Mô hình nhà thông minh dùng arduino và esp8266

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH DÙNG ARDUINO VÀ ESP8266 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS NGUYỄN HOÀNG QUỐC VIỆT Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Tấn Trung 1815020018 18HDCA1 Đặng Lê Hoàng Vũ 1815020021 18HDCA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2021 (dịng 29) Tp Hồ Chí Minh, tháng …/… (chữ thường, cỡ 13; ghi tháng năm bảo vệ) LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “MƠ HÌNH NHÀ THƠNG MINH DÙNG ARDUINO VÀ ESP8266” cơng trình nghiên cứu chúng em Chúng em xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Chúng em xin cam đoan chịu hoàn toàn trách nhiệm đồ án tốt nghiệp Chúng em xin cảm ơn! TP HCM, ngày 21 tháng năm 2021 Chữ ký sinh viên thực : Nguyễn Tấn Trung Đặng Lê Hoàng Vũ LỜI CẢM ƠN Sau năm học tập, rèn luyện, tu dưỡng trường Đại học Cơng Nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, giảng dạy tận tâm giảng viên khoa ngành, hỗ trợ đắc lực từ gia đình giúp đỡ nhiệt tình từ bạn bè, anh chị khóa trước, ngày hơm em bước vào chặng cuối hành trình hồn thành Luận văn tốt nghiệp để trường, cống hiến tích lũy để góp phần xây dựng xã hội, đất nước Để ngày hơm nay, ngồi việc cố gắng, nổ lực từ thân, cịn nhiều người giúp đỡ, khích lệ em suốt chặng đường Vì vậy, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc, biết ơn suốt đời đến người sau đây: Em xin cảm ơn gia đình em Đặc biệt bố mẹ em, họ người hy sinh nhiều em Bố mẹ tạo điều kiện cho em để học trường Đại học, bố mẹ ln ln theo dõi, khích lệ em hoàn thành việc học Em xin cảm ơn thầy ThS Nguyễn Hồng Quốc Việt chúng em thầy hướng dẫn làm Luận văn tốt nghiệp Suốt hành trình dài đó, thầy bảo em, thúc dục em hoàn thành nhiệm vụ Với kinh nghiệm dày dạn mình, thầy gợi ý phương pháp, hướng đắn cho em để bước giải vấn đề hóc búa đề tài Em xin cảm ơn tất cán giảng viên khoa ngành, giảng dạy, truyền thụ kiến thức quý báu rèn luyện cho chúng em đạo đức, lối sống để chúng em trưởng thành ngày Em xin cảm ơn nhà trường tạo điều kiện cho chúng em học tập rèn luyện mái trường than yêu Và cuối cùng, qua em xin gửi lời cảm ơn tới bạn học em, bạn Vũ Những lúc gặp khó khăn, họ giúp đỡ em nhiều Gợi ý cho em hướng giải phù hợp, qua giúp em tự nghiên cứu vấn đề hóc búa gặp phải thời gian làm luận văn MỤC LỤC Phiếu đăng ký tên đề tài Trang I Phiếu giao nhiệm vụ II Lời cam đoan VI Lời cảm ơn V Mục lục VI Danh sách hình IX LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài .9 Tình hình nghiên cứu 10 Tình hình nước: 10 Tình hình giới: 11 Mục đích nghiên cứu 11 Nhiệm vụ nghiên cứu 11 Phương pháp nghiên cứu 12 Các kết đạt sau nghiên cứu 14 Kết Cấu 14 CHƯƠNG GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TRONG NHÀ THÔNG MINH 16 1.1 TỔNG QUAN 16 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG NGÔI NHÀ THÔNG MINH 17 1.2.1 Hệ thống quản lý chiếu sáng .17 1.2 1.2.2 Hệ thống kiểm soát vào 17 1.2.3 Hệ thống quan sát, thông tin liên lạc 18 1.2.4 Hệ thống giải trí đa phương tiện .18 1.2.5 Hệ thống quản lý cấp điện, nước, gas .18 1.2.6 Hệ thống cảm biến báo động, báo cháy 19 1.2.7 