Mô hình điều khiển thiết bị điện qua mạng wifi dùng vi điều khiển esp8266

z ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tên đề tài: MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG WIFI DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN ESP8266 Mã số: Chủ nhiệm đề tài: Đồn Chánh Tín Cán phối hợp nghiên cứu: Vương Quang Huy TP Hồ Chí Minh, năm 2021 Trang1 z ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tên đề tài: MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG WIFI DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN ESP8266 Mã số: Chủ nhiệm đề tài: Đồn Chánh Tín Cán phối hợp nghiên cứu: Vương Quang Huy TP Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 03 năm 2021 i MỤC LỤC TRANG TRANG TỰA MỤC LỤC A DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .3 B DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU SỐ LIỆU .3 C DANH SÁCH CÁC HÌNH .4 D PHẦN NỘI DUNG Chương I TỔNG QUAN .8 1.1 Tổng quan 1.2 Nhiệm vụ đề tài 1.2.1 Yêu cầu đề tài 1.2.2 Nội dung cần thực Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT .10 2.1 Tổng quan IoT 10 2.1.1 Khái niệm IoT 10 2.1.2 Các đặc trưng hệ thống IoT 11 2.1.3 Các ứng dụng IoT 12 2.2 Giới thiệu vi điều khiển ESP8266 13 2.2.1 Sơ đồ chân 14 2.2.2 Thông số phần cứng 16 2.2.3 SĐK hỗ trợ từ hãng sản xuất 17 2.2.4 Board mạch phát triển UNO WEMOS D1 ESP8266 18 Chương THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ 22 3.1 Cài đặt NodleMCU ESP8266 Wifi 22 3.2 Thêm thư viện Blynk cho Aduino IDE 23 3.3 Tạo tài khoản Blynk 29 3.4 Lưu đồ giải thuật tổng quát 33 3.5 Chương trình thực 35 Chương THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN MƠ HÌNH HỆ THỐNG 36 4.1 Sơ đồ khối hệ thống 36 4.2 Khối nguồn 36 4.3 Khối xử lý trung tâm 37 4.4 Khối điều khiển thiết bị 38 Chương KẾT QUẢ THỰC HIỆN 40 5.1 Khối điều khiển trung tâm 40 5.2 Khối điều khiển thiết bị 40 5.3 Khối nguồn cung cấp 42 5.4 Khối tải 43 5.5 Mô hình điều khiển thiết bị qua mạng Wifi dùng vi điều khiển ESP8266 44 5.6 Giao diện thiết kế điện thoại dùng phần mềm Blynk 45 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .46 6.1 Kết luận 46 6.2 Hướng phát triển 46 E TÀI LIỆU THAM KHẢO .47 A DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT IFTTT If this then that IOT Internet of things MEMS Fisher’s Linear Discriminant M2M Machine to machine IP Internet Protocol MQTT Message Queue Telemetry Transport D2S Device to Server SVM Support Vector Machine HMM Hidden Makov Model MS-HMM Multi-Stream Hidden Makov Model KLT Karhunen-Loeve Transform SMS Short Message Services GSM Global System for Mobile Communication CV Computervision MLL Machinelearninglibrary IPP Integrated Performance Primitives GPIO General Purpose I/O PEL Picture Element RGB Red Green Blue ANN Artificial Neural Network KNN K Nearest Neighbors Classification B DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU SỐ LIỆU C DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình Sơ đồ chân vi điều khiển ESP8266 14 Hình Sơ đồ khối vi điều khiển ESP8266 16 Hình Sơ đồ nguyên lý giao tiếp phần cứng VĐK ESP8266 17 Hình Board phát triển WEMOS D1 R2 20 Hình Lưu đồ giải thuật hệ thống 34 Hình Sơ đồ khối hệ thống 36 Hình Sơ đồ nguyên lý khối nguồn DC 36 Hình Khối xử lý trung tâm 37 Hình Sơ đồ nguyên lý khối Relay DPDT 38 Hình 10 Sơ đồ nguyên lý