Giám sát nhiệt độ, độ ẩm trên nền tảng iot

Bộ Thông Tin Và Truyền Thông Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Khoa Kỹ thuật – Điện tử I Đồ án môn học: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG Đề tài: Giám sát nhiệt độ, độ ẩm tảng IoT Giảng viên hướng dẫn: Ts Nguyễn Ngọc Minh Lời cảm ơn Đầu tiên nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Ngọc Minh, người giúp đỡ chúng em nhiều định hướng nghiên cứu, đưa nhứng nhận xét, đánh giá, góp ý đồ án mơn học Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Nhúng suốt thời gian thực Qua việc học tìm hiểu kiến thức liên quan đồng thời thực hành, làm việc trực tiếp với công cụ liên quan đến mơn học Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Nhúng, nhóm chúng em rút nhiều học bổ ích phục vụ cho q trình học tập nghiên cứu sau Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô giảng dạy chúng em, đặc biệt thầy cô giáo khoa Điện-Điện tử Xin cảm ơn bạn sinh viên khoa giúp đỡ nhiều mặt: phương tiện, sách vở, ý kiến … Mặc dù cố gắng hoàn thành đồ án song cung không tránh khỏi sai sót, mong thầy bạn đóng góp ý kiến quí báu để đồ án thành công Một lần xin gửi lời cảm ơn đến thầy! Nhóm sinh viên thực Nhận xét giảng viên hướng dẫn ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………… Mục lục Lời nói đầu I Chương I Mở đầu .7 Đặt vấn đề Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu II Chương II Giới thiệu Node MCU Esp8266, Module DHT11 & Modulo NRF24L01 Node MCU Esp8266 a Giới thiệu chung b Sơ đồ chân Modulo DHT11 11 Modulo thu phát NRF24L01 12 a Giới thiệu tổng quan 12 b Sơ đồ chân 13 III Chương III Tìm hiểu Webserver 14 Tìm hiểu Web Server 14 Web Server Esp8266 14 Các chế độ hoạt động Node MCU Esp8266 .15 IV Chương IV Nghiên cứu giám sát nhiệt độ, độ ẩm tảng IoT(Web & Blynk App & Máy chủ Thingspeak) 15 Website 15 Blynk App 16 Máy chủ Thingspeak 16 V Chương V Xây dựng chương trình .16 Xây dựng sơ đồ khối 16 a Module Node MCU sử dụng Web Server 16 b Modulo Node MCU kết nối App Blynk 17 c Modulo Node MCU với Thingspeak 18 Sơ đồ nguyên lý 18 a Sơ đồ Node MCU vs DHT 11 hiển thị Webser 18 b Sơ đồ Node MCU vs DHT 11 hiển thị App Blynk 19 c VI Sơ đồ Node MCU vs DHT 11 hiển thị Thingspeak .19 Chương trình .20 a Thiết kế giao diện Web Site 20 b Thiết kế giao diện app blynk 22 c Giao diện Thingspeak 23 Chương VI Kết 24 Sản phẩm thiết kế .24 Kết giám sát nhiệt độ, độ ẩm 25 Nhận xét, đánh giá 27 Phụ lục 27 Tài liệu tham khảo 28 Lời nói đầu Nhắc đến phát triển thời đại công nghiệp 4.0, khái niệm nhận quan tâm hàng đầu toàn giới Internet Vạn Vật hay cịn gọi Internet of things (IoT) Sự phát triển IoT đem lại tác động mạnh mẽ lên nhiều mặt công việc đời sống Chúng ta bắt gặp nhiều ứng dụng thực tế IoT như: Nhà thông minh(smart house), Transport & Logistics, Chăm sóc sức khỏe, Y tế, Ngành công nhiệp nặng, Giám sát thay