Hệ thống điều hịa khơng khí, kiểm sốt mơi trường .19 1.2.8 Hệ thống công tắc điều khiển trạng thái 19 1.2.9 Hệ thống mạng, xử lý trung tâm kết hợp hoạt động .19 1.3 TRIỂN KHAI MƠ HÌNH NGƠI NHÀ THƠNG MINH THỰC TẾ 20 1.3.1 Mô tả yêu cầu 20 1.3.2 Mục tiêu thực 21 CHƯƠNG TỔNG QUAN GIẢI PHÁP .22 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 22 2.2 MỤC TIÊU 23 2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .24 2.4 GIỚI HẠN 25 2.5 BỐ CỤC 25 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 27 3.1 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU .27 3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .27 3.3 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC SAU KHI NGHIÊN CỨU .29 3.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT (PHẦN CỨNG) .29 3.4.1 Tìm hiểu vi điều khiển 29 3.4.1.1 Tổng quan vi điều khiển có luận văn 29 3.4.1.2 Giới thiệu ESP8266 NodeMCU 32 3.4.1.3 Giới thiệu Arduino Uno R3 35 3.4.2 Giới thiệu công nghệ RFID 39 3.4.2.1 Khái niệm .39 39 3.4.2.2 Cấu tạo 40 Bảng 3.1 Một vài tần số RFID phổ biến .40 40 3.4.2.3 Đặc điểm 40 3.4.2.4 Nguyên lý hoạt động công nghệ RFID 41 41 3.4.2.5 Ứng dụng công nghệ RFID 41 3.4.2.6 Tính bảo mật 42 3.4.3 Module đọc RFID RC522 42 43 3.4.4 Màn hình LCD 16x2 43 Sơ đồ chân 44 3.4.5 Động servo SG90 9g Micro 45 46 3.4.6 Động DC giảm tốc .46 3.4.7 Mạch điều khiển động DC L298 47 47 3.4.8 Mạch chuyển giao tiếp LCD1602 sang I2C 48 48 3.4.9 Các loại cảm biến 49 Cảm biến thân nhiệt chuyển động ( PIR HC-SR501) 49 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 51 Cảm biến khói, khí gas MQ2 52 Cảm biến mưa 53 3.5 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP ĐƯỢC SỬ DỤNG 54 Chuẩn giao tiếp UART .54 Chuẩn giao tiếp SPI 54 Chuẩn giao tiếp I2C 55 3.6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT (PHẦN MỀM) .56 Google Assistant 56 56 Công cụ IFTTT (IF This…Then That) 57 57 58 Tiếp theo chọn New Applet, click vào This, tìm Google Assistant 58 58 Hình 3.25: Tạo This cho IFTTT 58 59 Hình 3.26: IFTTT sau tạo 59 CHƯƠNG 4: QUI TRÌNH THIẾT KẾ 60 4.1 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 60 4.1.1 Yêu cầu thiết kế 60 4.1.2 Phân tích 61 4.1.3 Sơ đồ khối tổng quát 62 4.1.4 Sơ đồ khối chi tiết 63 4.1.5 Tính tốn thiết kế mạch: .67 4.1.6 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch: 77 4.2 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM .79 4.2.1 Yêu cầu thiết kế 79 4.2.2 Phân tích 80 4.2.3 Sơ đồ khối tổng quát .80 4.2.4 Sơ đồ khối chi tiết 80 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG .94 5.1 GIỚI THIỆU 94 5.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 95 5.2.1 Thi công bo mạch hệ thống 95 5.2.2 Lắp ráp kiểm tra bo mạch hệ thống .96 5.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 98 5.3.1 Đóng gói điều khiển 98 5.3.2 Thi công mô hình 98 5.