khối Relay SSR 39 Hình 11 Khối điều khiển trung tâm dùng Board Wemos D1 40 Hình 12 Module điều khiển thiết bị dùng Relay tiếp điểm 40 Hình 13 Module điều khiển thiết bị dùng Relay SSR 41 Hình 14 Module điều khiển thiết bị dùng công tắc 41 Hình 15 Khối cấp nguồn AC 42 Hình 16 Khối cấp nguồn DC 42 Hình 17 Khối tải đèn 43 Hình 18 Khối tải quạt 43 Hình 19 Khối ổ cắm 44 Hình 20 Mơ hình hồn chỉnh 44 Hình 21 Giao diện điều khiển điện thoại 45 D PHẦN NỘI DUNG Lời mở đầu Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật mang lại cho người sống tiện nghi hơn, thoải mái hơn, an toàn Cùng với phát triển đó, loại máy móc đại máy ảnh số, máy quay phim kỹ thuật số, máy vi tính,…cũng đời nhằm phục vụ nhu cầu ngày cao người Qua đó, lượng thơng tin người thu dạng số ngày tăng, liệu hình ảnh có lượng thơng tin lớn xác loại liệu từ cảm biến khác Điều giúp cho việc giải vấn đề lĩnh vực điều khiển tự động dễ dàng Từ đó, lĩnh vực khoa học cơng nghệ IoT (Internet of Things) đời nhằm đáp ứng cho việc xử lý, thu thập liệu, điều khiển thiết bị dễ dàng IoT ngành khoa học mẻ so với nhiều ngành khoa học khác tốc độ phát triển nhanh, kích thích trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt máy tính chun dụng riêng cho nhằm giải vấn đề phát sinh xã hội phát triển ngày Trong thời đại công nghiệp 4.0 nay, với tiến công nghệ đáng kinh ngạc tạo nên cách tương tác người máy, bật hình cảm ứng (như iPhone, iPad) cử động (như Nintendo Wii), đến cơng nghệ điều khiển giọng nói (như Siri) Nhiều thiết bị thơng minh cịn cho phép người dùng nhập văn trực tiếp cách đọc thơng qua phần mềm nhận dạng giọng nói Để việc tương tác người máy ngày tự nhiên thoải mái, người ta phát triển công nghệ cho phép người sử dụng điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua mạng Wifi Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua mạng Wifi nghiên cứu ứng dụng rộng rãi giới để tạo nên hệ thống điều khiển thuận tiện, xác đa dạng cho người dùng… Nhưng phương pháp xuất Việt Nam vài năm gần đây, chưa nghiên cứu ứng dụng rộng rãi vào thực tế… Xuất phát từ thực tiễn ấy, đề tài nghiên cứu nhằm ứng dụng vào hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thay cho cảm biến truyền thống Đồng thời qua cung cấp cho sinh viên trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức tiếp cận với công nghệ đại này, qua sinh viên có nhìn trực quan, nắm rõ nguyên lý hoạt động hệ thống để áp dụng vào thực tiễn sống sau trường Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu - Mục tiêu: Trong khuôn khổ đề tài, mục tiêu tơi là nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua mạng Wifi để từ ứng dụng điều khiển thiết bị điện gia đình nơi có Internet Đề tài dùng vi điều khiển ESP8266 làm đơn vị điều khiển trung tâm, phần mềm Blynk để thiết kế giao diện, kết hợp giao thức IFTTT ngơn ngữ lập trình C++ - Nhiệm vụ Đề tài nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua mạng Wifi dựa vi điều khiển ESP8266, kết hợp phần mềm Blynk để xây dựng giao diện điều khiển điện thoại Hệ thống lập trình ngơn ngữ C++ máy tính Đề tài tập trung nghiên cứu vấn đề sau : - Tìm hiểu vi điều khiển ESP8266 - Xây dựng lưu đồ giải thuật viết chương trình điều khiển - Ứng dụng phần mềm Blynk thiết kế giao diện điều khiển điện thoại Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Vi điều khiển