đổi nhiệt độ mơi trường(nhiệt độ, độ ẩm)… Vì thơng qua mơn học, chúng em tìm hiểu, xây dựng thực tế lĩnh vực Giám sát thay đổi nhiệt độ môi trường(nhiệt độ, độ ẩm) lợi ích mà IoT mang lại thơng qua Node MCU ESP82266 & Modulo cảm biến DHT11 với việc gửi liệu giám sát thu lên trang Web cục tự xây dựng, hay lên Blynk app ứng dụng thông minh thiết bị điện thoại Lên máy chủ Thingspeak sử dụng điện toán đám mây I Chương I Mở đầu Đặt vấn đề Nhiệt độ độ ẩm hai yếu tố vô quan trọng ảnh hưởng đến phát triển suất chất lượng ngành nông nghiệp hay đơn giản để người biết yếu tố thay đổi thời tiết đến môi trường Trong điều kiện biến đổi khí hậu với thay đổi thất thường cần có sản phẩm, thiết bị đo đạc, giám sát nhiệt độ, đổ ẩm mơi trường để theo dõi biến đổi khí hậu, thời tiết Vì có nhiều vi xử lý đời nhằm mục đích giúp người biết nhiệt độ, độ ẩm để học xem lúc nào, đâu vi xử lý Arduino vs DHT, STM vs DHT Lý chọn đề tài Với vi xử lý nêu trên, có ưu, nhược điểm khác Nhưng tất mang lại cho người học cách tìm tịi, nghiên cứu, đánh giá Vì đồ án nhóm chúng em sử dụng vi xử lý phổ biến Node MCU có tích hợp chip Wifi ESP8266 kết hợp với modilo cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT 11 giám sát nhiệt độ, độ ẩm tảng IoT phổ biến gửi liệu lên Web, điện thoại, máy chủ Mục đích nghiên cứu II - Nắm rõ nguyên lý hoạt động Node MCU Esp 8266, DHT11 - Xây dựng chương trình web đơn giản đề giám sát nhiệt độ, độ ẩm - Tìm hiểu gửi liệu lên máy chủ Thingspeak, tảng IoT phổ biến - Giám sát nhiệt độ, độ ẩm smart phone Blynk App Chương II Giới thiệu Node MCU Esp8266, Module DHT11 & Modulo NRF24L01 Node MCU Esp8266 a Giới thiệu chung ESP8266 mạch vi điều khiển giúp điều khiển thiết bị điện tử Điều đặc biệt nó, kết hợp module Wifi tích hợp sẵn bên vi điều khiển Hiện nay, ESP8266 giới nghiên cứu tự động hóa Việt Nam ưa chuộng giá thành rẻnhưng lại tích hợp sẵn Wifi, nhớ flash 8Mb! Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU dùng cho ứng dụng cần kết nối, thu thập liệu điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt ứng dụng liên quan đến IoT H1 Node MCU Esp8266 Node MCU ESP8266 gồm:  IC chính: ESP8266  Phiên firmware: NodeMCU Lua  Chip nạp giao tiếp UART: CP2102  GPIO tương thích hồn tồn với firmware Node MCU  Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB Vin  GIPO giao tiếp mức 3.3VDC  Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash  Tương thích hồn tồn với trình biên dịch Arduino  Kích thước: 25 x 50 mm b Sơ đồ chân H0.Sơ đồ chân kit Node MCU ESP8266 GPIO kết nối với Chip Flash GPIO6 đến GPIO11 thường kết nối với chip flash bo mạch ESP8266 Vì vậy, chân khơng khuyến khích sử dụng Chân sử dụng khởi động ESP8266 bị ngăn không cho khởi động số chân kéo MỨC THẤP MỨC CAO Danh sách sau cho thấy trạng thái chân khởi động: GPIO16: chân mức cao khởi động GPIO0: lỗi khởi động kéo mức thấp