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 99 5.4.1 Lưu đồ giải thuật .99 5.5 HƯỚNG DẪN THAO TÁC HỆ THỐNG 105 5.5.1 Hệ thống mở cửa 105 5.5.2 Thêm thẻ RFID 105 5.5.3 Xóa thẻ 105 5.5.4 Đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm LCD app Blynk: 105 5.5.5 Phát khói khí gas vượt mức cho phép: 105 5.5.6 Phát có người chuyển động phạm vi cài đặt cảm biến: 105 5.5.7 Phát sáng tối để tự bật tắt đèn trời : 106 Hình 5.10 Lưu đồ giải thuật phát có người chuyển động Giải thích lưu đồ: Khi cảm biến phát có người chuyển động,hệ thống tự động hú còi báo Còi hú cảm biến khơng cịn phát người chuyển động khu vực định 103 LƯU ĐỒ BẬT ĐÈN HÀNH LANG TỰ ĐỘNG : Hình 5.11 Lưu đồ giải thuật bật đèn hành lang tự động Giải thích lưu đồ: Khi cảm biến ánh sáng phát không đủ độ sáng cho phép,đèn hành lang tự động bật (dùng giả lập môi trường trời tối ).Đèn hành lang tự bật cảm biến phát đủ độ sáng đèn tắt 104 5.5 HƯỚNG DẪN THAO TÁC HỆ THỐNG 5.5.1 Hệ thống mở cửa Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống, dùng adapter 12V cắm vào nguồn 220V để cấp nguồn cho hệ thống Và chờ khoảng 10s để hệ thống khởi động xong Bước 2: Quét thẻ RFID lưu hệ thống để tiến hành mở cửa 5.5.2 Thêm thẻ RFID Bước 1: Khi LCD hiển thị trạng thái STATE WAITING, ta scan thẻ master để tiến hành thêm thẻ Bước 2: Đặt thẻ cần thêm vào module đọc thẻ để hệ thống lấy liệu Khi lưu hệ thống hiển thị nội dung lưu lên LCD 5.5.3 Xóa thẻ Bước 1: Khi LCD hiển thị trạng thái STATE WAITING, ta scan thẻ master để tiến hành xóa thẻ Bước 2: Đặt thẻ cần xóa vào module đọc thẻ để hệ thống lấy liệu Khi xóa hệ thống hiển thị nội dung xóa thẻ lên LCD 5.5.4 Đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm LCD app Blynk: Giá trị nhiệt độ, độ ẩm cảm biến DHT thu nhận đọc hình LCD app Blynk 5.5.5 Phát khói khí gas vượt mức cho phép: Khi có khói khí gas vượt mức cho phép, hệ thống hú còi cảnh báo khơng phát khói, khí gas 5.5.6 Phát có người chuyển động phạm vi cài đặt cảm biến: Khi có người chuyển động phạm vi cảm biến, hệ thống hú còi cảnh báo không phát cảm biến PIR 105 5.5.7 Phát sáng tối để tự bật tắt đèn trời: Khi trời tối, hệ thống tự động bật đèn hành lang tự tắt trời sáng nhờ quang trở LDR 5.5.8 Bật tắt đèn phòng app Blynk giọng nói : Đèn phịng khách, bếp , nhà vệ sinh phòng ngủ tắt mở app Blynk Ngồi ra, bật tắt giọng nói nhờ hỗ trợ google assistant kết hợp với IFTTT Blynk Cloud 106 CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT QUẢ Qua q trình tìm hiểu nhà thơng minh ứng dụng vào mạch thực tế từ tài liệu chuyên nghành tiếng Việt tiếng Anh, tìm hiểu thêm thơng qua mạng internet hướng dẫn thầy GVHD Th.S Nguyễn Hoàng Quốc Việt Nhóm chúng em hồn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Mơ hình nhà thơng minh dùng Arduino ESP8266” Sau đề tài này, nhóm em nghiên cứu tích lũy thêm nhiều hiểu biết, kiến thức áp dụng vào thực tiễn sống như: • Hiểu biết sâu sử dụng tính Arduino giao tiếp Arduino với module mở rộng như: cảm biến thân nhiệt chuyển động, cảm biến khói , khí gas, module đọc RFID RC522, động Servo SG90, độ giảm tốc DC, buzzer, hình LCD… • Nghiên cứu biết cách kết nối Arduino với module mở rộng cảm biến, module đọc RFID RC522, động Servo SG90, buzzer, hình LCD để điều khiển thiết bị lắp vào mơ hình để thành sản phẩm hồn chỉnh • Nghiên cứu biết cách sử dụng module đọc RFID RC522, nguyên lý hoạt động, thơng số kỹ thuật, tính module đọc RFID RC522 Biết cách thiết lập cho module để điều khiển thiết bị • Biết cách sử dụng phần mềm vẽ mạch Protues để thiết kế mạch in, làm mạch kết nối kit Arduino với module mở rộng để giảm sử dụng dây cắm linh kiện gắn rời nhằm tăng tính nhỏ gọn cho mạch điều khiển • Hiểu biết thêm app Blynk để giao tiếp với ESP8266 công cụ hỗ trợ 107 điều khiển giọng nói Google Assistant 6.