Tiểu luận dùng wifi điều khiển bật tắt thiết bị trong nhà

0 Nhóm thực hiện: Nhóm Huỳnh Kim Thùy: 2255120085 ( nhóm trưởng) Ngơ Thị Kim Liên: 2255120098 Từ Đoàn Trúc Quỳnh: 2255120053 Nguyễn Hoàng Nhi: 2255120094 Lưu Văn Hiển: 2255120074 Hồ Cẩm Đào: 2255120070 Lê Hà Vi: 2255120095 Dương Hà Anh: 2255120072 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình nghiên cứu hoàn thành tiểu luận “Dùng wifi điều khiển bật tắt thiết bị nhà”, lời - nhóm chúng em xin phép gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Võ Nguyên Sơn nói riêng Quý thầy cô công tác Khoa Điện- Điện Tử Học viện Hàng không Việt Nam nói chung trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm giúp đỡ nhóm chúng em hồn thành tiểu luận Qua đó, giúp nhóm chúng em có kinh nghiệm quý báu cho tương lai; đồng thời, giúp nhóm chúng em có nhìn thực tế ngành việc vận dụng lý thuyết thực tế Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế, tiểu luận chắn tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận ý kiến đóng góp từ q thầy để nhóm chúng em bổ sung nâng cao kiến thức chuyên môn để phục vụ cho cơng tác thực tế sau Nhóm chúng em xin chân thành cám ơn! LỜI CAM ĐOAN Nhóm chúng em cam đoan tiểu luận nhóm chúng em thực hiện, số liệu thông tin báo cáo dựa vào trình tìm hiểu thu thập nhóm thơng qua tài liệu cung cấp, không chép từ đề tài nghiên cứu khoa học Ngoài ra, tiểu luận có sử dụng số nguồn tài liệu tham khảo trích dẫn nguồn rõ ràng Nhóm chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm cam đoan Ngày … tháng … năm 2023 Nhóm trưởng (ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày … tháng … năm 2023 Giảng viên hướng dẫn (ký ghi họ tên) MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC ẢNH, SƠ ĐỒ CHƯƠNG I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu .10 1.3 Phương pháp nghiên cứu 10 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .10 1.5 Kết cấu báo cáo thực tập .10 CHƯƠNG TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN VÀ MƠ PHỎNG 11 2.1 Cơng nghệ WIFI 11 2.1.1 Giới thiệu WIFI 11 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 11 2.1.3 Ưu nhược điểm WIFI 12 2.1.4 Các chuẩn kết nối WiFi .14 2.2 Một sô loại điều khiển thiết bị thông minh .18 2.2.1 Điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS .18 2.2.2 Điều khiển thiết bị qua Webserver 18 2.2.3 Điều khiển thiết bị qua WiFi .19 2.3 Module ESP8266 19 2.4Tìm hiểu ARM Cortex M3 .25 2.4.1 Tổng quan ARM Cortex .25 2.4.2 Cấu trúc vi xử lý ARM Cortex M3 .26 2.4.3 Đơn vị xử lý trung tâm Cortex (Cortex CPU) 28 2.4.4 Bản đồ nhớ (Memory map) 33 2.5 Vi điều khiển STM32F103C8T6 35 2.6 LM2576 .37 2.7 IC L298 .38 2.8 LM1117 .39 2.9 Khái quát Rơ le 40 CHƯƠNG III THIẾT KẾ SẢN PHẨM .43 3.1 Tổng quan