Mô phỏng hệ thống nhà thông minh theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và điều khiển thiết bị từ xa bằng esp8266 thông qua mqtt

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 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 yêu 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 1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN VÀ NGÔN NGỮ SỬ DỤNG .4 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MODULE ESP8266 2.1.1 Tổng quan module ESP8266 2.1.2 Thông số kỹ thuật 2.1.3 Các tính 2.2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DHT11 2.2.1 Cấu tạo 2.2.2 Cách sử dụng cảm biến DHT11 2.3 TỔNG QUAN VỀ RTOS .8 2.3.1 Khái niệm 2.3.2 Các thành phần 2.4 Free RTOS 11 2.4.1 Tổng quan Free RTOS .11 2.4.2 Các task Free RTOS 13 2.4.3 Quản lí task 14 2.5 GIỚI THIỆU VỀ NODEJS 15 2.5.1 Ngơn ngữ lập trình JavaScript .15 2.5.2 Tổng quan Nodejs 17 2.5.1 Các Framework sử dụng 19 2.6 GIỚI THIỆU VỀ GIAO THỨC MQTT .22 2.6.1 Khái niệm 22 2.6.2 Cơ chế hoạt động 23 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ THỐNG 24 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 24 3.2 KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM 24 3.3 KHỐI FRONT-END 26 3.3.1 Layout bảng điều khiển 26 3.3.2 Các thành phần trang web 26 3.3.3 Xử lí trang web 28 3.3.3 Giao diện demo .31 3.4 KHỐI BACK-END 31 3.4.1 Hệ quản trị sở dữ liệu Mysql 31 3.4.2 Thiết kế sở dữ liệu 32 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 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, nông nghiệp, giao thông vận tải,… Vì hệ thống điều khiển thơng minh hoàn toàn tự động xu tất yếu Ưng dụng hệ thống thông minh vào điều khiển cac thiết bị nhà sân vườn cịn mẻ Việt Nam Nhóm định chọn đề tài nhà thông minh để làm đề tài ngun 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 thơng 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 nữa 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 thơng qua GPIOs với chi phí tối thiểu PCB tối thiểu 2.1.2 Thông 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 công 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 không 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 giữa 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 dữ liệu nối tiếp No Conect Nối đất Cảm Biến Nhiệt Độ Và Độ Ẩm DHT11 cảm biến thơng dụng chi phí rẻ dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp wire (giao tiếp digital dây truyền dữ liệu nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp cảm biến giúp bạn có dữ liệu xác mà khơng phải qua tính tốn So với cảm biến đời DHT22 DHT11 cho khoảng đo độ xác nhiều Thông 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 dữ liệu kết nối với chân I / O vi điều khiển điện trở kéo lên 5K sử dụng Chân dữ liệu xuất giá trị nhiệt độ độ ẩm dạng dữ liệu nối tiếp Đầu đưa chân dữ liệu theo thứ tự dữ liệu số nguyên độ ẩm bit + bit dữ liệu thập phân độ ẩm + dữ liệu số nguyên nhiệt độ bit + dữ liệu nhiệt độ phân đoạn bit + bit chẵn lẻ bit Để yêu cầu module DHT11 gửi những dữ 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 ngun bên hữu hạn nên chậm trễ làm hệ thống làm việc hồn toàn sai lệch 2.3.2 Các thành phần Kernel – Nhân: Kernel hay cịn 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 ... 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... nghi 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 ? ?Mô hệ thống nhà thông minh theo dõi. .. theo dõi nhiệt độ, độ ẩm điều khiển thiết bị từ xa ESP8266 thông qua MQTT? ?? làm đề tài môn học Trong q trình thực có lẽ khó tránh khỏi thiếu sót, hạn chế nhóm em mong có góp ý nhắc nhở từ thầy