TỔNG QUAN
Giới thiệu
Công nghệ Internet of Things (IoT) và cảm biến không dây đang ngày càng được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến, phục vụ cho nghiên cứu, giải trí, sản xuất và kinh doanh Mặc dù khái niệm IoT và cảm biến không dây đã trở nên quen thuộc và được ứng dụng rộng rãi tại các nước phát triển, ở Việt Nam, chúng vẫn chưa được áp dụng phổ biến do các yếu tố kỹ thuật, kinh tế và nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, công nghệ này hứa hẹn sẽ là một lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng cho sự phát triển trong tương lai.
Trong bối cảnh nhu cầu giám sát và điều khiển thiết bị điện từ xa ngày càng tăng cao, việc ứng dụng IoT để theo dõi các thông số như điện áp và dòng điện qua Internet trở nên thiết thực Thiết bị giám sát và điều khiển từ xa cho phép người dùng quản lý các thiết bị như đèn và động cơ từ phòng điều khiển trung tâm, tiết kiệm thời gian và công sức khi không cần đến từng tủ điện Chính vì những lợi ích này, nhóm chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị thông qua WiFi”.
Mục tiêu đề tài
Hệ thống điều khiển thiết bị đèn và giám sát dòng điện qua WiFi được thiết kế và thi công với khả năng điều khiển bật/mở các bóng đèn trong khuôn viên rộng lớn Hệ thống này không chỉ đảm bảo hoạt động ổn định mà còn thực hiện các lệnh một cách nhanh chóng, giúp giám sát hiệu quả hoạt động của thiết bị.
Giới hạn đề tài
- Mô hình hoạt động ổn định phụ thuộc vào độ bao phủ của sóng WiFi
- Tốc độ dữ liệu truyền phụ thuộc vào WiFi
- Chỉ giao tiếp khi kết nối vào mạng WFi.
Nội dung nghiên cứu
Đề tài được thực hiện gồm có những nội dung chính sau:
- Nội dung 1: Đọc các tài liệu tham khảo, tóm tắt các hướng đề tài
- Nội dung 2: Tìm hiểu cách thức hoạt động của các loại board
- Nội dung 3: Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý toàn mạch
- Nội dung 4: Tính toán, thiết kế mô hình sử dụng board arduino, module và động cơ có sẵn trên thị trường
- Nội dung 5: Thiết kế giao diện điều khiển trên website
- Nội dung 6: Thiết kế mô hình và chạy thử sản phẩm
- Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện
- Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.
Bố cục
Chương này giới thiệu lý do chọn đề tài nghiên cứu, xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đồng thời nêu rõ các giới hạn thông số và bố cục của đồ án.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghệ WiFi
WiFi, viết tắt của Wireless Fidelity, là mạng kết nối không dây sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu, tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio Hiện nay, hầu hết các thiết bị điện tử như máy tính, laptop, điện thoại và máy tính bảng đều hỗ trợ kết nối WiFi.
Hình 2.1 Các thiết bị kết nối WiFi
WiFi dựa trên các tiêu chuẩn kết nối IEEE 802.11, chủ yếu hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh trong khoảng cách 100 feet (khoảng 31 mét) Ban đầu, WiFi được phát triển để thay thế Ethernet, nhưng hiện nay đã trở thành công nghệ phổ biến, cung cấp kết nối giữa các thiết bị.
Khác với máy thu FM trong ô tô, WiFi giao tiếp chủ yếu qua hai băng tần radio với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và phạm vi phát sóng ngắn hơn.
Hai loại radio cho phép người dùng tải dữ liệu từ Internet và upload thông tin, bao gồm cả địa chỉ submit, thông qua giao tiếp hai chiều của trình duyệt WiFi phức tạp hơn so với vô tuyến mặt đất, vì nó sử dụng giao thức kết nối Internet để giao tiếp Ngôn ngữ hiện đại của Internet đã tạo ra cấu trúc cho WiFi.