thiết kế .43 3.2 Các linh kiện dùng mạch, giả sử mạch bật tắt bóng đèn 44 3.3 Cách nối mạch .45 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN 46 DANH MỤC ẢNH, SƠ ĐỒ Hình 1.1 WIFI kết nối với thiết bị thông minh 12 Hình 1.2 Bộ phát WIFI 13 Hình 1.3 Lịch sử phát triển chuẩn wifi từ đời đầu đến hệ thứ 18 Hình 1.4 Wifi mang đến nhiều cơng nghệ tốc độ cải thiện nhiều so với chuẩn wifi tiền nhiệm .19 Hình 1.5 Hình ảnh Module ESP-01 sản xuất Ai-Thinker với chip ESP8266EX SoC 22 Hình 1.6 Sơ đồ chân module ESP-01 26 Hình 1.7 Sơ đồ chân module ESP-07 27 Hình 1.8 Các phiên cấu trúc lõi ARM .29 Hình 1.9 Cấu trúc vi xử lý ARM Cortex M3 30 Hình Cấu trúc lõi ARM Cortex M3 31 Hình 2.1 Kiến trúc đường ống ARM Cortex – M3 32 Hình 2.2 Kiến trúc nạp lưu trũ ARM Cortex – M3 33 Hình 2.3 Mơ hình lập trình của ARM Cortex – M 34 Hình 2.5 Mơ hình hoạt động chế dộ Thread Handle 36 Hình 2.6 Đồ thị biểu diễn hiệu xử lý 37 Hình 2.7 Bản đồ nhớ tuyến tính Gbyte 38 Hình 2.8 Hệ thống bus nội ARM 39 Hình 2.9 Sơ đồ chân Vi điều khiển STM32F103C8T6 41 Hình Sơ đồ cấu tạo LM2576 .42 Hình 3.1 Sơ đồ mặt L298 43 Hình 3.2 Mô tả chân L298 43 Hình 3.3 Sơ chân LM1117 44 Hình 3.4 Hình ảnh rơ le 10A 45 Hình 3.5 Sơ đồ chân Rơ le 46 Hình mơ .50 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài - Hiện giới hướng đến đại kết nối không dây, nghiên cứu phát triển IoT, khía cạnh sử dụng wifi để bật tắt thiết bị nhà Các thiết bị nhà điều khiển từ xa, đóng mở thiết bị kết nối wifi – trực tuyến - Sử dụng tín hiệu wifi để điều khiển, để truy cập từ xa vào thiết bị điện nhà thông qua ứng dụng điện thoại máy tính bảng Việc giúp người dùng linh hoạt kiểm soát, quản lý thiết bị điện từ xa họ muốn điều khiển thiết bị nhà mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp với chúng - Kết nối Wi-Fi có chức tự động hóa giúp người dùng tiết kiệm thời gian lượng Người dùng cài đặt chế độ tự động cho thiết bị điện tắt đèn vào buổi sáng hay bật quạt nhiệt độ phịng q cao Hoặc có chức tiết kiệm điện giúp giảm chi phí điện bảo vệ mơi trường Người dùng đặt thời gian chạy cho thiết bị điện cài đặt chế độ tiết kiệm điện để giảm thiểu mức tiêu thụ điện không cần thiết - Việc kết nối wifi để điều khiển thiết bị giải pháp thiết thực hiệu cho việc điều khiển thiết bị điện nhà Với kết nối wifi điều khiển ứng dụng, người dùng dễ dàng điều khiển thiết bị điện nhà từ xa tiết kiệm thời gian, lượng Đặc biệt, tính tự động hóa, tiết kiệm lượng giúp người dùng giảm chi phí bảo vệ mơi trường - Tuy nhiên, sử dụng wifi, người dùng nên ý đến yếu tố quan trọng tính bảo mật khả tương thích với thiết bị điện Hình 2.6 Đồ thị biểu diễn hiệu xử lý 2.4.4 Bản đồ nhớ (Memory map) Bộ xử lý Cortex – M3 lõi vi điều khiển tiêu chuẩn hóa, có đồ nhớ xác định