GPIO2: chân mức cao khởi động, không khởi động kéo mức thấp GPIO15: lỗi khởi động kéo mức cao GPIO3: chân mức cao khởi động GPIO1: chân mức cao khởi động, không khởi động kéo mức thấp GPIO10: chân mức cao khởi động GPIO9: chân mức cao khởi động Chân mức cao khởi động Có số chân xuất tín hiệu 3.3V ESP8266 khởi động Điều vấn đề cần phải quan tâm bạn có relay thiết bị ngoại vi khác kết nối với GPIO Các GPIO sau xuất tín hiệu mức cao khởi động: GPIO16, GPIO3, GPIO1, GPIO10, GPIO9 Ngoài ra, GPIO khác, ngoại trừ GPIO5 GPIO4, xuất tín hiệu điện áp thấp khởi động, có vấn đề chúng kết nối với transistor relay Đầu vào analog ESP8266 hỗ trợ đọc analog GPIO GPIO gọi ADC0 thường đánh dấu lụa A0 Điện áp đầu vào tối đa chân ADC0 đến 1V bạn sử dụng chip trần ESP8266 Nếu bạn sử dụng bo phát triển ESP8266 12-E NodeMCU, dải điện áp đầu vào đến 3,3V bo có chia điện áp bên Đèn LED bo mạch Hầu hết bo phát triển ESP8266 có đèn LED tích hợp Đèn LED thường kết nối với GPIO2 Đèn LED hoạt động với logic ngược Gửi tín hiệu CAO để tắt tín hiệu THẤP để bật Chân RST: Khi chân RST kéo THẤP, ESP8266 reset Thao tác giống nhấn nút reset bo mạch GPIO0: Khi GPIO0 kéo THẤP, đặt ESP8266 vào chế độ nạp khởi động Thao tác giống nhấn nút FLASH / BOOT bo mạch GPIO16: GPIO16 sử dụng để đánh thức ESP8266 khỏi chế độ ngủ sâu Để đánh thức ESP8266 khỏi chế độ ngủ sâu, GPIO16 phải kết nối với chân RST I2C: ESP8266 khơng có chân I2C phần cứng, triển khai phần mềm Vì vậy, bạn sử dụng GPIO làm I2C Thông thường, GPIO sau sử dụng làm chân I2C: GPIO5: SCL, GPIO4: SDA 10 IRQ Interrupt MCU Nó chân thấp hoạt động sử dụng cần ngắt III Chương III Tìm hiểu Webserver Tìm hiểu Web Server Máy chủ web có nghĩa web máy chủ, máy tính lớn kết nối với mạng mở rộng máy tính hợp Máy chủ chứa tồn liệu mà quyền quản lý Mỗi máy chủ có IP riêng đọc nhiều dạng ngơn ngữ HTML, HTM, File,… Máy chủ có dung lượng lớn tốc độ cao để lưu trữ vận hành liệu tốt internet Thông qua đặc biệt cổng giao tiếp máy chủ mà máy tính hệ thống có khả hoạt động trơn tru Máy chủ phải liên tục bảo đảm hoạt động để cung cấp liệu cho mạng lưới máy tính Web Server phần cứng phần mềm bao gồm hai: Phần cứng: Máy chủ web máy tính lưu trữ tệp ảnh, HTML tài liệu, CSS, tệp JavaScript trang web chuyển chúng đến thiết bị người dùng cuối Máy chủ kết nối internet truy cập thông qua miền tên Mozilla.org Phần mềm: Máy chủ web bao gồm số phần điều khiển người dùng truy cập đến tệp lưu trữ HTTP máy chủ HTTP server phần mềm, có khả hiểu trang web địa (URL) trình duyệt giao thức sử dụng để xem trang web (HTTP) Bất trình duyệt cần đến tệp lưu trữ máy chủ, trình duyệt gửi tệp u cầu thơng qua HTTP Khi request to server true (phần cứng), HTTP (phần mềm) gửi tài liệu yêu cầu trở lại thông qua HTTP Web Server Esp8266 Sử dụng Esp8266 Web Server đóng vai trị máy chủ, giống máy tính chứa trang website(trang web) Thiết lập