2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của WiFi Để có được sóng WiFi chúng ta cần có bộ thu phát WiFi – chính là các thiết bị như modem, router Đầu vào, tín hiệu Internet nguồn (được cung cấp bởi các đơn vị ISP như FPT, VNPT, Viettel, …) Thiết bị modem, router sẽ lấy tín hiệu Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển thanh tín hiệu vô tuyến, và gửi đến các thiết bị sử dụng như Smartphone, laptop, máy tính bảng, … Đây là quá trình nhận tín hiệu không dây (hay còn gọi là Adapter) chính là card WiFi trên laptop, điện thoại,…và chuyển hóa thành tín hiệu Internet Qúa trình này có thể thực hiện ngược lại nghĩa là router, modem nhận tín hiệu từ Adapter và giải mã chúng gửi qua Internet
Hình 2.2 Mô hình thu phát WiFi
Kết nối Wifi mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm tính tiện dụng và gọn nhẹ so với kết nối bằng cáp RJ45 truyền thống Người dùng có thể truy cập Internet ở bất kỳ vị trí nào trong vùng phủ sóng của Router Wifi, giúp tăng cường tính linh hoạt Ngoài ra, mạng Wifi dễ dàng sửa đổi và nâng cấp, cho phép tăng băng thông và số lượng người dùng mà không cần thay đổi Router hay dây cắm Một ví dụ điển hình là các Router Wifi được lắp đặt trên xe khách đường dài, cho phép người dùng duy trì kết nối khi di chuyển Hơn nữa, tính bảo mật của mạng Wifi cũng tương đối cao, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Mạng Wifi, mặc dù có nhiều ưu điểm, vẫn tồn tại một số nhược điểm khó khắc phục Đầu tiên, phạm vi kết nối của mạng Wifi hạn chế; khi di chuyển xa khỏi router, tín hiệu sẽ yếu dần Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng Repeater hoặc Access Point, nhưng giá thành của chúng thường cao Thêm vào đó, vấn đề băng thông cũng là một nhược điểm lớn; khi có nhiều người kết nối, tốc độ truy cập sẽ giảm đáng kể.
2.1.4 Các chuẩn kết nối WiFi
Hình 2.3 Các chuẩn kết nối WiFi
Vào năm 1997, IEEE đã giới thiệu chuẩn mạng không dây đầu tiên mang tên 802.11, với tốc độ hỗ trợ tối đa chỉ đạt 2 Mbps và hoạt động trên băng tần 2.4GHz.
Vào tháng 7 năm 1999, chuẩn 802.11b được giới thiệu, cho phép tốc độ truyền dữ liệu đạt tới 11Mbps Chuẩn này hoạt động trên băng tần 2.4GHz, do đó dễ bị nhiễu từ các thiết bị điện tử khác.
Chuẩn 802.11a được phát triển để hoạt động ở tần số 5GHz, giúp giảm thiểu nhiễu từ các thiết bị khác Tốc độ xử lý của chuẩn này đạt 54 Mbps, mang lại hiệu suất cao trong việc truyền tải dữ liệu.
Mbps tuy nhiên chuẩn này khó xuyên qua các vách tường và giá cả của nó hơi cao
Chuẩn 802.11g có phần hơn so với chuẩn b, tuy nhiên nó cũng hoạt động ở tần số
2.4GHz nên vẫn dễ nhiễu Chuẩn này có thể xử lý tốc độ lên tới 54 Mbps
Ra mắt vào năm 2009, chuẩn kết nối 802.11n hiện là chuẩn phổ biến nhất nhờ ưu điểm vượt trội so với chuẩn b và g Chuẩn này hỗ trợ tốc độ tối đa lên đến 300Mbps và có khả năng hoạt động trên cả băng tần 2,4 GHz và 5 GHz.
Chuẩn kết nối này đã và đang dần thay thế chuẩn 802.11g với, phạm vi phát sóng lớn hơn, tốc độ cao hơn và giá hợp lý
Chuẩn IEEE 802.11ac, được giới thiệu vào đầu năm 2013, hoạt động ở băng tần 5 GHz và mang đến trải nghiệm tốc độ cao nhất lên đến 1730 Mbps cho người dùng.
Do giá thành cao, các thiết bị phát tín hiệu cho chuẩn này chưa phổ biến, dẫn đến việc tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị phát bị hạn chế.
Chuẩn 802.11ad Được giới thiệu năm 2014, chuẩn wifi 802.11ad được hỗ trợ băng thông lên đến
Chuẩn 70 Gbps hoạt động ở dải tần 60GHz, nhưng nhược điểm lớn là sóng tín hiệu khó xuyên qua các bức tường Điều này có nghĩa là nếu router bị khuất khỏi tầm nhìn, thiết bị sẽ không còn kết nối với Wifi.
Wi-Fi 6 là phiên bản mới nhất của chuẩn mạng không dây, dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11ax Công nghệ này mang lại tốc độ nhanh hơn, dung lượng lớn hơn và hiệu suất năng lượng cải thiện so với các kết nối không dây trước đây Wi-Fi 6 chính thức được áp dụng từ năm 2019.
Một số loại điều khiển thiết bị thông minh
2.2.1 Điều khiển thiết bị qua webserver
Hình 2.5 Điều khiển thiết bị thông qua Webserver
Người điều khiển có khả năng vận hành hệ thống từ xa thông qua điện thoại hoặc máy tính bảng có kết nối Internet, cho phép gửi tín hiệu đến bộ điều khiển một cách hiệu quả.
Việc điều khiển thiết bị đèn từ xa mang lại sự tiện lợi tối đa, giúp giảm bớt công sức lao động khi không cần phải đi đến từng khu vực để bật đèn Chỉ cần có kết nối Internet, người dùng có thể dễ dàng bật đèn và theo dõi hoạt động của toàn bộ hệ thống từ bất kỳ đâu.
