Hệ thống điều khiển thiết bị điện qua mạng không dây

z ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2021 - 2022 Tên đề tài: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG KHÔNG DÂY Mã số: Chủ nhiệm đề tài: LÊ PHƯỚC ĐỨC Cán phối hợp nghiên cứu: TP Hồ Chí Minh, năm 2022 Trang1 z ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2021 - 2022 Tên đề tài: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG KHÔNG DÂY Mã số: Chủ nhiệm đề tài: LÊ PHƯỚC ĐỨC Cán phối hợp nghiên cứu: TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 01 năm 2022 i MỤC LỤC TRANG TRANG TỰA MỤC LỤC A DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT B DANH SÁCH CÁC HÌNH Chương I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan 1.2 Nhiệm vụ đề tài 1.2.1 Yêu cầu đề tài 1.2.2 Nội dung cần thực 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5 Các phương pháp nghiên cứu Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan IoT 2.1.1 Khái niệm IoT 2.1.2 Các đặc trưng hệ thống IoT 2.2 Giới thiệu vi điều khiển ESP8266 11 2.2.1 Sơ đồ chân 12 2.2.2 Thông số phần cứng 14 2.2.3 SĐK hỗ trợ từ hãng sản xuất 15 2.2.4 Board mạch phát triển UNO WEMOS D1 ESP8266 16 Chương THIẾT KẾ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 20 3.1 Cài đặt NodleMCU ESP8266 Wifi 20 3.2 Thêm thư viện Blynk cho Aduino IDE 21 3.3 Tạo tài khoản Blynk 27 3.4 Sơ đồ khối hệ thống 32 3.5 Khối nguồn 32 3.6 Khối xử lý trung tâm 33 3.7 Khối điều khiển thiết bị 34 3.8 Khối điều khiển trung tâm 35 3.10 Khối nguồn cung cấp 36 3.11 Khối tải 37 3.12 Mơ hình điều khiển thiết bị qua mạng Wifi dùng vi điều khiển ESP8266 38 3.13 Hướng dẫn sử dụng mơ hình 39 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 455 4.1 Kết luận 455 4.2 Hướng phát triển 455 C TÀI LIỆU THAM KHẢO 466 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 SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1 Sơ đồ chân vi điều khiển ESP8266 12 Hình 2.2 Sơ đồ khối vi điều khiển ESP8266 14 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý giao tiếp phần cứng VĐK ESP8266 15 Hình 2.4 Board phát triển WEMOS D1 R2 18 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 32 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn DC 32 Hình 3.3 Khối xử lý trung tâm 33 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối Relay DPDT 34 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối Relay SSR 35 Hình 3.6 Khối điều khiển trung tâm dùng Board Wemos D1 35 Hình 3.7 Module điều khiển thiết bị dùng Relay tiếp điểm 36 Hình 3.8 Module điều khiển thiết bị dùng Relay SSR 36 Hình 3.9 Khối cấp nguồn AC 37 Hình 3.10 Khối cấp nguồn DC 37 Hình 3.11 Khối tải đèn 38 Hình 3.12 Mơ hình hồn chỉnh 38 Hình 3.13 Giao diện điều khiển điện thoại Error! Bookmark not defined.2 Chương 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 thông 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 công nghiệp 4.0 “Internet vạn vật” (Internet of things-IoT) 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 chuyên 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 công nghệ điều khiển giọng nói (như Siri) Nhiều thiết bị thơng minh cho phép người dùng nhập văn trực tiếp cách đọc thông 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 Hiện giới có nhiều cơng trình nghiên cứu IoT điều khiển có nhiều ứng dụng đáng kể lĩnh vực Tuy nhiên, so với yêu cầu thực tế chưa đủ Ở Việt Nam, IoT vấn đề mẻ Thực tế cho thấy rằng, xã hội phát triển mạnh, yêu cầu thiết bị công nghệ cao Như vậy, IoT mảnh đất màu mỡ cho trung tâm nghiên cứu, công ty đầu tư vào