Mặc dù nhiều bus nội, đồ nhớ không gian địa Gbyte tuyến tính Bản đồ nhớ chung cho tất thiết bị dựa lõi Cortex 32 Hình 2.7 Bản đồ nhớ tuyến tính Gbyte Gbyte chia cho vùng mã vùng SRAM Khong gian mã tối ưu hóa để thực thi từ bus I – Code Tương tụ, SRAM nối đến bus D – Code Mặc dù mã nạp thực thi từ SRAM, lệnh lấy cách sử dụng bus hệ thống, nên phải chịu thêm trạng thái chờ Tức mã chạy SRAM chậm so với từ nhớ Flash chip nằm vùng mã 0.5 Gbyte vùng ngoại vi chip Mbyte gồm SRAM vùng ngoại vi định địa theo bit, sử dụng kỹ thuật gọi dải bit Từ tất SRAM thiết bị ngoại vi người dùng STM32 đjăt vùng tất vị trí nhớ vùng STM32 theo tác theo word – wide bitwise Gbyte phân cho nhớ – ánh xạ SRAM thiết bị ngoại vi 0.5 Gbute cuối phân cho thiết bị ngoại vi bên xử lý Cortex lhu vực dành cho cải tiến tương lai 2.4.5 Kiến trúc hệ thống ARM Cortex 33 ARM Cortex STM32 gồm nhân Cortex kết nối nhớ Flash thông qua đường bus lệnh chuyên biệt Các bus liệu hệ thống kết nối tới ma trận tố độ cao SRAM nội kết nối với AHB đóng vao trị DMA Các thiệt bị ngoại vi kết nối hệ thống bus ngoại vi tốc độ cao (APB – ARM) Các bus APB thông qua bus cầu nối AHB – APB kết nối vào hệ thống AHB Ma trận bus AHB sử dụng xung nhịp đồng hồ với xung nhịp nhân Cortex Tuy nhiên thông qua chia tần số AHB hoạt động tần số thấp Hình 2.8 Hệ thống bus nội ARM 2.5 Vi điều khiển STM32F103C8T6 Vi điều khiển STM32F103C8T6 họ vi điều khiển 32 bit với:  Lõi ARM COTEX M3  Tốc độ tối đa 72Mhz  Bộ nhớ: 64 kbytes nhớ Flash 20 kbytes SRAM  Bộ ADC giao diện kết nối  Lõi: ẢM 32 bit Cortex – M3  DMA: điều khiển kênh DMA  Ứng dụng: Điều khiển động cơ, thiết bị cầm tay, thiết bị y tế, ứng dụng cơng nghiệp… Chi tiết cấu hình chân: 34 Power Chân Analog - 3,3V - 5V - GND PA0-PA7, PB0-PB1 - Điện áp hoạt động đầu - Chân cấp nguồn cổng USB nguồn 5V bên - Chân nối đất Chân ADC độ phân giải 10, 12-bit Chân I / O PA0-PA15, PB0-PB15, PC13- 37 chân I / O đa chức PC15 Ngắt PA0-PA15, PB0-PB15, PC13Chân ngắt PC15 PWM PA0-PA3, PA6-PA10, PB0PB1, PB6-PB9 Giao tiếp liệu nối TX1, RX1, TX2, RX2, TX3, tiếp ( UART ) RX3 15 chân điều chế độ rộng xung Chân RTS, CTS USART SPI MISO0, MOSI0, SCK0, MISO1, MOSI1, SCK1, CS0 chân SPI CAN CAN0TX, CAN0RX Chân Bus mạng CAN I2C SCL1, SCL2, SDA1, SD2 Chân liệu I2C chân xung nhịp Đèn LED tích hợp PC13 Đèn LED thị 35 Hình 2.9 Sơ đồ chân 2.6 LM2576 LM2576 chuyển đổi điện áp DC – DC có đầu vào từ 7V – 40V đầu 5V với nguồn xung khơng liên tục LM2576 có nhiều loại với mức điện áp đầu khác nhau, LM2576 – 3.3V, LM2576 – 5V, LM2576 – 12V, LM2576 – 15V Trong dùng LM2576S – ADJ để điều chỉnh điện áp, dòng tối đa 3A, Dải điện áp đầu điều chỉnh thơng qua biến trở 1.25V – 24V Hình Sơ đồ cấu tạo LM2576 36 Trên sơ đồ cấu tạo bên LM2576 Nguyên tắc dựa