Hệ thống kết nối WiFi phụ thuộc vào server mạng bên ngoài, do đó nếu mất kết nối Internet, các kịch bản phức tạp giữa các thiết bị sẽ ngừng hoạt động cho đến khi Internet được khôi phục.
- Hệ thống phụ thuộc vào WiFi số lượng thiết bị nhiều dễ gây ngẽn mạng, hệ thống hoạt động kém ổn định.
Websocket
WebSocket là giao thức cho phép giao tiếp hai chiều giữa client và server, tạo ra kết nối để trao đổi dữ liệu Giao thức này hoạt động trên TCP thay vì HTTP Dù chủ yếu được thiết kế cho ứng dụng web, lập trình viên có thể áp dụng WebSocket trong nhiều loại ứng dụng khác nhau.
WebSocket là một giao thức giao tiếp hai chiều hiệu quả, cho phép truyền tải dữ liệu với độ trễ thấp và khả năng xử lý lỗi tốt Công nghệ này thường được áp dụng trong các ứng dụng yêu cầu cập nhật thời gian thực, chẳng hạn như trò chuyện, hiển thị biểu đồ và thông tin chứng khoán.
Giao thức chuẩn thông thường của WebSocket là ws:// , giao thức secure là wss:// Chuẩn giao tiếp là String và hỗ trợ buffered arrays và blobs
Bảng 2.1: Các thuộc tính Websocket
THUỘC TÍNH MÔ TẢ readyState Diễn tả trạng thái kết nối Nó có các giá trị sau:
Giá trị 0: kết nối vẫn chưa được thiết lập (WebSocket.CONNECTING)
Giá trị 1: kết nối đã thiết lập va có thể giao tiếp (WebSocket.OPEN)
Giá trị 2: kết nối đang qua handshake đóng (WebSocket.CLOSING)
Giá trị 3: kết nối đã được đóng (WebSocket.CLOSED) bufferedAmount Biểu diễn số byte của UTF-8 ma đã được xếp hang bởi sử dụng phương thức send()
Bảng 2.2: Các sự kiện Websocket
SỰ KIỆN EVENT HANDLER MÔ TẢ open onopen Khi một WebSocket chuyển sang trạng thái mở,
The "onopen" event is triggered when a WebSocket connection is established The "onmessage" event occurs when the WebSocket receives data from the server The "onerror" event handles any communication errors that may arise Finally, the "onclose" event signifies that the connection has been closed.
“onclose” có ba tham số la “code”, “reason”, va
Giới thiệu phần cứng
Hiện nay, vi điều khiển ESP8266 đang được ưa chuộng trong nhiều ứng dụng làm bộ xử lý trung tâm Sau quá trình khảo sát và thử nghiệm, tôi nhận thấy rằng ESP8266 là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng điều khiển các thiết bị thông qua WiFi, đáp ứng tốt các nhu cầu hiện tại.
ESP8266 là một vi điều khiển mạnh mẽ, cho phép người dùng điều khiển các thiết bị điện tử một cách dễ dàng Với tính năng tích hợp Wi-Fi 2.4GHz, nó trở thành công cụ lý tưởng cho các dự án lập trình và kết nối Internet of Things (IoT).
Hình 2.8 Module Node MCU ESP8266
Hình 2.9 Sơ đồ chân MCU ESP8266
- WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n
- Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB
- Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)
- Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)
- Giao tiếp: Cable Micro USB (tương đương cáp sạc điện thoại)
- Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2
- Tích hợp giao thức TCP/IP
- Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, …
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cảm biến dòng như ACS712, WCS1800, nhưng nhóm em đã chọn module cảm biến dòng ZMCT103 vì tính phổ biến và dễ dàng áp dụng vào các mô hình sử dụng cho dòng điện công suất nhỏ.
Hình 2.12: Cảm biến dòng ZMCT103
Adruino IDE
Arduino là nền tảng mã nguồn mở bao gồm cả phần cứng và phần mềm Phần cứng của Arduino bao gồm các board mạch với hơn 300.000 loại cảm biến và linh kiện khác nhau Phần mềm Arduino cho phép người dùng linh hoạt sử dụng các cảm biến và linh kiện tùy theo nhu cầu Để lập trình cho các board mạch Arduino, người dùng chỉ cần tải xuống và cài đặt phần mềm Arduino IDE.
Arduino IDE là một ứng dụng đa nền tảng được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình Java Ngôn ngữ lập trình cho các dự án Arduino chủ yếu sử dụng C hoặc C++ Arduino IDE tích hợp thư viện phần mềm gọi là "wiring", giúp đơn giản hóa quá trình lập trình Ứng dụng này thường được sử dụng rộng rãi trong các dự án tự động hóa, robot và xe tự hành để lập trình cho vi điều khiển.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Giới thiệu
Trong chương này, nhóm sẽ thiết kế và tính toán hệ thống điều khiển thiết bị bằng hai phương pháp: thông qua WiFi và khi không kết nối được với WiFi hoặc Server Hệ thống cũng cho phép giám sát thông tin ra vào qua ứng dụng và hộp Server Quá trình này bao gồm hai phần chính: thiết kế sơ đồ khối hệ thống và tính toán thiết kế mạch.