Nhất giai đoạn hệ thống nhúng phát triển mở kỷ nguyên cho ngành công nghệ phần mềm Nhiệm vụ đề tài 1.2.1 Yêu cầu đề tài 1.2 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++ 1.2.2 Nội dung cần thực 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 1.3 Mục tiêu đề tài - Thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điện qua mạng không dây - Biên soạn tài liệu giảng dạy phù hợp với sản phẩm 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài - Vi mạch ESP8266, phần mềm Blynk, kết hợp giao thức IFTTT ngơn ngữ lập trình C++ 1.5 Các phương pháp nghiên cứu sử dụng để nghiên cứu đề tài - 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 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan IoT 2.1.1 Khái niệm IoT Internet of Things (IoT) thuật ngữ dùng để đối tượng nhận biết tồn chúng kiến trúc mang tính kết nối Đây viễn cảnh vật, vật người cung cấp định danh khả tự động truyền tải liệu qua mạng lưới mà không cần tương tác người-với-con người người-với-máy tính IoT tiến hố từ hội tụ công nghệ không dây, hệ thống vi điện tử (MEMS) Internet Cụm từ đưa Kevin Ashton vào năm 1999 Ông nhà khoa học sáng lập Trung tâm Auto-ID đại học MIT IoT cảm ứng lắp ráp tủ lạnh để ghi lại nhiệt độ, trái tim cấy ghép thể người… Hiểu đơn giản, IoT khiến vật giao tiếp với dễ dàng ưu điểm lớn “Thơng minh” khả phịng ngừa cảnh báo đâu Cụm từ Internet of things đưa Kevin Ashton vao năm 1999, tiếp sau dùng nhiều cac ấn phẩm đến từ hãng nhà phân tích Họ cho IoT hệ thống phức tạp, la lượng lớn đường liên kết máy móc, thiết bị dịch vụ với Ban đầu, IoT không mang nghĩa tự động thông minh Về sau, người ta nghĩ đến khả kết hợp hai khai niệm IoT Autonomous control lại với Nó quan sát thay đổi phản hồi với môi trường xung quanh, co thể tự điều khiển thân mà không cần kết nối mạng Việc tich hợp trí thơng minh vào IoT cịn giúp thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập va phân tích liệu điện tử người tương tác với chúng Xu hướng tất yếu tương lai,con người giao tiếp với máy móc qua mạng internet khơng dây mà khơng cần them hình thức trung gian khác Câu hỏi đặt la, điều giúp IoT“thơng minh" và“hiểu" người ? Ban đầu, người ta cho Internet vạn vật chủ yếu xoay quanh giao tiếp M2M (các thiết bị kết nối với thông qua thiết bị khác điều khiển) Nhưng hướng đến “thơng minh hóa”, không la giao tiếp M2M mà cần phải đề cập đến cac cảm biến (sensor) Và đừng lầm tưởng Sensor Cơ sở kỹ thuật IoT Thing" - vật - Internet of Things, trang trại động vật với tiếp sóng chip sinh học, xe tơ tích hợp cảm biến để cảnh báo lái xe lốp non, đồ vật tự nhiên sinh người sản xuất 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: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1,242 × ( 𝑅2 𝑅1 + 1) (1) Trong trình điều khiển tiêu hao lượng lớn, dòng 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 3.4.2 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 3.3 Khối xử lý trung tâm 33 3.4.3 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 3.4 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 34 bị công 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 J22 1 2 DEVICE 220VAC Q17 BTA12 D12 N4148 U16 MOC3020 180 RL1 VCC R R R53 D11 N4148 J13 U13 MOC3020 J23 1 2 DEVICE RL1 RL2 RL3 RL4 R43 180 R51 Q24 A1015 RL2 Q22 BTA12 RELAY Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối Relay SSR 3.5 Khối điều khiển trung tâm - Khối điều khiển trung tâm sử dụng Board phát triển WeMos D1 tích hợp vi điều khiển ESP8266 Hình 3.6 Khối điều khiển trung tâm dùng Board Wemos D1 35 3.6 