theo nguồn xung Điện áp đầu điều chỉnh liên tục để đảm bảo cho điện áp đầu giá trị cố định Chân 1: chân điện áp vào Chân 2: chân điện áp Chân 3: chân nối đất Chân 4: chân phản hồi điện áp Chân 5: điều khiển ON/OFF nguồn 2.7 IC L298 IC L298 IC tích hợp nguyên khối gồm mạch cầu H bên Với điện áp làm tăng công suất đầu từ 5V – 47V, dòng điện lên đến 4A, L298 thích hợp ứng dụng cơng suất nhỏ đông DC loại vừa… chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 nối với chân 5, 7, 10, 12 L298 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển chân OUTPUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với chân INPUT) nối với chân 2, 3, 13, 14 L298 Các chân nối với động Hai chân ENA ENB dung để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, mức logic “0” mạch cầu H khơng hoạt động Hình 3.1 Sơ đồ mặt L298 37 Hình 3.2 Mô tả chân L298 2.8 LM1117 LM1117 dịng IC ổn áp tuyến tính sụt thấp Nó có giá trị sụt 1,2V dòng tải 800mA Ở sụt thấp có nghĩa thiết bị điều chỉnh điện áp điện áp đầu vào gần với điện áp đầu IC có phiên điều chỉnh, đặt điện áp đầu từ 12,5 V đến 13,6V cách sử dụng hai điện trở bên ngồi Hình 3.3 Sơ đồ chân LM1117 38 Số chân Tên chân Mô tả Adj / Ground Chân điều chỉnh điện áp đầu ra, ổn áp cố định đóng vai trị mass Output Điện áp đầu điều chỉnh đặt chân điều chỉnh lấy từ chân Input Điện áp đầu vào điều chỉnh cấp cho chân Bộ ổn áp tuyến tính cực cố định điều chỉnh Loại điện áp cố định: 1.8V, 2.5V, 3.3V 5V Phạm vi điện áp thay đổi: 1,25V đến 13,8V Dòng điện đầu 800mA Tích hợp giới hạn dịng điện bảo vệ nhiệt Nhiệt độ lớp tiếp giáp hoạt động 125 ° C Gói TO-220, SOT223, TO263 2.9 Khái quát Rơ le Rơ le (relay) chuyển mạch hoạt động điện Dòng điện chạy qua cuộn dây rơ-le tạo từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi cơng tắc chuyển mạch Dịng điện qua cuộn dây bật tắt, rơ-le có hai vị trí chuyển mạch qua lại Rơ le sử dụng phổ biến bo mạch điều khiển tự động, chuyên dụng để đóng cắt dòng điện lớn mà hệ thống mạch điều khiển khơng thể trực tiếp can thiệp người ta sử dụng rơ le để đóng cắt dịng điện cao rơ le có nhiều hình dáng kích thước chân cắm khác 39 Hình 3.4 Hình ảnh rơ le 10A Hình 3.5 Sơ đồ chân Rơ le Rơ le sẽ có hai loại trạng thái ON (mở) OFF (tắt) Rơ le có chân SRD – 12V DC loại linh kiện đóng ngắt điện đơn giản: chân dùng để kích  +: cấp hiệu điện kích tối ưu  -: nối với cực âm  S: chân tín hiệu, tùy vào loại module rơ le mà làm nhiệm vụ kích rơ le 40 Chân nối với cuộn hút, ki có điện vào cuộn hút hút tiếp điểm chuyển từ vị trí xuống tiếp điểm Chân đặt điện áp Chân tiếp điểm Chức công dụng:  Rơ le dùng để chuyển mạch nhiều dòng điện, điện áp sang tải khác Bằng cách sử dụng tín hiệu điều khiển  Tách mạch điều khiển khỏi mạch tải mạch cấp