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM Chúng ta có phiên app (smart phone, panel), chạy ổn định hệ điều hành android iOS Dung lượng file Blynk nhẹ, tương thích với nhiều loại thiết bị android, iOS Các thao tác app mượt mà, ổn định Ngoài ra, cách bố cục chức app dễ nhìn, dễ hiểu Để app Blynk kết nối với hệ thống phần cứng, phải kết nối thiết bị andoid/iOS phần cứng vào chung mạng wifi Mạng wifi từ Modem wifi phát ra, từ Hotspot di động phát Trong luận văn này, em dùng Hotspot điện thoại di động để phát sóng wifi Sau q trình nghiên cứu, thi cơng đề tài “Mơ hình nhà thơng minh dùng Arduino ESP8266” nhóm hồn thành thực tính sau: Sau khởi động hệ thống hệ thống hiển thị sau: Hình 6.1: LCD khởi động hệ thống 108 Mơ tả: Hình 6.1 hiển thị sau hệ thống khởi động giá trị nhiệt độ , độ ẩm đọc cảm biến hiển thị LCD Trạng thái mô tả RFID kết nối với Arduino chờ nhận tín hiệu từ thẻ từ Hình 6.2 sau kiểm tra kết nối hiên thị để báo mơ hình sẳn sàng hoạt động lúc tiến hành mở cửa cách quét thẻ RFID Hình 6.2 Quẹt thẻ vào RFID để mở cửa 109 Hình 6.3 Thơng báo quẹt thẻ cửa mở Hình 6.4 cửa mở 110 Hình 6.5 Khi quét thẻ lạ hình báo sai thẻ Mơ tả: Khi có thẻ lạ scan vào hệ thống hệ thống cảnh báo khơng thấy thẻ hình 6.5 Hình 6.6 Hiển thị LCD scan thẻ master 111 Mô tả: Để add thêm thẻ bỏ thẻ cũ khỏi hệ thống , trước tiên ta cần phải scan thẻ master.Màn hình hiển thị scan thẻ master xong hình 6.6 Hình 6.7 Hiển thị LCD sau scan thẻ master xong yêu cầu scan thẻ Mô tả: Sau scan thẻ master.Màn hình hiển thị scan thẻ master xong yêu cầu scan thẻ vào hệ thống hình 6.7 Hình 6.8 Hiển thị LCD sau thêm thẻ thành công 112 Mô tả: Sau thêm thẻ thành cơng,LCD hiển thị hình 6.8 Tương tự, cho việc xóa thẻ khỏi hệ thống, ta cần phải scan thẻ master trước, sau ta scan tiếp thẻ cần xóa khỏi hệ thống Hình 6.9 Hiển thị LCD sau scan thẻ cần xóa khỏi hệ thống Hình 6.10 Hiển thị LCD sau thẻ cần xóa xóa thành cơng 113 Hình 6.11 Hiển thị giao diện điều khiển điện thoại dung app Blynk Mô tả: Sau hệ thống khởi động, wifi kết nối ta thấy liệu nhiệt độ, độ ẩm cảm biến hiển thị điện thoại Ngồi ra, ta cịn có thẻ điều khiển bật / tắt đèn phòng phím ảo app Blynk Động giảm tốc DC điều khiển qua app để điều khiển giàn phơi Ta điều khiển chiều (trái, phải) tốc độ động hình 6.7 114 6.3 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG Hệ thống phần cứng gồm phần chính: phần điều khiển phần cảm biến Thì phần chạy thành công ổn định Việc kết nối linh kiện với nhau, dùng phương án hàn Test Board hàn Nên dễ dàng để nâng cấp sau Tuy nhiên, nhìn vào khơng gọn gàng đẹp mắt Vì vậy, giấu phần linh kiện mơ hình 6.4 KẾT LUẬN Thiết bị sau thiết kế đạt kết sau: Thiết kế hoàn chỉnh mơ hình nhà thơng minh Gồm đầy đủ chức chính: + Điều khiển thiết bị (đèn, cửa chính, hệ thống phơi đồ…) qua