Tính toán và thiết kế phần cứng
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Để thuận tiện cho việc thiết kế cũng như điều khiển, giao tiếp Nhóm đã chọn phương pháp thiết kế từng khối rồi kết nối chúng lại với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh điều này giúp tiết kiệm thời gian nghiên cứu và đảm bảo hệ thống có thể đáp ứng được những yêu cầu đã đề ra Nhóm đã thiết kế sơ đồ khối của hệ thống bao gồm 8 khối: khối hiển thị, khối Server, khối Client, khối tín hiệu, khối nguồn, khối thiết bị, khối nút nhấn, khối cảm biến Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả như trong hình 3.1
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống
- Khối nguồn: cung cấp nguồn cho các khối hoạt động
- Khối hiển thị: nhận dữ liệu từ khối Server để hiển thị giá trị lên LCD
Khối Server đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ hệ thống, chịu trách nhiệm thu nhận và xử lý thông tin từ khối Client Đồng thời, khối này cũng truyền tín hiệu điều khiển đến khối Client để quản lý các thiết bị trong hệ thống.
- Khối Client: có chức năng tiếp nhận và xử lý các tín hiệu từ Server điều khiển các thiết bị
- Khối tín hiệu: báo hiệu những Client đã được kết nối với Server
- Khối nút nhấn: thay đổi các giá trị đặt, reset mạch, cho phép hoặc không cho phép mạch hoạt động
- Khối cảm biến: đọc giá trị dòng điện gửi về Server xử lý
- Khối thiết bị: thực thi các lệnh khi nhận tín hiệu từ Server
3.2.2 Tính toán và thiết kế sơ đồ mạch a Thiết kế khối xử lý trung tâm
Khối Server là phần quan trọng nhất của hệ thống, có nhiệm vụ thu thập và xử lý tín hiệu để điều khiển các khối khác Tất cả hoạt động của hệ thống đều thông qua khối Server này Để xử lý khối lượng tác vụ lớn, thiết bị cần phải nhanh, mạnh và có kích thước nhỏ gọn Trên thị trường có nhiều module như Arduino Uno, Arduino ESP32 và Arduino Mega Nhóm đã chọn board Arduino ESP8266 làm khối xử lý trung tâm vì nó nhỏ gọn, phổ biến, ổn định và có giá thành hợp lý, đáp ứng đủ yêu cầu của hệ thống.
Sơ đồ kết nối của Arduino ESP8266 với các ngoại vi được thể hiện trong hình 3.2:
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối Server
- Các chân từ D5 đến D6: giao tiếp với 3 LED tín hiệu, báo hiệu những Client đã được kết nối
- Chân D1, D2 nối với I2C của màn hình hiển thị LCD
- Chân 5V và chân GND được được cung cấp bởi khối nguồn b Thiết kế khối Client
Khối Client đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, với nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối Server để điều khiển các thiết bị theo lệnh đã được cài đặt sẵn và thu thập dữ liệu cảm biến gửi về Server Để cải thiện giao tiếp giữa Server và Client, nhóm chúng em đã chọn ESP8266, phù hợp với chip xử lý của Server ESP8266 kết nối với nhau qua Websocket, trong đó ESP8266 được cấu hình làm Server thông qua WebsocketServer và làm Client qua WebsocketClient.
Trong trường hợp Client không thể kết nối với Server qua WiFi và không thể điều khiển từ xa, nhóm chúng tôi đã thiết kế các nút nhấn trên mỗi Client để cho phép điều khiển thiết bị bằng thủ công.
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối Client c Thiết kế khối hiển thị
Các phương án và lựa chọn
Có nhiều cách để hiển thị thông tin giá trị đếm, giá trị đặt cho mạch như dùng led
7 đoạn, màn hình TFT, LCD, GLCD…
Để đáp ứng yêu cầu xuất thông tin về dòng điện và trạng thái hoạt động của các thiết bị, tôi đã lựa chọn sử dụng màn hình LCD Giải pháp này không chỉ giúp hiển thị đầy đủ thông tin cho người sử dụng mà còn đảm bảo tính nhỏ gọn và tiết kiệm chi phí.
Sơ đồ nguyên lý và tính toán
Kết nối của các chân trong LCD:
- Ta kết nối các chân LCD với I2C chân SCL, SDA kết nối D1, D2 vi điều khiển, chân VDD nối với nguồn 5V, chân VSS nối với mass
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối LCD
19 d Thiết kế khối tín hiệu
Khôi tín hiệu có mục đích chính là hiển thị trạng thái kết nối của các Client với Server Khi Client kết nối thành công, sẽ có tín hiệu thông báo, ngược lại, nếu kết nối không thành công, sẽ không có thông báo Để thông báo các tín hiệu này, chúng ta sẽ sử dụng đèn LED.
