Đề tài: “Giám sát và điều khiển thiết bị, sử dụng mạng cảm biến không dây Zigbee”

• Truyền nhận dữ liệu không dây Zigbee • Cách thức lập trình cho App và cho vi điều khiển Arduino Đã xây dựng, phát triển, thiết kế được hệ thống có chức năng: • Giám sát các thiết bị IoT từ xa • Điều khiển các thiết bị IoT từ xa Hiện nay, Zigbee đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT, trong đó các thiết bị thông minh được kết nối với nhau thông qua mạng Zigbee để chia sẻ thông tin và tương tác với nhau. Các thiết bị Zigbee cũng được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các cảm biến, điều khiển các thiết bị điện tử, và kết nối với các hệ thống thông minh khác. Các hệ thống Zigbee được triển khai trong các ứng dụng IoT bao gồm các thiết bị cảm biến, đèn thông minh, ổ cắm thông minh, máy giặt, máy sấy, tủ lạnh, điều hòa không khí, hệ thống an ninh, hệ thống giám sát môi trường, và nhiều ứng dụng khác

BÁO CÁO HỌC PHẦN PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG IoT Đề tài: “Giám sát điều khiển thiết bị, sử dụng mạng cảm biến không dây Zigbee” MỤC L Y MỤC LỤC 26 DANH MỤC HÌNH ẢNH 27 LỜI MỞ ĐẦU 28 CHƯƠNG I KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG BÀI TOÁN 25 1.1 Khảo sát hệ thống 25 1.2 Giải pháp 25 1.2.1 Yêu cầu sản phẩm 25 1.2.2 Chức .25 CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ 26 2.1 Công nghệ phần cứng 26 2.1.1 Vi điều khiển ESP32 DEVKIT V1 .26 2.1.2 Module Zigbbee CC2530 27 2.1.3 Cảm biến nhiệt độ, độ DHT-11 .27 2.1.4 Cảm biến khí gas MQ2 28 2.2 Công nghệ phần mềm 29 2.2.1 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 29 2.2.1 Phần mềm giám sát điều khiển SmartHomeZigbee 29 CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG 30 3.1.Thiết kế phần cứng 30 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 30 3.1.2 Sơ đồ dây 30 3.1.3 Hoàn thiện phần cứng 32 3.2 Lưu đồ thuật toán 32 3.3 Thiết kế phần mềm 34 3.3.1 Các khối chức .34 3.3.2 Hoàn thiện ứng dụng .34 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN .37 4.1 Kết đạt .37 4.2 Hướng phát triển .37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 PHỤ LỤC 39 DANH MỤC HÌNH Ả Y Hình 1.1 Khảo sát hệ thống Zigbee 25 Hình 2.1 Sơ đồ chân ESP32 DevKit V1 26 Hình 2.2 Module Zigbee CC2530 .27 Hình 2.3 Module DHT - 11 28 Hình 2.4 Cảm biến khí gas MQ2 28 Hình 2.5 Phần mềm Arduino IDE 29 Hình 2.6 Nền tảng tự làm App với MIT App Inventor 29 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 30 Hình 3.2 Sơ đồ di dây phịng khách 30 Hình 3.3 Sơ đồ dây phòng bếp .31 Hình 3.4 Sơ đồ dây Gateway 31 Hình 3.5 Sơ đồ thuật tốn phịng bếp .32 Hình 3.6 Sơ đồ thuật tốn phịng khách 33 Hình 3.7 Sơ đồ thuật tốn khối gateway 33 Hình 3.8 Các khối chức App .34 Hình 3.9 Hồn thiện ứng dụng SmartHomeZigbee 34 LỜI MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây Zigbee công nghệ mạng cảm biến không dây phát triển nhanh thời gian gần có tầm quan trọng đáng kể giới Một số điểm bật tầm quan trọng Zigbee: Zigbee sử dụng ứng dụng IoT: công nghệ truyền thông không dây quan trọng IoT Nó cho phép thiết bị thông minh kết nối với với internet để chia sẻ thông tin tương tác với Tiết kiệm lượng: Zigbee sử dụng lượng, giúp thiết bị hoạt động lâu giảm chi phí thay pin cho người dùng Điều làm cho trở thành lựa chọn tốt cho thiết bị cảm biến ứng dụng IoT khác Độ tin cậy cao: Zigbee thiết kế để có độ tin cậy cao, với khả xử lý nhiễu thích ứng tốt với điều kiện môi trường khác Điều làm cho phù hợp với ứng dụng kiểm sốt ánh sáng, kiểm soát nhiệt độ hệ thống an ninh Phù hợp với ứng dụng quy mơ lớn: Zigbee có khả mở rộng triển khai hệ thống lớn Nó sử dụng ứng dụng kiểm soát đèn chiếu sáng công cộng, quản lý lượng, quản lý thiết bị Cùng với ứng dụng nhóm chúng em gồm 04 thành viên