ESP8266, phần mềm Blynk, kết hợp giao thức IFTTT ngơn ngữ lập trình C++ Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tham khảo tài liệu: tìm kiếm thơng tin từ sách ,báo, tạp chí cơng nghệ, internet - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Từ kiến thức thu thập tiến hành mô phỏng, khảo sát nhiều phương pháp khác để từ xây dựng thống tối ưu Đóng góp đề tài - Ứng dụng hệ thống tự động, phục vụ công việc sản xuất, giám sát, nâng cao suất lao động Giới thiệu cho sinh viên công nghệ mới, kết hợp môn vi điều khiển ,vi điều khiển nâng cao, thiết bị đầu cuối viễn thơng hệ thống tự động hóa nhằm tạo hứng thú học tập cho sinh viên - Ứng dụng hệ thống tự động, phục vụ công việc sản xuất, giám sát, nâng cao suất lao động Kết cấu đề tài GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan 1.2 Mục tiêu nghiên cứu CƠ SƠ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan IOT 2.1.1 Khái niệm IoT 2.1.2 Cơ sở kỹ thuật IoT 2.1.3 Các đặc trưng hệ thống IoT 2.2 Giới thiệu vi điều khiển ESP8266 2.2.1 Sơ đồ chân 2.2.2 Thông số phần cứng 2.2.3 SĐK hỗ trợ từ hãng sản xuất 2.2.4 Board mạch phát triển ESP8266 THIẾT KẾ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG THIẾT KẾ THỰC HIỆN PHẦN MỀM KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1.1 Kết đạt 1.2 Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO Chương I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Ngày nay, với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật mang lại cho người sống tiện nghi hơn, thoải mái hơn, an toàn Cùng với phát triển đó, loại máy móc đại máy ảnh số, máy quay phim kỹ thuật số, máy vi tính,…cũng đời nhằm phục vụ nhu cầu ngày cao người Qua đó, lượng thơng tin người thu dạng số ngày tăng, liệu hình ảnh có lượng thơng tin lớn xác loại liệu từ cảm biến khác Điều giúp cho việc giải vấn đề lĩnh vực điều khiển tự động dễ dàng Từ đó, lĩnh vực khoa học công nghệ đời nhằm đáp ứng cho việc điều khiển cơng nghiệp 4.0 “Internet vạn vật” (Internet of thingsIoT) Internet vạn vật ngành khoa học mẻ so với nhiều ngành khoa học khác tốc độ phát triển nhanh, kích thích trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt máy tính chun dụng riêng cho nhằm giải vấn đề phát sinh xã hội phát triển ngày Trong thời đại công nghiệp 4.0 nay, với tiến công nghệ đáng kinh ngạc tạo nên cách tương tác người máy, bật hình cảm ứng (như iPhone, iPad) cử động (như Nintendo Wii), đến cơng nghệ điều khiển giọng nói (như Siri) Nhiều thiết bị thơng minh cịn cho phép người dùng nhập văn trực tiếp cách đọc thơng qua phần mềm nhận dạng giọng nói Để việc tương tác người máy ngày tự nhiên thoải mái, người ta phát triển công nghệ cho phép người dùng điều khiển thiết bị điện tử thông qua mạng Wifi Điều khiển tự động vấn đề nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đặc biệt ứng dụng thiết thực cho đời sống xã hội Chẵng hạn hệ thống điều khiển giọng nói, âm thanh, ánh sáng ứng dụng rộng rãi đời sống Giúp cho sống người ngày thuận tiện , thoải mái BEGIN THIẾT LẬP TỐC ĐỘ TRUYỀN DỮ LIỆU VỚI EPPROM Y KIỂM TRA RESET VÀO CHẾ ĐỘ ACCESS POINT N N YÊU CẦU CHỌN MẠNG WIFI VÀ NHẬP PASS DÒ MẠNG WIFI (SSID, PASS) Y XÁC NHẬN KẾT NỐI WIFI LƯU SSID VÀ PASSWORD XÁC NHẬN MÃ CHỨNG THỰC BLYNK N KIỂM TRA ĐIỀU KHIỂN ĐÈN N KIỂM TRA ĐIỀU KHIỂN QUẠT N KIỂM TRA ĐIỀU KHIỂN Ổ CẮM Y Y Y THỰC THI LỆNH ĐIỀU KHIỂN (ON/OFF) Hình Lưu đồ giải thuật hệ thống 34 3.5 Chương trình thực 35 Chương THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN MƠ HÌNH HỆ THỐNG Sơ đồ khối hệ thống 4.1 Khối nguồn Giao tiếp ngoại vi USB To COM Khối xử lý trung tâm Blynk (Vi điều khiển ESP8266) Server I2C Điện thoại Khối điều khiển thiết bị Thiết bị Thiết bị Thiết bị Thiết bị Hình Sơ đồ khối hệ thống Khối nguồn 4.2 J1 U3 1 9V/DC D1 C6 C5 C 104 D VCC VIN VOUT LM2940CT-5 C8 C7 C22 C 104 104 U1 MIC29302ADJ/TO220 IN OUT C2 C1 C 104 EN ADJ R1 47k VBAT R2 100k C4 C3 330uf 104 Hình Sơ đồ nguyên lý khối nguồn DC 36 R3 R D3 LED Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp điện áp cho hệ thống Điện áp vào khối nguồn 9-12VDC-2A sau đưa qua IC LM2940 để tạo mức điện áp ổn áp 5V cung cấp cho relay Do điện áp hoạt động VĐK ESP8266 từ 3,2V đến 5V nên khối nguồn sử dụng IC MIC2930 để tạo mức điện áp ổn áp cung cấp nguồn cho VĐK hoạt động, điện áp điều chỉnh cặp điện trở R1, R2 theo công thức: 𝑅2 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1,242 × ( 𝑅1 + 1) (1) Trong trình điều khiển tiêu hao lượng lớn, dịng tiêu thụ lên đến 2A, dễ gây sụt áp cho nguồn, cần tụ C4 chân Vbat để ổn định điện áp nguồn LED D3 báo thị có nguồn chên Vbat 4.3 Khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm dùng vi điều khiển ESP8266 để xử lý, khối có nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ server Blynk đưa Khi nhận tín hiệu điều khiển người dùng, vi điều khiển xuất lệnh đóng mở thiết bị tương ứng Hình Khối xử lý trung tâm 37 4.4 Khối điều khiển thiết bị Vi điều khiển sau nhận lệnh từ server Blynk đưa định điều khiển thiết bị Tùy theo nội dung mã lệnh mà thiết bị tương ứng bật hay tắt Khối điều khiển thiết bị thiết kế điều khiển cách ly với khối xử lý trung tâm thông qua hệ thống relay opto triac Hệ thống điều khiển thiết bị DC thiêt bị AC VCC D8 DIODE 1K VCC Q5 C1815 RL4 R39 LS2 RELAY DPDT R37 10K 560 R33 J7 L21 L22 D7 DEVICE LED L21 VCC D5 DIODE 1K VCC Q3 C1815 RL3 R36 L22 LS1 RELAY DPDT R29 10K 560 R34 J6 L11 L12 D9 L11 DEVICE LED L12 Hình Sơ đồ nguyên lý khối Relay DPDT Khối điều khiển thiết bị DC dùng BJT C1815 để kích đóng mở Relay, hai chân kết nối với thiết bị điều khiển đưa qua jumper J7, LED báo thị D7 cho biết thiết bị bật Diode D8 để chống dòng ngược cuộn dây đónng gắt relay nhằm bảo vệ cho BJT C1815 Do đặc tính thiết bị AC thường hoạt động điện áp cao, nên phương pháp dùng relay đóng ngắt dễ sinh tia hồ quang điện gây ổn định cho hệ thống giảm tuổi thọ thiết bị Để điều khiển thiết bị AC hệ thống sử dụng opto triac thay cho relay Thiết bị kết nối trực tiếp với triac BTA12, triac BTA12 chịu dịng 12A, điện áp 600V, phù hợp để điều khiển thiết bị công 38 suất lớn Để tắt mở thiết bị opto triac MOC3020 điều khiển BJT A1015 dùng để kích dẫn triac BTA12 Các bit điều khiễn relay triac đưa jumper J13 để thuận tiện kết nối với vi điều khiển Các chân kết nối với thiết bị đưa jumper J6, J7, J21, J23 VCC Q23 A1015 R42 R R35 R R38 J21 1 2 DEVICE 220VAC Q17 BTA12 VCC R R R53 D11 N4148 J13 U13 MOC3020 J23 1 2 DEVICE RL1 RL2 RL3 RL4 R43 180 R51 Q24 A1015 RL2 J22 D12 N4148 U16 MOC3020 180 RL1 Q22 BTA12 RELAY Hình 10 Sơ đồ nguyên lý khối Relay SSR 39 Chương KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Khối điều khiển trung tâm - Khối điều khiển trung tâm sử dụng Board phát triển