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối khối nút nhấn với khối xử lý trung tâm e Thiết kế khối nút nhấn Client
Khối nút nhấn gồm 3 nút nhấn, 3 nút có chức năng điều khiển lần lượt 3 thiết bị, được kết nối vào các chân D1, D2, D3 của Node MCU ESP8266 Client
Tính toán điện trở kéo cho nút nhấn:
Chọn dòng vào 1 port của vi điều khiển là 0.5 mA, ta cấp nguồn 5 V từ đó ta tính được điện trở:
I = 5 V0.5 mA = 10(KΩ) Vậy dùng điện trở 10 KΩ
Để điều khiển các thiết bị như đèn AC, cần sử dụng điện 220V để kích hoạt và tắt đèn Để đảm bảo an toàn khi sử dụng, các thiết bị điện phải được cách ly với mạch điều khiển Việc chọn module relay kích 5V, như hình 3.8, giúp tách biệt nguồn điện của thiết bị ngõ ra với khối xử lý trung tâm, từ đó nâng cao tính ổn định và an toàn cho toàn bộ hệ thống.
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý Relay 5V 1 kênh
Thiết bị đèn được điều khiển thông qua Node MCU ESP8266 kết nối với module Relay 5V Khi relay được kích hoạt, tiếp điểm sẽ đóng lại, tạo thành mạch kín và cung cấp điện cho đèn hoạt động Sự kết nối giữa đèn và module relay được thể hiện trong hình 3.9.
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối khối đèn với khối xử lý trung tâm Client
Mô tả kết nối của module Relay với vi điều khiển:
- Chân DC+, DC- nối với nguồn 5V và GND
- Chân IN nối với chân D5, D6, D7 của Node MCU
- Chân COM nối với nguồn 220V
- Chân NO nối với GND
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo hoạt động ổn định Để thiết kế khối nguồn, nhóm đã tổng hợp và liệt kê các thông số về dòng điện và điện áp của các thành phần trong hệ thống, như được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Thông số, giá trị các linh kiện sử dụng
STT Tên linh kiện Số lượng Điện áp (V) Dòng điện (mA)
6 Cảm biến dòng 3 5VDC 15mA
Tổng dòng tiêu thụ (mA) 2965mA
Tổng dòng điện yêu cầu cho toàn mạch là 3,010 mA, với các mức điện áp cần dùng là 3,3V và 5V Nhóm đã chọn sử dụng Adapter 12V-2A để cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống Mạch giảm áp LM2596 sẽ hạ áp xuống 5V, trong khi nguồn 3,3V sẽ được sử dụng trực tiếp từ board Node MCU ESP8266.
Hệ thống khóa yêu cầu duy trì nguồn điện liên tục, vì vậy nhóm đã sử dụng module chuyển nguồn XH-M350, như thể hiện trong hình 3.11 Module này sẽ tự động chuyển sang nguồn phụ khi xảy ra mất điện, đảm bảo hệ thống vẫn tiếp tục hoạt động.
Hình 3.10 Module chuyển nguồn XH-M350
Khi lựa chọn pin dự phòng, nhóm đã chọn 3 viên pin BRC 18650 4200mA 3.7V để cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống Thời gian hoạt động của hệ thống khi sử dụng pin phụ thuộc vào công suất tải và dung lượng pin, được tính theo công thức: t = A.V.η P (3.2).
- t là thời gian sử dụng điện từ pin (giờ)
- A là dung lượng của pin (mA)
- V là điện áp của pin (V)
- P là công suất tải (mW)
Hệ số sử dụng pin thường là η = 0.7 Để xác định thời gian sử dụng điện từ pin, cần tính công suất tải bằng công thức P = U.I.
- P là công suất cần tính (mW)
- I là cường độ dòng điện (mA)
Dựa theo bảng 3.1 , ta có:
- I MCU = 680 mA , là dòng tiêu thụ của board Node MCU ESP8266
- I LCD = 50 mA, là dòng tiêu thụ của LCD
- I RL = 1800 mA, là dòng tiêu thụ của module relay
- I LED = 15 mA, là dòng tiêu thụ của LED
- I BT = 450 mA, là dòng tiêu thụ của nút nhấn
- I D = 15 mA, là dòng tiêu thụ của module Relay
- Mức điện áp 5V dùng cho ESP8266, màn hình LCD, Relay, nút nhấn, led
Ta có công suất tải:
P = U.I= 5.(I MCU +I LCD +I RL +I LED +I BT +I D )
Từ đó, ta có thời gian sử dụng pin: t = A.V.η P = (4200.3).3,7.0,7
Thông số được tính toán dựa trên việc hệ thống hoạt động liên tục Tuy nhiên, trong thực tế, khóa chốt điện không phải lúc nào cũng hoạt động, do đó thời gian sử dụng pin thường kéo dài hơn.
Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn được mô tả như hình 3.11
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn i Nguyên lý hoạt động của mô hình
THI CÔNG HỆ THỐNG
Giới thiệu
Trong chương này, nhóm sẽ trình bày chi tiết về quy trình thi công và lắp ráp phần cứng, cùng với việc kiểm tra chất lượng Bên cạnh đó, chúng tôi cũng sẽ giới thiệu quá trình thiết kế các lưu đồ giải thuật và phần mềm cho hệ thống.
Thi công phần cứng
Dựa trên sơ đồ nguyên lý đã thiết kế, nhóm đã tổng hợp danh sách và số lượng linh kiện cần thiết cho hệ thống thi công, được trình bày chi tiết trong bảng 4.1.
Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện sử dụng
STT Tên linh kiện Số lượng Ghi chú
1 Cảm biến ZMCT103C 3 Cảm biến dòng điện
7 Module XH-M350 1 Module chuyển nguồn
8 Module LM2596 1 Module giảm áp
9 Đế đựng pin 1 Loại đựng 3 pin
Hệ thống nhóm sẽ thi công 5 board mạch, bao gồm 1 board Server, 3 board Client và 1 board thường Dựa vào sơ đồ nguyên lý, nhóm sẽ thiết kế mạch in bằng phần mềm Proteus Mạch in của board mạch điều khiển được trình bày trong hình 4.1, trong khi mạch in của board mạch nguồn được mô tả trong hình 4.2.
Hình 4.1 Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển Server
Hình 4.2 Sơ đồ mạch in của mạch nguồn
Hình 4.3 Sơ đồ mạch in của mạch Client
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Sau khi hoàn thành thiết kế mạch in PCB, các bước tiếp theo bao gồm ủi mạch, rửa mạch, khoan mạch và hàn gắn linh kiện lên board Để đảm bảo mạch hoạt động hiệu quả, cần kiểm tra bằng mắt thường kết hợp với đồng hồ VOM, đo thông mạch và ngắn mạch các đường đồng cũng như các chân linh kiện.
37 a Board mạch điều khiển Server
Mặt trước của board mạch điều khiển bao gồm 4 khối, trong đó màn hình LCD và NodeMCU ESP8266 được gắn cố định, trong khi các module khác được kết nối thông qua các domino.
Hình 4.4 Mặt trước board mạch điều khiển Server
Hình 4.5 Mặt sau board mạch điều khiển Server
39 b Board mạch điều khiển Client
Mặt trước của board mạch điều khiển bao gồm 5 khối, trong đó NodeMCU ESP8266 được cố định và các module khác kết nối thông qua các domino.
Hình 4.6 Mặt trước board mạch điều khiển Client
Hình 4.7 Mặt sau board mạch điều khiển Client
Mặt trước của board mạch nguồn gồm có: module chuyển nguồn XH-M350, đế pin, module giảm áp LM2596 như hình 4.8
Hình 4.8 Mặt trước board mạch nguồn
Trong hình 4.9, connector nguồn 5V được kết nối với mạch điều khiển để cung cấp điện Domino tại vị trí a liên kết với board mạch điều khiển, trong khi mặt sau của board mạch nguồn có hình dạng như mô tả trong hình 4.9.
Hình 4.9 Mặt sau board mạch nguồn
Sau khi hoàn thành lắp ráp và kiểm tra mạch, nhóm tiến hành thi công mô hình cho hệ thống Đề tài yêu cầu xây dựng mô phỏng hệ thống với 4 hộp điều khiển, bao gồm 1 hộp Server và 3 hộp Client Để đảm bảo tính thẩm mỹ, nhóm sử dụng hộp nhựa có sẵn trên thị trường và điều chỉnh kích thước phù hợp, cụ thể là 160x90x57mm.
Hình 4.11.Thông số kích thước mô hình hộp Server
Hình 4.12.Thông số kích thước mô hình hộp Client.
Thi công phần mềm
4.3.1 Thiết kế giao diện điều khiển trên Web
Sử dụng web Blynk để thực hiện việc giám sát và điều khiển hệ thống Người dùng chỉ cần truy vào web blynk.cloud
Sau khi đăng nhập vào ứng dụng, người dùng chọn "Create New Project" để tạo dự án mới Tiếp theo, họ cần đặt tên cho dự án và chọn loại thiết bị điều khiển, cụ thể là ESP8266 Sau khi hoàn tất việc tạo dự án, người dùng vào "Project Setting" và chọn "Email all" để nhận mã Token qua email Mã Token này sẽ được sử dụng để lập trình cho ESP8266 kết nối với Server Blynk.