nội dung website có Web Server, thay dùng máy tính, dùng esp webserve Khi sử dụng máy tính, điện thoại kết nối Internet truy cập vào Web Server xem nội dung Website 14 Để truy cập vào Website cần địa IP Web Server chứa Website Các chế độ hoạt động Node MCU Esp8266 Chế độ Accesspoint: Node MCU Esp8266 hoạt động chế độ Accesspoint điểm phát wifi để thiết bị khác truy cập vào Khi điểm phát wifi có địa IP gateway vd 192.168.1.1(có thể thiết lập) Nó cấp Ip cho thiết bị truy cập vào Chế độ Station: Chúng ta có điểm truy cập mạng wifi(điểm phát wifi để thiết bị khác truy cập), có địa gateway riêng Các thiết bị truy cập vào điểm truy cập cấp cho địa IP Trong trường hợp ta sử dụng chip Esp máy chủ chứa web server Kết nối với điểm truy cập wifi ta nhận IP Esp điểm truy cập cấp cho Esp hoạt động hai chế độ Accesspoint Station: Vừa điểm phát wifi vừa điểm truy cập wifi IV Chương IV Nghiên cứu giám sát nhiệt độ, độ ẩm tảng IoT(Web & Blynk App & Máy chủ Thingspeak) Website Website tập hợp trang thơng tin có chứa nội dung văn bản, chữ số, âm thanh, hình ảnh, video… lưu trữ máy chủ web server truy cập từ xa thông qua mạng Internet Phân loại website theo cấu trúc cách hoạt động Website tĩnh: Chủ yếu dùng html, css, javascript Website động: dùng html, css, javascript cịn dùng thêm số ngơn ngữ lập trình server ASP.NET, PHP… số sở liệu như: MySQL, SQL Server Trong dự án này, tạo độc lập web máy chủ sử dụng NodeMCU ESP8266 hiển thị nhiệt độ ẩm độ với DHT11 cảm biến sử dụng Arduino IDE Trên thực tế, web máy chủ mà chúng tơi xây dựng nên dễ dàng truy cập thiết bị có trình duyệt mạng bạn NodeMCU ESP8266 Giám sát Nhiệt độ Độ ẩm DHT11 / DHT22 với Bộ quản lý web máy chủ Máy chủ web: Web máy chủ không đồng tự động cập nhật nhiệt độ độ ẩm Chúng không cần phải làm trang web để cập nhật liệu Trên thực tế, sử dụng CSS tùy chỉnh để tạo loại trang web Blynk App 15 Trong ứng dụng IoT smart home, cần giao diện để người dùng dễ dàng theo dõi điều khiển thiết bị hệ thống Các nhà cung cấp giải pháp smart home có ứng dụng khác cho hệ thống riêng họ Để xây dựng smart home cho riêng bạn, sử dụng Blynk app Ưu điểm: Dễ sử dụng: cần cài đặt từ app store Android Apple, sau đăng ký tài khoản không phút để làm quen Bạn cần kéo thả để xây dựng giao diện điều khiển cho riêng mà khơng cần lập trình hết Đầy đủ tính đẹp: Giao diện Blynk thân thiện với người dùng đẹp, hỗ trợ nhiều loại tính khác đáp ứng gần tất nhu cầu bạn có ứng dụng quản lý smart home Mã nguồn mở: Bạn tự cài đặt máy chủ Blynk nhà bạn tự thay đổi cấu hình theo ý muốn Máy chủ Thingspeak ThingSpeak cloud service tiếng phổ biến cộng đồng IoT, cho phép người dùng liệu lên clound từ clound lấy liệu qua giao thức HTTP Ngoài với giao diện đồ họa hiển thị liệu bắt mắt chắn dự án thú vị cho bạn yêu thích IoT Node cảm biến: bao gồm NRF24L01 giao tiếp với Bảng vi điều khiển Arduino NodeMCU