tham gia thực nghiên cứu đề tài: “Giám sát điều khiển thiết bị sử dụng mạng cảm biến không dây Zigbee” với mong muốn thực hành lại kiến thức học lớp ứng dụng vào mơ hình thực tế Trong q trình thực hiện, dù chúng em cố gắng, trình độ thời gian có hạn, chưa có nhiều kinh nghiệm, khơng tránh khỏi sai sót Vì vậy, mong thầy (cô) dạy chúng em thêm lần để chúng em thực đề tài thành công CHƯƠNG I KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG BÀI TOÁN 1.1 Khảo sát hệ thống Hiện nay, Zigbee sử dụng rộng rãi ứng dụng IoT, thiết bị thông minh kết nối với thông qua mạng Zigbee để chia sẻ thông tin tương tác với Các thiết bị Zigbee sử dụng để thu thập liệu từ cảm biến, điều khiển thiết bị điện tử, kết nối với hệ thống thông minh khác Các hệ thống Zigbee triển khai ứng dụng IoT bao gồm thiết bị cảm biến, đèn thông minh, ổ cắm thông minh, máy giặt, máy sấy, tủ lạnh, điều hịa khơng khí, hệ thống an ninh, hệ thống giám sát mơi trường, nhiều ứng dụng khác Hình 1.1 Khảo sát hệ thống Zigbee 1.2 Giải pháp Dựa sản phẩm thực tế có ngày kiến thức học trường, để xây dựng giải pháp cho đề tài 1.2.1 Yêu cầu sản phẩm Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị IoT gồm nút Zigbee để giao tiếp với Điều khiển giám sát thiết bị hệ thống 1.2.2 Chức Giám sát thiết bị IoT từ xa Điều khiển thiết bị IoT từ xa CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ 2.1 Công nghệ phần cứng       Phòng Khách Vi điều khiển: ESP32 Module Zigbee Nhiệt độ, độ ẩm: DHT – 11 Đèn, quạt 5V Hiển thị: LCD 1602 Nguồn: Adapter 5V     GateWay Vi điều khiển: ESP32 GModule Zigbee Hiển thị: LCD 1602 Nguồn: Adapter 5V      Nhà Bếp Vi điều khiển: ESP32 Còi cảnh báo 5V Cảm biến khí gas: MQ2 Hiển thị: LCD 1602 Nguồn: Adapter 5V 2.1.1 Vi điều khiển ESP32 DEVKIT V1 ESP32 vi điều khiển giá rẻ, lượng thấp có hỗ trợ Wifi dualmode Bluetooth Nơi sản xuất: ESP32 chế tạo phát triển Espressif Systems, công ty Trung Quốc có trụ sở Thượng Hải, sản xuất TSMC cách sử dụng công nghệ 40 nm ESP32 sản phẩm kế thừa từ vi điều khiển ESP8266  Điện áp cung cấp (USB): 5V DC  Điện áp đầu vào/đầu ra: 3.3V DC  CPU chính: Tensilica Xtensa 32-bit LX6  Tốc độ xử lý: 160MHZ up to 240 MHz  Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz > 80mhz  Bộ xử lý thứ cấp: Cho phép hoạt động chế độ lượng cực thấp Hình 2.1 Sơ đồ chân ESP32 DevKit V1 2.1.2 Module Zigbbee CC2530 Module thu phát RF Zigbee CC2530 Uart 2.4g có khả cấu hình thành mạng truyền nhận khơng dây với nhiều nút, điểm thông qua giao thức Zigbee Module có thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm lượng, có khoảng cách (ở điều kiện lý tưởng) truyền nhận xa lên đến 250m – Điện áp làm việc: ~ 5.5 VDC – Tốc độ truyền điểm-điểm: lên đến 3300Bps (đo khoảng cách 1m) – Giao thức: UART TTL – Baudrate cài đặt: 2400, 4800,… 115200 Hình 2.2 Module Zigbee CC2530 2.1.3 Cảm biến nhiệt độ, độ DHT-11 Cảm biến độ ẩm nhiệt độ DHT11 Temperature Humidity Sensor 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 ta có liệu xác mà khơng phải qua tính tốn  Nguồn: -> VDC  Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền liệu)  Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH)  Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C)  Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây / lần)  Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm Hình 2.3 Module DHT - 11 2.1.4 Cảm biến khí gas MQ2 Cảm biến khí gas MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp khơng khí sạch, khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy cao độ dẫn điện SnO2 cao tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện Cảm biến khí gas MQ-2 cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane Hydrogen, mê-tan (CH4) dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp phù hợp cho ứng dụng khác Cảm biến xuất hai dạng tín hiệu Analog Digital, tín hiệu Digital điều chỉnh mức báo biến trở  Nguồn hoạt động: 5V  Loại liệu: Analog  Phạm vi phát rộng  Tốc độ phản hồi nhanh độ nhạy cao  Mạch đơn giản  Ổn định sử dụng thời gian dài Hình 2.4 Cảm biến khí gas MQ2 2.2 Cơng nghệ phần mềm 2.2.1 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển Arduino IDE mơi trường phát triển tích hợp (IDE) sử dụng để lập trình board vi điều khiển Arduino IDE cho phép bạn viết mã nguồn, biên dịch tải chương trình vào board Arduino để điều khiển linh kiện điện tử thiết bị ngoại vi khác Hình 2.5 Phần mềm Arduino IDE 2.2.1 Phần mềm giám sát điều khiển SmartHomeZigbee Nhóm thực tự thiết kế giao diện chức App tảng MIT App Inventor Hình 2.6 Nền tảng tự làm App với MIT App Inventor CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1.Thiết kế phần cứng 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 3.1.2 Sơ đồ dây Hình 3.2 Sơ đồ di dây phịng khách Hình 3.6 Sơ đồ thuật tốn phịng khách Hình 3.7 Sơ đồ thuật tốn khối gateway 3.3 Thiết kế phần mềm 3.3.1 Các khối chức Thực thiết kế khối chức cho nút phịng khách, phịng ngủ, nhà bếp Hình 3.8 Các khối chức App 3.3.2 Hoàn thiện ứng dụng Sau thực thiết kế giao diện, khối chứng năng, hình ảnh ứng dụng SmartHomeZigbee thành viên nhóm thiết kế Hình 3.9 Hồn thiện ứng dụng SmartHomeZigbee 3.3.3 Phần cứng thực tế CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 4.1 Kết đạt  Về mặt lý thuyết - Đã nghiên cứu được:  Truyền nhận liệu khơng dây Zigbee  Cách thức lập trình cho App cho vi điều khiển Arduino  Nguyên lý hoạt động linh kiện điện tử thành phần - Hiểu vấn đề:  Khó khăn q trình truyền nhận liệu khơng dây  Khó khăn trình giám sát điều khiển nhiều Node  Về thực nghiệm - Đã xây dựng, phát triển, thiết kế hệ thống có chức năng:  Giám sát thiết bị IoT từ xa  Điều khiển thiết bị IoT từ xa  Ưu điểm  Vừa giám sát, vừa điều khiển từ xa  Đáp ứng thời gian thực, đỗ trễ thấp  Khuyết điểm  Sản phẩm làm thủ công, nên chưa thẩm mỹ thiết kế công nghiệp  Dễ bị ảnh hưởng tốc độ đường truyền mạng gây ảnh hưởng tới thời gian đáp ứng 4.2 Hướng phát triển  Hướng phát triển  Sử dụng đa dạng vi điều khiển, thêm phương thức điều khiển tảng khác  Ứng dụng thêm phương thức bảo mật, thuật toán mã hoá bảo vệ liệu truyền thiết bị IoT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]https://www.youtube.com/watch? v=7BVpMWplZSM&ab_channel=Ch%C3%ACnhsmartlivingvn [2]https://www.youtube.com/watch? v=dmh_i3mqou8&t=612s&ab_channel=SHTEKThi%E1%BA %BFtb%E1%BB%8BTh%C3%B4ngminh [3]https://www.youtube.com/watch? v=F7ime59gMbA&ab_channel=CDNTube PHỤ LỤC Code đính kèm theo file báo cáo trình bày trình thuyết trình  CODE GATEWAY #include #include #include // WiFi credentials #define WIFI_SSID "TB1_ACTVN" #define WIFI_PASSWORD "1234567@9" // Firebase credentials #define FIREBASE_AUTH "P1tLoliGeLjFXgjCvJWKLqTTV4UAoWKR3FIuUlFg" #define FIREBASE_HOST "https://iotzigbee-546dd-defaultrtdb.firebaseio.com/" // Firebase database instance String path = "/SmartHomeZigbee"; FirebaseData firebaseData; HardwareSerial zigbee(2); String data_receiv, node, data_tx, tmp1, humi1, mq2_s, tt_den, tt_quat,s = ""; int tt ; float temperature1; float humidity1; int mq2; unsigned long curr_time, prev_time; void setup() { // Start serial communication Serial.begin(9600); zigbee.begin(115200, SERIAL_8N1, 16, 17); // Connect to WiFi network WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(10); Serial.println("Connecting to WiFi "); } // Initialize Firebase Firebase.begin(FIREBASE_HOST, FIREBASE_AUTH); Serial.println("Connected to firebase"); Firebase.setString(firebaseData, path + "/LED", "off"); Firebase.setString(firebaseData, path + "/FAN", "off"); }