Hình 4.13 Gửi mã Token qua email Hình 4.14 Mã Token được gửi qua email
Người dùng mở bảng Widget Box để chọn các widget cần thiết cho việc điều khiển hệ thống, với widget là các module do Blynk hỗ trợ để thực hiện chức năng cụ thể khi tương tác với phần cứng Mỗi widget sử dụng sẽ tiêu tốn Energy, một đơn vị có giới hạn khi sử dụng Server miễn phí Nhóm thiết kế giao diện giám sát bao gồm 9 nút nhấn để đóng mở thiết bị, 3 LED báo hiệu và 3 cảm biến Sau khi lựa chọn và sắp xếp các widget cần thiết, người dùng cần kết nối internet để giám sát và điều khiển thiết bị.
KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
Kết quả thực hiện mô hình
Chương trình này trình bày và đánh giá kết quả mà nhóm đã đạt được sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài Kết quả bao gồm mô hình phần cứng của hệ thống, các chức năng mà hệ thống cung cấp, cũng như kết quả thiết kế ứng dụng điều khiển.
5.1.1 Mô hình phần cứng của hệ thống
Mặt trước hộp Client gồm có các nút nhấn điều khiển các thiết bị
Hình 5.1 Mặt trước của hộp Client
Mặt trước hộp Server gồm có các đèn tín hiệu và LCD được cố định hiển thị các thông tin cần thiết cho người dùng theo dõi
Hình 5.2.Mặt trước hộp Server
Toàn bộ board mạch được cố định bên trong, với board mạch điều khiển được đặt cố định trong hộp Các Relay được bố trí sát bên board mạch nguồn, tạo sự thuận tiện trong việc kết nối và vận hành Hình 5.2 minh họa cách bố trí của board mạch trong mô hình.
Hình 5.3 Bên trong hộp Client Hình 5.4 Bên trong hộp Server
5.1.2 Giao diện điều khiển của hệ thống
Giao diện của hệ thống hiển thị trên màn hình LCD, với nhiều chế độ khác nhau để thực hiện các chức năng cụ thể Trong đó, giao diện cấu hình LCD ban đầu đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập và tùy chỉnh hệ thống.
Sau khi cấp nguồn cho ESP8266 Server, hãy nhấn nút reset để đưa thiết bị trở về trạng thái ban đầu Màn hình LCD sẽ hiển thị thông tin cần thiết để người dùng có thể truy cập vào cấu hình của ESP8266 Server, như được minh họa trong hình 5.3.
Hình 5.5 Giao diện màn hình LCD ban đầu Server b Giao diện cấu hình Webserver của Server
ESP8266 Server sẽ phát WiFi, cho phép người dùng kết nối qua điện thoại hoặc máy tính bằng địa chỉ IP hiển thị trên màn hình LCD Sau đó, người dùng cần cài đặt kết nối vào mạng WiFi và nhập các thông tin cần thiết như Subnet, Gateway, IP Server và mã Token Blynk Server.
Hình 5.6 Giao diện server cấu hình WiFi và địa chỉ IP c Giao diện cấu hình Webserver của Client
ESP8266 Client hoạt động tương tự như ESP8266 Server, cho phép người dùng kết nối qua điện thoại hoặc máy tính bằng cách sử dụng địa chỉ IP hiển thị trên màn hình LCD Để thiết lập kết nối, người dùng cần kết nối vào mạng WiFi và nhập địa chỉ IP trùng với ESP8266 Server Cuối cùng, người dùng phải nhập tên thứ tự Client đã được lập trình sẵn để ESP8266 Server nhận diện Client đang kết nối.
Hình 5.7 Giao diện cấu hình và kết nối WiFi của Server d Lấy thông số địa chỉ IP của WiFi cần kết nối
Hình 5.8 Các thông số cần thiết để cấu hình cho server
54 e Giao diện khi các Client đã được kết nối với Server
Khi các Client kết nối thành công với Server thì màn hình LCD sẽ hiển thị trạng thái các thiết bị trên Client đang bật hoặc tắt, như hình 5.6
Hình 5.9 Trạng thái các thiết bị và Client được kết nối e Giao diện khi các Client đã được kết nối với Server
Hình 5.10 Trạng thái các thiết bị được gửi lên Server Blynk
Nhận xét, đánh giá
Sau khi vận hành hệ thống, nhóm đã tổng hợp bảng số liệu kết quả thực nghiệm Bảng 5.1 trình bày kết quả hoạt động của các chức năng trong hệ thống, dựa trên số lần vận hành và tỷ lệ thành công để đưa ra đánh giá chính xác.
Bảng 5.1 Số liệu thực nghiệm quá trình vận hành qua các phương án
STT Quá trình Số lần thực nghiệm Số lần thành công
2 Điều khiển trực tiếp trên Client 20 20
Dựa trên bảng số liệu về quá trình vận hành, cả hai phương án mở đều hoạt động hiệu quả Tuy nhiên, khi điều khiển qua Blynk, tín hiệu WiFi không ổn định đôi khi gây ra hiện tượng bật/tắt thiết bị không đồng đều.
Sau khi vận hành các phương án mở cửa và dựa trên số liệu thực tế từ bảng 5.1, nhóm đã đưa ra những đánh giá cụ thể về hiệu quả của các phương án này.
