phân tích toán Thiết kế hệ thống Demo Đồng ý cho bảo vệ TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PHIẾU THÔNG QUA ĐỒ ÁN Ngày (Thực theo lịch GVHD) Nội dung thực cần chuẩn bị cho lần thông qua - GVHD ký NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2022 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2022 GIẢNG VIÊN CHẤM (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT VÀ XÁC ĐỊNH YÊU CẦU 1.1 Thực trạng 1.2 Yêu cầu công nghệ hệ thống công tơ điện tử thông minh .10 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 12 2.1 Giới thiệu Home Assistant 12 2.2 Giao thức MQTT 26 2.2.1 MQTT – Add-on Mosquitto broker 30 2.2.2 Tìm hiểu tự động hóa Automation Home Assistant .37 2.3 Hướng dẫn sử dụng ESPHome Home Assistant để điều khiển thiết bị ESP8266 40 2.4 Chọn linh kiện 44 2.4.1 Công tơ điện tử 44 2.4.2 UART PZEM004T 48 2.4.3 Module Esp8266 .50 2.4.4 LCD 20x4 54 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 56 3.1 Sơ đồ nguyên lý 56 3.2 Chương trình phần mềm giao tiếp 56 3.3 Dùng mạch Pzem-004T v3 làm cơng tơ điện tử, tích hợp vào Home Assistant 60 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN .61 4.1 Các kết đạt 61 4.1.1 Hồn thành mơ hình đề tài 61 4.2 Hướng phát triển đề tài 62 Tài liệu tham khảo: 63 DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI CẢM ƠN! Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho chúng em suốt trình học tập, thầy cô giúp đỡ tạo điều kiện cho chúng em trình thực Đồ án Đặc biệt, chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến thầy giáo Th.s Đỗ Duy Cốp – Giảng viên trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp trực tiếp hỗ trợ, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ bổ sung kiến thức cho chúng em trình thực hồn thiện đồ án này.Trong q trình thực đồ án khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý thầy bạn LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển cách mạnh mẽ, việc ứng dụng thiết bị điện tử vào đời sống ngày phổ biến hơn, với thời đại mà hệ thống nhúng lên Từ ứng dụng đơn đồng hồ kĩ thuật số, máy nghe nhạc…đến ứng dụng cho xã hội đèn giao thơng, kiểm sốt nhà máy, cửa tự động…cho đến ứng dụng mang tính quy mơ, tầm cỡ robot, phi thuyền không người lái, kiểm soát nhà máy hạt nhân… Với kiến thức học tìm hiểu từ trường học khoa học công nghệ sống đại, em có mong muốn góp thêm phần phát triển xã hội cách học hỏi đưa sản phẩm có ích cho sống Với mục đích giới thiệu sản phẩm nhỏ hệ thống nhúng Đó “ Ứng dụng cảm biến rung vào hệ thống nhà thông minh ”.Hệ thống cho phép người dùng điều khiển thiết bị giọng nói điều khiển qua ứng dụng Home Assistant Do điều kiện thời gian kiến thức hạn chế nên đề tài chúng em dừng lại mức nghiên cứu, thiết kế mơ mơ hình Trong thời gian thực đồ án, chúng em tham khảo ý kiến giảng viên hướng dẫn, tìm hiểu tài liệu hỗ trợ góp ý từ giảng viên bạn bè anh chị trước Tuy nhiên kiến thức hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót, chúng em mong nhận góp ý q thầy bạn để đồ án chúng em hoàn thiện hơn, tạo lập cho chúng em có sở nhìn nhận khả năng, kiến thức, từ có hướng phấn đấu tốt cho đồ án 10 Nhãn GPIO Đầu vào Đầu Ghi D0 không hỗ trợ không gián MỨC CAO khởi động Sử dụng để đánh GPIO16 PWM đoạn thức ngủ sâu I2C D1 GPIO5 OK OK thường sử dụng SCL (I2C) D2 GPIO4 OK OK thường sử dụng SDA (I2C) OK kết nối với nút FLASH, khởi động không thành công kéo MỨC THẤP D3 GPIO0 kéo lên D4 GPIO2 Kéo lên OK MỨC CAO khởi động kết nối với đèn LED bo mạch, khởi động không thành công kéo MỨC THẤP D5 GPIO14 OK OK SPI (SCLK) D6 GPIO12 OK OK SPI (MISO) D7 GPIO13 OK OK SPI (MOSI) D8 kéo đến GPIO15 GND OK SPI (CS) Khởi động không thành công kéo MỨC CAO RX GPIO3 OK Chân RX MỨC CAO khởi động OK MỨC CAO khởi động đầu gỡ lỗi khởi động, khởi động không thành công kéo MỨC THẤP TX GPIO1 Chân TX A0 ADC0 Đầu vào analog X 2.4.2 Module Relay 5V Relay (hay gọi Rơ le) cơng tắc điện từ đóng mở mạch điện điện tử Rơle chuyển đổi dòng điện tương đối nhỏ thành dòng điện lớn 48 tuỳ ý theo tắt bật Rơ le hoạt động cách nhận tín hiệu điện gửi tín hiệu đến thiết bị khác cách bật tắt công tắc Ngay tiếp điểm rơ le normally closed normally closed, chúng không cấp điện Trạng thái thay đổi bạn đặt dòng điện vào điểm tiếp xúc Module thiết kế để chuyển đổi thiết bị công suất cao từ NodeMCU ESP32 Nó có rơ le lên đến 10A 250VAC 30VDC Hình 3.4 Sơ đồ chân Module Relay 5V kênh IN: chân sử dụng để điều khiển rơ le Nó hoạt động tích cực thấp, có nghĩa rơle kích hoạt bạn kéo chân LOW khơng hoạt động bạn kéo chân CAO GND: chân nối đất VCC: chân cấp nguồn cho module COM (Common): Đây chân nên kết nối với tín hiệu (điện lưới nhà) bạn định chuyển đổi NC (normally closed): Cấu hình normally closed sử dụng bạn muốn tắt rơle theo mặc định Trong cấu hình này, rơle ln đóng đóng bạn gửi tín hiệu từ Arduino hay NodeMCU ESP8266 đến mô-đun rơle để mở mạch NO (normally open): Cấu hình normally open hoạt động theo, rơle ln mở bạn gửi tín hiệu từ Arduino hay NodeMCU ESP8266 đến mơ-đun rơle để đóng mạch 2.4.3 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cảm biến độ ẩm nhiệt độ DS18B20 cảm biến thông dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm, phiên chống nước, chống ẩm Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 cảm biến ( loại digital ) đo nhiệt độ hãng MAXIM với độ phân giải cao ( 12bit ) IC sử dụng giao tiếp dây gọn gàng, dễ lập trình IC cịn có chức cảnh báo nhiệt độ vượt ngưỡng đặc biệt cấp nguồn từ chân data ( parasite power ) 49 Cảm biến nhiệt độ hoạt động 125 độ C cáp bọc PVC => nên giữ 100 độ C Đây cảm biến kỹ thuật số, nên khơng bị suy hao tín hiệu đường dây dài *Chức năng: Làm mạch cảm biến nhiệt độ , độ ẩm Phát triển , tích hợp kit pyWiFi-ESP32… HVAC kiểm sốt nhiệt mơi trường, đo nhiệt độ bên tịa nhà, thiết bị, máy móc, hệ thống giám sát Hình 3.5 DS18B20 *Sơ đồ chân: VCC: Cấp điện áp hoạt động từ 3.3 đến 5VDC DATA: Truyền liệu GND: 0V 50 2.4.4 Cảm biến rung Cảm biến rung Cảm biến rung cảm biến dùng để đo rung động thiết bị Rung động vật đặc trưng độ dịch chuyển, tốc độ gia tốc vật Cảm biến rung cấu tạo bao gồm cuộn dây nam châm, đặt cho phần khung di chuyển nam châm có xu hướng cố định quán tính Chuyển động nam châm cuộn dây tạo dòng điện tỉ lệ với vận tốc rung Phần tử hoạt động độc lập không cần nguồn điện hay mạch biến đổi tín hiệu bên ngồi 2.4.5 Cảm biến ánh sáng Cảm biến ánh sáng thiết bị quang điện chuyển đổi ánh sáng (bao gồm ánh sáng nhìn thấy ánh sáng dạng tia hồng ngoại) thành tín hiệu điện Nó dạng thiết bị cảm biến thơng minh nhận biết biến đổi mơi trường thơng qua mắt cảm biến Từ đó, điều chỉnh ánh sáng cho phù hợp 51 Photodiodes loại cảm biến khác, thay đổi ánh sáng thành dịng điện Nó làm từ vật liệu silicon gecmani Thêm vào nhiều lọc quang lọc, ống kính tích hợp… Cảm biến ánh sáng Photodiodes Cách thức hoạt động Nguyên lý hoạt động dựa vào hiệu ứng quang học bên Khi có chùm ánh sáng chiếu vào, electron bị nới lỏng tạo thành lỗ cho dòng điện chạy qua Ánh sáng lớn, lỗ hở electron to nên dòng điện mạnh Ứng dụng Với cách thức cảm biến này, ứng dụng cho nhiều thiết bị như: – Điều khiển từ xa, thiết bị điện tử… – Thiết bị y tế, thiết bị đo lường… – Dùng cho pin mặt trời sản phẩm lượng mặt trời… 52 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 3.1.Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối mô tả hệ thống nhà thông minh 3.2 Sơ đồ nguyên lý Sau xây dựng hệ thống sơ đồ khối, sơ đồ mô tả trạng thái xác định linh kiện dùng đề tài, nhóm em thiết kế mạch nguyên lý để mô hoạt động tốn đặt Hình 3.1 sau đây: 53 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý 54 3.3 Sơ đồ mạch in 3.2 Chương trình lập trình phần mềm giao tiếp esphome: name: esp32 esp32: board: esp32dev framework: type: arduino # Enable logging logger: # Enable Home Assistant API api: encryption: key: "hxpUupvEfRb3Xo4uWyrSCKsjZtLPSpLDxVAhHTeYx+A=" 55 ota: password: "815bd39e43f8dca373912de2dd753123" wifi: ssid: !secret wifi_ssid password: !secret wifi_password # Enable fallback hotspot (captive portal) in case wifi connection fails ap: ssid: "Esp32 Fallback Hotspot" password: "gnLucncofGve" captive_portal: dallas: - pin: update_interval: 2s binary_sensor: - platform: status name: "Trang thai cam bien rung" - platform: gpio filters: - delayed_on_off: 50ms pin: number: GPIO4 mode: INPUT_PULLUP name: "Cam bien rung" 56 id: sensor1 device_class: door on_press: then: - switch.turn_on: Loa - switch.turn_on: Led3 on_release: then: - switch.turn_off: Loa - switch.turn_off: Led3 sensor: - platform: dallas address: 0x963c01f095a98928 on_value_range: - below: '30' then: - switch.turn_off: quat - above: '31' then: - switch.turn_on: quat name: "Nhiet do" id: temp - platform: adc pin: GPIO34 57 name: " Cam bien anh sang" on_value_range: - below: '0.9' then: - switch.turn_off: bongden - above: '1.0' then: - switch.turn_on: bongden update_interval: 2s switch: - platform: gpio pin: name: "Led1" id: led1 - platform: gpio pin: 25 name: "Led2" id: Led2 - platform: gpio pin: 32 name: "Led3" id: Led3 - platform: gpio name: "Bong den" pin: 27 58 id: bongden - platform: gpio name: "Quat" pin: 12 id: quat - platform: gpio pin: 21 name: "Loa" id: Loa mqtt: broker: 192.168.0.121 username: nana password: nana discovery: false discovery_retain: false 59 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 4.1 Các kết đạt - Nắm rõ thực hành kiến thức học môn “ Hệ thống nhúng” vào đời sống Phát triển mơ hình cơng tơ điện tử theo yêu cầu đề tài - Hiểu hệ thống quản lý nhà thông minh Home Assistant tùy biến theo yêu cầu - Hiểu giao thức MQTT, cài đặt thành công client NodeMCU ESP32 giao tiếp với broker - Hoàn thành sản phẩm công tơ điện tử thông minh sử dụng giao thức MQTT - Sản phẩm cho phép điều khiển từ xa qua HassIO SmartPhone điều khiển giọng nói qua Google Assistant 4.1.1 Hồn thành mơ hình đề tài Hình 4.1.1a Mặt mơ hình đề tài 60 Hình 4.1.1b Mặt trước mơ hình đề tài -Nhận xét: +Mơ hình lắp giáp gọn gàng , mạch thực hoạt động ổn định thông số hiển thị công tơ điện tử xác +Thơng qua tảng giao tiếp Home Assistant người dùng cập nhật điện áp, lượng điện tiêu thụ , dòng , áp , thời gian qua giao diện Home Assistant +Tuy nhiên, mạch thực hạn chế hình thức chưa tối ưu tính cơng tơ điện tử hồn chỉnh + Nhóm nghiên cứu có thêm kinh nghiệm cho dự án liên quan đến hệ thống nhúng 4.2 Hướng phát triển đề tài - Chế tạo nhiều sản phẩm smarthome sử dụng giao thức MQTT để giao tiếp với HassIO công tơ điện tử thiết bị phát triển mở rộng khác v.v… - Cấu hình thư viện NabuCasa Home Assistant Cloud để giao tiếp với Google Assistant, để điều khiển thiết bị qua qua giọng nói thơng qua trợ lý giọng nói Google - Tìm hiểu giao thức khác sử dụng lượng Zigbee để sử dụng cho công tơ điện tử hay cảm biến không dây khác, sử dụng pin 61 -Mang công nghệ tiếp cận người dùng nhiều thiết thực đời sống , nhằm đáp ứng nhu cầu , từ đề tài giúp người dễ dàng sử dụng công tơ điện tử với phần mềm tiện ích ,có thể điều khiển xem thơng số từ xa, vơ tiện ích Tài liệu tham khảo: 1.https://youtu.be/Rc6t7hz_EBs 2.https://homeassistant.vn/huong-dan.blog-category1040.html?page=2 3.https://youtu.be/ZPi3kRRmkPU 62 ... phẩm nhỏ hệ thống nhúng Đó “ Ứng dụng cảm biến rung vào hệ thống nhà thông minh ” .Hệ thống cho phép người dùng điều khiển thiết bị giọng nói điều khiển qua ứng dụng Home Assistant Do điều kiện... học qua môn “ Hệ thống nhúng ”, chúng em xin phép trình bày nghiên cứu kết đồ án môn học với đề tài “Ứng dụng cảm biến vào hệ thống nhà thông minh? ?? 1.2 Yêu cầu công nghệ hệ thống nhà thơng minh. .. Giao diện Home Assistant * Ứng dụng Home assistant nhà thông minh Giám sát Home Assistant theo dõi giám sát tất thiết bị điện thông minh nhà bạn Miễn thiết bị nằm danh sách Home Assistant hỗ