WeMos D1 tích hợp vi điều khiển ESP8266 Hình 11 Khối điều khiển trung tâm dùng Board Wemos D1 5.2 Khối điều khiển thiết bị - Khối điều khiển thiết bị gồm Module Relay DPDT điều khiển thiết bị, Module Relay SSR điều khiển thiết bị Module công tắc dùng để điều khiển độc lập với điện thoại Hình 12 Module điều khiển thiết bị dùng Relay tiếp điểm 40 Hình 13 Module điều khiển thiết bị dùng Relay SSR Hình 14 Module điều khiển thiết bị dùng công tắc 41 5.3 Khối nguồn cung cấp - Khối nguồn gồm nguồn AC để cung cấp cho tải AC cấp nguồn vào cho nguồn DC Nguồn DC gồm mức điện áp 5VDC cấp cho Vi điều khiển 12VDC cấp cho Relay Hình 15 Khối cấp nguồn AC Hình 16 Khối cấp nguồn DC 42 5.4 Khối tải - Gồm tải đèn, tải quạt AC, ổ cắm dùng để điều khiển tải Hình 17 Khối tải đèn Hình 18 Khối tải quạt 43 Hình 19 Khối ổ cắm 5.5 Mơ hình điều khiển thiết bị qua mạng Wifi dùng vi điều khiển ESP8266 Hình 20 Mơ hình hồn chỉnh 44 5.6 Giao diện thiết kế điện thoại dùng phần mềm Blynk Hình 21 Giao diện điều khiển điện thoại 45 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Về hoàn thành yêu cầu ban đầu đề tài đề Trên sở nghiên cứu vi điều khiển ESP8266, Board phát triển WeMos D1 phương pháp điều khiển thiết bị từ xa thời gian thực, đặc biệt phương pháp điều khiển thiết bị thông qua mạng wifi, kết hợp với kỹ thuật lập trình nhúng Tơi áp dụng xây dựng thành cơng mơ hình dàn trải hệ thống điều khiển thiết bị điện qua mạng wifi Từ ứng dụng vào công tác giảng dạy cho sinh viên ngành Kỹ thuật điện-đện tử, Kỹ thuật điện tử - truyền thông trường Cao đẳng Cơng nghệ Thủ Đức Bên cạnh đó, q trình xây dựng chương trình, nhóm tìm hiểu tập lệnh AT, qua biết cách sử dụng hàm tập lệnh để xây dựng chương trình điều khiển, cảnh báo thiết bị Về chương trình demo, mơ hình ứng dụng chạy thử nghiệm điều kiện môi trường khác đạt kết tốt, thời gian đáp ứng nhanh, hệ thống hoạt động ổn định, xảy lỗi Các khối chức kết nối với vi điều khiển cách dễ dàng thông qua hệ thống jumper Hệ thống tương thích với tất chuẩn wifi 6.2 Hướng phát triển Hiện nay, công nghệ 5G triển khai Việt Nam, mở hội phát triển mạnh mẽ cho ngành viễn thông Việt Nam Bên cạnh có nhiều mạng viễn thông đời không ngừng nâng cao chất lượng từ đơn giản nhắn tin SMS gọi đến đại nhắn tin MMS, gọi có video, định vị vệ tinh, dẫn đồ thành phố lớn, kèm theo dịch vụ viễn thơng nhạc chng, nhạc chờ, tải hình ảnh, quảng cáo tin nhắn SMS Đây tiền đề để phát triển lên phương pháp khiển qua mạng hình ảnh, âm thanh, giọng nói, cử 46 E TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Tuấn Huynh, Internet of things-Các vấn đề nay, NXB Hà Nội, 2018 [2] Phạm Minh Tuấn, Internet of things (IoT)-Cho người bắt đầu, IoT Maker VietNam, 2016 [3] Maciej Kranz, Thiết lập Internet vạn vật doanh nghiệp, Alpha Books, 2020 TIẾNG NƯỚC NGOÀI [4] Marcro Schwartz, Internet of Things with ESP8266, ISBN: 9781786468024, Packt Publishing, 2016 [5] Ilyas Baig, Chiktay Muzamil, Salahuddin Dalvi, Home automation using arduino wifi module esp8266, Anjuman-i-islam’s, Kalsekar technical campus, Panvel, 2016 [6] Cuno Pfister, Getting Started with the Internet of Things, O’Reilly, 2014 [7] Mohanraj I, Kirthika Ashokumar, Naren J , Monitoring and Automation using IOT in Agriculture Domain, 6th International Conference On Advances In Computing & Communications, ICACC 2016, 2016 47