Để điều khiển thiết bị tại khu vực Client, người điều khiển cần đến trực tiếp vị trí của Client và nhấn các nút điều khiển tương ứng với thiết bị mong muốn.
Mở ứng dụng để điều khiển thiết bị, người dùng có thể gặp tình trạng mất kết nối ESP8266 với Server trong khoảng 5 giây, gây khó khăn trong việc bật/tắt thiết bị Để thực hiện việc này, người dùng cần có điện thoại và kết nối internet Tuy nhiên, phương pháp này tiện lợi hơn so với việc phải di chuyển đến từng thiết bị để bật/tắt.
Qua đó, ta nhận thấy được mỗi phương án đều có những ưu nhược điểm khác nhau.
Tài liệu hướng dẫn sử dụng
Bước đầu tiên là cấp nguồn cho mô hình bằng adapter 12V 2A Khi được cấp nguồn, màn hình sẽ sáng và các module sẽ bắt đầu hoạt động Hãy chờ vài giây để hệ thống ổn định trước khi tiếp tục.
Bước 2: Có thể điều khiển các thiệt bị bằng nút nhấn trực tiếp trên các board Client hoặc trên điện thoại, laptop có kết nối Internet
Nếu sử dụng nút nhấn trên các board Client: người dùng thao tác trực tiếp các board
Client trong trường hợp các Client không thể kết nối với Server, trên các board Client có
3 nút nhấn tương ứng với điều khiển 3 thiết bị
Khi sử dụng điện thoại hoặc laptop, người dùng chỉ cần mở ứng dụng Blynk trên điện thoại hoặc truy cập vào website Blynk với kết nối internet Giao diện điều khiển sẽ hiển thị các Client đã kết nối, cho phép người dùng điều khiển trực tiếp từ điện thoại hoặc laptop.
Để sử dụng WiFi trên điện thoại hoặc laptop lần đầu tiên hoặc khi đổi kết nối, bạn cần truy cập vào giao diện đăng nhập của server WiFi khu vực bằng cách nhập địa chỉ IP Sau đó, các thiết bị client cũng cần lần lượt đăng nhập vào WiFi và nhập địa chỉ tương ứng.
Khi các Client kết nối thành công với Server, chúng ta có thể theo dõi và quan sát trạng thái hoạt động của các thiết bị thông qua màn hình LED hiển thị trên Server hoặc qua ứng dụng, website Blynk.
Dự toán chi phí thi công
Dựa vào danh sách linh kiện trong bảng 4.1 và bổ sung các vật liệu cần thiết, nhóm đã tổng hợp chi tiết chi phí và linh kiện cần thiết để hoàn thiện mô hình hệ thống của đề tài, được trình bày cụ thể trong bảng 5.4.
Bảng 5.2 Chi phí cho các linh kiện, vật liệu sử dụng trong mô hình
STT Linh kiện, vật liệu Số lượng Đơn giá (vnđ)
Thành tiền (vnđ) (= Số lượng x Đơn giá)
Tổng chi phí thi công mô hình là 1,805,250 đồng, với việc sử dụng phần mềm miễn phí từ internet như Blynk, giúp tiết kiệm chi phí thiết kế Đây là một khoản đầu tư hợp lý để xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị qua kết nối WiFi không dây.
Sản phẩm của nhóm thiết kế và thi công hiện tại chỉ ở giai đoạn nghiên cứu, chưa thể áp dụng vào thực tế, do đó có mức chi phí thấp hơn so với các sản phẩm tương tự đang được bán trên thị trường.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận
Mô hình “Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị thông qua WiFi” đã hoàn thành và hoạt động hiệu quả, với tính ứng dụng cao Hệ thống sử dụng vi điều khiển NodeMCU ESP8266 để giao tiếp với các module như ZMCT103C, relay 5V, màn hình LCD và nút nhấn, đảm bảo kết nối đúng theo sơ đồ nguyên lý và hoạt động ổn định Về phần mềm, nhóm đã thiết kế các lưu đồ giải thuật và lập trình cho vi điều khiển, đồng thời tạo giao diện điều khiển cho phép đóng mở thiết bị qua điện thoại hoặc website thông qua ứng dụng Blynk.
Kết quả thực hiện đã đáp ứng các mục tiêu ban đầu của đề tài, với hệ thống hoạt động ổn định trong thời gian dài và nhiều phương án điều khiển khác nhau Người dùng có thể điều khiển thiết bị thủ công qua nút nhấn trên board hoặc thông qua điện thoại, laptop Thông tin trạng thái hoạt động của thiết bị được hiển thị trên LCD, giúp dễ dàng quan sát Tuy nhiên, khi sử dụng ứng dụng để đóng mở thiết bị, đôi khi ESP8266 mất kết nối với Server Blynk, dẫn đến việc không thể bật mở thiết bị hoặc nhận thông báo Trong tình huống này, người dùng có thể sử dụng phương án điều khiển thủ công.