điện AC khỏi mạch cấp điện DC  Rơ le sẽ theo dõi, giám sát hệ thống an tồn cơng nghiệp ngắt điện cho máy móc đảm bảo độ an tồn  Một số loại rơ le có thể cung cấp chức logic đơn giản ‘AND,’ ‘NOT,’ ‘OR’ cho điều khiển khóa liên động an tồn  Phân theo nguyên lý làm việc:  Rơ le trung gian  Rơ le điện tử  Rơ le nhiệt Phân theo nguyên lý tác động cấu chấp hành:   Phân theo đặc tính tham số vào: rơ le dịng điện, rơ le cơng suất, rơ le tổng trở,…  Phân loại theo cách mắc cấu:  Rơ le theo cách mắc cấu sơ cấp: Mắc trực tiếp vào mạch điện cần bảo vệ  Rơ le theo cách mắc cấu thứ cấp: Mắc vào mạch qua biến áp đo lường hay biến dòng điện 41 CHƯƠNG III THIẾT KẾ SẢN PHẨM 3.1 Tổng quan thiết kế  Dưới danh sách để tạo hệ thống điều khiển thiết bị WiFi bản:  Vi điều khiển với Wi-Fi tích hợp (ví dụ: ESP8266 ESP32): ESP8266 ESP32 vi điều khiển có khả kết nối Wi-Fi thích hợp cho ứng dụng IoT  Relay Module: Relay giúp bạn điều khiển thiết bị có nguồn điện lớn với mức điện áp nhỏ từ vi điều khiển  Dây Kết nối: Sử dụng dây để kết nối ESP8266 ESP32, relay,  Nguồn điện: Một nguồn điện dự phòng để cung cấp nguồn cho vi điều khiển relay  Cảm biến Nhiệt Độ Độ Ẩm (tùy chọn): Nếu muốn mở rộng hệ thống, thêm cảm biến nhiệt độ độ ẩm để thu thập liệu môi trường  Cảm biến Chuyển Động (tùy chọn): Một cảm biến chuyển động sử dụng để kích hoạt bóng đèn có người vào khu vực  Thiết bị điều khiển từ xa Ứng dụng di động: Có thể tích hợp thiết bị điều khiển từ xa sử dụng ứng dụng điện thoại thông minh Một số app sử dụng để điều khiển qua điện thoại máy tính Blynk, Era …  Chân nối Module PCB (tùy chọn): Nếu muốn tạo hệ thống có bố cục gọn gàng, bạn sử dụng chân nối module PCB để làm tổ chức kết nối  Antenna (tùy chọn): Đối với kết nối Wi-Fi ổn định, bạn sử dụng anten ngoại vi vi điều khiển hỗ trợ  Điện thoại Máy tính: Để cấu hình điều khiển hệ thống  Mơi trường Phần mềm: phần mềm firmware cho vi điều khiển Arduino IDE, PlatformIO trình biên dịch khác sử dụng để viết mã 3.2 Các linh kiện dùng mạch, giả sử mạch bật tắt bóng đèn A Esp8266 Đặc điểm Chính: Tích Hợp Wi-Fi: 42 ESP8266 thiết kế với tính tích hợp Wi-Fi, cho phép kết nối với mạng khơng dây truy cập internet Vi Xử Lý: ESP8266 có vi xử lý Tensilica L106 có tốc độ xung nhịp lên đến 160 MHz Nó có ngăn xếp ghi đa nhiệm để hỗ trợ ứng dụng đòi hỏi xử lý đa luồng Bộ Nhớ Flash tích Hợp: Đa số phiên ESP8266 có nhớ Flash tích hợp để lưu trữ chương trình liệu GPIO (General Purpose Input/Output) Pins: ESP8266 cung cấp số chân GPIO, giúp kết nối với thiết bị ngoại vi cảm biến, relay, nhiều linh kiện khác UART, I2C, SPI: Hỗ trợ giao thức giao tiếp phổ biến UART, I2C, SPI, giúp kết nối với thiết bị ngoại vi Ổ Đĩa ADC (Analog-to-Digital Converter): Có ADC tích hợp cho phép đo