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 3.7 Module điều khiển thiết bị dùng Relay tiếp điểm Hình 3.8 Module điều khiển thiết bị dùng Relay SSR 3.7 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 36 Hình 3.9 Khối cấp nguồn AC Hình 3.10 Khối cấp nguồn DC 3.8 Khối tải - Gồm tải đèn đấu dây chốt cắm, sử dụng đèn báo pha d = 26 mm, sử dụng điện áp 220 VAC 37 Hình 3.11 Khối tải đèn 3.9 Mơ hình hệ thống điều khiển thiết bị điện qua mạng khơng dây Hình 3.12 Mơ hình hồn chỉnh 3.10 Hướng dẫn sử dụng mơ hình B1: tải cài phần mềm Blynk vào điện thoại 38 B2: ứng dụng phần mềm Blynk, đăng ký tài khoản địa gmail, sau cung cấp mã token gmail B3: Vào phần mềm Aduino lập trình để vi mạch ESP8266 nhận diện wifi B4: Thiết kế giao diện điều khiển phần mềm Blynk B5: Đấu nối cấp nguồn cho ngõ vào ( ESP8266, module relay), đấu nối ngõ cho đèn Lưu ý: ESP8266, module SSR module relay sử dụng nguồn VDC; module đèn sử dụng nguồn 220 VAC B6: Cấp nguồn điều khiển giao diện phần mềm Blynk 3.11 Bài tập ứng dụng Thiết kế giao diện điều khiển theo yêu cầu sau On 1: công tắc điều khiển tắt mở đèn On 2: công tắc điều khiển tắt mở đèn On 3: công tắc điều khiển tắt mở đèn OFF : nút nhấn điều khiển tắt mở đèn Các bước thực sau B1: tải cài phần mềm Blynk vào điện thoại B2: ứng dụng phần mềm Blynk, đăng ký tài khoản địa gmail, sau cung cấp mã token gmail Để sử dụng App Blynk cần phải đăng ký tài khoản Ở có cách đăng ký Facebook tạo tài khoản (Create New Account) 39 - Nhập thông tin tài khoản Gmail Rồi nhấn Sign Up để tiến hành đăng ký - Sau đăng ký hoàn thành, tiến hành tạo Project - Click vào dấu cộng (+) công cụ để tiến hành tạo Project - Click vào Create để hoàn tất việc tạo 40 - Blynk cấp mã chứng thực Token, mã gửi trực tiếp vào Gmail đăng ký Mã Token dùng để lập trình cho ứng dụng Blynk B3: Vào phần mềm Aduino lập trình để vi mạch ESP8266 nhận diện wifi B4: Thiết kế giao diện điều khiển phần mềm Blynk - Để Bật/Tắt thiết bị cần có nút bấm để điều khiển Vào Widget Box (+) > Click vào Button để lấy nút nhấn 41 Click vào Button để tiến hành cài đặt thông số - Ở mục Button: Đặt tên cho nút nhấn - OUTPUT: Cấu hình cho PIN cần kết nối, chọn Digital > gp16 (chân có LED tích hợp board mạch sẵn) - MODE: có chế độ PUSH (nhấn thả) SWITCH (nhấn giữ) - ON/OFF LABELS: Thay đổi chế đọ hiển thị cho nút nhấn - DESIGN: Ở phần điều chỉnh màu sắc nút nhấn 42 Muốn điều khiển thiết bị ta tạo giao diện gồm nhiêu nút nhấn B5: Đấu nối cấp nguồn cho ngõ vào ( ESP8266, module relay), đấu nối ngõ cho đèn Lưu ý: ESP8266, module SSR module relay sử dụng nguồn VDC; module đèn sử dụng nguồn 220 VAC B6: Cấp nguồn điều khiển giao diện phần mềm Blynk 43 44 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Về hoàn thành yêu cầu ban đầu đề tài đề Trên sở nghiên cứu vi mạch 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 không dây Tác giả xây dựng hồn chỉnh mơ hình hệ thống điều khiển thiết bị điện qua mạng không dây Từ ứng dụng vào cơng tác giảng dạy cho sinh viên ngành Kỹ thuật điện-đện tử, Điện công nghiệp trường Cao đẳng Cơng nghệ Thủ Đức 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 Mơ hình thiết kế với khối chức kết nối jack cắm có tính an tồn, thẫm mỹ thuận tiện trình dạy học 4.2 Hướng phát triển Nhằm nâng cao chất lượng cùa đề tài cần khắc phục thay đổi số yếu điểm sau: + Xây dựng mơ hình lớn hơn, điều khiển nhiều đối tượng tích hợp thêm chức điều khiển giám sát + Sử dụng thêm module bluetooth để điều khiển nơi chưa có wifi 45 C 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, 46 ICACC 2016, 2016