ESP8266 Trong trường này, nhóm em dùng NodeMCU làm Mạch Node cảm biến Node cảm biến chứa Bộ cảm biến có liệu truyền đến Cổng thơng qua mơ-đun thu phát NRF24L01 Ví dụ này, nhóm em sử dụng Cảm biến độ ẩm & nhiệt độ DHT11 Do đó, nhóm em gửi liệu độ ẩm nhiệt độ đến Gateway Gateway (đầu thu): nhóm em kết nối Bo mạch NodeMCU ESP8266-12E với môđun thu phát NRF24L01 Đây Bộ thu hay cịn gọi Gateway Gateway có khả kết nối với Mạng WiFi Gateway nhận liệu nhiệt độ độ ẩm không dây thông qua mô-đun thu phát NRF24L01 Gateway tải giá trị Nhiệt độ & Độ ẩm lên Máy chủ Thingspeak V Chương V Xây dựng chương trình Xây dựng sơ đồ khối a Module Node MCU sử dụng Web Server 16 H4.Sơ đồ khối b Modulo Node MCU kết nối App Blynk H6 Sơ đồ khối 17 c Modulo Node MCU với Thingspeak H7 Sơ đồ khối Sơ đồ nguyên lý a Sơ đồ Node MCU vs DHT 11 hiển thị Webser H8 Sơ đồ Node MCU1 dùng Web Sever Sơ đồ nối chân: -Nối GND (DHT11) với GND (Node MCU) 18 -Nối Vcc(DHT11) với V(in) Esp -Nối chân Data(DHT11) với pin D1 b Sơ đồ Node MCU vs DHT 11 hiển thị App Blynk H9 Sơ đồ MCU2 với LCD Sơ đồ nối chân: -Nối GND (DHT11) với GND (Node MCU) -Nối Vcc(DHT11) với V(in) Esp -Nối chân Data(DHT11) với pin với D3 c Sơ đồ Node MCU vs DHT 11 hiển thị Thingspeak Sơ đồ cảm mạch cảm biến(Node Sensor) H10 Node MCU/NRF24L01 & DHT11 Đây kết nối chân NRF24L01 với NodeMCU ESP8266 Board: 19 -MISO kết nối với chân D6 NodeMCU -MOSI kết nối với chân D7 NodeMCU -SCK kết nối với chân D5 NodeMCU -CE kết nối với chân D4 NodeMCU -CSN kết nối với chân D2 NodeMCU -GND VCC NRF24L01 kết nối với GND 3.3V NodeMCU -Cảm biến Nhiệt độ & Độ ẩm DHT11 kết nối với chân D1 NodeMCU Kết nối VCC & GND với NodeMCU 3.3V & GND Pin Sơ đồ mạch nhận liệu(Gate way) H11 Node MCU/NRF24L01 Đây kết nối chân NRF24L01 với NodeMCU ESP8266 Board: -MISO kết nối với chân D6 NodeMCU -MOSI kết nối với chân D7 NodeMCU -SCK kết nối với chân D5 NodeMCU -CE kết nối với chân D4 NodeMCU -CSN kết nối với chân D2 NodeMCU -GND VCC NRF24L01 kết nối với GND 3.3V NodeMCU Chương trình a Thiết kế giao diện Web Site HTML gì? HTML chữ viết tắt Hypertext Markup Language Nó giúp người dùng tạo cấu trúc thành phần trang web ứng dụng, phân chia đoạn văn, heading, links, blockquotes 20 ... nặng, Giám sát thay đổi nhiệt độ môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) … Vì thơng qua mơn học, chúng em tìm hiểu, xây dựng thực tế lĩnh vực Giám sát thay đổi nhiệt độ mơi trường (nhiệt độ, độ ẩm) lợi ích mà IoT. .. - Xây dựng chương trình web đơn giản đề giám sát nhiệt độ, độ ẩm - Tìm hiểu gửi liệu lên máy chủ Thingspeak, tảng IoT phổ biến - Giám sát nhiệt độ, độ ẩm smart phone Blynk App Chương II Giới... với modilo cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT 11 giám sát nhiệt độ, độ ẩm tảng IoT phổ biến gửi liệu lên Web, điện thoại, máy chủ Mục đích nghiên cứu II - Nắm rõ nguyên lý hoạt động Node MCU Esp 8266,