lường giá trị analog, chẳng hạn từ cảm biến nhiệt độ độ ẩm Deep Sleep Mode: ESP8266 hỗ trợ chế độ "deep sleep" để tiết kiệm lượng, phù hợp cho ứng dụng IoT yêu cầu hiệu suất lượng cao b,Relay 5V Relay sử dụng để chuyển đổi nguồn điện cho bóng đèn Relay giúp bạn điều khiển thiết bị có nguồn điện lớn với mức điện áp nhỏ(5v) từ vi điều khiển c Transistor NPN 2SC1815 Transistor NPN hoạt động cơng tắc điện tử, giúp điều khiển dịng điện lớn (từ nguồn VCC đến thiết bị điều khiển) dòng điện nhỏ từ vi điều khiển Điều làm cho mạch điều khiển trở nên linh hoạt an toàn cho vi điều khiển nhỏ ESP8266 d L7805 Sử dụng L7805 mạch để cung cấp nguồn điện ổn định 5V L7805 loại linh kiện điện tử gọi ổn áp tuyến tính (linear voltage regulator) 43 3.3 Cách nối mạch -2 chân D1,D2 nối với điện trở 1k nối với chân D1,D2 esp8266,chân Vin esp8266 nối với nguồn 24v CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN 44 Bài luận văn trình bày nhìn tổng quan việc sử dụng Wi-Fi để điều khiển thiết bị nhà Chúng xem xét ưu điểm nhược điểm công nghệ này, tiềm thách thức mà mang lại Bật tắt thiết bị nhà Wi-Fi tiện lợi linh hoạt mà mang lại Người dùng điều khiển thiết bị từ xa thơng qua ứng dụng điện thoại di động máy tính, mà khơng cần phải tiếp cận trực tiếp vật lý thiết bị Điều mang lại thuận tiện tiết kiệm thời gian cho người dùng Ngoài ra, việc bật tắt thiết bị nhà Wi-Fi có tiềm tiết kiệm lượng Tuy nhiên, nhận thấy việc bật tắt thiết bị nhà Wi-Fi có nhược điểm thách thức Ngồi ra, gặp phải vấn đề kỹ thuật tương thích sử dụng Wi-Fi để điều khiển thiết bị từ xa Sự không ổn định kết nối Wi-Fi không tương thích thiết bị hệ thống điều khiển gây khó khăn cho người dùng làm giảm hiệu suất công nghệ Tổng quát lại, việc bật tắt thiết bị nhà Wi-Fi có tiềm mang lại nhiều lợi ích tiện lợi tiết kiệm lượng Trong tương lai, với phát triển Internet of Things (IoT) công nghệ kết nối không dây, việc bật tắt thiết bị nhà Wi-Fi trở thành phần thiếu sống hàng ngày người 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO https://viettuans.vn/wifi-la-gi https://www.topzone.vn/tekzone/wifi-la-gi-1518841 https://switch.vn/6-uu-diem-va-nhuoc-diem-cua-wifi-han-che-va-loi-ich-cuamang-wifi/ https://viettuans.vn/cac-chuan-wif https://atpro.com.vn/ https://ladigi.vn/esp8266-la-gi-chi-tiet-ve-esp8266-moi-nhat-2021 https://lkcg.vn/modun-wifi-esp8266-esp-07s https://www.st.com/content/st_com/en/arm-32-bit-microcontrollers/armcortex-m3.html https://khuenguyencreator.com/tong-quan-ve-vi-xu-ly-arm-cortex-m3-m4-m7m9/ https://hocarm.org/esp8266-cho-nguoi-khong-biet-gi/#T%C3%ADnhn %C4%83ng https://www.thuvientailieu.vn/ https://dientutuonglai.com/tim-hieu-lm1117.html https://mecsu.vn/ho-tro-ky-thuat/ic-dieu-khien-dong-co-dc-l298n.oa6 46