app Blynk cài đặt lên Smart phone Tablet Có thể điều khiển nội (tablet đặt phịng khách), điều khiển từ xa đâu smart phone + Đọc giá trị cảm biến hiển thị lên app Và cảnh báo cho người dùng có biến cố xảy (như báo cháy, báo khói khí ga) Hệ thống hoạt động ổn định, xảy lỗi hoạt động Sử dụng internet wifi phổ biến nên đề tài thiết thực gần gũi với người dùng Việc nghiên cứu đề tài “Nhà Thông Minh” mang lại cho em nhiều kiến thức kinh nghiệm Đề tài giúp cho em nắm rõ họ ESP8266 nói chung NodeMCU nói riêng Nắm rõ cách lập trình Arduino cho NodeMCU mơi trường lập trình Arduino IDE Hiểu sâu loại cảm biến có thị trường Đồng thời, nắm việc xây dựng app cho điện thoại để ứng dụng vào IoT Và cuối kết nối kiến thức với để tạo thành sản phẩm hữu ích cho đời sống, có mục đích ý nghĩa thiết thực cho người Mặc dù hệ thống đạt ưu điểm định, nhiên hạn chế thời gian, tài hiểu biết nên sản phẩm có mặt hạn chế: Tốc độ hệ thống chưa tối ưu hệ thống chưa tối ưu cách hoàn hảo 115 Vẫn chưa làm chức cao cấp nhà thơng minh Ứng dụng Blynk cịn nhiều hạn chế, chưa thực chuyên nghiệp thẩm mỹ sản phẩm thị trường Tuy nhiên, hạn chế kiến thức thời gian thực mơ hình điều kiện giãn cách dịch covid, số module bị hỏng mua để thay , nguồn tài liệu tham khảo chủ yếu qua internet nên đề tài không tránh khỏi sai sót cịn số hạn chế: -Hạn chế lớn chưa có nguồn điện dự trữ để cung cấp cho hệ thống hoạt động bị nguồn chính, dẫn đến liệu thẻ -Vì điều kiện kinh phí thời gian có hạn, nên nhóm thực mơ hình tương đối hồn chỉnh, tính thẩm mỹ khơng cao 6.5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỀ TÀI Hiện đề tài dừng mức độ mơ hình, hồn tồn ứng dụng vào thực tiễn, với chi phí phải chăng, dễ thi cơng App Blynk nâng cấp việc lập trình với mơi trường chuyên nghiệp Android Studio, Eclipse… Có thể phát triển thêm nhiều chức cho nhà thông minh, đồng thời tối ưu phần cứng phần mềm để sản phẩm thêm hoàn hảo Hệ thống điều khiển cửa mở rộng thêm module thời gian thực, có khả lưu trữ, gửi liệu ID người dùng lên database server Thêm cảm biến vân tay để có thêm giải pháp để mở cửa Nâng cấp module đọc RFID đọc thẻ cự ly xa Thực gửi cảnh báo qua điện thoại có thẻ lạ vân tay lạ quét vào hệ thống nhiều lần Lắp đặt nguồn dự trữ để hệ thống hoạt động trường hợp điện 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wikipedia Nhà thông minh 2018, Available from: https://vi.wikipedia.org/wiki/Nh%C3%A0_th%C3%B4ng_minh [2] Wikipedia Internet Vạn Vật 2018, Available from: https://vi.wikipedia.org/wiki/Internet_V%E1%BA%A1n_V%E1%BA%ADt [3] Vũ Quang Huy “Sử Dụng Arduino IDE Lập Trình ESP8266 NodeMCU.” [Online] https://www.stdio.vn/articles/su-dung-arduino-ide-lap-trinh-esp8266nodemcu-555, 15/02/2017 [4] Vũ Đức Toàn “Hướng dẫn bật tắt thiết bị thẻ RFID.” [Online] https://www.youtube.com/watch?v=ChhtqID80kY, 23/1/2017 [5] “Tổng quan cảm biến.” [Online] http://arduino.vn/bai-viet/1100-tong-quanve-cam-bien, 3/8/2016 [6] https://www.packtpub.com/product/esp8266-home-automationprojects/9781787282629 [7] TuanPM “Lập trình ESP8266 Arduino.” [Online] https://arduino.esp8266.vn/, 2017 [8] https://www.youtube.com/watch?v=SkvmkEUJ79g 117